王永鋒 靖娟利

摘? 要 為了充分調(diào)動學生的學習積極性，體現(xiàn)以學生為主體的教學理念，桂林理工大學GIS專業(yè)逐步開展基礎(chǔ)型、綜合型和創(chuàng)新型開放實驗，結(jié)合具體實例探討如何利用開放實驗鞏固學生理論知識，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維能力。

關(guān)鍵詞 開放實驗;創(chuàng)新思維能力;ArcGIS;MapGIS;GIS專業(yè)

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）18-0117-03

1 前言

高等教育中的實驗教學是素質(zhì)教育與創(chuàng)新教育的良好載體、措施和手段，對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和探究能力具有不可替代的作用[1]。開放實驗教學模式是一種探索性、自主性的教學模式[2]，能夠充分體現(xiàn)以人為本的教學思想，具有調(diào)動學生自主學習的積極性，顯著提升學生的實踐能力和創(chuàng)新能力等特點。為了滿足社會對創(chuàng)新型人才的需求，近年來，桂林理工大學GIS專業(yè)實驗教學改革中逐步引入開放實驗教學模式，充分利用學生的課余時間，根據(jù)學生的特點，設(shè)計滿足不同層次的開放實驗項目，讓學生自主選題并在教師指導下自主完成，在實驗過程中激發(fā)學生自主學習興趣，培養(yǎng)學生的實踐動手能力和創(chuàng)新思維能力，提升學生個性發(fā)展空間，增強學生在就業(yè)中的競爭能力。

2 開放實驗內(nèi)容的設(shè)計

開放實驗是課堂實驗教學環(huán)節(jié)的延續(xù)和補充。對于GIS專業(yè)學生而言，利用常用專業(yè)軟件（如MAPGIS、ArcGIS、ENVI等）進行空間數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析，是實踐能力培養(yǎng)的重要組成部分。開放實驗在設(shè)計過程中與GIS專業(yè)競賽或科研項目緊密結(jié)合，為后續(xù)參加專業(yè)競賽儲備人才，同時可以培養(yǎng)學生的科研素質(zhì)。為了滿足不同層次學生的需求，設(shè)計了基礎(chǔ)實驗項目、綜合實驗項目和創(chuàng)新實驗項目。

基礎(chǔ)實驗項目? 基礎(chǔ)實驗項目的設(shè)計可以針對具體某一門專業(yè)課程內(nèi)容，通過開放實驗使學生對課堂學習的單一實驗知識點之間的相互關(guān)系進行梳理，達到進一步鞏固課程理論知識的目的。如在教學GIS原理課程時，課堂上設(shè)計的實驗項目主要基于MapGIS或ArcGIS軟件平臺，內(nèi)容包括：空間數(shù)據(jù)的獲取與編輯，主要完成數(shù)據(jù)采集、拓撲編輯、屬性編輯等內(nèi)容;空間數(shù)據(jù)處理，包括誤差糾正（矢量數(shù)據(jù)）、地理配準（柵格數(shù)據(jù)）、投影變換、裁剪與拼接、格式轉(zhuǎn)換等內(nèi)容;空間數(shù)據(jù)入庫，包括建立空間數(shù)據(jù)庫，導入空間數(shù)據(jù);空間數(shù)據(jù)分析，包括矢量數(shù)據(jù)的緩沖、疊加分析，柵格數(shù)據(jù)疊加分析等環(huán)節(jié)。

在GIS原理課程課堂實驗環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，教師設(shè)計開放實驗項目：建立漓江流域土地利用數(shù)據(jù)庫，并統(tǒng)計流域兩側(cè)200米范圍內(nèi)的耕地面積，分析不同高程范圍內(nèi)耕地的數(shù)量。實驗要求數(shù)據(jù)采集在MapGIS軟件中完成，數(shù)據(jù)建庫及分析環(huán)節(jié)在ArcGIS軟件中完成，并提交數(shù)據(jù)處理報告和結(jié)果專題圖。

上述開放實驗內(nèi)容設(shè)計結(jié)合地方特色，并充分體現(xiàn)了GIS原理中學生需要掌握的主要實踐技能。首先，學生鞏固了基于MapGIS軟件的柵格數(shù)據(jù)地理配準、分層矢量化、構(gòu)建拓撲關(guān)系、屬性編輯、數(shù)據(jù)導出等環(huán)節(jié);其次，進一步熟悉基于ArcGIS軟件構(gòu)建地理數(shù)據(jù)庫、緩沖區(qū)分析、疊加分析、統(tǒng)計分析等技能。通過上述開放實驗項目的實施，學生對GIS原理需要掌握的知識點有了更深入和系統(tǒng)的理解，鞏固了課堂理論知識，增強了實踐動手能力，更加熟悉軟件的基本功能，同時培養(yǎng)了自主獲取SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）90米分辨率的DEM數(shù)據(jù)的技能。

