地理信息系统课程教学体会及改革实践

韦 娟， 刘乃安(西安电子科技大学 通信工程学院，西安 710071)

0 引 言

随着云时代的来临，大数据(Big data)也吸引了越来越多的关注。如何让大数据时代的空间信息更快、更好、更充分地发挥作用已成为全球研究的热点[1]。各级核心竞争力越来越依赖于对信息的占有量及处理和利用能力。数字地球[2]、数字区域[3]、数字国家[4]、智慧城市[5]、智慧社区[6]及智能大厦[7]的建设急需大量的空间信息技术人才。空间信息与数字技术正是在这样一个强烈的需求下应运产生的一个新兴交叉边缘学科，2004年，《自然》杂志把空间信息技术称为继生物技术和纳米技术之后发展最为迅速的第三大新技术[8]。

2004年，武汉大学设立全国第一个“空间信息与数字技术”专业并开始招生，标志着空间信息与数字技术专业的诞生。2005年我校也适应我国现代化对空间信息领域人才的迫切需要而创设了空间信息与数字技术专业。旨在培养一批具有空间信息科学、现代通信理论、计算机网络与软件、可视化、数字化技术、空间信息传输系统设计和集成电路设计等方面的基础理论知识和技术综合能力的人才。其课程设置是在通信工程专业的基础上进行了部分改制，地理信息系统是其中一门重要的专业基础课，它结合空间技术、信息技术和各类应用技术，主要研究空间信息的采集、储存、管理、运算、分析、显示等理论、方法与技术[9]。不仅如此，这门课程对提高学生的综合素养、训练与提高学生的逻辑推理能力与抽象思维能力都有重要作用。

1 基本知识的教与学

在基本知识的教学中，教师要研究和把握概念认识过程的特点和规律性，根据学生的前期课程基础及认识接受能力来选择适当的教学方式。因此，在基本概念教学中应注意以下几点。

1.1 相关知识的回顾及拓展应用

多学科交叉是地理信息系统的一大特点，而对于空间信息与数字技术专业的学生来说，前期的基础知识只有相关数学及数据结构与数据库等课程内容，其他的专业基础知识如地理学、地图学、遥感学等学生一概不知。在这样的形势下教学，就要求老师在有限的课时情况下，如何合理优化地补充相应的专业知识，并能带领学生及时回顾相关课程的知识点。在此基础上对知识进行拓展应用，激发学生的学习兴趣，提高学生运用知识，融会贯通的灵活性。

1.2 融合式教学

GIS与GPS、RS(即3S技术)以及GPS/INS、AGPS等技术也都是学生感兴趣的内容[10]。教师教学时，在讲清楚基本概念后，准备一些实用的素材或者将科研中的相关内容进一步融合进来，将理论与实践相结合，可极大地提高学生的学习热情。

1.3 启发式教学

教学中，要“授之以鱼，更要授之以渔”，不仅需要传授基本知识，更应注重启发学生的思维，调动学生的学习兴趣，培养其应用知识的实践能力。教师根据每部分内容，可以提出一些与生活息息相关的问题，让学生尝试着去分析解决。如在讲授缓冲区分析和叠加分析内容时，通过课堂讨论的教学方式开展。学生们提前搜集与这两部分内容相关的实际应用，并在课堂上针对噪声污染、空气污染等内容展开激烈的讨论，极大激发了学生的学习兴趣，获得了很好的教学效果。

1.4 互动式教学

地理信息系统课程的工程实践性很强，实际教学中往往以讲解基本知识为主。教师在教学活动中，可广泛结合一些具体的工程实际项目的例子与学生一起探讨[11]，这样可以调动学生积极性，培养学生的创新意识和创新能力，继而达到较好的学习效果。

1.5 多媒体教学

对于在计算机软、硬件系统支持下的地理信息系统课程来讲，采用多媒体教学方法，可以生动形象、直观明了地展现教学内容，也可将工程实践和科研成果以示例、动画演示给学生，大大增加了课堂教学的信息量[12]。例如在讲解GIS的基本功能时，可以将各项功能表示出来，再进行逐一讲解，便于学生理清各项功能之间的关系。

2 实验教学中存在的问题与改革措施

2.1 存在的问题

地理信息系统自形成起，就需要将理论与实践紧密结合，将知识应用到具体的实际工作中[13]。但在目前的实验教学中，普遍存在一些问题：

(1) 实验内容单一。目前的大部分实验教学主要是学生根据实验指导大纲，按部就班地完成实验操作[14]。学生没有更多选择的机会，导致部分学生对实验内容缺乏兴趣，不利于发挥学生的个体特长，教学效果自然不佳。

(2) 实验题目陈旧，内容更新慢。随着计算机和信息技术的迅猛发展，知识体系也快速更新，新技术转化为实际工程应用更是飞速发展。但通常实验内容的使用周期往往是好几年，内容更新缓慢[15]，跟不上新技术新应用的发展，因此，学生对过时的技术应用没有很大的学习兴趣，实践效果并不理想。

