美英澳地理信息科學專業研究生數據素養課程設置特點及啟示

黃秋燕，劉劍洪，鄧樹林

(南寧師范大學 1．北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室；2．地理科學與規劃學院，廣西 南寧 530001)

地理信息科學(Geographic information science，GIS)是一門處理和分析地理空間數據的科學[1]。大數據時代的來臨，傳感器技術、網絡及計算機技術的突破，空天地一體化觀測及無人機遙感、傳感器聯網觀測及手機終端、智能卡、社交媒體應用、導航系統等廣泛推廣及應用，為人類提供了海量的地球表層觀測大數據及人類行為大數據，地理大數據呈現爆炸性增長的態勢。這些地理大數據中蘊含豐富的信息，為地理學中人地關系的研究提供了新資源、新動力和新視角[2]，促進了數據驅動地學發現的第四科研范式的興起[2-4]。密集型地理大數據環境的形成，對GIS科研人員數據管理分析能力提出了更高要求，掌握數據素養知識、強化數據素養意識、加強數據素養能力對于理解與挖掘復雜時空地理大數據顯得尤其重要。GIS科研人員需要提高數據素養，才能熟稔運用各種地理大數據，挖掘地理大數據中所蘊含知識，創新科技成果。GIS研究生是創新型人才及未來科研的主力之一，數據素養成為了GIS專業研究生職業生涯與科研發展必備的基本能力之一。課程設置是GIS研究生培養的核心，在大數據時代，如何將互聯網、大數據、云計算及人工智能等新技術融入現有GIS研究生課程體系中，培養獲取、分析及創新利用時空地理大數據的思維與技能素養，值得GIS教育工作者關注。

數據素養，由網絡素養引伸而來[5]，是科學數據的采集、組織和管理、處理和分析、共享與協同創新利用等方面的能力以及在數據的生產、管理和發布過程中的道德與行為規范[6]，涉及數據意識、數據知識、數據能力及數據倫理與共享等要素[7]。在全球數據信息化背景下，數據素養已成為知識經濟社會中的公民具備的關鍵能力之一。歐盟將數據素養界定為個體終身學習的八大關鍵能力之一[8]；從國家層面，美國[9]、歐盟成員國[10]、澳大利亞[11]、中國[12]，均已出臺有關數據素養教育的綱領文件，關注數據素養教育。目前我國數據素養教育尚處于起步階段，數據素養教育主要是以大學通識課程或普適性數據管理培訓方式進行，由于不同學科領域中，知識結構及科研環境差異較大，相應地對數據知識與服務有著不同的需求[13]，因而迫切需要面向學科特點和需求的數據素養教育。部分高校雖已開始數據素養教育探索，但主要集中在教育學及圖書情報與檔案管理領域，少見專業領域的數據素養教育，特別是GIS專業研究生數據素養課程設置研究尚鮮見報道。

地理空間數據是地理信息科學研究的主要對象。在互聯網、大數據、云計算及人工智能發展的大環境下，GIS與數據科學、計算機科學之間存在很多的共同點和交叉點，因而面向GIS專業的數據素養應以地理空間數據為出發點，以地理空間數據管理、數據分析與利用、數據評價、數據安全與使用倫理為主要內容，以解決人地關系中的實際問題為落腳點。因此，面向GIS專業的數據素養是理解地理空間數據，獲取、管理、分析及評價地理空間數據，并從中獲取信息解決實際問題的一種能力。美歐等發達國家已形成了比較成熟的數據素養培養環境及方法，尤其是GIS研究生數據素養教育。鑒此，本文從權威性2020QS(Quacquarelli Symonds)世界大學排名前列榜單中，選擇在GIS碩士教育、數據素養教育經驗豐富的美國、英國及澳大利亞共35所高校作為研究樣本，運用文獻收集、網絡調研和比較研究法，開展GIS專業研究生數據素養生課程現狀的調查，以期為我國GIS專業研究生數據素養課程設置及課程改革提供參考。

