地理信息系统课程实践教学探究

地理信息系统课程实践教学探究

摘要:地理信息系统作为一门应用广泛、发展快速的综合性应用学科,教学内容由理论部分与实践部分组成,实践教学对于学生理解GIS课程的理论精髓和未来就业发展起到了关键的作用。目前,GIS实践教学中存在理论和实践学时安排不合理、实践内容安排固化、缺乏创新、教学资源局限、课程体系结构矛盾等问题。本文针对实际问题,从实践内容专业多元化、合理分配教学资源、调整课程设计与考核方式、激发学生自主创新意识等方面提出了相关建议与方法,为提高GIS课程实践部分的教学效果提供了新的方法和思路。

关键词:地理信息系统;实践教学;改进方法

0引言

地理信息系统课程系统地讲解了GIS的基本原理、方法、技术及应用,主要包括地理信息系统的定义、功能、发展趋势、空间数据模型、空间数据库、空间分析、数据可视化等基本知识,旨在使学生建立地理信息系统的基本概念,了解地理信息系统的基本理论,掌握地理空间数据的抽象与建模、获取与处理、组织与管理、查询与分析及显示与输出的基本方法,为进一步学习其他专业课程打下坚实基础。地理信息系统是传统科学与现代技术的结合,涉及多学科、多领域,需要有一定的基础课程作为铺垫,特别是地图学、地理学、数据库、编程语言和计算机网络等课程。另外,课程的相关专业知识和技术手段更新较快,如地理大数据、空间大数据、地理知识挖掘等新兴概念的提出促进了GIS理论和技术的不断革新。众多学者也对未来GIS的发展方向作了一些展望,普遍认为网格GIS、时空GIS、嵌入式GIS、三维GIS、开放式GIS都是未来GIS发展和应用的主要方向[1]。随着计算机与通信网络技术的快速发展,GIS已深入到各行各业,在农林业、资源环境管理与调查评价、水文水利、城市规划与管理、灾害评估与预测、公共服务领域和军事行动等领域都得到了具体的应用。地理信息系统学科的快速发展与应用带来了大量的社会专业人才需求,如何在较短的时间内培养出大量社会急需的GIS综合性技术人才,是摆在高校面前一个亟待解决的课题[2]。目前,绝大多数院校的气象学、农林学、遥感学、地质学、测绘与导航工程等相关专业均开设了GIS课程,并且该课程越来越受到学校和地方的重视[3]。GIS作为一门综合性的学科,最终目的是服务于其他学科,因此,实践教学的重要性不言而喻,可以说实践部分设计和内容的好坏直接影响了课程的质量。本文针对目前普通院校GIS课程在实践教学中存在的问题,从4个方面提出有针对性的建议与方法,以此提升本课程的实践教学效果。

1地理信息系统课程实践教学中存在的问题

结合近两年高校任职和调研的经历,本人发现地理信息系统相关课程中实践教学部分存在一些问题,总结如下:

1)理论和实践学时安排不合理。当前高校实践课学时安排不合理的地方有以下两点:一是学时数安排偏少。在大多数高校现行的本科生培养方案中,通常习惯性地将理论教学放在首位,地理信息系统相关课程中实践学时往往不足理论学时的1/2,甚至部分院校由于资源条件、设备等原因没有设计实践教学环节,同学们无法做到学以致用。二是大部分高校课堂中理论和实践上机部分往往不能同步进行,理论课在前,实践课在后。学生平时课时量较多,作业任务也比较繁重,理论知识存储在脑中的时间不会很久,而相应的实践环节往往会放在1到2个月之后,导致了理论和实践相脱节。这样在上机实践时,学生的理论基础并不好,通过实践不能很好地联系到理论的本质和精髓,降低学生的实践兴趣。

