地理信息科學一流本科專業核心課程體系設計與實踐

亢孟軍，任 福，蘇世亮，王明軍，應 申

(武漢大學資源與環境科學學院,湖北 武漢 430079)

2019年4月,教育部決定全面實施“六卓越一拔尖”計劃2.0,啟動一流本科專業建設“雙萬計劃”,即在2019—2021年,建設10 000個左右國家級一流本科專業點和10 000個左右省級一流本科專業點[1]。 “雙萬計劃”是在2015年國務院頒布《關于印發統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案的通知》[2]后,為統籌大學科學研究和本科教育關系而實施的建設方案。一流本科專業的建設內涵包括:一流的培養目標、師資力量、教育平臺、課程體系、質量保障,造就一流的學生發展[3]。其中課程體系是培養目標指導下的、本科專業教育的實質內容,其合理性和先進性決定了一流專業建設的成效和人才培養的質量[4]。

國內各高校地理信息科學專業建設各有特色,皆有其發展歷史及學科基礎。因此要參考眾多高校建設經驗,設計適合自身特點的課程體系[5],必須厘清專業和學科的關系。專業是指根據科學分類和社會職業分工而設立的培養人才的專業類別。在我國,高校現有專業結構是社會分工、學科知識和教育結構共同作用的結果[6]。其中,社會分工是專業存在的基礎,學科知識是專業的內核,教育結構是專業的表現形式,三者缺一不可,共同構成高校人才培養的基本單位[7]。專業的主要構成要素包括專業培養目標、課程體系和專業人員,高校是實施專業教育的主要機構。

學科是科學知識體系的分類,一個學科是獨立的一個科學知識體系[8]。構成一個學科的基本三要素包括:獨特的研究對象或領域、特有的理論體系和知識系統、開展學科研究的方法論。學科是開展專業教育的基礎,離開了學科知識體系,專業就丟失了其存在的合理性依據。一個學科可以支撐多個專業,而在不同學科之間也可以設立跨學科專業。因此,專業課程體系本質上是高校學科所能提供、輸出的最有競爭力的知識結構體系。

課程體系是人才培養模式的載體,是指同一專業不同課程門類按照門類順序排列,是教學內容和進程的總和。課程體系是育人活動的指導思想,是培養方案實施的具體化和依托。課程體系主要由特定的課程觀、課程目標、課程內容、課程結構和課程活動方式組成。課程體系包含通識類課程和專業核心課程。其中,專業核心課程體系是高校根據人才培養目標,將核心知識領域的內容組成專業核心課程,并適當增加本校研究或應用的特色內容[9]。專業核心課程體系的設置,決定了專業人才培養的效果和質量,也決定了是否能夠完成為社會輸送專業人才和為學科研究提供后備力量的責任。

全國開設地理信息科學專業高校約200所[10],一流專業核心課程體系及其設計原則對其他高校具有重要的參考借鑒意義[11]。武漢大學地理信息科學專業于2019年獲批國家級一流本科專業點,剛好介于武漢大學2018版和2023版本科培養方案調整之間,近3年的建設也為新的專業核心課程體系設計提供了諸多經驗。本文在分析國內3所著名高校地理信息科學專業核心課程體系的基礎上,以武漢大學為例,針對專業核心課程體系的設計原則、思路和實踐細節進行分析,以期為其他高校提供參考。

1 國內一流大學地理信息科學專業核心課程體系

國內一流高校GIS專業的培養目標,以及服務于該目標的核心課程體系設置,對其他高校具有重要借鑒和指導意義。根據軟科2022年GIS專業排名,本文對比分析了北京大學、南京大學、北京師范大學3所高校,將專業核心課程分為11個類別,包括數學類、物理類、化學類、信息技術類、地理學基礎類、測繪類、遙感類、GIS基礎類、地圖學類、空間智能計算類和前沿領域類;通過對比分析課程學分占比,量化分析3高校課程體系的特點。

