计算思维在WebGIS开发与应用教学中的研讨

杨元维 高贤君

摘要：地理信息科学专业中计算思维模式的培养越来越受到广大高校教师的关注。《WebGIS开发与应用》是一门综合性和实践性较强的课程，对于学生思维能力、理解能力、实践能力、创新能力以及其综合素质等方面起着至关重要的作用。对基于计算思维能力培养的WebGIS开发与应用教学进行研究和分析，设计以计算思维模式为主线的课程教学目标及内容，分析计算思维在本课程中的应用及效果评价。

关键词：计算思维；WebGIS；实践教学；Web编程；空间分析

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）28-0100-02

Teaching Thinking of Oriented Computational Thinking of Web Program Design Course

YANG Yuan-wei， GAO Xian-jun

（1.School of Geosciences， Yangtze University， Wuhan 430100， China）

Abstract： In recent years， the cultivation of Computational Thinking Mode in geographic information science is attracting more and more attention from university teachers. WebGIS Development and Application is a comprehensive and practical course， which plays an important role in students' thinking ability， understanding ability， practical ability， innovative ability and comprehensive quality. This paper studies and analyzes the WebGIS development and application teaching based on the cultivation of Computational Thinking ability， designs the teaching objectives and contents with the computational thinking mode as the main line， and analyzes the application and effect evaluation of the computational thinking mode in this course.

Key words： Computational thinking； WebGIS； practice teaching； Web programming； Spatial Analysis

WebGIS（網络地理信息系统，Web Geographic Information Science）是指在Web环境下既能实现空间数据的检索、查询、制图输出、编辑及空间分析等GIS基本功能，又能提供地理信息服务发布、共享和交流协作等高级功能的GIS系统[1]。其通常作为地理信息科学专业的基础必修课，其先修课程包括《计算方法》、《C#程序设计》、《网络编程（Java）》和《地理信息信息原理》等课程，是一门理论与实践紧密结合且应用广泛的课程。该课程有益于培养学生的WebGIS工程项目设计与实现能力。

由于《WebGIS开发与应用》课程涉及的知识面相对较广，在讲授该课程时分为两个部分。第一部分是Web基础知识，此部分授课目的是使学生能够迅速掌握Web开发的基本要领，如面向对象程序设计、HTML、CSS、JavaScript、Ajax以及JSP、ASP.NET前端开发方面的内容，通过此部分内容的学习使学生掌握必要的Web前端开发知识，为后续学习做准备；第二部分是WebGIS开发及应用，具体包括WMTS、WMS、WFS、WCS等多源数据加载、图形绘制及编辑、标注、动态投影、空间分析等GIS功能，该部分将以目前WebGIS最盛行的开源开发包OpenLayers3作为开发库进行讲解，此部分授课目的是使学生掌握基于Web环境的GIS基本开发能力。该课程总课时为48学时，其中课堂讲解部分为32学时，实践部分为16学时。由于该课程学时少、内容多，且知识点关联度低，讲授该课程有一定的难度，如何让学生全面理解、掌握及实践本课程是亟待解决的问题。为解决上述问题，以计算思维的方式讲授该课程，以构建学生计算思维为主导的教学方式提升学生对WebGIS开发的知识理解能力和实践能力，不着眼于传统计算机编程课程中对算法、数据结构及语法，而更注重于学生计算机编程思维模式的培养。

1 计算思维模式的课程教学体系建设

计算思维（Computational Thinking）是借助计算机科学的基本原理和核心概念去解决问题、设计程序和理解人们的日常活动，是计算机类相关课程不可或缺的基础思维模式[1]。计算思维主要特点是采用启发式推理方式对问题进行建模求解，换言之，不确定情况下的规划、学习和调度[2-3]。近些年，许多高校将培养学生的计算思维能力作为计算机基础教学的核心任务。实际上，在地理信息科学专业的培养方案也期望融入计算思维培养，然而部分教师和学生对计算思维综合理解程度仍然不深[4-5]，因此需对本课程进行大力改革，将计算思维的启发式思想融入教学中，提高学生的计算机编程类课程的关联度和耦合度。