一、研究方法

本文從2020QS世界大學學科排名榜單中，從排名靠前開設地理信息科學或地理學專業的高校中，選取18所美國高校、9所英國高校及8所澳大利亞高校(表1)，作為調查對象。根據學校名單，本文逐一訪問所選高校的網站“Programs”或“Academic”下的項目名錄，獲取所調查各院校網站下“Programs Overview or describe”下的GIS碩士專業的人才培養方案與網站“Courses”欄目下的課程表，提取課程數據,作為本研究的課程數據集。對部分缺失的資料采用文獻資料法加以補充，用Python語言編程實現文本挖掘，抽取培養目標、課程內容主題詞，再進行分析。

二、 美英澳GIS專業數據素養研究生課程現狀調查

(一)總體情況

本文總共調查2020QS世界大學排名中的35所美英澳高校，一共54個研究生項目，收集1032門課程。圖1是所調查院校數據素養的課程數在其總課程數據中的比例。

從人才培養目標層面，樣本高校均開設了GIS研究生數據素養課程(圖1)，樣本高校GIS研究生項目培養目標的描述也出現與數據素養相關的排名前10高頻詞(表1)，如“data” “Science”“research”“program”“skills”“analysis”，表明美國、英國及澳大利亞的高校均已采用積極態度應對互聯網+、大數據、云計算及人工智能等新技術不斷發展對地理信息科學專業人才提出的新挑戰與新要求。

從社會需求與現實需求層面，樣本高校GIS專業研究生項目設置，體現了社會的現實需求及信息技術快速革新的節奏。調查表明(圖1)，針對當前炙手可熱以地理位置數據為核心的數據科學發展，已有不少樣本高校將原有GIS研究生項目發展聯合多個學科的GIS專業研究生新項目，旨在培養掌握地理時空大數據相關理論方法的創新型人才，以適應社會對GIS人才多樣性需求。如美國馬里蘭大學帕克學院行為與社會科學學院在地理信息科學碩士下設置了地理空間信息科學碩士、地理空間情報2個項目；美國南加州大學空間科學學院設置了5個與地理信息科學專業相關的研究生項目，包括地理信息科學與技術碩士、地理信息科學與技術研究生證書、地球觀測遙感研究生證書、空間經濟和數據分析碩士、空間情報研究生證書；英國利茲大學在GIS專業下設置了基于GIS的流域動態與管理理學碩士、地理信息科學碩士、遙感數據科學理學碩士3個項目。同時，為適應信息社會快速技術革新的步伐，不少GIS專業研究生項目學習時限縮短。美國不少高校將GIS專業研究生項目從原先3-4年轉變為半年、1年或1.5年、2年，縮短學習時間，提高學習時效。

從課程層面(圖1)，GIS專業研究生數據素養課程數在課程總數中的比例普遍較高，平均比例為62%。在調查的美國高校中，科羅拉多大學、威斯康星大學地理信息科學數據素養課程開設的比例最高，均為75%；其次為馬里蘭大學、加州大學洛杉磯分校、華盛頓大學，分別為69%、64%、64%；英國萊斯特大學GIS研究生項目數據素養課程開設比例高達82%，其次為謝菲爾德大學、南安普敦大學、利茲大學、曼徹斯特大學，分別78%、78%、75%、75%；澳大利亞高校塔斯馬尼亞大學的GIS專業研究生項目數據素養課程開設比例最高，達85%，其次為澳大利亞國立大學，為76%。本文利用Python編程抽取課程名稱熱詞詞頻排名前10的關鍵詞分析(表2)，分析顯示GIS、information、analysis、geospatial、advanced等關鍵詞出現頻率較高。以關鍵詞對課程內容分析，發現樣本高校的GIS專業研究生數據素養課程除了傳統的數據理論外，更強調大數據環境下數據能力與數據倫理的培養，特別是跨學科交流能力。如美國伊利諾伊大學香檳分校工程學院開設了“parallel programming:Science&engineering”與“Applied Parallel Programming”、17所樣本高校開設了地理空間情報課程。

表1所選樣本高校及專業名稱/學制(F:全日制；P：非全日制)

