智能化時代地理空間信息軟件人才培養模式研究與實踐

吳 亮，宋振振，陳占龍，周 琪，郭明強，劉 鄭

（1.中國地質大學（武漢）計算機學院；2.中國地質大學（武漢）地理與信息工程學院；3.中國地質大學（武漢）國家地理信息系統工程技術研究中心，湖北 武漢 430074）

0 引言

地理空間信息軟件是一類專門用于處理、分析與可視化地理空間數據的計算機軟件，可處理地圖數據、遙感影像、地形數據等地理空間數據，并將其轉換成有價值的地理信息［1］。地理空間信息軟件在國家發展過程中發揮著重要作用，為國家決策、資源管理、災害管理、城市規劃等諸多領域提供了科學的數據支持和決策工具，是實現國家可持續發展的重要支撐工具［2-3］。

近年來，社會對地理空間信息軟件人才的需求逐年上升。中國人才網和智聯招聘等人才招聘網站的數據顯示，2023 年第一季度，中國國內對地理空間信息軟件人才的需求量達到了約15 000 人，這一數字同比上年增長了約23%。從地區分布上看，北京、上海、廣州等一線城市的需求量最大，其需求量占比達到總需求量的42%，其次是杭州、成都、武漢等二線城市，約占總需求量的30%。從企業性質來看，高新技術企業和互聯網企業的需求量最大，其次是地理信息服務公司和政府部門。總體來看，中國國內對地理空間信息軟件人才的需求量較大，且增速較快，未來發展前景廣闊。

人才培養是推動地理空間信息軟件研發和技術創新的關鍵，而地理空間信息工程專業是培養地理空間信息軟件人才的重要專業之一，用于培養具備專業知識和技能、軟件開發能力、團隊合作和交叉學科應用能力的地理空間信息軟件開發人才，可以推動地理信息技術的不斷發展和創新，為社會發展提供更加先進、高效的軟件工具和解決方案［4-5］。國家目前對素質高、能力強、視野開闊的地理空間信息人才的需求愈發迫切，因此對人才培養模式和培養質量提出了更高要求［6］。

近年來，智能化時代的到來給地理空間信息軟件人才培養帶來了諸多挑戰，如教學科研一體化推進、與人工智能專業課程的融合、多種教學模型相結合以及跨專業人才培養模式的探索等［7-8］。本文針對智能化時代背景下地理空間信息軟件人才培養模式改革的需求，結合地理空間信息軟件人才培養實踐，從培養理念、課程設置、教學模式以及產學研等方面，對智能化時代地理空間信息軟件人才培養的方法體系和模式進行研究與實踐。

1 地理空間信息軟件人才培養需求

在智能化時代，地理空間信息軟件人才培養面臨諸多機遇和挑戰。地理空間信息軟件人才不僅需掌握該學科的基礎理論和前沿技術，而且必須具備人文社會學科的基礎知識和思維方式，使思維更富想象力，更具發散性，更有創意，才能滿足現代工程對人才能力和素質的要求［9］。地理空間信息軟件人才培養需要平臺作為支撐，而現有的地理空間信息軟件人才培養體系還存在一些不足之處需要完善，主要體現在課程結構、學科平臺、培養目標以及思政教育方面。

（1）課程結構方面。在智能化時代下，隨著機器學習和深度學習在計算機視覺、計算機圖形學等方面深入而廣泛的應用，掌握這些前沿技術可以讓學生在就業市場上獲得較大優勢，人工智能的相關理論、方法、應用也更容易激發學生的求知欲［10］。因此，在傳統的GIS 空間分析、遙感導論等基礎課程體系中引入以人工智能方法為代表的新方法，可滿足智能化時代對地理空間信息工程專業課程結構的要求，從而增強學生的市場競爭力［11］。

（2）學科平臺方面。目前地理信息產業中面臨諸多現實的工程問題需要解決，如城市規劃、科學管理、智能決策、地理空間信息智能預測等，從而對地理空間信息工程專業的人才培養質量提出了更高要求，特別是需要培養學生的實踐動手能力、科研能力，以及將人工智能技術應用到地理空間信息處理中的能力［12-13］。為了滿足上述要求，需要建設一個集人工智能與地理空間信息工程技術為一體的跨學科平臺，該平臺用于解決傳統教學模式中重教學、輕實踐的不足，避免地理空間信息工程專業人才培養陷入“閉門造車”的境地，從而進一步彌補人才培養與人才需求之間的差距，實現教學與科研之間的良性互動。