《WebGIS开发与应用》课程具有综合性与实践性较强等特点，不同于其他GIS专业课程，由于Web和GIS技术的快速发展，通常造成教材无法及时满足教学的需要，以往机械的教学方式已无法满足学生掌握WebGIS开发及实践能力的需要[6-7]。培养学生计算机编程设计类课程思维模式至关重要，能够让学生建立自身的计算思维模式，计算思维相比于机械重复的固定编程语言教学模式，具有更强的目标性、自主性以及趣味性[8]，运用面向计算思维模式的WebGIS开发与应用设计教学，实现对具有关联性编程理念、思想、方法的理解与掌握，以此起到触类旁通的效果。

2 计算思维模式在WebGIS开发与应用课程教学设计

2.1教学目标的设立

在开展学习本课程前，学生已完成计算机编程类若干先修课程的学习，通过《C#程序设计》的学到C#中面向对象的类、接口、命名空间、委托与事件等方面内容。基于此，在确立本专业《WebGIS程序设计》课程教学目标时，应充分考虑当前授课对象、先修课程及学习能力，重点培养学生面向计算思维WebGIS开发编程设计能力，并据此设计本课程面向计算思维的教学目标。

由于先修课程《C#程序设计》涉及相对较少计算思维培养方面，造成学生学习的编程相关知识相对比较零散，缺乏整体性和侧重性。因此，在制定《WebGIS程序设计》课程教学目标时，充分挖掘计算思维在计算机编程课程中的核心作用，利用思维模式的培养代替编程语言的培养模式。实际上，在本课程教学过程中，计算思维能力不仅仅作为一种核心能力来培养，同时也是教学中的核心内容。《WebGIS程序设计》课程教学中以理论教学与实践教学相结合，教学目标主要为计算机思维的培养，教学主要内容为程序设计思维的引导与构建，并在课上进行适当的案例程序调试演示，并结合上机实践增加学生学习本课程的计算思维实践能力的培养，在上机实践中，为学生准备若干上机编程测试题，并将其作为实践训练，并将完成编程测试完成较好的同学的作品作为范本，并提供其在讲台上汇报、讲解其编程作品的机会。

2.2教学内容的设计

在GIS学科中，本课程属于理论与实践并重型课程。运用理论与实践结合的方式，具体地，结合每一章节所需完成的知识目标和技能目标，将本课程的教学模块分为两个部分：分别是Web基础编程和WebGIS开发与应用。教学内容安排及教学目标如表 1所示。

JS基础编程（2学时） 能够扩展至网页编程领域，静态页面运行原理、设计方法及基于事件驱动的JavaScript运行，并对轻量级组件JQuery以一定了解，对目前广泛使用的数据获取方式Ajax进行掌握。 WebGIS开发与应用 多源数据加载（4学时）

空间分析（2学时） 实现Web编程设计的WebGIS化转移，能够利用加载OGC标准的常用数据类型，如WMS、WMTS、WFS、WCS等。能够实现基于Web图形绘制及编辑。并掌握基于Web空間分析原理及方法。 ]

从表 1中可以看出，将教学内容分为理论和实践教学两个部分，其课时安排为32：16学时。平均来讲，每周4学时的理论课和2学时的实践课。在第一部分Web基础编程中，由于学生之前并未开设相应的Web基础课程，因此，首先安排6个学时的Web基础知识，分别是HTML+CSS+Javascript，通过该部分知识的学习，使学生迅速掌握网页前端开发的基本要领，并借助实践课程实现对该部分知识的巩固。由于在WebGIS开发与工程应用中，有大量读取GML、KML、Geojson等类型格式数据的需求，而这些格式数据的读取方式多为Ajax异步形式，因此，在Web基础课程部分，新增Ajax内容的学习，而在Ajax中需要大量使用轻量级JQuery组件，因此在讲授Ajax内容之前，需对JQuery进行简要讲解。

