創新思維，為碎片化時代重構一份宏圖

王湘蓉 鄧曉婷

湖南博物院，《長沙國南部地形圖》安靜占據小小一隅。壯麗塵埃，悉數于此。

探身看去，泛黃的帛片上水系蜿蜒，西漢時期的城邑、田地，被極簡地標注其中。彼時這里的經濟、人文如何？一寸十里，給后人留足了想象和探知空間。作為地圖考古史上一個震動世界的發現，有學者指出，這幅地圖的山脈畫法已經接近現代等高線。

地圖是文明建構與流變的象征。自古以來，地圖對于人們認識、分析與執掌世界，具有重要價值。中國工程院院士王家耀提出，即便到了人工智能不斷發展的今天，地圖的原創性仍不會消減。從現實到抽象，一幅地圖所涵蓋的知識、文化、哲思、邏輯，綜合萬象。“地圖是人類最偉大的創新思維之一”，王家耀認為，作為集科學、技術、工程屬性于一體的特殊文化形態，地圖可作為我們科學認識世界的開端。

“小眾”科學的大天地

王家耀稱地圖學是“小眾”科學。從社會價值層面來講，雖然當下人們的工作、學習、生活離不開地圖的指引，但很少有人真正理解地圖更為深刻的原創性意義。無論哪種類型的地圖，在看似通俗易懂的符號背后，是嚴密的數學方法、獨特的地圖語言，以及空間尺度變化理論共同組成的科學認知觀，它對激發人的抽象思維有積極且深遠的作用。

從古希臘地理學家埃拉托色尼發現地球的周長和曲率，再到德國氣象及天文學家魏格納于1912年提出大陸漂移學說，反映著自古以來人類對世界版圖規律的認識。王家耀說，地圖有嚴密的數學基礎，把地球這樣一個不規則的球面映射到平面上，需要科學抽象的方法。其實就是將復雜的內容進行簡化和抽象。

這些嚴密性有可能是我們平時看到卻并未深入思考的。比如打開一張分色的世界地圖或者中國地圖，可以看到233個國家和地區或我國34個省級行政區至少用了4種顏色作區分，這即是國際正規地圖所遵循的“四色定理”，“四色定理”曾是國際上公認的最難解的數學難題之一。繪制地圖顏色不可隨意使用，字號也有嚴格的規定。

放眼歷史和當下的國際社會，很多爭端都由權屬問題引起。小到田地，大至家國。《周禮》中言：“凡民訟，以地比正之；地訟，以圖正之。”據記載，三國時期，魏國清河、平原二郡因為地界問題紛爭多年，直到有人從皇宮中拿到一張標明邊界的地圖，這場紛爭才得以結束。

“為何說釣魚島、南海諸島自古以來就是中國固有的領土，就是憑我們現在掌握的歷史上各種地圖和相關文獻，它們是我國最早發現、最早命名、最早行使行政管理權的地區。”王家耀強調，特別是在當今國際競爭如此激烈的情況下，地圖的權屬法理價值對維護一個國家的領土完整至關重要。

再從軍事價值來看，王家耀指出，軍事家在籌劃和指揮作戰時無不關注空間、時間的制勝意義。《管子·地圖》言“凡兵主者，必先審之地圖”，只有這樣才能“行軍襲邑，舉錯知先后，不失地利”。在古代，地圖是一個國家重要的“軍事資產”。據記載，秦國在統一六國的過程中曾繳獲各國地圖，后被劉邦接管，在當時，地圖對于新政權的執掌具有重要的戰略價值。

現代戰爭更是如此。王家耀說：“國防建設部署、規劃離不開地圖，戰略謀劃和計劃需要利用地圖，特別是一體化聯合作戰需要反映戰場地理空間結構和空間關系的‘一張圖作支撐，作戰行動要有地圖引導，武器平臺乃至遠程武器的精確打擊更需要精確的數字地圖。”

王家耀說，無論從個人生活還是國家戰略，地圖的哲學意義可以概括為“什么時間在什么地方應該做什么事”。他建議我們養成用圖的習慣，利用地圖認識地理世界，可以鍛煉我們的空間認知能力。比如獲取全球的信息，了解各區域層面事物的相互關聯、各國在各時期的交錯關系等。

美國地理學家蘇珊·漢森在《改變世界的十大地理思想》中提道：“所謂的地理思維就是要看到整體的宏圖……向任何一位地理學家展示一幅地圖，他會馬上沉浸在各種關系和聯系之中——人與環境之間的聯系、地方之間的聯系，這些都是地理學的核心問題。”

王家耀說：“我們現在閱讀地圖，是通過人類的視覺原理作出判斷，最終指導自己的行動，而在未來人工智能時代，我們還可以引入類腦智能研究成果進行空間認知，通過腦機接口，用計算機作出更快、更精準的決策。”

