地理信息科學(xué)專業(yè)GIS 開發(fā)課程的學(xué)習(xí)難點(diǎn)及教學(xué)對(duì)策研究

奚 旭，杜景龍，張委偉

（蘇州科技大學(xué) 地理科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

在當(dāng)前信息化時(shí)代，地理信息科學(xué)（Geographic Information Science）專業(yè)，即GIS 專業(yè)，是深度對(duì)接人工智能、智慧城市、大數(shù)據(jù)及元宇宙等新發(fā)展概念的緊密專業(yè)。上述方向需要依托程序設(shè)計(jì)與開發(fā)、數(shù)據(jù)分析與挖掘、建模及可視化等基礎(chǔ)工作，因此，社會(huì)對(duì)高校地理信息科學(xué)專業(yè)的學(xué)生在GIS 開發(fā)方面有了更高的要求。

GIS 開發(fā)課程是對(duì)所有地理信息專業(yè)所要學(xué)習(xí)的編程類課程的統(tǒng)稱，主要包括基礎(chǔ)編程語(yǔ)言（C 語(yǔ)言、Python、Java、C#等）、基于ArcGIS Engine 的二次開發(fā)、WebGIS 開發(fā)（JavaScrript、HTML、CSS 等）、后端開發(fā)（Java）及科學(xué)數(shù)據(jù)處理（R 語(yǔ)言、Python、Matlab 等）。要成為一名優(yōu)秀的GIS 從業(yè)人員，應(yīng)掌握GIS 的基礎(chǔ)理論、掌握1～3 門GIS 的專業(yè)軟件（ArcGIS、ENVI 等），以及學(xué)會(huì)使用至少一種計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言進(jìn)行GIS 開發(fā)。根據(jù)作者及團(tuán)隊(duì)的多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，地理信息科學(xué)專業(yè)的學(xué)生在大學(xué)期間基本都能較好地掌握GIS 理論課程和專業(yè)軟件的使用，這是因?yàn)橐缘乩硇畔⑾到y(tǒng)概論為代表的GIS 專業(yè)課程與ArcGIS 等專業(yè)軟件在理論與功能上形成了相互支持與驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)ArcGIS 軟件的練習(xí)，不僅能夠熟練掌握軟件，也能加深對(duì)地理信息科學(xué)理論與方法的理解。ArcGIS 軟件雖然能實(shí)現(xiàn)一些基礎(chǔ)性地理數(shù)據(jù)處理與空間分析功能，但應(yīng)用到其他領(lǐng)域或平臺(tái)時(shí)，一些特定的功能需要結(jié)合實(shí)際情況使用，這就需要GIS 開發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于GIS 開發(fā)基本都是基于ArcObjects 構(gòu)建的，初學(xué)者一般都從基于C#的ArcGIS Engine開始學(xué)起，在掌握了C#語(yǔ)言和Arc Engine 的開發(fā)思路之后，將會(huì)很容易進(jìn)一步過(guò)渡到WebGIS 和移動(dòng)端GIS的開發(fā)上。在以往的教學(xué)經(jīng)歷中，很多學(xué)生不僅連進(jìn)階階段的WebGIS 和移動(dòng)GIS 掌握的不理想，而且較為基礎(chǔ)的Arc Engine 二次開發(fā)也難以達(dá)到可獨(dú)立開發(fā)應(yīng)用的地步。因此，地理信息科學(xué)專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生真正從事GIS 開發(fā)工作的人數(shù)較少，難以適應(yīng)或滿足社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的需求。在當(dāng)前數(shù)字經(jīng)濟(jì)引領(lǐng)的時(shí)代發(fā)展潮流下，GIS 開發(fā)工作充滿了機(jī)遇與挑戰(zhàn)，社會(huì)迫切需要可從事中高端GIS 開發(fā)的新鮮“血液”，這對(duì)高校教師在GIS 開發(fā)課程教育方面提出了更高的要求。

本研究在調(diào)查分析學(xué)生在學(xué)習(xí)GIS 開發(fā)課程存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，從教學(xué)方式和實(shí)踐創(chuàng)新方面積極探索該課程的教學(xué)策略，以期學(xué)生能更好地掌握該類課程。

一、學(xué)生視角下GIS 開發(fā)類課程學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)難點(diǎn)

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)分別在GIS 組件式開發(fā)、Java Web 開發(fā)及Web GIS 等課程的期末考試卷上，以題目的形式調(diào)研學(xué)生對(duì)該類課程學(xué)習(xí)存在的困難和問(wèn)題。經(jīng)過(guò)整理，多數(shù)學(xué)生主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題。

