新工科背景下地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革研究

吳浩　李暢　劉鵬程　涂振發(fā)　宋旦霞　周洋

摘 ?要 瞄準(zhǔn)教育部提出的新工科戰(zhàn)略，分析當(dāng)前地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系存在的問(wèn)題，指出社會(huì)對(duì)新工科專(zhuān)業(yè)人才的迫切需求。圍繞學(xué)校在國(guó)土、環(huán)保、旅游和應(yīng)急等特色行業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)學(xué)科，突出地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)文、理、工的交叉融合，探索地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革的整體思路，建立起四個(gè)特色實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。通過(guò)三年的教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用，效果顯著，可在國(guó)內(nèi)開(kāi)設(shè)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的高校發(fā)揮示范作用。

關(guān)鍵詞 新工科;地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè);實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系;創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：G652 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）06-0112-03

Reform Research of Experimental Teaching System for Geogra-phical Information Science under Emerging Engineering Educa-

tion//WU Hao， LI Chang， LIU Pengcheng， TU Zhenfa， SONG Danxia，

ZHOU Yang

Abstract Aiming at the Emerging Engineering Education strategy proposed by the Ministry of Education， this paper analyzed the pro-

blems existing in the current experimental teaching system of geo-graphic information science （GIS）， and pointed out the urgent need of society for professionals with Emerging Engineering background. Focusing on special industry fields and advantageous disciplines such as land， environmental protection， tourism， and emergency in

our school， we emphasized the intersection of art， science， and engi-neering of GIS major， explored the overall idea of the reform of the GIS experimental teaching system， and developed four innovative practice teaching platforms. After three years of teaching practice application， the effect is significant， and it can be used as a model for

universities that have GIS major in China.

Key words emerging engineering education; geographical informa-tion science major; experimental teaching system; innovative prac-tice platform

1 前言

為了促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和應(yīng)對(duì)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的挑戰(zhàn)，教育部在“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的基礎(chǔ)上提出新工科戰(zhàn)略，這是我國(guó)當(dāng)前高等教育改革的持續(xù)深化工程和重大行動(dòng)計(jì)劃[1]。自2017年以來(lái)，我國(guó)高等教育先后形成“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”等一系列重大決議，教育部發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》等重要文件，并啟動(dòng)了首批612個(gè)國(guó)家級(jí)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目，其中地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)屬于專(zhuān)業(yè)改革類(lèi)的范疇[2- 3]。地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)作為一門(mén)集地理學(xué)、計(jì)算機(jī)、測(cè)繪等為一體的新型交叉學(xué)科，具有較強(qiáng)的文、理、工的融合特色，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)土管理、城鄉(xiāng)規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)和土木建筑等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域[4]。特別是在2018年1月，教育部頒布《普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)類(lèi)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的發(fā)展提出更高的要求，這與新工科建設(shè)中新結(jié)構(gòu)、新理念、新質(zhì)量、新體系、新模式的建設(shè)理念不謀而合。

2 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系及問(wèn)題

地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)要能夠適應(yīng)地理信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求，要求學(xué)校在夯實(shí)學(xué)生地理信息科學(xué)的基本理論與方法的同時(shí)，更加重視相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生利用地理信息科學(xué)理論與方法解決當(dāng)前我國(guó)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中相關(guān)行業(yè)實(shí)際問(wèn)題的能力[5]，以達(dá)到新工科建設(shè)的人才培養(yǎng)要求。教育部新工科戰(zhàn)略對(duì)在新工科人才培養(yǎng)過(guò)程，一方面要求專(zhuān)業(yè)基本理論與方法的教學(xué)體系要做到對(duì)學(xué)科知識(shí)的全覆蓋，注重學(xué)科自身發(fā)展的特色需求;另一方面要求專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力要能在教學(xué)體系中得到提升，注重學(xué)科理論的應(yīng)用實(shí)踐性和學(xué)科研究的創(chuàng)新性[6]。因此，圍繞新工科建設(shè)要求，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革，創(chuàng)新地理信息科學(xué)實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)，是培養(yǎng)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)高素質(zhì)人才的必由之路。

華中師范大學(xué)是中國(guó)地理學(xué)會(huì)華中地區(qū)代表處和湖北省地理學(xué)會(huì)掛靠單位，擁有地理學(xué)一級(jí)學(xué)科博士授權(quán)點(diǎn)和湖北省一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科，已建成湖北省地理科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、地理過(guò)程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)省部級(jí)教學(xué)科研平臺(tái)，在全國(guó)地理學(xué)領(lǐng)域具有鮮明的辦學(xué)特色和高水平的社會(huì)聲譽(yù)。華中師范大學(xué)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系對(duì)GIS軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)處理與分析等內(nèi)容較為重視，學(xué)生在時(shí)空數(shù)據(jù)建模與分析、空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和地理信息系統(tǒng)等方面能力得到極大提升，多次在國(guó)內(nèi)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)，為地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的新工科建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

