大數據智能時代地理信息科學專業人才培養方案的提質與實踐

陳 杰,鄧 敏,劉啟亮,石 巖,劉慧敏

(中南大學地球科學與信息物理學院,湖南 長沙 410083)

地理信息科學專業已成為廣泛涵蓋測繪、地理、計算機等多學科跨領域知識的綜合性、創新性、實踐性的新型專業[1]。相關高校均致力于將地理信息科學專業打造成本校的特色專業。如武漢大學提出“綜合交叉,理工并舉”的培養特色[2];南京大學強調不斷探索拔尖創新人才的培養模式[3]。

近年來,對地觀測、傳感器、物聯感知等技術的發展,使獲取對地-對人觀測的海量時空數據變得越來越便捷[4]。地理信息科學專業人才培養應該主動適應新時代技術與產業變革的需求[5-6]。在大數據人工智能的時代背景下[7],有針對性地提升人才培養方案的質量,是有關地理信息科學專業給國家與行業培養和輸送高層次人才的重要議題。

近年來,筆者所在學校地理信息科學在學校理工融合、厚理強工指導思想下不斷發展,面向服務資源環境監測、地學應用、智慧城市建設等國家重大需求,以地理大數據、空間智能前沿研究支撐高水平教學,逐漸形成具有特色的人才培養模式。本文主要探討地理信息科學在大數據智能時代如何提高人才培養方案質量,并分享實踐經驗。

1 高質量人才培養方案制訂的主要原則

我國地理信息行業已經由勞動密集型向知識密集型與技術密集型轉化。高質量的人才培養方案需要直接瞄準國家的重大需求、行業的技術發展、學科的基礎前沿,從而使得培養的專業人才滿足現代化社會的發展需要。

(1)對接國家重大需求。地理信息數據在推動高質量發展中具有基礎性和先行性作用。筆者所在學校地理信息科學專業始終堅持人才培養緊密對接國家戰略,廣泛調研智慧城市、應急管理、可持續發展、環境保護等國家重大需求中的地理信息科學問題與關鍵技術。如對地理信息賦能國家重大需求涉及的基礎理論、關鍵技術方法進行梳理,開設物聯網與智慧城市課程,讓學生掌握智慧城市建設的主要內涵、關鍵技術與應用場景[8]。

(2)面向行業發展趨勢。地理信息科學專業的人才培養應當密切關注行業發展的趨勢。筆者所在學校地理信息科學專業針對人才培養方案,多次深入企事業單位調研,了解用人單位的業務性質與人才需求動向,并邀請企業校外導師參與人才培養方案編制。如在人才培養過程中主動調整教學內容與實踐環節,讓學生及時了解地理信息關聯行業的時空大數據采集、管理、分析,以及知識圖譜構建、服務等相關技術[9]。

(3)緊跟學科發展前沿。基于海量、多源、異構的地理大數據,分析與預測現實規律的問題已變得愈來愈綜合[10]。筆者所在學校一直堅持將最新學科前沿理論、技術與方法引入地理信息科學專業人才培養過程中。如相繼開設地理智能與機器學習、人工智能數學基礎等課程,讓學生了解人工智能的基本概念、數學基礎、理論方法、前沿技術及其應用。

(4)體現地方發展特色。筆者所在學校地理信息科學專業在人才培養過程中,緊扣湖南省戰略性新興技術與產業的發展,在將先進信息技術手段與創新人才培養深度融合的同時,以當地優勢特色為支撐推進專業建設與改革,不斷優化課程及教學內容。如地理信息服務、GIS工程等課程,結合湖南自然資源智慧平臺建設應用實例,向學生介紹地理信息技術在全省自然資源治理體系和治理能力中的作用,使學生理解如何利用地理信息服務湖南省“三高四新”戰略[11]。

(5)發揮學校專業優勢。高校在開辦地理信息科學專業時應繼承其歷史沿革并考慮專業結構。筆者所在學校地理信息科學專業結合學校在測繪、地質、環境、交通等理工學科的優勢,在人才培養過程中注重不同學科領域的基本理論、技術方法的有機融合。如向學生傳授地學三維建模、空氣污染物濃度預測模擬、交通流時空分析等多學科交叉理論及技術應用知識,指導學生開展深部資源三維可視化預測、重金屬污染動力學模擬與三維預測等綜合實踐。

2 GIS人才培養方案提質的思路

筆者所在學校地理信息科學專業的人才培養始終朝著國家-行業-學科發展需求與趨勢的方向優化,保障學生具備扎實的理論基礎和先進的專業技能。

(1)構建“基礎理論-數據管理-計算技術-分析方法-工程應用”的課程分塊管理體系,優化課程內容和銜接關系。為系統培養學生的地理思維、計算思維、工程思維,優化構建“基礎理論-數據管理-計算技術-分析方法-工程應用”五大專業課程模塊,如圖1所示。

a. 在基礎理論模塊,依照《地理科學類教學質量國家標準》中的地理信息科學專業核心課程建議,開設了地球科學概論、地理信息系統原理與應用、地圖學概論、遙感原理與應用、自然地理、人文地理、空間統計基礎、人工智能數學基礎等課程,讓學生掌握地理、測繪、遙感、數學、人工智能等學科的基本知識和基本方法。

b. 在數據管理模塊,由測量學基礎為引導,開設了衛星導航定位技術應用、空間數據采集與管理、攝影測量學、泛在地理信息感知及應用、激光點云數據處理概論、地圖制圖與可視化、空間數據庫原理與技術等課程,系統性培養學生獲取、管理、處理、可視化地理空間大數據的能力。

