新工科背景下GIS原理課課帶實驗與理論互促互進教學探討

摘 要：測繪工程專業GIS原理課程的課帶實驗教學和理論知識教學是有機統一的整體，該文針對目前教學忽視二者互促互進性和統一性，難以符合新工科建設要求的問題，探索改變現有“老師演示，學生模仿”的實驗教學與重知識、輕能力、知識向實踐能力轉化效率低的理論教學模式，形成“老師引導，學生思考與探索”的實驗教學和理論聯系生產實際，知識、能力、實踐一體化與項目化的理論教學模式。實現課帶實驗反哺理論，并內化為知識，理論知識指導實驗教學，并轉化為實踐能力，最終完成GIS原理課程理論與實驗教學的有機統一與深度融合。

關鍵詞：GIS原理；互促互進教學；課帶實驗；理論教學；統一融合

中圖分類號：G420 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）29-0032-05

Abstract： The teaching of theoretical knowledge and the teaching of experiments in the course GIS Principles for surveying and mapping engineering is an organic and integrated unity. In the current instruction， this paper aims to address the problem of neglecting the mutual promotion and unity of these two kinds of teaching and the difficulty of meeting the requirements of the construction of "new engineering profession". Based on the existing "instillation by the teacher， imitation by the students" experimental teaching and the theoretical teaching mode which emphasizes knowledge but not competence， and the low efficiency of transferring knowledge to practical competence， we are seeking to explore a teaching mode that will change this situation. Therefore， it can form a project-based teaching mode of "Teacher-guided thinking and exploration"， which combines theory teaching with practice， and integrates knowledge， ability and practice. This pattern will enable the experiments in the course to enrich the theory and internalise it into knowledge， make the theoretical knowledge guide the experimental teaching and transform it into practical ability， thus finally achieve the organic unity and deep integration of the theory and experimental teaching of the course GIS Principles.

Keywords： GIS Principles; mutual promotion teaching; course experiment; theory teaching; unified integration

基金項目：貴州大學教學內容和課程體系改革項目“新工科背景下《GIS原理》課帶實驗與理論知識互促進教學研究”（XJG2022009）；2021年度國家級一流本科專業建設點“測繪工程國家級一流專業”（無編號）

作者簡介：張春亢（1984-），男，漢族，河南太康人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為3D GIS建模與應用。

教育部從2017年開始積極在全國推進新工科建設，對工程類專業教育提出了中國模式。新工科建設要求全國高校培養更多的創新型與綜合型的人才，并要求學生能夠將所學理論知識應用于現實生產實踐中[1]。因此，在新工科背景下，對課程實踐教學的重要性及其與理論教學的融合式教學提出了更高的要求。目前，工程類專業教學人員也對實踐教學的重要性進行了相關研究與探索。包山虎等[2]對教學內容和實踐教學設計進行了探討，提出在教學過程中，要在課堂上為學生引入最新與最前沿的專業知識，并針對專業特點分析社會需求，做出適合學生特點的培養模式。栗海仙等[3]針對教學中唯分數論、忽視實踐教學環節的現狀，以機械本科專業為例，提出了理論知識向實踐動手能力轉化的方法與途徑，以提高學生解決實際工程問題的能力。王曉萍等[4]認為教學要以培養學生的能力為主要目的，并以現實問題為紐帶、以綜合能力培養為導向進行創新型課堂實驗。田俐等[5]將遞進式實驗教學方式引入課堂，以實現將理論知識及時用于實踐能力的培養，提高學生的動手實踐能力，并培養在學習上的自我主權意識。

地理信息系統（Geographic Information System，GIS）原理具有多學科交叉、技術集成、實踐性強等學科特點，其課程設置一般由理論課和課帶實驗課兩部分組成。然而，在GIS原理現實的課程教學中，理論教學與課帶實驗教學作為兩個相互協調與促進的教學過程，卻很難做到統籌兼顧。如何將理論教學與課帶實驗教學相結合，真正地將理論分析與實驗探索的創新思維融入到現實的課程教學中，并實現課帶實驗反哺加深理論知識的理解與掌握，將理論知識內化為動手實踐能力，形成理論知識與課帶實驗互促互進模式與效應，是所有新工科工程類專業課程在教學過程中需要探索與實踐的重點[6-7]，也是GIS原理課程教學面臨的問題。