（一）專業(yè)課程繁雜，疲于應(yīng)對(duì)考試

專業(yè)涉及到的課程過(guò)多，內(nèi)容繁多，疲于應(yīng)對(duì)作業(yè)與考試，導(dǎo)致GIS 開發(fā)課程缺少足夠的實(shí)踐時(shí)間。地理信息科學(xué)是一門交叉性非常強(qiáng)的專業(yè)，地理信息科學(xué)專業(yè)的定義就是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)地理空間的實(shí)物要素或者現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)字化表征、存儲(chǔ)、建模、模擬與分析等。專業(yè)涉及的范圍非常廣，既涉及到自然地理中的地球圈層、水文、地質(zhì)、大氣和洋流等，也與城鄉(xiāng)規(guī)劃、交通、旅游、美食、碳排放及作物生長(zhǎng)等人文地理的課題息息相關(guān)。很多高校將自然地理、人文地理、遙感、測(cè)繪和編程類的課程作為專業(yè)必修課，而隨著新時(shí)代的發(fā)展需求，很多高校更是將機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)處理等作為限選課。伴隨所學(xué)內(nèi)容越來(lái)越多，大量課后作業(yè)與考試占據(jù)了大部分時(shí)間，導(dǎo)致GIS 開發(fā)課程的學(xué)習(xí)只停留在理論層面，難以真正掌握。

（二）關(guān)聯(lián)課程眾多，基礎(chǔ)不易打牢

多門課程與GIS 開發(fā)互相關(guān)聯(lián)，且很多關(guān)聯(lián)課程都是GIS 開發(fā)的基礎(chǔ)課程，掌握程度的深淺容易決定GIS開發(fā)能力的上限。學(xué)習(xí)GIS 開發(fā)不僅僅是要求掌握一門編程語(yǔ)言，還要對(duì)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)、網(wǎng)頁(yè)及軟件的構(gòu)建體系有較深的理解，因此還要系統(tǒng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、前后端的框架和數(shù)據(jù)庫(kù)等相關(guān)內(nèi)容。這些課程通常邏輯性很強(qiáng)，特有的專業(yè)名詞很多，很多學(xué)生在廣度和深度上難以兼顧，導(dǎo)致前期學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)沒有打牢靠，在后面學(xué)習(xí)GIS開發(fā)時(shí)困難重重。此外，國(guó)內(nèi)大部分地理信息科學(xué)專業(yè)的學(xué)生，都要先從C 語(yǔ)言或者C++開始打編程基礎(chǔ)，然后開始學(xué)習(xí)C# 和ArcGIS Engine、基于Python 或者M(jìn)atlab 的地理數(shù)據(jù)處理，后續(xù)進(jìn)階階段還需要學(xué)習(xí)Java進(jìn)行后端編程、JavaScript 的前端開發(fā)及至少一門框架（如Vue、Angular 或者React 等）。雖然不同編程語(yǔ)言在語(yǔ)句和寫法上非常相似，但都有自己的邏輯特色，尤其是學(xué)習(xí)到中后期時(shí)，高深的語(yǔ)法各不相同。很多學(xué)生在依次接觸不同語(yǔ)言時(shí)，前期語(yǔ)法的相似性容易迷惑學(xué)習(xí)狀態(tài)，而導(dǎo)致后面高深的語(yǔ)法理解困難。除了語(yǔ)法，不同的開發(fā)工具，如二次開發(fā)里面的ArcGIS Engine、Web 開發(fā)里面的網(wǎng)頁(yè)工具等都有很多很多的接口，雖然關(guān)聯(lián)，功能卻各不相同，繁雜的知識(shí)體系和專業(yè)名詞容易打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而使創(chuàng)造性很強(qiáng)的GIS 開發(fā)課淪為應(yīng)試教育課。