（3）培養目標方面。地理空間信息工程是一門將地理空間信息技術與現代軟件工程技術相結合的專業，不僅要求學生掌握完備的地理空間信息處理相關知識體系，而且要求掌握地理空間信息處理的必備技能，如地理空間數據處理、空間分析、地圖制圖、編程、數據庫操作等技術［14］。智能化時代的到來對這一培養目標提出了更高要求，還要求學生掌握地理空間數據的智能處理與分析、知識圖譜挖掘、智能決策支持等相關技術，能夠將課程、實習、科研三者有機結合起來。通過將學生參與的實習、科研、學科競賽、創新創業等活動進行學分量化，以期提高學生的動手能力和專業素質，從而滿足地理信息產業所需的專業素質和技能要求，為國家培養出創新能力強、可適應智能化時代發展的地理空間信息軟件人才［15］。

（4）思政教育方面。智能化時代下的地理空間信息工程專業需要對專業體系中所蘊含的思想價值和精神內涵進行深度挖掘，在課程體系中強化思政教育。一方面，該專業屬于工科專業，在學生培養過程中不免著重強調自然科學和技術價值，而忽略了對科學文化內容及技術倫理的思考等，導致學生缺少對人工智能、地理信息等技術的價值判斷標準和能力［16］；另一方面，課程缺少涉及中國特色的地理空間信息理論和教學案例，使學生對中國地理空間信息產業的發展狀況了解不足，缺乏對中國地理空間信息技術的文化自信。

因此，在智能化時代下，如何確立人才培養模式的指導思想、如何結合高校優勢和學科特點開展創新工作等成為當下亟待深入探索的問題。

2 地理空間信息軟件人才培養模式實踐

智能化時代下的地理空間信息軟件專業人才培養模式實際是一項具有創新性的工作，通過將智能測繪時代下的教育新理念、新機構、新模式進行深度融合（見圖1），從而貫徹落實學校的人才培養理念，完善“寬口徑、厚基礎”的本科教育模式，構建多元化、個性化的地理空間信息專業人才培養體系。為此，通過梳理地理空間信息工程專業建設思路、優化地理空間信息工程本科教學課程體系、改革教學模式、創建實踐教學基地，從而打造地理空間信息拔尖創新人才基地，探索智能化時代下地理空間信息人才的培養模式。

Fig.1 Talent cultivation mode for geospatial information software in the era of intelligence圖1 智能時代地理空間信息軟件人才培養模式

2.1 教研一體化跨學科教學平臺建設

基于縱向的跨學科教學體系對低年級學生進行基礎與通識教育，對高年級學生進行跨學科主修與輔修教育，并適量提升學業挑戰度，合理增加課程難度，拓展課程深度，擴大課程的可選擇性，進一步完善課程教學基本規范。依托國家地理信息系統工程技術工程研究中心開展實驗教學，以科研項目為基礎支撐，以理論教學中的問題和任務為導向，安排理論、方法應用的實驗內容，開展原理、方法拓展的自主實驗，有導向性地培養跨學科人才。

通過建立智能化框架下理論學習與技術實踐相結合的教學模式，加強學校和企業之間的溝通與合作，真實打通學校與企業之間的壁壘，最終將學習、設計、研究與成果結合起來，在研究中學習，在實踐中收獲，實現良性教學研究互動。基于跨學科的人才培養理念構建測繪科學與技術、信息技術、計算機科學技術等相關領域之間的知識橋梁，提升學生的綜合能力以應對智能化時代下日益復雜的現實問題。

2.2 “AI+GIS”專業課程新結構構建

通過對培養方案進行精細化調整，例如增設人工智能課程模塊以及增加實習、實踐或學科競賽等環節，最終形成以地理空間信息為基礎、以地理大數據應用為研究對象、以人工智能為核心的教學課程結構，有針對性地為學生建立人工智能技術相關知識體系，如表1所示。