c. 在計算技術模塊,以數據結構與算法課程為基礎,圍繞地理與遙感數據的處理與計算開設了科學計算與Python語言、遙感數字圖像處理、GIS圖形算法基礎、GIS算法設計、地理智能與機器學習等課程,強化學生掌握科學計算、智能分析等大數據計算的有力工具。

d. 在分析方法模塊,開設了空間分析、時空大數據概論、遙感地學分析、區域分析方法、數字高程模型、三維空間信息建模等課程,培養學生具備分析地理時空大數據的能力,利用遙感影像進行地理空間信息分析的能力和進行地表與地下三維空間信息建模的能力。

e. 在工程應用模塊,開設了面向對象程序設計、地理信息服務、網絡地理信息系統、GIS工程、GIS應用開發、移動GIS設計與開發、物聯網與智慧城市等課程,要求學生能夠熟練掌握地理信息工程設計與系統開發、空間信息技術應用等方面的技能,具備良好的地理信息系統工程設計、軟件開發、服務應用及項目管理能力。

課程體系在經過優化構建之后,學生在畢業設計、就業或升學方面都取得了更為廣泛的成效。如2022屆本科畢業論文選題就包含人類活動視角下的城市設施關聯模式挖掘及可視化分析、面向城市土地利用推斷的自適應加權多視角子空間聚類方法、場景相似度量下的城市污染建模遷移研究等涉及地理時空大數據、人工智能、三維地學建模等諸多領域的前沿主題。此外,學生的就業與升學也涵蓋了自然資源、交通水利、國土規劃、測繪遙感、IT、互聯網等多個行業方向。

(2)緊跟大數據智能時代的學科專業發展要求,修訂完善專業課程體系。人工智能技術快速進步給地理空間問題研究與應用的智能化發展和融合創新帶來了新機遇和新挑戰[12]。地理信息科學專業的人才培養應該要求學生掌握時空大數據的處理與分析能力,支撐自然資源調查監測、國土空間規劃、智慧城市建設與運行、突發事件監測預警及災后恢復輔助決策等應用。為此,筆者所在學校地理信息科學專業緊跟大數據智能時代的學科專業建設要求,針對性地進行課程修訂,如圖2所示。

如新增人工智能數學基礎課程,提升學生在大數據分析與地理空間智能方面的知識水平與實踐技能;面向當前泛在測繪、群智感知等地理信息獲取技術與制圖模式的新發展,增設泛在地理信息智能感知及應用課程;新增空間數據采集與管理課程,向學生介紹空間數據采集與管理的基本原理、處理方法和過程;為讓學生具備時空大數據分析的計算基礎,并增強為地理信息各行業領域提供支撐與服務的能力,分別增設GIS算法設計、地理智能與機器學習、GIS應用開發、地理信息服務等課程,根據當前智慧城市建設的技術要求,將原來的智慧城市導論改為物聯網與智慧城市。

(3)融合跨多學科的領域知識,實現“理論基礎-計算分析-工程開發”多層次綜合交叉。筆者所在學校地理信息科學專業在發展過程中與測繪科學與技術、地質工程與地質資源學科關聯密切[13],在人才培養上兼顧工科與理科的特點來培養高水平地理信息技術人才的綜合素養與能力?？紤]到國家需求與行業趨勢對信息技術有較高要求的特點[14-15],開設了跨地理、遙感、測繪、地質、計算機、大數據、人工智能等學科的課程(如圖3所示),有助于學生具備系統性的專業知識及跨學科背景的批判思維和綜合思維,并學會利用計算機工具解決地理信息領域中的問題。如該專業的師生在第一屆中國地球科學大數據挖掘與人工智能挑戰賽中,綜合運用地理學、地質學、數學、大數據、人工智能等多學科領域交叉知識,從150個參賽隊伍中脫穎而出,榮獲全國一等獎。近5年,該專業的學生在老師指導下開展了近70余項大學生創新項目,充分體現了學生對不同領域知識的掌握能力。

圖3 “跨領域知識融合”與“多層次綜合交叉”相銜接

3 結論與展望

專業人才培養工作是高校的根本任務,體現了專業人才培養目標和專業人才培養的要求,是高質量人才培養的重要基礎。筆者所在學校地理信息科學專業人才培養堅持以國家-行業-學科發展需求為導向,以適應大數據與人工智能時代對人才的能力需求為驅動力,積極探索人才培養質量的提升舉措,并在課程設置、課程教學內容、教學模式、實踐教學等方面不斷探索積累高質量人才培養經驗,取得了一系列成效。目前,已將空間分析建成為國家一流課程,地理信息系統原理與應用建成為湖南省一流本科課程,地圖學概論、空間統計基礎、遙感原理與應用等建成為筆者所在學校金課,先后編寫《空間分析》《空間數據可視化》《GIS工程與應用》《遙感原理與應用》等專業核心課程教材12部。此外,還鼓勵學生積極參與相關學科競賽,檢驗學生的解決問題的能力及教學過程的效果與質量。近年來,筆者所在學校連續獲得全國大學生GIS應用技能大賽、全國高等學校大學生測繪科技論文大賽、全國地球科學大數據挖掘與人工智能挑戰賽最高獎。今后學校將繼續思考互聯網+、大數據、人工智能等對專業人才培養重點的新要求,進一步完善培養方案、優化資源配置、改革教學方式、提升實踐平臺,多層次全方位創造條件為國家和社會培養有知識、會思考、懂交叉、能創新的新型地理信息科技人才。