一 GIS原理理論與實驗教學的統一性

GIS原理作為測繪工程本科專業的一門必修課程，其論述了地理信息系統的概念與本質、地理空間數學基礎、空間數據模型、空間數據結構、空間分析方法和可視化技術等地理空間信息科學與工程領域的基礎核心知識，是測繪工程專業眾多課程的基礎與先導課程。作為一門測繪工程專業的核心基礎課程，通過對本課程的學習，學生應能系統掌握地理信息系統相關理論與方法，并具有運用地理信息科學相關理論方法解決實際測繪地理信息工程問題的能力。該課程為學生系統學習測繪地理信息相關知識奠定專業基礎，并培養學生的科研素養和創新能力，為今后從事科研和測繪工程項目實踐等打下基礎。

GIS原理理論課主要講授GIS的相關理論知識。課帶實驗是學生在教師的指導下使用GIS數據處理軟件，通過動手實踐理解和掌握GIS的原理和應用。其中課帶實驗教學可以加深學生對GIS基本原理理解和領會、提高學生分析和獨立解決工程實際問題的能力，是培養學生創新意識、激發學生學習興趣的重要手段，在整個課程學習中具有十分重要的作用[8]。GIS原理理論知識的學習可以為地理空間信息科學實踐技能的學習和運用提供理論基礎[9]，同時作為一門對學生動手能力要求較高、實踐性較強的課程，課帶實驗教學將為測繪工程本科專業人才從事生產實踐提供技術和能力支撐[10]。

GIS原理課程的理論知識教學和課帶實驗教學是有機統一的整體，他們之間是相互聯系、相互促進與相互轉換的，理論知識為實踐實驗提供理論支撐，并轉換為實踐知識，實踐實驗為理論知識的檢驗與應用提供了途徑。課帶實驗教學過程不僅要掌握ArcGIS等地理信息軟件數據處理過程，同時要反哺理論知識，理論知識教學不僅要掌握GIS原理相關理論、算法與模型，同時要聯系實踐與實驗加強理論知識理解，服務實際工程應用。

二 實驗與理論教學存在的問題

GIS原理課程的學習目標為學生理解并系統掌握地理信息系統的基礎理論知識與技術方法，同時通過課帶實驗課程的學習，培養學生利用地理信息系統相關理論、方法與技術對測繪地理信息領域復雜工程問題進行設計、處理、分析與表達的能力，為學生今后從事地理空間信息科學領域的科學研究、工程技術應用及管理工作奠定基礎。可見，GIS原理課程理論知識的學習最終是要服務于生產實踐，但目前GIS原理的教學目前普遍存在以下問題。

（一） 課帶實驗教學仍然采用“老師演示，學生模仿”的方式

GIS原理課帶實驗主要基于ArcGIS等地理信息軟件，對空間數據進行處理與分析，以驗證課程理論知識（驗證性實驗）或培養基于理論知識解決復雜實際工程問題的能力（綜合性實驗）。目前的實驗教學方式主要為“演示+實驗作業”的形式[11]，即課堂上老師現場操作ArcGIS等軟件，實現老師演示灌輸式教學，學生死記硬背老師實驗操作軟件過程，形成學生模仿式學習。但該教學方式使學生失去了學習思考的主動性、探索性和積極性，同時由于ArcGIS等地理信息軟件功能十分復雜，該教學方法很難讓學生完全掌握ArcGIS軟件功能。如實驗“地圖投影及其變換”，傳統的實驗教學方法為老師在課堂上按照步驟完成地形圖的配準，老師二十分鐘即可完成整個實驗操作，學生在老師操作軟件完成后，模仿老師半小時即可完成該課帶實驗。但該實驗涉及大量地圖學和地理信息的基礎核心知識，如地圖的分幅與編號、高斯-克里格投影的相關理論與應用、空間坐標變換相關理論等。采用“老師演示灌輸，學生模仿”的教學模式，學生機械性地完成了實驗，未經過主動性思考，無法實現通過實驗反哺與加強理論知識，完成知識內化。