Table 1 AI+GIS course structure表1 AI+GIS課程結構

同時，瞄準科技前沿，構建“AI+GIS”課程新體系，緊密圍繞地理空間信息工程的應用需求，深入了解地理信息相關行業發展現狀，明確當前環境下對創新型人才的具體需求。對緊密相關的人工智能、物聯網、云計算等專業課程體系進行調研分析，深入梳理地理空間信息工程專業與相關專業課程的邏輯聯系，建立專業課程的新框架。

2.3 智能化教學新模式構建

增加了線上與線下、校內與校外、虛擬與現實相結合的教學模式，通過云平臺進行授課、作業批改等線上教學方式提升教學效率；通過指導學生參與科研項目、學科領域的創新性競賽，帶領學生對地理空間信息相關領域的關鍵科學問題進行探索，從而培養學生的綜合創新與實際應用能力，提升教學質量。

在充分研究國內外項目教學法的基礎上，結合地理空間信息工程專業的教學和產學研經驗，打破年級限制，構建一套跨年級、多層次、多目標的綜合人才培養體系。在人才培養模式構建過程中，以公共基礎課程、通識教育課程為基礎，以專業課程、人工智能課程為核心，以跨學科課程為應用方向構建教研課程框架，全面提高人才培養能力。學習與借鑒國內外成功的智能化教學模式和改革案例，探索跨專業、跨學校、跨國界、跨學位的長鏈貫通培養模式。增加線上與線下結合、校內與校外結合、虛擬與現實結合的教學模式，提升教學質量。同時建立軟件人才培養的科學評價機制，不僅要評價學生的理論知識掌控情況，而且要評價其實踐能力和創新能力，以此引導學生的學習方向。

學科的“三融合”是指將地理空間信息軟件人才培養與科研平臺、人工智能課程體系以及多種教學模式進行深度融合，并落實到師資培養、機制建設、課程體系設計3 個方面。通過設計并制定一系列管理制度，促進跨學科專業人才培養，提升學生的實踐綜合能力，從而培養出能夠服務于國家重大戰略需求的全面人才。通過組織青年教師座談會、教師講課比賽以及評選優秀指導教師等方式不斷加強師德師風建設，以科研項目充實教師的教學內容，促進教研良性循環。結合學科背景與學校特色，依托國家地理信息系統工程技術研究中心，引導教師把國際前沿學術發展、最新研究成果和實踐經驗融入教學，促進師生“寓教于研、教研相長”，最大程度地提高學生的自主學習、自主探究、自主創造能力，并提供創新創業、研究成果轉化機會。

3 方案實施及成效

3.1 人才培養方案實施

構建教研一體化跨學科教學平臺、專業課程新結構以及智能化教學新模式是培養地理空間信息軟件人才的基礎條件。地理空間信息軟件人才不僅要掌握地理空間信息工程專業的基礎理論知識，而且需要強化實踐能力。軟件開發是一門實踐性很強的工程技術，需要通過項目實踐來培養學生的軟件開發能力，因此學校開展了較多的軟件工程實踐課程，加強與軟件企業的合作，邀請企業工程師參與教學，鼓勵學生積極參與開源項目或企業項目實習。學科競賽也是檢驗與提高人才培養質量的重要手段，學校積極組織學生參加地理空間信息軟件開發競賽、應用創新大賽等活動，激發學生對專業的學習興趣，以提升人才的培養效果。

智能化時代的軟件技術更新速度更快，因此需要及時關注新技術的發展趨勢。學校要加大對教師的培訓力度，鼓勵教師學習新技術與新方法，提高教學水平，并將新技術融入教學中。同時要培養學生的自主學習能力，以適應技術的快速發展。

3.2 人才培養成效

自中國地質大學（武漢）地理空間信息工程專業獲批以來，通過協同國家地理信息系統工程技術研究中心、地質探測與評估教育部重點實驗室等多個國家省部級平臺，建立了跨學科交叉融合的科研與教學團隊。在開展智能化時代地理空間信息軟件人才培養模式實踐的過程中，為進一步了解學生的學習效果并量化教師的教學成效，筆者針對中國地質大學（武漢）地理空間信息工程專業2021 屆（首屆）畢業生成果和教師教學成果進行統計匯總。