1.1 北京大學

北京大學GIS專業[12]由地球與空間科學學院空間信息科學與技術系和北大遙感與地理信息系統研究所(系所合一管理)負責建設,遙感學科的支撐使其具備了強大的遙感基因。該專業以培養高水平創新型空間信息科學與技術人才為宗旨,重視培養學生扎實而廣博的空間信息科學基本知識、基本理論和基本技能,掌握計算機網絡、應用程序設計與開發技術,能勝任地理信息系統開發和應用以及遙感數據獲取、處理與應用。北京大學GIS課程比例模塊如圖1所示,課程體系包含大量信息技術、GIS和遙感基礎理論課程。該專業非常注重數理知識和信息技術能力的培養,特別是數學方面,開設了高階的離散數學和計算數學課程。這與北京大學學生的知識基礎是密切相關的,但也適用于其他相同層次的學校。同時面對人工智能技術發展,其鼓勵跨學院選修機器學習、人工智能等課程,也凸顯了其在GIS與ICT融合方向的培養趨勢選擇。

圖1 北京大學課程模塊比例

北京大學地理信息科學專業課程體系簡潔明了,其鮮明的課程特色不是通過繁雜的模塊學分約束,而是通過課程設置引導。其培養方案中鼓勵學生跨院選課的引導思路,給予學生更多的選擇自由,也給予教師更多的施展空間。同時,因與北京大學遙感所合辦此專業,其課程體系中遙感課程內容豐富;注重充分利用其他學院的師資,鼓勵學生選修跨院的機器學習、人工智能和模式識別類課程。畢業要求修滿142學分。

1.2 北京師范大學

北京師范大學GIS專業[13]由其地理科學學部(簡稱地學部)建設。地學部起源于京師大學堂師范館史地類,1928年正式成立地理系,是全國少數成立較早的地理系之一,發展歷史悠久。2016年11月,由地理學與遙感科學學院、資源學院、災害風險科學研究院、地表過程與資源生態國家重點實驗室、遙感科學國家重點實驗室共同組建成立北京師范大學地理科學學部。地學部以地理學為主體,同時建設測繪科學與技術、安全科學與工程等相關學科。

北京師范大學GIS專業是在傳統地理學科基礎上建立起來的。該專業培養具備GIS基本理論,掌握地理信息系統、遙感數據及衛星導航與定位數據的獲取與處理、計算機軟件設計及空間信息應用的基礎理論和技術方法,能在有關部門從事地理信息系統、遙感及衛星導航與定位系統的研究、教學、應用軟件與系統開發的未來精英人才,畢業要求修滿155學分。

該專業注重地理學基礎的培養,同時在遙感分析、地學分析等方面課程豐富,信息技術類相對弱化,北京師范大學的課程體系體現了其傳統地理學的深厚底蘊。北京師范大學也是3所高校內唯一開設化學基礎課的高校,這是作為其開設的氣象與氣候學、土壤地理學等傳統課程的基礎。北京師范大學GIS課程比例模塊如圖2所示。

圖2 北京師范大學課程模塊比例

相比其他高校,北京師范大學的GIS培養強調傳統地理學知識,特別是自然地理學方向,結合了其在氣象學、災害學方面的優勢;同時注重遙感類知識的培養,主要是用于開展地學分析,滿足對大范圍地理數據的快速獲取需求;對學生的數學知識要求也較高,學生綜合知識培養全面。

1.3 南京大學

南京大學地理信息科學專業[14]創建于1957年,是當時國內綜合性大學中唯一培養地圖編制和地圖學研究人才的專業。1955年由李海晨教授主持籌備建立地圖學專業,并于1957年正式招生(本科五年制)。