綜合實驗項目? 綜合實驗項目對學生的專業(yè)基礎(chǔ)知識及實踐技能有更高的要求。實驗內(nèi)容在設(shè)計過程中緊密結(jié)合GIS專業(yè)競賽的相關(guān)題目，不僅能夠拓寬學生的知識面，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，還可以為專業(yè)競賽儲備人才。如第六屆全國大學生GIS技能大賽分上午和下午兩套試題，試題內(nèi)容結(jié)合日常生活，要求學生根據(jù)專業(yè)知識在規(guī)定時間以團隊形式現(xiàn)場完成。以上午試題為例，討論綜合性開放實驗對學生實踐及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1）試題內(nèi)容：某廣場舉行一場大型活動，當天來觀看演出的人員會很多，小明作為此次活動的信息員，將為廣場周邊的住戶提供一個在家觀看活動的建議，并根據(jù)統(tǒng)計的微博簽到數(shù)據(jù)，分析活動周邊的人數(shù)。

2）已知數(shù)據(jù)：廣場周圍的遙感影像圖四幅（TIF格式）、研究區(qū)域范圍（SHP格式）、活動范圍數(shù)據(jù)（SHP格式）、微博簽到表（XLS格式）。

3）要求：遙感影像去除黑邊并進行鑲嵌（40分）;矢量化圖中指定區(qū)域的建筑物，根據(jù)提供的信息添加屬性值，數(shù)字為樓高（20分）;根據(jù)提供的微博簽到表，可視化廣場周圍的微博簽到點數(shù)據(jù)（20分）;統(tǒng)計建筑物內(nèi)微博簽到點有多少（10分）;根據(jù)時間可視化微博簽到點數(shù)據(jù)，時間間隔為一小時（10分）。

4）數(shù)據(jù)提交：結(jié)果數(shù)據(jù);詳細數(shù)據(jù)處理報告，應包括解題思路、解題過程說明（盡可能附圖說明）和結(jié)果等內(nèi)容。

根據(jù)試題相關(guān)已知信息，選擇ArcGIS軟件作為數(shù)據(jù)處理平臺，下文分析學生應該具備的專業(yè)基礎(chǔ)知識及能夠培養(yǎng)的能力。要求一：重點考查學生對多幅遙感影像的拼接和裁剪方法，同時考查數(shù)據(jù)采集能力;學生應該熟練掌握新建數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)采集的方法，熟練運用ArcToolbox工具箱中的Mosaic、Clip或Extract by mask工具。要求二：重點考查學生數(shù)據(jù)采集、屬性編輯能力，這一步的關(guān)鍵是新建屬性字段，屬性信息錄入方法。要求三：考查學生對表格數(shù)據(jù)的導入及可視化方法，學生應該熟悉具有空間參考的XLS格式數(shù)據(jù)可以通過Display X Y Data工具導入ArcGIS軟件并進行可視化，并且可以通過Export Data工具導出為SHP格式。要求四：考查學生對要素的查詢、統(tǒng)計分析的掌握程度，可以使用Select by location工具進行查詢，或是用ArcToolbox工具箱中Intersect工具進行疊加分析。要求五：考查學生對屬性信息的查詢、重編碼及根據(jù)屬性字段對要素的可視化，這一步首先需要對微博簽到點要素層屬性表進行重新分類編碼，將從活動開始到結(jié)束每間隔一個小時的所有簽到點歸為一類，并賦相應的屬性編碼，然后根據(jù)新屬性項進行分類可視化。

總體來看，上午的試題內(nèi)容涉及數(shù)據(jù)采集和編輯、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)可視化等內(nèi)容，強調(diào)基礎(chǔ)知識的綜合運用。這套題看似簡單，學生要順利完成，必須具備扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識，能夠熟練運用ArcGIS軟件相關(guān)模塊功能，同時具備分析問題、解決問題的思維能力。通過綜合性開放實驗的實施，學生對理論知識點有了更深刻的理解，實踐能力得到很大提升，對知識點能夠靈活運用，達到融會貫通的效果，增強了團隊內(nèi)部的協(xié)作能力。