團隊從理念改革、信息化改革以及考試改革3 個方面進行教學改革，以充分提升學生的學習動力、動手能力與自主學習的積極性，拓展學生的思維空間。在課堂上，以項目工程問題（如選址分析問題、交通預測問題等）為導向，鼓勵學生使用AI+GIS 的方法提出解決思路，并使用MapGIS、ArcGIS 等GIS 平臺結合主流深度學習框架來解決問題。同時積極鼓勵學生在大二、大三期間參加學科競賽，如全國大學生高校GIS 開發大賽、大學生數學建模大賽等。學生在比賽中遇到問題時需要利用多種途徑來尋求解決問題的方法，因而使學生在課上、課下帶著問題去學習專業知識，思考問題的本質，培養自己獨立分析與解決問題的能力。在求知欲氛圍濃厚的環境下，近3 年無學生考試違紀，學生畢業論文緊密結合專業方向，符合培養目標，選題規范、合理。學院嚴格執行畢業設計選題、開題評審、畢設答辯流程，教師指導效果好，學生論文完成質量高，涌現出一批優秀畢業論文。

在項目開展以來，團隊也取得了豐碩的教學成果，其中相關成果“地理信息類專業3332 教學體系創建與實踐”榮獲2018 年高等教育國家級教學成果獎二等獎，并獲省級高等學校教學成果獎1 項、全國高校地理信息科學教學成果獎1 項，詳見表2。地理空間信息工程專業自2017 年招生以來，2021 屆（首屆）畢業生總人數62 人，其中升學人數26 人，升學率為41.94%，肄業人數為0，畢業生合格率為100%，詳見圖2。其中，4 名本科生在國際知名SCI 期刊發表多篇論文，實現了基礎扎實、知識面寬、能力強、素質高的具有創新精神和實踐能力的高級專門人才培養目標。

Table 2 Teaching achievements attained by the team表2 團隊取得的教學成果

Fig.2 Career destinations of the graduates from the class of 2021 in geographic spatial information engineering圖2 2021屆地理空間信息工程專業畢業生畢業去向

團隊在創新實踐方面采用產學研和“3+1”培養模式。在專業教師的指導下，學生成功申報大學生創新創業訓練計劃項目，包括國家級2 項、省部級4 項，同時積極參與各類科技文化競賽活動，獲得全國大學生GIS 開發大賽特等獎1 項、一等獎4 項、二等獎5 項、三等獎1 項，詳見表3。其中，2020年競賽獲獎54人次。

Table 3 Summary of student awards表3 學生獲獎情況匯總

在智能化時代地理空間信息軟件人才培養模式的驅動下，鼓勵學生緊跟時代前沿，以解決實際問題為驅使，通過主動學習、積極探索、知識共享，融合掌握各科、多領域知識，有助于其開拓視野、調動學習熱情并培養創新思維。通過與多家單位簽訂產學研基地、實習基地，加強對學生動手實踐能力的培養，為地理空間信息領域的卓越工程師培養創造了良好環境。

4 結語

智能化時代下的地理空間信息軟件一流人才不僅要掌握地理學領域的前沿技術應用知識，而且應該具備國際化的視野和思辨能力，因此需要地理空間信息工程及其相關專業對人才培養模式、教學創新模式進行探索和創新。中國地質大學（武漢）地理空間信息工程專業在本科教學課程體系構建、教學模式改革、實踐教學基地建設等方面進行了積極探索，經過多年的持續發展，已初步搭建了國內一流的教學科研平臺，具有專業課程結構合理、教學資源豐富、實踐教學成果突出、人才培養特點顯著等優勢，對于智能化背景下的地理空間信息軟件人才培養模式的研究與實踐具有重要的指導意義。

然而，智能化時代下的地理空間信息軟件人才培養還面臨著一定挑戰，如人才培養與產業發展的匹配度問題、新技術應用的跟進速度問題、實踐條件的限制問題等。為此，高校應加強產學研合作，密切跟蹤行業技術發展動態，及時調整人才培養方案；加大實踐平臺投入力度，為學生創新創業提供更廣闊的舞臺；加強教師隊伍建設，提高教師的專業水平和教學能力。總之，智能化時代下的地理空間信息軟件人才培養模式研究與實踐是一個長期過程，高校應不斷總結經驗，在實踐中不斷改進與優化人才培養方案，為我國地理空間信息產業發展提供強有力的人才支撐。未來，高校還應加強與國內外相關高校和科研機構的交流合作，共同探索地理空間信息軟件人才培養的新范式。