該專業以培養具有寬厚基礎、實踐能力強的高素質的地理學創新人才為目標,按照“專業教育與素質教育相結合、知識傳授與能力培養相結合、教學與科研相結合”的教育理念,強調學生的地理學基礎理論、數理化、計算機、外語等基礎知識和基本能力培養,在使其掌握各專業技能的基礎上,加強有關高科技的手段和方法的教學訓練,并使學生了解本學科發展的動態和前沿,具有寬厚的基礎、較強的實踐基礎、較高的科學素養和創新精神,旨在培養高層次、高質量的基礎研究和應用人才,適應國家人才需要和科學發展需要的復合型優秀人才。畢業要求修滿150學分。

南京大學GIS課程比例模塊如圖3所示。其課程體系體現了很好的均衡性,地理學、GIS基礎、信息技術類課程相對均衡。同時,該專業非常重視地圖學知識教育,開設了大量地圖學類課程,這是區別于前兩所學校的鮮明特色,與南京大學悠久的制圖學傳統和學科基礎是密不可分的。同時,南京大學還開設了大量涉及土地資源管理和規劃的課程。南京大學GIS培養的人才知識相對平衡,是國內非常具有代表性GIS專業培養方案。

圖3 南京大學課程模塊比例

1.4 3所大學專業核心課程對比

3所大學的GIS專業各有特色,是基于其服務領域、培養目標和學科基礎共同影響的結果,分析其特點如下:

(1)數學知識都得到足夠的重視。3所高校都至少開設了高等數學、線性代數、數理統計和概率論3門基礎數學,北京大學額外增加了計算數學和離散數學;3所高校對物理都有最低要求,而對化學理解不一致(見表1)。

表1 3所大學的課程體系學分結構對比 學分

(2)北京大學和南京大學對信息技術類的培養要求很高,基本都開設了將近10門課,涉及計算機基礎、數據結構、高級GIS程序設計。同時,北京大學課程很好地與當前ICT技術發展相結合,增加了物聯網、大數據分析和人工智能類課程。

(3)地理學課程的比重差距比較大。北京大學地空院GIS專業的支撐學科是地質、地球物理等學科,而地理學科主要在城市與環境科學學院建設,故整體上地理學課程基本按照最低要求設置。而北京師范大學和南京大學地理學課程比重非常高,學分達到30分,基本涵蓋地理學的各個方面,很好地體現了各校GIS專業的學科傳承和特色。遙感類課程比重相對差異不大。北京大學因其與遙感所合辦而比重高,北京師范大學因其地理分析對數據需求而高,南京大學相對弱化。

(4)地圖學類別課程差異明顯。北京大學只有地圖學一門課,而南京大學地圖學課程豐富。國內GIS專業發源于地圖學專業,而地圖學專業在1998年專業調整中合并為測繪工程專業。地圖學專業在國家建設過程中培養了大量的制圖人才,它的取消也反映了專業設立服務于社會分工的特點。當前,地圖學與人工智能圖像處理領域密切相關,如計算原理、空間腦認知、空間可視化等,均可與人工智能、數字孿生等新技術理論結合,新型泛地圖學人才的需求正在增長。

(5)空間智能計算模塊是空間分析課程的深化,該類課程傳統上包括空間分析和地學統計。從服務全球和國家的視野,以及與大數據分析、人工智能結合而言,空間分析都有必要向空間智能計算方向發展,在課程設計中應突出智能計算方面的方法論,并結合具體的自然地理、人文地理、城市規劃等問題,進行原理和技術訓練。