圖1 35所美英澳高校GIS碩士項目數據素養課程數據統計圖表

表2 GIS項目目標及數據素養課程的詞頻表

GIS項目目標描述詞頻數據素養課程名稱詞頻GIS項目目標描述詞頻數據素養課程名稱詞頻關鍵詞詞頻權重關鍵詞詞頻權重關鍵詞詞頻權重關鍵詞詞頻權重data1560.258 gis1650.593 geography910.104 advanced740.266 science1370.183 information1280.460 skills700.094 remote sensing710.255 research1200.170 analysis1030.370 analysis650.091 research660.237 program1150.153 data880.302 management600.087 science590.212 study1060.148 Geospatial790.284 master560.084 seminar520.187

(二)課程內容設置

本文對樣本高校GIS專業及其相關項目的課程數據采用累加統計法[14]，統計各樣本高校GIS專業研究生數據素養總課程數及專門課程數。其中，總課程數是對各個素養類課程數統計結果；專門課程是針對地理信息科學數據素養具體要素獨立開設的課程。

調查表明，樣本高校GIS專業研究生數據素養教學內容規劃及課程設置，側重以地理空間數據用戶行為為主線，傾向于通過地理空間大數據為基礎的課題項目，開展地理空間數據的理論知識和實踐能力的培養，涉及地理空間數據的數據意識、數據知識、數據思維、數據能力及數據倫理與共享5個方面(表3)。其中，數據意識是認識地理時空數據的價值及其在社會生活、生產實踐、科學研究中的作用；數據知識包括地理時空數據類型及格式、數據獲取及存儲、備分、安全、處理與分析，涉及地理空間數據、大數據、網絡基礎；數據思維是對地理空間數據思考實際問題解決思路的模式，涉及計算思維與空間思維；數據能力是地理空間數據技能與數據應用，涉及并行計算、空間建模與分析；數據倫理與共享是能夠正確地采集地理時空數據，或合理合法地獲取、使用地理時空數據，對地理空間數據的發布與使用遵守相關社會法規與規范，地理空間數據共享與重復利用的方法。各要素及其相應的教學內容如表3所示。

表3表明，各樣本高校GIS專業研究生數據素養各個要素開課情況各有特色。其中，大數據、并行計算、網絡基礎的開課數分別為152、103、237門，相對較少，專門課較少，特別是并行計算，需要加以重視。跨學科交流的開課數為183門，部分要素有專門課程；而計算思維及空間思維、地理空間數據、空間模擬及分析的開課數分別為636、969、723門，比較多，并有專門課程，表明數據思維及數據能力在GIS專業研究生培養中普遍得到重視。

(三)課程實施及評價

樣本高校GIS專業研究生數據素養課程實施方式主要有講授、講座、在線課程、研討會，一些高校以微課、項目實踐、課程項目、數據交互社區、嵌入式等教學方式實施GIS專業研究生數據素養教育(表4)。其中，課堂講授與講座培訓是被采用最多的方式，類似于大學的通識教育，重點介紹數據素養基礎知識，形成數據素養基本態度、意識和能力。在線課程僅次于講授與講座培訓，在美國高校更為普遍。這種授課方式具有不受身份、時間和地域的限制、靈活性大等優點，但存在無法兼顧學員的學習能力差異，缺乏激勵性等不足。為適應大數據時代的到來，彌補在線課程的不足，一些樣本高校探索了合作教學模式，即以某一高校或機構為主體，聯合其他在數據素養資源或某一方面具有優勢的相關機構進行數據素養課程學習，如克拉克大學地理研究生院與國際發展、社區、環境系、克拉克實驗室聯合實現GIS項目數據素養課程；科羅拉多大學博爾德分校地理系與計算科學系及谷歌公司聯合，通過與地理時空數據挖掘的課題項目鍛煉學生的實際操作能力，培養學生從地理時空大數據中提取關鍵信息，得出科學結論的能力。相對于傳統的課堂教學方式，合作教學方式的優勢在于能聯合各方資源及能力互補、突破傳統數據素養課程的不足，提供更高質量、高水平的GIS專業研究生數據素養教育。

表3數據素養課程分類及課程內容簡介表

表4 樣本高校GIS研究生數據素養課程實施模式及評價體系調查

地區課程實施方式講授講座在線課程系列研討會其他評價方式美國高校√√√√微課、慕課、翻轉課程、合作項目實踐、數據交互社區英國高校√√√√課程項目、數據交互社區、慕課澳大利亞高校√√√√項目實踐、慕課課后交流問卷調查小組討論