在第二部分WebGIS开发与应用中，主要包括多源数据加载、图形绘制及编辑、标注、动态投影及空间分析等内容的讲解。首先对OGC组织支持的几类常见的地图服务类型如WMS、WMTS、WFS、WCS等，以此满足目前WebGIS主流地图服务商提供的数据服务类型。对数据加载、数据渲染、地图图层切换及移除等功能进行实践讲解，然后在客户端浏览器上进行图形（点、多义线、矩形、圆、多边形等）绘制，在讲解时重点阐述如何在客户端浏览器上展现这些要素，并根据符号化演示渲染这些要素，其次讲解如何利用OpenLayers中的Format来解析数据中的格式，从而获取数据中的地理空间信息。对于标注和动态投影的讲解相对简略，如标注中的图片标注、popup标注等类型进行讲解，对动态投影的讲解可以简略一些，原因是本专业先修课程中有《地图学》等课程中已有详细的讲解。对最后一部分基于Web环境下的空间分析的内容需重点讲解，如对各种形状的缓冲区分析、最短路径分析、流向分析等内容进行讲解及实际操作演示，在上机课中配套出相应的题目供学生练习。

在本课程实践教学方面，将综合验证实验、综合实验以及设计性实验等方式完成实践教学，积极促进理论知识和方法的理解与运用，使学生在积极动手编程中培养计算思维能力。

2.3教学效果评价

本课程教学的最终目的是分析解决WebGIS工程项目中的开发应用问题，运用计算思维来对问题进行抽象、分析、构建问题模型，对问题从宏观到微观层面把握，以此对项目进行总体

设计、详细设计、编程实现以及测试。计算思维在WebGIS工程项目设计与实施阶段均有体现，算法及数据结构是实现计算思维的灵魂，而编程语言是实现计算思维的载体。对于算法及数据结构中的原理、步骤及方法的学习，具有较多相似之处，编程语言的学习亦是如此。对于解决问题的思路、算法、数据结构设计以及编程实现是WebGIS工程项目中问题有效解决的主要手段及过程。应对此过程进行重点讲解与考查，避免知识点的孤立与分散，促进学生聚焦本课程所需掌握的WebGIS开发与应用重点知识。

在对本课程教学效果评价方面，评价规则具体地根据学生的平时出勤、提问交流、实践编程、课后作业的情况以及期末考试卷面成绩来进行综合评定。考虑到本课程是一门GIS类编程设计课程，对实践能力培养尤其重要，因此，笔者在布置实践作业方面，应尽量减少书面部分，增加实践上机部分，多以编程设计成果进行评价与考核。

3 结论

本文针对面向计算思维的WebGIS开发与应用课程的教学目标、内容、方法、考核及评价方式等方面进行了有益的探索，取得了较为良好的教学效果，学生的学习兴趣和动手能力得到了大大提高。推广计算思维计算机编程课程中发挥的功效，更好地满足学生的就业市场对复合型、应用型人才的需求。

参考文献：

[1] 孟令奎， 史文中， 张鹏林. 网络地理信息系统原理与技术[M]. 科学出版社， 2010.

[2] 李晓明， 蒋宗礼， 王志英，等. 积极研究和推进计算思维能力的培养[J]. 计算机教育， 2012， No.161（5）：1-1.

[3] 王节. 高职学生计算思维现状及发展对策的研究与实践[D]. 重庆师范大学， 2015.

[4] 郭喜凤， 武仁杰， 米海英. 计算思维能力培养模式探索[J]. 河北北方学院学报（社会科学版）， 2012， 28（5）：115-116.

[5] 杨孜茁， 方志军， 黄勃. 《Web程序设计》课程建设策略研究[J]. 软件导刊（教育技术）， 2017， 16（1）：18-20.

[6] 刘远刚， 何贞铭， 蔡永香，等. 《WebGIS原理与方法》教学改革与探索[J]. 长江大学学报（自科版）， 2011， 08（6）：133-134..

[7] 张佐帮， 周廷刚， 陈杰，等. 云环境下WebGIS教学改革的研究初探[J]. 农业网络信息， 2018（1）：58-61.

[8] 葛明珠. 基于计算思维的协作学习模式在中学信息技术课程中的实践与研究[D]. 陕西师范大学， 2014.

【通联编辑：王力】