交通类专业GIS课程实验教学研究

吴立,陈晓麟

(1.长沙理工大学 交通运输工程学院,长沙 410004;2.浙江交通职业技术学院,杭州 311112)

0 引 言

当前各国都把课堂教学、实验教学和毕业实践视为高等学校教育中的三个重要环节,缺一不可。对于工科专业学生来说,加强实验教学、提高学生动手能力更有其重要性和必要性。目前,交通建设正以信息化、网络化为基础,向智能型交通迅速发展。地理信息系统 (GIS)作为智能交通的核心技术手段之一,在近30多年内取得了惊人的发展,并广泛应用于工程测量、交通规划、交通管理、交通安全、交通信息服务等交通领域[1]。因为地理信息系统是一门介于信息科学、空间科学、管理科学之间的新兴交叉学科,是传统科学与现代计算机技术相结合的产物,因此,将GIS应用于交通类学科领域,对学生在实际工作中的操作能力、应用能力提出了较高的要求,怎样结合交通类专业特点,依托教学过程中丰富的实验教学素材,开展GIS实验教学工作,是值得深入探讨和研究的。

1 课程实验教学特点

GIS的基本思想是将地表信息按其特性进行分类,然后进行分层管理和分析,其实质是一种空间数据库管理系统[2]。它除了具有一般数据库系统的功能之外,还可进行空间查询和空间分析。地理信息系统应用于交通领域,称为交通地理信息系统(GIS-T)。GIS-T这门新课程纳入交通类专业,开展实验教学,要注意以下三点:

(1)GIS-T是交通地理信息概念的计算机实现,即以数字形式表达交通地理概念,这需要很好的理解信息技术、计算机技术对该课程和交通专业领域的支撑作用。

(2)GIS-T是工具型软件环境,需要与相关的工具软件的学习应用结合。

(3)GIS-T课程教学应注重与专业学科的集成化工作,较好地体现集成化应用在实验教学中的重要地位。

2 实验教学的目的与要求

GIS-T课程的课堂教学过程侧重于GIS理论知识体系的构建,其重点教学内容是以空间数据结构、空间数据库、空间数据采集与处理理论知识为基础,进行相关GIS软件的空间数据分析的原理及常规方法的学习。如果仅仅依靠课堂理论教学,难以使学生形成对GIS-T的感性认识,难以培养起学生初步的工程实体概念及较好的实践操作应用能力。基于此,课程实验的开设很具有必要性。

GIS-T课程实验教学需立足于交通类工程特点,在一系列理论教学的基础上,有针对性地模拟、创造工程实践环境,目的是使学生在充分了解交通工程实践的基础上,培养学生的具体操作能力,提高综合素质。通过实验,要求学生掌握空间数据的采集、处理与分析等的基本方法与手段,提高学生在工程研究中进行观察、认识、思考、分析的综合能力和解决实际工程问题的能力,激发学生开展独立思考的积极性,加深对GIS-T理论的理解与认识,使其能够在一定的指导下独立开展简单的交通地理信息系统工程分析,具备较强的工程研究能力。

通过GIS-T课程实验教学,为学生今后的专业课程 (如交通规划、智能交通系统等)学习提供有利的基础支撑,积极推进建立知识、能力、素质三者协调发展的人才培养模式。

3 课程实验教学指导思想

GIS-T课程实验教学不应仅仅满足本身专业基础课程的要求,而应满足对学生应用该课程知识解决交通实际问题能力的培养要求。因此,地理信息系统课程实验教学应遵循以下的指导思想。

3.1 平衡交通专业知识、地理信息系统学科知识与计算机技术之间的关系

地理信息系统的基本组成是硬件、软件、数据和人员,计算机软硬件技术进步推动着地理信息系统的发展,对地理信息系统具有深远的影响,例如数据库理论、网络技术对空间分析和空间访问的影响。但我们认为不是 “地理信息系统就是计算机”或 “地理信息系统就是编程开发”,而是 “地理信息系统基本离不开计算机”或 “地理信息系统离不开编程开发”。毋庸置疑,无论是地理信息系统通用功能模块的开发,还是地理信息系统应用系统和应用功能模块的开发,都是建立在较强的计算机背景之下的。随着计算机技术在各个领域的渗入发展,目前对理工科大学生的计算机水平都有了更高的要求,学生本身对计算机知识的掌握也更为重视,但同时还应具备较强的专业应用领域知识,才能正确运用好计算机这一工具。因此,只有在专业知识、地理信息系统学科知识、计算机技术之间寻求一个良好的平衡,才能让基于计算机技术的地理信息系统为交通类专业服务。