2.2 改革措施

针对上述问题，我们进行了实验教学改革，主要体现在以下几方面：

(1) 实验题目多样化，内容新颖。实验内容要随着实际应用及时更新，要贴近实际，最好选择一些与我们生活密切相关的内容。在实验课程开始之前一个多月，笔者给出了若干个内容新颖，贴近生活的综合实验题目，如“GIS在新农村规划中的应用”“校园地理信息系统”“西安电子科技大学东门口丁字路口红绿灯(交通灯)设计”“西安电子科技大学的公共自行车服务评价及优化处理”“西安市南二环噪声地图研究”“基于GIS的乐购平台”“城市电信地理信息系统”“地铁对西安市陆路交通空间可达性的影响分析研究”“PM2.5的扩散模拟及预测分析模型”“数字化城市的理解和设想”基于GIS空间分析的不同人群购房需求模型”“雾霾多尺度监测和预报”“GIS在物流系统中的应用”等。学生可根据自己的兴趣爱好在这些题目中选题，以2或3人自由组合的形式协同完成选定实验题目。

从综合实验题目多样化的实施效果看，学生对这些贴近生活实际的实验题目兴趣浓厚，并能够根据自身特长选定适合的题目。另外综合实验题目可选择的余地很大，极大激发了学生的积极主动性。实验课程的自由度大大放松，给学生提供了一个自由施展的空间，也使他们的学习更富有创造性。而且每组的实验内容不尽相同，鼓励各小组之间相互学习、相互讨论、集思广益，充分发挥学生的创造力去实现自己的想法，同时也培养了学生的组织合作及交流创新能力。

(2) 多种方式结合，提高学生学习热情。学生通过“自由选题—查阅资料—制定方案—具体实施”等几部分完成综合实验。在此基础上，筛选出优秀成果参加各种级别的专业竞赛，如鼓励一些学生积极申报相关内容的国家级科创项目，或者参加每年度的“Esri杯中国大学生GIS软件开发竞赛”。

当然需要为学生提供相应的专用场地和设备，地理信息实践环节主要是通过计算机技术、GIS专业软件和GPS软硬件相结合，进行实践性软件二次开发的过程。我校空间信息与数字技术实验室是为配合地理信息系统教学而专门建设的，实验室主要拥有ArcGIS软件，服务器，扫描仪，绘图仪，GPS原理实验平台等软件和设备。通过该实验室的建设和开放，为学生实现创新开发搭建了很好的平台。

(3) 改进考核方式。以前的地理信息系统实验课程是通过笔试和实验两部分进行考核，有很大的局限性，学生尤其反感机械僵硬式地笔试部分。在近两年的实验教学改革中，最终的实验考核是根据学生的基础实验及综合实验的设计报告、设计的完成情况和现场答辩综合完成[16]。从根本上杜绝了相互抄袭现象，最终成绩能够反映学生的真实情况。进而调动了学生的主观能动性，培养了创新思维的科学意识和能力。

2.3 初步取得的成果

现场答辩的情况大大出乎意料，可以看出学生从“材料准备—现场演讲—回答问题”的每个环节都投入了很多的时间和精力。如选题“GIS在新农村规划中的应用”的这组学生将题目具体化为“GIS在新农村规划中的应用——以陕西省彬县雅店村为例”。雅店村是一位该小组成员的家乡，学生利用五一放假专门回家进行了信息收集，拍了很多照片作为素材，向村长和其他人员了解该村的历史，现状及其发展，分析了该村的高程地形，人口分布，土地类型，社会经济情况，洪水灾害分析及预防，河谷地区规划以及新农村的建设和规划等方面，完成了一份详细完整的专业基础论文。“GIS在防灾减灾中的应用”组的同学以我国的主要自然灾害为例展开分析。如近几年的地震情况，流行病分布情况，以及暑期长江流域的洪涝灾害等，对其进行了详尽的分析，并给出了适当的解决设想和具体实施方案。“西安市南二环噪声地图研究”组的学生也毫不逊色，他们利用周末和节假日去南二环的特征点采集数据，记录和整理南二环的地形、建筑物以及桥梁等的分布，为后期的具体实施奠定了较好的基础。

部分实践结果如图1～3所示。其中图1给出了西安电子科技大学新校区矢量图，图2是基于GIS/GPS/GSM的车辆监控调度系统中的查询车辆当前状态并显示结果，图3给出了西安市南二环GIS模型3D图。

图1 西安电子科技大学新校区矢量图

图2 基于GIS/GPS/GSM的车辆监控调度系统—查询车辆当前状态并显示

图3 西安市南二环GIS模型3D图

3 结 语

在地理信息系统课程的教学过程中，教师在基本理论教学的基础上，应注重各种地理信息系统的实践活动。通过各种实践环节，使得学生进一步理解理论课知识，学会如何利用理论知识解决实际生活中的复杂工程问题，提高学生综合应用相关知识的能力。通过实践也可使学生对科学研究的全过程有一次切身的体会，学会查阅资料，针对课题进行总体规划、详细设计、编程实现及完成后撰写有关论文，培养学生严谨的科学态度及科学作风。

总之，通过多种方式的教学方法、教学手段和实践应用，把基础理论、实际问题、实验和实践有机结合起来，才能达到传授知识、培养能力的教育根本目的。

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