科學家要善于從外部找尋發展動力

作為一名科學工作者，勢必要懂得如何快速適應時代的變化。1961年，王家耀從解放軍測繪學院畢業。此后的60余年，地圖學不斷突破。制圖技術的革新，讓一批制圖人感受到了壓力。從封閉的內部向外部拓展，并不是一件容易的事。尤其每到一個階段，都會發現技術的局限性。

“我們過去搞制圖的人總是在一個封閉的體系里打轉，只管怎么制作地圖，但用戶怎么應用地圖沒人思考。完全在一個封閉體系內部運轉是不行的，技術變化很快，必須從技術層面向外部突圍尋找發展動力，解決內外融合的矛盾。”

20世紀60年代初期，制圖學還處在傳統的手工繪制階段。系統論、信息論、控制論“三大論”的出現，對整個科學界產生了巨大影響，尤其影響著科學家的思維方式。大家必須立足本職，去外部尋找新的契合點。王家耀說：“這里面充滿了哲學，實際上是我們科學家思維方式的變革。”

這場指向信息時代的變革經歷了數字化—網絡化—智能化階段。在不可阻擋的趨勢之下，地圖學領域需要做好大量的理論和技術準備，建立“由經驗地圖制圖到更加嚴密的理論模型制圖”理論。70年代初，王家耀在解放軍測繪學校（武漢）任教時，在圖書館偶然看到一本英文書《計算機繪圖》。雖然這本書的內容不是繪制地圖而是機械零部件，但給了他莫大的啟發。他深諳手工制圖的煩瑣，意識到必將迎來改革。

“當時我覺得既然計算機能繪制機械圖，為什么不能繪制地圖呢？只不過地圖更復雜。”正是在好奇心的驅動下，那時作為教研組副組長的王家耀，馬上安排一位老師到武漢大學進修電子計算機，自己開始籌辦計算機地圖制圖專業。

隨著計算機制圖技術的發展，傳統通過紙質地圖等物理媒介傳遞圖形信息，變成通過數字終端傳遞數字信息，大大提高了制圖單個環節的效率。王家耀談道，單個環節效率提升后，又引發了新的問題：單人單機單系統，一人做一幅圖，彼此無法協同。直到20世紀90年代，網絡發展十分迅速，網絡化為數字制圖系統提供了一條信息“高速公路”，才解決了協同問題。“通過網絡，我們可以把世界、國家、省市的基礎數字模型地圖制作出來，然后按照用途劃分，再通過網絡傳遞給無數個客戶終端。這是一個集成性的開放系統。”

當網絡化提高信息流和流水線的整體效率之后，如何才能實現更智能的協同？王家耀說：“這就好比我們平時在高速公路上開車，怎么合理規劃路線才能不堵車？”在物聯網、云計算、網格計算等新興信息技術的支撐與推動下，20世紀末21世紀初，地圖學領域的自動化迎來了飛速發展。

“尤其是總結了20世紀八九十年代搞專家系統的經驗教訓，那時不注重基礎理論研究，把一般計算機專家系統簡單搬到計算機地圖制圖領域，結果不實用，后來我們加強了基礎理論研究并引進了人工智能技術，解決地圖制圖特別是地圖內容制圖綜合中的一些難題。”

縱觀地圖學發展史的四個時期，地圖制圖科學技術轉型發展的周期越來越短。從原始地圖的萌芽和以觀察者實地考察的直觀邏輯思維為特征的古代地圖學的形成與發展，共經歷了4000余年時間；17世紀末興起的以大規模三角測量和實測地形圖為特征的傳統地圖學（即近代地圖學）的形成，走過了300多年；從20世紀50年代末60年代初開啟的以計算機數字地圖制圖與出版一體化為特征的現代地圖學，只用了短短60多年時間；目前地圖學正在開啟以數據密集型計算為特征的新時代。王家耀說，這告訴我們只有站在學科發展前沿，抓住機遇并付諸實踐，地圖學才能發展，否則就可能滯后一個時代。

教學生先要“鍍”自己

面對大科學時代學科發展的新特點，人工智能等新技術推動新一輪科技革命和產業變革迅速發展，學科交叉融合催生新的學科和研究領域，科學研究范式的深刻變革正在改變人們對學科發展的思維方式，科學技術、經濟社會發展加快和滲透融合成為學科發展的重要力量源泉。

要讓地理學專業的學生適應這樣的趨勢，王家耀認為有三點值得注意。一是讓學生學透基本的原理和知識點，理論聯系實際，培養學生解決實際問題的能力。二是要有學科交叉融合意識，這是大科學時代一個重要特點。很多人將自己封閉在自己的學科領域，持有“我是搞地理的”“你是做測繪的”這類觀念，其實測繪學和地理學并沒有不可逾越的界限，它們本身就具有交叉融合的特點。三是要將教育和科學研究同經濟社會發展相融合，當下的人工智能發展加快了經濟社會發展和交叉學科發展。