數據素養課程評價是衡量課程教學效果和教師教學能力的標桿。教師通過教學評價，便于快速發現數據素養教學中存在的問題，及時調整教學目標實施路徑，提升教學質量。35個樣本高校中，不少高校GIS專業研究生數據素養課程均引入了相應的課程教學評價模式，評價內容涉及教學態度、教學內容、學習情況、教學效果等指標，評價方式主要有課后交流、問卷調查、小組討論三種方式。如美國明尼蘇達大學雙城分校文學院的GIS專業研究生項目，在課程結束后，邀請參與數據素養課程培訓的研究人員和學生通過問卷調查、小組討論方式評估課程，收集課程反饋訊息，進一步優化數據素養課程體系。

三、 美英澳GIS專業研究生數據素養課程設置特點

(一)課程目標明確，契合社會及學科發展

數據素養課程研究顯示，樣本高校GIS專業研究生數據素養課程具有目標明確、契合大數據時代社會發展新需求的特點。美國通過項目研究，已提出了一組可用于指導數據素養教育目標、包含 12 項核心能力的數據信息素養核心能力體系[15]；美國各高校在設置新GIS專業研究生項目前，均是以該能力框架為基礎展開需求調研和教學設計，制定課程模塊內容。本次調研也發現了這一特點，如美國明尼蘇達大學、南加州大學空間科學學院在開設新GIS研究生項目前，均進行需求調研，根據調查結果，開設了網絡基礎課程、云計算與GIS云服務器、WebGIS/CyberGIS 新技術及GNSS、LIDAR、無人機與傳感器網絡觀測、機器學習、Python/R語言等數據素養課程。有些樣本高校則跨學科與跨界合作項目，培養社會需要的GIS專業人才。如美國克拉克大學地理研究生院/國際發展、社區和環境系/克拉克實驗室開設了涉及生態、社交、健康、野生生物保護管理等多個GIS專業應用方向的項目。

(二)課程內容凸顯GIS專業核心能力培養

空間思維、計算思維及空間建模與分析能力是GIS專業的核心，這三大要素的課程開課數遠高于其他要素的開課數據(表3)，并且有數量較多的專門課，這表明學界對地理空間數據的分析與利用能力培養的重視，也是大數據背景下社會發展的迫切要求。在數據密集型第四科研范式下，GIS專業工作者不僅需要批判性地認識和掌握數據的基本知識,更重要的是在科研實踐中能夠規范地處理和分析數據、利用數據,遵守數據倫理與道德,“挖掘出有價值而非常識的知識”[2]。調查表明，有15所高校開設了計算思維及空間思維的專門課程，占調研樣本的42.8%，課程內容以算法及數據挖掘為主，凸顯對GIS專業核心能力的訓練。

(三)項目實踐關注跨學科交流、數據意識及數據倫理培養

數據素養是跨學科的、交叉存在的[16]，GIS是多學科交叉融合的應用型專業，與跨學科交流具有天然的淵源。GIS專業的基本對象具有地理定位、三維形態、多維屬性和復雜關系的系統特征[17]，為跨學科交流能力培養提供了多角度的切入點。調查結果表明，樣本高校均重視跨學科交流類課程建設，特別是跨學科的研究方法類課程，以跨學科項目實踐培養學生多角度解決問題的能力。如在35個樣本高校中，有214門課程涉及數據挖掘、編程開發、并行計算、機器學習、空間分析、野外實驗及GIS項目實踐內容的課程，占數據素養課程總數的30%。同時，跨學科交流四個要素類課程中涉及的python/R/database/ARCGIS/RS software等技術與工具在課程描述中也多次出現，足見跨學科數據素養能力培養受關注和重視的程度。雖然樣本高校中數據意識及數據倫理課程，專門課程比較少，但不少高校是高校通過跨學科項目實踐，讓學生認識有關地理空間數據的相關政策法規，并通過案例實踐領會地理時空數據的價值，體會地理時空數據使用過程中的數據倫理與數據安全的重要性。少數專門課程，如賓夕法尼亞州立大學開設了“professionalism and ethics in raphic information science and technology”課程，英國埃克塞特大學開設了“Data Governance and Ethics”課程，也結合實際案例講授數據隱私、數據安全、數據倫理及其他政策的策略。