3.2 面向交通工程实际,紧密结合学科前沿领域

地理信息系统的发展起始于20世纪60年代,20世纪80年代才走向成熟并迅速在各国推广应用,因此地理信息系统是一门较新的技术课程,且随着信息技术、计算机技术、网络技术等平台技术的迅速发展,地理信息系统的发展也是与日俱增,且越来越广泛地应用于工程领域。GIS-T实验教学旨在为学生将来在具体交通工程中解决实际问题打下基础。为了使学生毕业后能够很快适应实际工程,在设计GIS-T实验教学的内容与方式时要采用循序渐进,逐步提高的方式,并且,要改变常规实验教学的单一模式,可以采用课堂操作练习、生产实习、科技立项、毕业设计等多种实验教学形式相结合的方式,发挥不同教学形式的优势,激发学生的学习兴趣,实验内容由浅到深、难度由低到高,理论结合实践。同时,在内容设计中,积极增加代表本学科前沿领域或从科研成果转化而来的实验内容,使学生能够及时了解本学科的最新动态和发展方向。

3.3 注重操作应用、培养创新能力及综合素质

在GIS-T的实验教学中,所关注的核心问题是学生对知识的运用能力、对空间数据分析过程的操作能力。突出锻炼的是信息采集能力、数据处理能力、数据分析能力、解决交通实际问题能力以及成果表现能力。GIS-T实验教学是培养学生对GIS-T的兴趣,巩固理论知识,激发潜在创造力的重要手段。如果学生能由 “被动式”的实验变成 “主动探索式”实验[3],在完成必做的课程实验任务后,能根据自己的专业特长及兴趣所在,积极开展科技立项、毕业设计等过程中相关的其它实验,这不仅达到了实验教学中注重操作应用的目的,更重要的是培养了大学生的创造意识,提高了综合素质。

4 实验教学内容

经过几年的教学实践,本校GIS-T的实验教学主要通过对较为流行和通用的GIS工具软件 (如ArcGIS,MapInfo等)的学习,实现GIS与专业知识结合的初步应用,达到了较好的教学效果。GIS工具软件主要用于对空间和属性数据的输入、存储、编辑,以及制图和空间分析等,为了能循序渐进的对GIS工具软件进行认识和操作,并实现与专业课程的有机结合,实验教学分为以下四个阶段 (图1)。

图1 GIS课程实验教学阶段图

(1)GIS软件的基本操作阶段,主要针对具体的GIS工具软件,比如ArcGIS、MapInfo等,进行软件的基本操作练习,包括新建GIS数据文件、实现指定格式GIS数据文件的读取和显示,放大/缩小、偏移、漫游等软件菜单的熟悉等,目的在于对工具软件的认知和熟悉。

(2)空间数据获取与预处理阶段,主要包括数据编辑、制图与显示及数据查询。编辑功能使用户可以添加和删除点、线、面或改变它们的属性;制图和显示功能可以显示地理要素、技术数据,并可分层输出专题地图,如交通规划图、路网图等。查询功能可以完成某一个图层基于属性关系、位置关系等的查询,获得具有特征要素的结果,如查询主干道通过的重要城镇、机动车超过一定数量的行政区域等等。该阶段目的是对GIS软件基本功能的掌握,并注重交通地理数据及信息的应用。

(3)空间数据分析阶段,包括叠加分析、缓冲区分析、特征选择分析,在此基础上,可进行提高性实验,包括最优选址、最短路径分析及其它功能(例如三维分析、网络分析)等。空间数据分析的首要目标是要结合交通类专业,要进行相关的应用。

该阶段是实验教学的核心,也是依托工程实际,实现对GIS软件核心功能的应用,要注重实验内容的设计,根据实验教学时数安排,可由浅到深、难度由低到高,积极增加代表本学科前沿领域或从科研成果转化而来的实验内容,使学生能够更好地掌握本学科的最新动态和发展方向。例如以交通工程专业为例,初步阶段可以进行新建道路影响区域分析;然后,可以通过最优选址进行规划道路、道路网的选定;最后通过最优路径分析,进行交通分配、交通诱导等功能的初步实现等。

(4)GIS二次开发与应用阶段,主要是对GIS开发工具的了解,针对计算机程度较高的学生,基于通用软件开发工具,尤其是可视化开发工具,如Delphi、Visual C++、Visual Basic、Power Builder等为开发平台,进行二次开发的思考与相关设计。该阶段因为要结合较强的专业知识,可以作为高年级学生的课外科技项目来展开,目的是激发学生对GIS在交通领域的集成化的高级应用的思考,培养学生的系统思维能力、创新能力。

5 结 语

地理信息系统作为一个新兴学科,充满活力,正不断发展并成熟起来。地理信息系统技术与管理在交通领域的发展规模和速度一日千里,我们必须深入认识和认真对待地理信息系统与交通类专业的密切关系,重视GIS-T实验教学在课程教学中的重要地位。通过研究GIS-T实验教学特点,制定符合交通类专业实际的实验教学指导思想,并且随着地理信息系统新技术的迅速发展,对实验教学内容不断进行改革,去陈融新,使得实验教学能有效地辅助课程的学习,使交通类专业学生能更好地适应现代高度信息化、智能化交通的发展趋势。

[1]刘学军,徐鹏.交通地理信息系统[M].北京:科学出版社,2006.

[2]邬伦.地理信息系统原理、方法和应用[M].北京:北京大学出版社,2000.

[3]陈舒怀,张湘伟,鲍鸿.工科院校课程化实验教学体系的构建探析[J].实验技术与管理,2007,24(8):18-21.