2)实践内容安排固化,缺乏创新。目前,实践教学模式以认知性及验证性实践课程为主[5],很多实践课都采用了教师全程逐步讲解操作的方式来指导学生完成指定教材上的示例,笔者所在院系使用的教材是宋小东等人编写的《地理信息系统实习教程》(第三版),大部分同学都能在ArcGIS软件中按照老师的讲解和书上的操作图示完成数据采集、编辑、处理、分析、可视化等基本内容的操作。所带来的问题是,实践内容过于固化,侧重于基本操作的示例,没有考虑到专业领域的实际案例以及章节之间的逻辑性。很多学生只会根据教师的讲解或指导书中的操作步骤,按部就班地演示操作,缺乏对每一个操作步骤背后理论知识和相互关系的思考。综合来讲,缺乏创新、内容固化的实践教学模式,制约了学生的自主思考和创新思维,通过课上的实践无法获取解决专业领域实际问题的能力。

3)教学资源的局限。教学资源的局限主要包含两个方面,分别为实验条件和师资力量的短缺。随着计算机的普及与发展,许多高校教学设备、实践条件都得到不同程度的改善。但是,仍有不少如非GIS专业为主的院校并没有为学生配置专门的实践机房,也无专人对机房进行特殊性的管理与维护,时常出现机房机位出故障、正版软件到期无人维护、软件版本和数据不能实时更新等现象,使实践教学的开展受到一定限制,并没有为学生创造最优的实践条件;另外,GIS是一项综合性信息技术,授课的内容也应尽量涉及各个领域。但是一所院校中讲授GIS课程的教师往往来自于同一个教学组(地理信息系统教学组),而授课对象包括了遥感专业、导航工程、地质工程、城乡规划等多类型专业班。这可能会导致授课教师指导的实践内容对不同专业的GIS应用侧重性不够强,不利于学生理解课程对于本专业的精髓,也不利于GIS课程的多元化发展。

4)课程体系结构的矛盾。GIS是计算机、遥感、地图学等众多学科的交叉学科,要求学生具有相关学科的基础理论知识。正常来说,学生在学习地理信息系统相关课程时应该已经完成了基础课和大部分专业必修课的学习。但是,一些院校各专业的人才培养方案中对GIS相关课程开设时间、与其他课程先后位置关系的安排并不合理。一些前期专业基础课安排在该课程的后面,这会导致学生学习时不能很好地领会本专业其他课程与这门课之间的关系,在实践中也无法与相关专业领域的实际应用关联起来。以遥感专业为例,专业基础课包括了遥感原理与应用、地图投影与变换、数字图像处理等。地图投影与变换这门课所讲授的内容正是GIS课程中理论教学和实践教学的一部分,课程应该设置在GIS课程的前面,这样在坐标和投影设置与转换的实践课相关内容上,学生才能够深刻理解到每步操作背后的原理与实际意义。

2改进实践教学的方法

针对实践教学中存在的问题,笔者将从实践内容多元专业化、合理分配教学资源、调整课程设计与考核方式、激发学生自主创新意识4个方面提出改进地理信息系统课程实践教学效果的一些建议与方法,如图1所示。

1)实践内容多元专业化。内容多元化是从形式上解决实践教学过程中内容表现单一的问题,传统的实践教学都是采用上机实践的模式,这种模式的弊端是学生只能通过课上操作的方式来取得收获,课上的问题无法带到课下来解决。慕课作为“互联网+教育”的产物,可以考虑将其引入到实践课中,将课前、课中、课后有机地结合起来。对于实践中的理论重点和操作难点,通过慕课学生课前可以预习,课后可以作为参考来解决未完成的内容或者温故知新,避免上机教学“一遍过”的缺点,提供给学生随时想学就能学的理想环境。内容专业化是从本质上解决不同专业实践教学内容统一化的问题,需要根据不同专业学生的实际需求适当调整教学内容,使其能和本专业的其他专业基础课有机地联系起来,做到因材施教。如对于遥感专业的学生,可以适当提升栅格数据生成和分析内容学时的比例;对于地质地理专业的学生,可以适当提升三维表面分析内容学时的比例。