(四)教學方式呈現多元化、靈活化的特點

多元化、靈化活的教學方式對于有效開展GIS數據素養教育具有重要意義。在線學習、混合學習、案例教學、項目研究、專題討論、團隊作業、嵌入式學習、遠程學習與互動等靈活多樣的教學方式已在多個樣本高校中得到普遍應用。如南加州大學空間科學學院的GIS項目，教師采用以學生為中心的教學理念,設計翻轉課堂進行教學，課堂上教師鼓勵學生參與課堂活動，同時，通過小組討論、課堂發言、協作探究、自我評價、微課等方式開展數據素養教學，呈多元化、靈活化的特點，在實踐中取得了良好的效果。大數據時代，多學科融合已成為學科發展的趨勢，因此，面向GIS的數據素養不能局限于課堂教學與本專業領域內。樣本高校還采取了更靈活的跨學科合作項目，實現數據素養教學。科羅拉多大學博爾德分校的GIS研究生項目，采用多學科聯合教學模式，也在實踐中已取得良好的效果。

(五)鼓勵數據素養教育相關資源的共享

面向GIS研究生的數據素養涉及計算機科學、數據科學、地理科學、遙感技術、測量學、地理信息科學等多個學科的知識及技術，同時，處理地理空間數據離不開扎實的數理基礎。這對于以地理學或地理學相關學科為背景的GIS專業研究生而言，在與計算科學及GIS密切相關的知識點及新技術的理解與掌握上還是有一定的難度。因此，掌握GIS數據素養并非易事。優秀的教學案例對于激發學生學習興趣具有重要的意義。但并非每一位高校教師均是熟悉計算科學、地理信息科學及數據科學領域的專家。因此，教學資源共享及互動交流平臺構建，對于提高GIS專業數據素養教學質量十分有意義。

美國早在19世紀早期就提出了GIS聯盟[18]，提倡GIS教育者分享教學經驗及實踐材料，以應對技術和全球問題的迅速變化對地理信息科學的沖擊。伊利諾伊大學(University of Illinois)網絡地理信息系統高級數字研究中心(CyberGIS Center for Advanced Digital Studies)在2014年率先為網絡地理信息系統創建了專門的材料。在這個項目下，已有17位CyberGIS研究員開發了一系列免費課程的教學材料[19]。美國地理信息科學聯盟正在創建新的GIS與技術的知識體系(UCGIS2017)[20]，包括新知識領域，如計算平臺、編程和開發以及傳統的領域，如制圖學、可視化等，這為GIS專業研究生數據素養教育的課程建設提供了指導。

四、對我國GIS專業研究生數據素養教育的啟示

本文采用網絡調查，對2020QS世界大學排名中美國、英國及澳大利亞的35所高校的54個地理信息科學領域的研究生項目數據素養課程設置及其相應的數據素養教學實踐調查分析可知，發達國家GIS專業在開展數據素養管理培訓及GIS專業數據素養教育方面已形成較完善的模式，有一些較成熟的教學實踐積累。國內高校在參考美英澳GIS專業研究生數據素養教育的優秀經驗及實踐成果時，以下幾點值得我們注意：

一是開展企業、教師、學生的GIS專業數據素養需求調研，結合社會及學科發展，構建GIS專業的數據素養能力培養框架體系，建設不同層次的GIS專業數據素養課程體系。

二是探索以GIS學科背景為基礎的數據素養教育實踐，加強培養研究生地理時空數據管理、分析及有效利用的能力，培養GIS專業研究生空間思維及計算思維。

三是結合生活實際，設計跨領域、跨學科的GIS實踐項目，培養研究生跨學科數據素養能力，重視數理基礎教學模塊建設，加強GIS專業研究生數據意識、數據倫理及數據思維的培養。

四是探索GIS專業研究生數據素養課程的有效教學方式，重視GIS專業研究生數據素養教學評估與反饋，探索“數據素養教學-評估反饋-優化-再教學”的生態教育鏈。

五是打造“雙師雙能”師資隊伍建設[21]，加快GIS專業研究生的金課建設，鼓勵GIS專業教學資源共享與交流平臺的建設，豐富GIS專業研究生數據素養教育資源。