（二） 重知識，輕能力，知識向能力轉化效率低

GIS原理專業課程的教學活動中普遍存在“重理論、輕實驗、協調難”以及理論教學與實驗教學截然分開的現象，進而忽視二者的互動性、互促互進性和統一性，使得實驗教學對學生能力的培養以及理論教學對實驗教學的促進難以協調統一，理論知識不能有效轉換為動手實踐能力。如課程第七章“GIS基本空間分析”與工程實踐密切相關，“疊置分析”等基本空間分析在工程項目實踐中得到廣泛應用。但在理論講授過程中，更多強調空間分析的概念、算法和模型等抽象理論，而不聯系工程項目實踐，使學生缺乏將理論轉化為實踐的能力。同時理論與實踐脫離不僅使學生失去了對理論知識學習的興趣，也無法讓理論知識有效指導實踐。

（三） 學習目的性不強，實踐動手能力差，缺少解決復雜工程問題能力

GIS原理是測繪工程本科專業地理信息工程方向的主干基礎核心課程，但作為測繪科學與地理信息科學的交叉課程，本科生對該課程的重要性普遍認識不足，學習目的性不強。測繪工程專業的就業與服務領域廣泛，其工程實踐作業主要分為外業和內業，學生在學習過程中更多關注傳統測繪數據獲取等外業的動手實踐，作為支持測繪數據內業處理與應用的主干課程，學生普遍重視程度不夠。隨著人工智能與衛星遙感等高新技術的發展，測繪的作業模式發生了巨大變化，解決復雜測繪工程問題，除了對專業知識的掌握外，還需具備信息新技術知識的學習和運用能力，以及對測繪數據進行深加工和再分析的能力。而作為與信息技術聯系最為密切的內業，GIS原理教學與實踐學習效果不佳已經成為學生實踐動手能力差，缺少解決復雜工程問題能力的重要原因。

三 理論與實驗互促互進教學改革思想

（一） 改變課帶實驗教學方式

改變現有“老師演示，學生模仿”的實驗教學模式，調動學生的積極能動性，形成“老師引導，學生思考與探索”的實驗教學模式。“教師引導，學生思考與探索”實驗教學方法在實驗過程中采用啟發教學，老師講解實驗原理與注意事項，引導學生自己思考實驗過程，在此過程中實現將實踐內化為知識，反哺理論知識，促進對理論知識的理解與系統掌握，同時通過自主探索學習軟件的更多功能。如對于課帶實驗“地圖投影及其變換”，在教學過程中，老師不再逐步向學生演示實驗軟件操作，而是向學生講解實驗原理、涉及的知識點和實驗的大概過程，促進學生在實驗的過程中發揮積極能動性，強化理論知識的反哺、聯系和理解。同時敦促學生學習該實驗未用到的部分軟件功能，促進對地理信息軟件的深度了解和學習。

（二） 理論聯系生產實際，實現項目化理論教學

深改傳統課程形態結構，顛覆理論知識占絕對主導的育人模式，設計構建新形態課程，實現以“理論知識向實踐知識轉化”為目標的教學內容設計。在理論知識講授過程中，理論聯系生產項目，實現理論知識向實踐知識轉化，提高了對學生綜合素質、創新能力與科研能力的培養。如在講授第七章“GIS基本空間分析”時，對于“疊置分析”“緩沖區分析”“窗口分析”和“網絡分析”，分別結合“貴陽市人民大道拓寬工程”“貴州省不同茶樹品種種植適應性評價”“百度地圖電子導航”等具體項目中應用的空間分析方法，幫助學生理解空間分析的概念，同時提高理論知識向實踐能力的轉化效率。

（三） 采用知識、能力、實踐和創新一體化教學模式

在教學過程中要求學生能夠應用所學知識、選用先進儀器裝備和數據信息處理方法，采用科學方法對測繪領域復雜工程問題開展專業設計、實驗、分析與解釋數據，對復雜測繪領域工程問題開展預測與模擬研究，并能解釋其現象，通過信息綜合得到合理有效的結論，實現知識、能力、實踐與能力的一體化教學。如“DEM建立與應用”與“三維可視化分析”實驗，涉及三維激光雷達、無人機遙感、虛擬現實技術等新技術，且與目前正在實施的“實景三維中國”等國家基礎設施項目密切相關。在理論教學和實驗教學過程中，將理論知識、實踐動手能力和創新能力的培養聯系起來，實現一體化教學，以提高學生利用理論知識解決新技術下測繪地理信息復雜工程問題的能力，適應新工科的發展需要。