2)合理分配教学资源。在实践条件上,大多数院校选择的是美国ESRI公司开发的ArcGIS软件平台,该软件具有强大的空间分析能力;另一种常用的则是国内的MapGIS软件,它在数据编辑、产品输出等方面具有一定的优势。院校可以配置专用的实践机房,同时安装这两种软件以满足不同专业学生的实际需求,而以GIS作为主要专业课的学生也可以使用不同软件进行操作并完成实践内容,深刻理解处理过程中的技术原理,达到追根溯源的目的。在师资资源上,可秉承“前期弱化学科差异,后期加强学科差异”的原则,根据专业类型合理配置教师[6]。在实践课的前半部分,地图导入显示、页面布局、符号与注记的使用、要素分类分级等基本实践内容可以由GIS相关专业的教师来讲授,使学生能对GIS软件的使用上有一个比较全面整体的认识。后半部分的实践内容应该侧重于GIS在所学专业领域内深层次的应用,可回归到本专业由具有一定GIS使用背景的相关专业教师来进行讲授。这种多层次、由整归一的教学模式,可使教师资源得到充分合理的利用,实现了不同教师实践教学与研究领域相统一,具体方案的实施需要院校相关部门统一协调。

3)调整课程设计与考核方式。针对不同培养目标,对于GIS专业和非GIS专业的学生,可以进行不同的实践教学设计。对于GIS专业的学生,理论和实践的重要性等同,在理论部分的教学中,应使学生系统全面地学习课程的基本理论知识,为实践教学打下夯实的基础。在实践部分的教学中,应让学生掌握GIS在多学科多领域的应用,培养全面的GIS综合性应用人才,理论与实践教学环节的课时比可设为5∶5。对于非GIS专业,GIS可视为一个“工具”,学生更注重其在专业领域的应用性,因此,课程设计中可适当弱化理论学习,强化实践应用能力。理论部分的教学只需介绍基本理论概念即可,在课时分配上,采用理论和实践学时相交叉的方式,考虑将理论与实践教学环节的课时比设为3∶7甚至更低。考核的内容应随着GIS技术和应用的发展做到实时更新,使学生更重视新知识新内容新领域。另外在考核方式上,GIS作为应用类的课程,课堂上机成果和实践报告的成绩占比应该超过50%,甚至更多。

4)激发学生自主创新意识。如何激发学生自主创新意识,是每门课都要思考的问题,在GIS实践课中,应重视发挥竞赛牵引和任务驱动这两种方法的作用。相对于日常的课程,学生往往对相关专业的竞赛类活动更感兴趣,在GIS领域中,有全国高校GIS技能大赛、SuperMap杯等竞赛活动。在实践教学中,可以通过竞赛题目来引入或作为实践教学的具体内容。如在台风路径分析这个题目中,涉及追踪分析、制图符号化、可视化等多方面内容。考虑把本题目分解到各个实践教学内容中,这样学生在完成每部分的实践后,会主动思考题目后续的问题该如何解决,起到了激发学生自主学习的作用。以任务作为驱动的教学方法,实践课应紧紧围绕一个或多个典型并适合本专业的任务案例将教学内容穿插起来。如这样一个任务,以学校为中心,绘制一幅关于学校服务范围、不同成本条件下各校区的最佳路径、最近医疗设施等内容的专题地图。实践课的教学内容可根据任务分解调整为数据获取—空间分析(缓冲区分析、叠置分析、网络分析)—符号化—制图输出的顺序,让学生在完成任务的过程中获得成就感。

3结束语

实践教学是地理信息系统课程中的重要组成部分,有助于学生巩固和加深对理论知识的认识和理解,培养学生利用本课程的相关知识来解决其专业领域内实际问题的能力。本文分析总结了当前GIS实践教学中存在的问题,以此为依据,从4个方面提出了针对性的改进措施和建议,有助于提升地理信息系统课程的实践教学效果。

作者:赵天明 单位:信息工程大学