但是，由于目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系依舊是以學(xué)校原有的地理學(xué)大背景為主，同人文地理和自然地理這些較為傳統(tǒng)的地理專(zhuān)業(yè)方向結(jié)合較為緊密，而忽略了地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)同新工科所倡導(dǎo)的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)等相結(jié)合的要求。無(wú)論是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排，還是實(shí)驗(yàn)層次的設(shè)計(jì)，同新工科要求都有一定的距離，專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)難以適應(yīng)新工科建設(shè)的要求。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革基本思路

實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革的基本思路是要能夠突出地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)文、理、工交叉的特色，以創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)為主要突破口，以科學(xué)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法為手段，結(jié)合新工科建設(shè)的人才培養(yǎng)需求，充分考慮地理信息科學(xué)發(fā)展的前進(jìn)方向，通過(guò)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和實(shí)驗(yàn)體系的創(chuàng)新，同國(guó)土、環(huán)保、旅游、應(yīng)急四個(gè)行業(yè)熱點(diǎn)交叉融合，形成適應(yīng)新工科建設(shè)要求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[7]。此外，針對(duì)當(dāng)前教學(xué)體系中存在的忽略教學(xué)內(nèi)容與傳統(tǒng)理工科相結(jié)合的現(xiàn)象，要充分發(fā)揮地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的工科特性，開(kāi)發(fā)國(guó)土一張圖、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、智慧旅游、安全應(yīng)急管理等四個(gè)平臺(tái)，重點(diǎn)研究這四個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的基本思路、核心內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)等。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建方案

按照上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革基本思路，以現(xiàn)有的空間數(shù)據(jù)采集、管理、處理、分析、建模和顯示等實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，以國(guó)土、環(huán)保、旅游、應(yīng)急四個(gè)行業(yè)領(lǐng)域地理信息專(zhuān)業(yè)化應(yīng)用平臺(tái)搭建為核心內(nèi)容，以突出地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)文理工交叉的學(xué)科特色為指導(dǎo)理念，建成滿(mǎn)足新工科建設(shè)要求的地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，具體方案如圖1所示[8]。

國(guó)土一張圖平臺(tái) ?國(guó)土一張圖平臺(tái)是綜合利用GPS、GIS和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，通過(guò)對(duì)國(guó)土信息的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制定，實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)土資源的實(shí)時(shí)全程監(jiān)管和集群化信息服務(wù)[9]。該平臺(tái)依托華中師范大學(xué)土地科學(xué)研究中心建成，同地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)遙感地學(xué)分析、國(guó)土資源信息系統(tǒng)、專(zhuān)題地圖制作見(jiàn)習(xí)等相關(guān)課程與實(shí)踐實(shí)習(xí)對(duì)接，重點(diǎn)開(kāi)展國(guó)土資源時(shí)空數(shù)據(jù)的采集、更新、處理、分析和可視化服務(wù)等方向的研究，以學(xué)生在不同學(xué)習(xí)階段接觸的不同專(zhuān)業(yè)主干課程為理論基礎(chǔ)，以大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)為手段，有針對(duì)性地為學(xué)生提供理論應(yīng)用于實(shí)踐的機(jī)會(huì)，提高學(xué)生在數(shù)據(jù)管理和分析上的能力，為學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和土地管理相關(guān)的實(shí)習(xí)實(shí)踐創(chuàng)造條件。

生態(tài)環(huán)境保護(hù)平臺(tái) ?生態(tài)環(huán)境保護(hù)平臺(tái)綜合利用遙感監(jiān)測(cè)、固定地面臺(tái)站監(jiān)測(cè)和固定樣地樣方監(jiān)測(cè)等手段形成生態(tài)環(huán)境監(jiān)管大數(shù)據(jù)[10]，通過(guò)ArcGIS軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)處理，達(dá)到生態(tài)保護(hù)的主動(dòng)發(fā)現(xiàn)的監(jiān)管需求。該平臺(tái)依托華中師范大學(xué)可持續(xù)發(fā)展研究中心建立，主要與地圖學(xué)、遙感地學(xué)分析、生態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)任務(wù)相銜接，通過(guò)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)與大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等新工科學(xué)科的結(jié)合，訓(xùn)練學(xué)生在數(shù)據(jù)處理與分析、專(zhuān)題地圖制作與分析和生態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面的相關(guān)能力，同時(shí)也提高學(xué)生利用GIS來(lái)解決生態(tài)保護(hù)紅線劃定、生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃、要素空間管控、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控等生態(tài)環(huán)境保護(hù)有關(guān)問(wèn)題的能力。