（三）學(xué)習(xí)方式不當(dāng)，缺少足夠?qū)嵺`

理論上的專業(yè)知識(shí)充分理解，但仍然無(wú)法獨(dú)立開發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單的項(xiàng)目。很多學(xué)生在課堂上聽講很認(rèn)真，在課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)都做了充足工作，為了考試刷了很多題目。甚至為了加強(qiáng)理解，課后會(huì)從網(wǎng)絡(luò)上找相關(guān)教學(xué)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。在這種學(xué)習(xí)模式下，會(huì)在期末考試得到卷面高分，但仍然無(wú)法進(jìn)行開發(fā)工作，就是因此缺少足夠的代碼實(shí)踐量。本科生剛經(jīng)歷了高考，充分的刷題是一種行之有效的學(xué)習(xí)方式，這種定勢(shì)的學(xué)習(xí)模式對(duì)學(xué)習(xí)GIS 開發(fā)帶來(lái)了負(fù)面影響。因?yàn)镚IS 開發(fā)是一門必須大量代碼實(shí)踐才能學(xué)好的課程，要求理論結(jié)合實(shí)際，并學(xué)以致用，只有自己動(dòng)手編程才能真正掌握開發(fā)。在編寫代碼嘗試運(yùn)行的過(guò)程中，可以真正理解書本中的知識(shí)點(diǎn)，某個(gè)函數(shù)、方法或者接口的實(shí)現(xiàn)效果是怎么樣的。此外，寫代碼實(shí)踐的過(guò)程中，會(huì)接觸到各種各樣的錯(cuò)誤，調(diào)試的過(guò)程也是試錯(cuò)的過(guò)程，是課堂或課本上難以傳授的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，可以為以后的GIS 開發(fā)之路積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。

（四）地學(xué)結(jié)合較差，創(chuàng)新意識(shí)薄弱

很多學(xué)生在接觸大量編程課程之后，反而學(xué)習(xí)目標(biāo)越來(lái)越模糊，難以與地理學(xué)接壤，不能根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行創(chuàng)新性工作。GIS 開發(fā)是結(jié)合各行業(yè)的實(shí)際需求，進(jìn)行軟件開發(fā)的創(chuàng)新性工作。隨著信息技術(shù)與社會(huì)發(fā)展的日新月異，涌現(xiàn)出了很多新理念與新需求，立足于地理信息科學(xué)的理論知識(shí)體系，以編程開發(fā)為實(shí)現(xiàn)手段，進(jìn)行創(chuàng)新性研發(fā)工作是GIS 開發(fā)的重要基礎(chǔ)。地理信息科學(xué)專業(yè)的學(xué)生，在學(xué)習(xí)內(nèi)容和未來(lái)工作方面與計(jì)算機(jī)專業(yè)確實(shí)存在很多交集，但地理信息科學(xué)是建立在空間數(shù)據(jù)之上的交叉學(xué)科，需要將可見的物理世界與不可見性的空間現(xiàn)象通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方式進(jìn)行定量表征、可視化分析與深層規(guī)律挖掘。因此，地理信息科學(xué)專業(yè)的學(xué)生不僅需要打好編程基礎(chǔ)，也需要對(duì)地理學(xué)及地理信息科學(xué)的基本知識(shí)和理論知識(shí)體系有較深理解，從而在學(xué)習(xí)GIS 開發(fā)的過(guò)程中能與地理現(xiàn)象緊密結(jié)合。

二、學(xué)習(xí)—思維—應(yīng)用—探索鏈?zhǔn)浇虒W(xué)對(duì)策

在有限師資力量基礎(chǔ)上，針對(duì)同學(xué)們的學(xué)習(xí)難點(diǎn)，從學(xué)習(xí)—思維—應(yīng)用—探索等鏈?zhǔn)讲襟E下提出相應(yīng)的教學(xué)對(duì)策，并逐步應(yīng)用于教學(xué)工作中。具體包括以下幾點(diǎn)。

（一）翻轉(zhuǎn)教學(xué)課堂，以教學(xué)促學(xué)習(xí)