四 理論與實驗互促互進教學改革方法與方案

GIS原理理論知識與課帶實驗互促互進教學探索與實踐的目的是通過理論知識和課帶實驗教學方法改革，在理論知識教學中聯系實踐，在課帶實驗教學過程中反哺理論知識，真正實現理論與實驗教學的有效、有機、深度融合，激發學生探索新事物的興趣、培養理論知識與動手能力具備的高級工程技術與科研人才。在教學中具體實施思路與方案如下。

（一） GIS原理理論知識與課帶實驗互促互進教學內容

GIS原理課程的理論知識雖然被分為多個章節，但各個章節并不是獨立的，而是相互關聯的一個整體，而課帶實驗往往涉及多章的知識內容，可以很好地將各章的知識貫穿連通在一起。為了將理論教學內容與實驗教學內容進行有機融合，在實驗教學中可以進一步促進GIS原理理論知識的理解與融會貫通，同時通過實驗使學生對理論有直觀的認識，并對實驗背后所隱含的原理有更加清晰和深刻的了解，將GIS原理課程的理論與課帶實驗融合式教學內容進行設計如圖1所示。

（二） 互促互進教學具體內容及過程設計（示例）

以“地圖投影及其變換”實驗為例，對課帶實驗與理論知識的互促互進教學進行了設計，如圖2所示，其他實驗仿照該實驗進行設計，以實現理論知識指導實驗教學，實驗促進理論知識向實踐知識轉化，并內化為知識。

（三） 互促互進教學實施整體思路

以測繪類企事業單位對測繪工程本科專業學生的現實需求調研結果為依據，以新工科和工程教育認證對工程類專業培養要求為導向，分析現有課帶實驗與理論知識教學互動性、統一性等教學方面存在的不足，GIS原理課程具體的理論知識與課帶實驗互促互進教學改革的具體實施思路如圖3所示。

（四） 考核方法改革

理論知識與課帶實驗的互促互進教學是為了培養學生對知識的深度理解并提高實踐能力，因此在對學生進行考核時，要有閉卷考試作為結果性考核方式和實驗實踐作為過程性考核方式，以綜合評判學生對專業理論知識的掌握，同時掌握學生的學習態度、動手實踐能力以及團隊合作精神等，增強學生綜合素質等能力的培養和提高[12]。

1  理論考核

書面考試不僅要有選擇題、填空題、簡答題，以測試學生對地理信息系統基本概念、原理與方法的理解與掌握，更要具有一定比例的綜合性試題，用于考核學生綜合利用理論知識解決實際復雜測繪地理信息工程問題的能力。

2 實驗考核

以學生課帶實驗的表現作為主要考核標準，主要考查學生在實驗時的態度、動手能力和團隊協作能力等，同時要求學生在課程規定的時間內完成實驗，并提交相關的實驗報告。

3 課外實踐考核

這種考核方式主要是通過學生參與GIS原理相關的大學生比賽與項目，如全國大學生測繪學科創新創業智能大賽（測繪程序設計比賽、開發設計競賽和科技論文競賽）、STR項目、授課老師實際項目，鼓勵學生主動結合自己的理論知識和實踐能力，對實際問題進行解決和創新。

五 結束語

新工科背景下，不僅要求學生理論知識掌握扎實，同時要具備實踐能力和創新思維，并能夠打破原有學科的邊界，重構新知識體系，將課帶實驗與理論知識促進共行。作為一門理論與實踐綜合性極強的課程，GIS原理通過課程實驗和理論知識的互促互進融合式教學，促進理論與實踐的無縫對接，可以提高學生的學習興趣和參與度，加深理解和掌握理論知識，促進理論與實踐的無縫對接，培養學生的綜合能力，幫助學生將理論知識與實際應用相連接，利用所學知識與技能解決各種新問題，從而可以更好地應對未來的工作。

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