當下高等教育的專業設置中，作為地理學的二級學科，地圖學與地理信息系統逐漸遇冷，“我們從其他高校引進的人才，很少有從事地圖學與地理信息系統專業研究的，這對社會經濟和科學技術的發展很不利。政府部門、軍隊，以及廣大社會用戶都需要使用地圖”。王家耀認為，地圖學與地理信息系統作為一個完整的二級學科，是不可缺少的。

地圖學與地理信息系統是一個交叉性很強的學科。關于地圖所呈現的內容，過去有很多經典的名言，“地圖是濃縮歷史的經典”“ 地圖是詮釋世界的杰作”。王家耀說，地圖不僅可以表達現在，還可以表達過去和未來。地圖跨越時間和空間、自然和人文、技術和工程。在該專業的教育中，尤其要培養學生的超前感。

要習得這種超前感，教師的“教”只是一方面，重要在于自己如何去學，要善于從生活、時代的廣袤地帶找答案。王家耀說：“對于地理學專業的人才培養而言，基礎一定要打得牢，知識面要寬，這個‘寬并不是說要學習十幾門或者更多的課程，作為老師，要教會學生獲取知識的方法。”

對于如何做一名好老師，王家耀有一個很重要的體會：教好學生不是源自外部壓力，而是內心的動力。王家耀今年88歲，退而未休，一生見證著地圖學階梯式的發展。但他的學術和教學歷程也曾有過斷崖式的跌宕。當他爽朗地講出這些細枝末節時，尤其能體會他所說的動力實則是一位師者的自我重建和超越。

在解放軍測繪學院求學期間，王家耀有“三套筆記本”：第一套是聽課筆記，跟著教員思路記下關鍵點；第二套是課后復習筆記，對比教員講的和參考書上的內容有什么不同、為什么不同；第三套是復習考試筆記，即認真研讀前兩套筆記本的內容，實現由“少”到“多”，再由“多”到“少”。

畢業之前，王家耀就參與翻譯了（俄譯漢）大量地圖制圖學領域科技資料，且作為項目主要負責人，組織設計編纂并驗收了《軍官地圖集》。留校任教的第一年，王家耀帶的是一個越南留學生班，待這屆學生畢業，王家耀剛剛開啟的教育事業突然中斷。

1964—1966年期間，他在河北涿州參加勞動。其后，王家耀又去北京某三輪車社當上了“板爺”，每天蹬著一千多斤的貨物早出晚歸，昌平、通縣（現通州）、門頭溝、長辛店……沉重的車轍遍布城南城北。直到1969年年底，學校搬遷至武漢重建，王家耀才被通知調回。朝夕思念的生活突然有了回響，但當時的王家耀已經有5年多沒有“摸”過書了。

“那時學校招收的都是部隊有實踐經驗的學生。回到教學崗位，我得從頭再來。全國的地理、地貌有什么特點？它們是怎么形成的？在地圖上怎么表達？地圖學這一套復雜的系統知識我都是靠自學。”1972年王家耀開始寫教材，先后編寫出版了《地貌及其綜合》《制圖綜合》《地圖編制》《地圖制圖數據處理的模型與方法》《理論地圖學》《地圖學原理與方法》等著作（教材）；隨著網絡發展，他編寫了包括《空間信息系統原理》《網格地理信息服務概論》《數字地圖綜合進展》等專業書籍。王家耀說，自己的教學筆記總是被學生“搶”了去，他還笑稱“沒人愿意還給我”。一路走來的成長經歷給了王家耀很大的啟發，他認為一定要培養學生自主學習的能力。

王家耀不贊成用一種模式，如一個統一的教案甚至一個PPT進行教學，這樣完全忽視了教育本身的創造意義，教育方法應該靈活且有差異性。教師隊伍至關重要，要建立一流的教師隊伍，才能培養一流的人才，才能有高水平的創新。正是基于對人才培養的思考，在河南大學工作多年的王家耀一直對河南的高等教育“心有不甘”。

王家耀認為河南是教育大省，但不是教育強省，高等教育亟待提高質量。教師隊伍建設是一個復雜的系統工程，很多高等院校對于發展、創新、科技、教育、教師之間的關系沒有辯證思考。他深感一部分高校表面上重視人才，實質上引進的是很多頂“帽子”。

“要培養什么樣的人，我們必須要有前瞻性的思考。”王家耀認為，在大科學時代，交叉學科的加速演進對教師的能力提出了更高的要求，要具備高度的創新思維能力及能動性、創造性和自主能力，從“鍍”自己開始，才有可能從源頭和底層去解決人才培養問題。