2 武漢大學專業核心課程體系設計與實踐

1965年Howard Fisher在哈佛大學創建空間分析和可視化的研究中心(Laboratory for Computer Graphics,LCG),研發計算機制圖相關軟件,隨后一系列以解決空間數據處理從模擬轉向數字化技術理論的研究,促使地理信息系統的誕生。這一時期,國內高校一批地圖制圖專業最早開始數字化轉型,到1993年教育部在地理科學類下設立地理信息系統與地圖學專業,標志地理信息系統專業教育在全國廣泛開展。1998年,教育部取消了測繪類下的地圖學專業,并入測繪工程專業,并在地理科學類下設立地理信息系統專業,這標志著地理信息系統基本解決了計算機制圖相關問題,形成獨立完善的理論和方法體系。2012年,教育部取消地理信息系統專業,設立地理信息科學專業[15],標志著GIS逐漸剝離其工科的工程特質,成為一個完整的理學專業。2015年,由武漢大學申請,教育特設了地理空間信息工程專業,反映了國家大型地理信息工程建設對人才的需求。可見,GIS專業從誕生就帶有地理學、測繪科學技術和信息技術的基因。地理信息科學專業的設立見表2。

表2 地理信息科學專業的設立

武漢大學GIS專業的前身是1956年我國最早創立的地圖制圖專業,是武漢測量制圖學院的4個創始專業之一,2019年獲批國家一流本科專業。本專業一般年招生100人左右,分4個班2個方向,包括地理信息科學方向和數字制圖與空間信息工程方向。學院執行大類招生政策,并在入學第3學期結束后分流到具體專業,因此專業核心課程體系由公共基礎課、大類平臺課、專業必修課和專業選修課4部分組成。在強化數理知識的前提下,專業核心課程被劃分為7個模塊,包括GIS基礎模塊、地圖學模塊、空間智能計算模塊、信息技術模塊、測繪遙感地理模塊和GIS前沿模塊,具體組成見表3。

表3 GIS專業課程體系

本專業核心課程體系設置的主要原則如下:①學科支撐。專業依托地圖學與地理信息系統、地圖制圖學與地理信息工程兩個重點學科,有深厚的學科積累,特別是在測繪學科支撐下的培養特色。②社會需求。本專業培養的學生主要從事空間分析、信息技術開發、地圖設計編制,以及其他方向。近幾年,前兩者的工作需求明顯高于地圖設計編制。因此,在保持地圖學特色基礎上,課程體系增加了空間信息可視化、地圖藝術設計、空間認知等課程,提升地圖學設計的美學素養和科學原理教育[16],以提升學生能力和競爭力。③師資結構。教師是課程體系的執行者,良好的課程體系設置要考慮現有的師資結構、研究方向;同時也應根據課程體系的實際需要不斷補充師資力量,要組織一群能夠深刻理解學科的知識體系,并把握學科發展方向的教師團隊,更有效地開展專業教學活動。

同時課程體系中還包含其他一些特點:強化空間智能計算教育[17],增加了機器學習基礎課程,并擴展了空間智能計算[18]和社會地理計算[19]兩門課程,跟當前地理智能的發展趨勢呼應;完整的信息技術知識體系,覆蓋從基礎知識到完整的GIS軟件設計流程,并特別針對三維GIS和WebGIS開設課程[20];豐富的GIS前沿知識模塊,由GIS研究進展課程統領,講解最新學科研究成果,同時根據教師各自研究方向開設具體前沿課程。

3 結 論

地理信息科學專業依托于地理學、測繪科學與技術、信息技術等多個學科,相關學科技術理論的發展推動GIS專業不斷補充和優化其核心課程體系。同時,針對社會需求的變化,也應適時調整專業培養目標和課程體系,以使培養的人才達到社會需求的標準。本文對比分析了國內3所一流大學GIS專業課程體系,并以武漢大學核心課程體系設計實踐為例,得到以下結論:核心課程體系設置基于各高校學科特點和歷史傳統,雖有大同而卻留小異。因此,在本專業課程體系設置時,不應完全復制他校,而應充分利用本校的學科積累,突出特色;應根據學科知識發展和社會需求變化適時調整課程體系,即使課程體系不易調整,也應在原有課程中補充或優化課程內容;數理知識是GIS專業的重要基礎,應確保至少開設高等數學、線性代數、數理統計和概率論3門數學課程,在有教學條件和學生能力足夠的情況下,應增設相關數學課程。