智慧旅游平臺(tái) ?智慧旅游平臺(tái)的構(gòu)建以地理空間信息技術(shù)和景觀虛擬仿真技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，將全區(qū)景點(diǎn)、交通、相關(guān)服務(wù)單位等資源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整合起來(lái)，形成一個(gè)信息資源數(shù)據(jù)庫(kù)，然后利用智能傳感設(shè)備將旅游景點(diǎn)、服務(wù)信息、商業(yè)單位物聯(lián)在一起，從而對(duì)旅游產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行全流程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該平臺(tái)依托華中師范大學(xué)中國(guó)旅游研究院武漢分院建設(shè)，能夠增強(qiáng)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)旅游管理的深度認(rèn)知，提高其利用GIS技術(shù)解決景區(qū)運(yùn)營(yíng)分析、交通狀況監(jiān)測(cè)和應(yīng)急緊急救援等行業(yè)重點(diǎn)問(wèn)題。華中師范大學(xué)通過(guò)在本科人才培養(yǎng)計(jì)劃中開(kāi)設(shè)的地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、地理空間分析與建模、移動(dòng)GIS設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等課程，都可以與智慧旅游平臺(tái)的構(gòu)建相融合，提高學(xué)生旅游管理數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)分析與地理建模等相關(guān)能力。

安全應(yīng)急管理平臺(tái) ?安全應(yīng)急管理平臺(tái)綜合運(yùn)用衛(wèi)星遙感、低空無(wú)人機(jī)和地面監(jiān)測(cè)等手段感知城市公共安全相關(guān)數(shù)據(jù)，借助數(shù)據(jù)挖掘、三維可視化、地理時(shí)空模擬等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市突發(fā)事件的預(yù)防和處理。該平臺(tái)依托華中師范大學(xué)大數(shù)據(jù)傳播與應(yīng)急管理研究中心建成，培養(yǎng)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在城市安全應(yīng)急管理中進(jìn)行情景分析、方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的綜合能力。該平臺(tái)與地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用、地理空間分析與建模等課程相結(jié)合，借助衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)對(duì)受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)定位，通過(guò)地理空間分析與建模技術(shù)模擬災(zāi)情緊急援助的場(chǎng)景，將安全應(yīng)急和大數(shù)據(jù)分析、信息化等技術(shù)結(jié)合在一起，能夠訓(xùn)練學(xué)生空間數(shù)據(jù)采集、分析和應(yīng)用的能力，支撐學(xué)生完成突發(fā)事件及應(yīng)急、災(zāi)害防治與事故分析等實(shí)踐內(nèi)容。

5 結(jié)語(yǔ)

為了保證地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須結(jié)合新工科的建設(shè)背景進(jìn)行深入研究，在華中師范大學(xué)已有地理學(xué)教學(xué)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革中，要充分考慮地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)文理工交叉的特點(diǎn)，依托學(xué)校已有的土地科學(xué)研究中心、可持續(xù)發(fā)展研究中心、中國(guó)旅游研究院武漢分院、大數(shù)據(jù)傳播與應(yīng)急管理研究中心等優(yōu)勢(shì)平臺(tái)，打造符合新工科建設(shè)要求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建中，依托學(xué)校承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)研究課題以及與學(xué)校合作的相關(guān)企事業(yè)項(xiàng)目，讓學(xué)生直接參與項(xiàng)目實(shí)施，從而進(jìn)一步加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，縮短學(xué)生從理論到生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用的適應(yīng)期。通過(guò)積極開(kāi)展地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建，深度挖掘?qū)I(yè)本身的工科特性，培養(yǎng)更符合時(shí)代和行業(yè)要求的高素質(zhì)人才，提升地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的建設(shè)水平。

參考文獻(xiàn)

[1]劉后廣，程志紅，楊建華，等.新工科下碩士研究生跨校跨學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新培養(yǎng)模式探討[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2018（20）：48-50.

[2]趙瑞，張欣，宗曉萍.新工科愿景下地方綜合性大學(xué)校企協(xié)同人才培養(yǎng)探索與實(shí)踐：以河北大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)為例[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2019（4）：66-68，73.

[3]張奔.中國(guó)制造2025背景下應(yīng)用型工科人才培養(yǎng)模式探索[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2018（4）：132-133，136.

[4]陸妍玲，姜建武，殷敏等.基于1中心2主線3模塊的地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式研究[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2018（14）：65-67，72.

[5]靖娟利，王永鋒.GIS專(zhuān)業(yè)多位一體實(shí)踐教學(xué)模式改革探討[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2018（6）：126-128.

[6]向夏楠.面向新工科的土建類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革與實(shí)踐：以湖南城市學(xué)院建環(huán)專(zhuān)業(yè)為例[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2019（22）：129-131.

[7]吳浩，池秀文，陳先鋒，等.安全科學(xué)卓越工程師實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（8）：193-197.

[8]李暾，黃柳云，陳榮明，等.基于工程一線的土木工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊研究與實(shí)踐[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2018（10）：121-123.

[9]屈曉波，趙根.關(guān)于國(guó)土資源“一張圖”建設(shè)的思考[J].國(guó)土資源信息化，2013（4）：12-15.

[10]趙苗苗，趙師成，張麗云.大數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展與展望[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2017（5）：1727-1734.