創(chuàng)新實驗項目? 創(chuàng)新實驗項目對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，進一步提高實踐能力，具有重要意義。創(chuàng)新實驗項目要求學生不僅具備基本的數(shù)據(jù)獲取、處理、分析技能，更注重學生自主學習和實踐能力的培養(yǎng)。創(chuàng)新實驗項目可以與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目結(jié)合，也可以與教師的課題相結(jié)合。以學生參與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“廣西NDVI變化及其與氣候因子的相關(guān)性研究”為例，討論在完成實驗過程中如何培養(yǎng)學生的實踐能力及創(chuàng)新能力。

首先，要求學生查閱相關(guān)資料，了解國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、相關(guān)數(shù)據(jù)及研究方法等內(nèi)容。查閱文獻后，學生應該掌握以下信息。

1）目前，國內(nèi)外做了哪些方面的研究？存在哪些問題？

2）NDVI代表的是歸一化植被指數(shù)，常用的NDVI數(shù)據(jù)有NOAA-AVHRR NDVI、SPOT VEGETATION、TERRA-MODIS NDVI/

EVI、LANDSAT TM/ETM+等。氣候因子主要應該包括溫度、降雨等，這些數(shù)據(jù)可以用氣象監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，也可以用其他一些數(shù)據(jù)產(chǎn)品，如MODIS地表溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)、TRMM降雨數(shù)據(jù)等。

3）NDVI的變化分析需要長時間序列數(shù)據(jù)，NDVI變化常用分析方法有趨勢分析、變異分析、變化持續(xù)性分析等方法，NDVI與氣候因子的相關(guān)性常用相關(guān)系數(shù)來衡量。

其次，根據(jù)研究區(qū)的特點，選擇數(shù)據(jù)并確定研究時間段，制訂研究方案。如研究過程中選擇的數(shù)據(jù)源為MODIS NDVI數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)為監(jiān)測站點數(shù)據(jù)，主要用趨勢分析法研究NDVI的時空變化特征，運用相關(guān)系數(shù)分析NDVI與溫度和降雨的相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上，學生要重點掌握數(shù)據(jù)獲取、預處理、結(jié)果計算等環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理及計算可以根據(jù)自身情況選擇ArcGIS或ENVI軟件，也可以運用MATLAB軟件或IDL語言編程實現(xiàn)。

最后，學生獨立撰寫項目成果報告，并提煉小論文進行發(fā)表。

創(chuàng)新開放實驗項目的開設(shè)，重點培養(yǎng)學生自主學習的能力、創(chuàng)新思維能力和科學研究能力等，包括文獻查閱、數(shù)據(jù)資料搜集下載和整理、數(shù)據(jù)的處理和分析、成果的整理等方面的能力。在研究和探索問題過程中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，提升學生的綜合實踐能力，激發(fā)學生進行科學研究的熱情。創(chuàng)新開放實驗的有效實施，為學生后續(xù)畢業(yè)設(shè)計的順利完成奠定基礎(chǔ)，有益于學生進一步深造、就業(yè)。

3 開放實驗的組織

桂林理工大學GIS專業(yè)開放實驗項目實施環(huán)節(jié)包括項目選擇、數(shù)據(jù)資料分發(fā)、實驗過程的管理、實驗成果提交及評閱、實驗教學反思。開放實驗實施過程充分利用學校教育在線平臺，教師提供豐富的實驗項目及競賽資源，方便學生選擇實驗項目、下載實驗資料，師生進行互動交流，學生提交實驗成果，教師點評實驗成果。此外，教師和學生都可以對開放實驗的實施效果進行總結(jié)反思，教師可以不斷優(yōu)化實驗項目，學生可以進一步梳理知識點。

在開放實驗實施過程中，學生以小組為單位，組長作為負責人。組長定期召開小組討論會，充分調(diào)動組員的學習積極性，定期向指導教師匯報實驗進展情況。學生可以利用實驗室自主完成開放實驗，或者利用自己的電腦在課余時間完成。實驗完成后，學生提交實驗項目成果，教師評閱后給定成績，可以作為課程成績的加分項或第二課堂的成績。

4 結(jié)語

高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)是當前高校教育的重要目標，也是落實科學發(fā)展、實現(xiàn)科技強國戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)[3]。桂林理工大學GIS專業(yè)實踐教學模式緊跟社會經(jīng)濟發(fā)展對專業(yè)人才能力、素質(zhì)的需求，逐步實施開放實驗，充分體現(xiàn)以學生為主體的教學理念。實踐證明，開放實驗教學模式對GIS專業(yè)學生培養(yǎng)起到積極的促進作用，能夠激發(fā)學生自主學習的熱情，在實踐過程中培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，提高學生的實踐能力、創(chuàng)新思維能力，全面提升學生的專業(yè)綜合素質(zhì)。

參考文獻

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