根據(jù)美國(guó)學(xué)者Edgar Dale 提出的“學(xué)習(xí)金字塔”（圖1）理論，傳統(tǒng)的教學(xué)模式，即老師在課堂上講，學(xué)生在下面聽講，是效果最低的教學(xué)方式。在GIS 開發(fā)課程領(lǐng)域，代碼演示與視頻講解等方式都屬于學(xué)習(xí)金字塔里面的被動(dòng)學(xué)習(xí)部分，在較長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)內(nèi)容留存率不足30%，學(xué)習(xí)效果較差。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)以學(xué)習(xí)金字塔為理論教學(xué)指導(dǎo)，在相關(guān)課程開始之初成立3～4 人為單位的學(xué)習(xí)小組，通過(guò)小組討論、小組項(xiàng)目實(shí)踐及小組成員輪流上臺(tái)講學(xué)的方式翻轉(zhuǎn)教學(xué)課堂。目前，在小組討論和小組項(xiàng)目實(shí)踐部分已取得較為良好的效果，主要體現(xiàn)在小組成員在彼此討論過(guò)程中能加強(qiáng)對(duì)知識(shí)盲點(diǎn)的理解；在課后作業(yè)中，通過(guò)團(tuán)體協(xié)作可高效率完成GIS 開發(fā)任務(wù)，模式與實(shí)際社會(huì)生產(chǎn)項(xiàng)目的執(zhí)行過(guò)程相似，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在翻轉(zhuǎn)課堂方面，有“教學(xué)”任務(wù)的學(xué)生做了充足工作，通過(guò)預(yù)習(xí)與備課工作，加強(qiáng)了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與記憶，也提升了個(gè)人演講能力。但受限于知識(shí)面與講解經(jīng)驗(yàn)，聽課學(xué)生的知識(shí)獲得感較低，教師作為聽眾在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)與講解十分重要。通過(guò)課堂翻轉(zhuǎn)，能夠有效地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在打好編程基礎(chǔ)方面非常有效。

圖1 學(xué)習(xí)金字塔

（二）借助開源平臺(tái)，學(xué)習(xí)編程思維

開源平臺(tái)是自學(xué)編程的重要資源，也是學(xué)生提升GIS 開發(fā)能力的重要工具。以全球最大的開發(fā)者社區(qū)GitHub 為例，目前已經(jīng)超過(guò)4 000 萬(wàn)人在線進(jìn)行交流與學(xué)習(xí)。平臺(tái)會(huì)根據(jù)所學(xué)習(xí)的語(yǔ)言和開發(fā)方向的不同，建立對(duì)應(yīng)的開放社區(qū)，來(lái)自全球的開發(fā)人員、科研人員、教學(xué)專家乃至某編程語(yǔ)言的創(chuàng)始人會(huì)針對(duì)不同階段的學(xué)習(xí)者提供學(xué)習(xí)建議、學(xué)習(xí)教程及練習(xí)項(xiàng)目。當(dāng)出現(xiàn)自己難以解決的難題或遇到瓶頸，幾乎都能通過(guò)社區(qū)交流找到解決路徑。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)注重編程的寫作思維，在課后作業(yè)中常以開源平臺(tái)中的高分項(xiàng)目作為學(xué)生必要的學(xué)習(xí)資料，要求學(xué)生閱讀高分項(xiàng)目代碼并對(duì)關(guān)鍵步驟寫注釋，最后復(fù)現(xiàn)代碼，從而能夠快速吸收優(yōu)秀的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。借助開源平臺(tái)，部分學(xué)生激發(fā)了開發(fā)工作的學(xué)習(xí)熱情，掌握了當(dāng)前的前沿技術(shù)，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)的學(xué)生在相關(guān)背景下，近年來(lái)參加“美國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模大賽”“全國(guó)高校GIS 技能大賽”“GIS 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”等比賽中獲得靈感與技術(shù)突破，并獲得良好的成績(jī)。

（三）參與生產(chǎn)項(xiàng)目，提升技術(shù)實(shí)戰(zhàn)

根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行開發(fā)能夠很快提升學(xué)生的實(shí)際GIS 開發(fā)能力。學(xué)院非常重視校企合作，目前本單位分別與蘇州市測(cè)繪院有限公司、蘇州市數(shù)字城市工程研究中心有限公司等20 余家企業(yè)建立了產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐基地。依托相關(guān)平臺(tái)，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)每年都會(huì)選拔部分地理信息科學(xué)專業(yè)的學(xué)生參與到學(xué)院及教師承接的社會(huì)生產(chǎn)項(xiàng)目中，如“智慧環(huán)保系統(tǒng)”“智慧水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”“測(cè)繪數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”等。通過(guò)校企合作的模式，學(xué)生有機(jī)會(huì)得到鍛煉，也為企業(yè)儲(chǔ)備了人才，部分優(yōu)秀學(xué)生也在實(shí)習(xí)過(guò)程中獲得了理想中的就業(yè)崗位。目前，校企合作項(xiàng)目受限于項(xiàng)目類型與數(shù)量，互惠互利的局限性等，合作方式不穩(wěn)定。學(xué)院正積極拓寬實(shí)踐渠道，深化企業(yè)合作模式，在獲得一定經(jīng)費(fèi)和項(xiàng)目支持下，將給予學(xué)生更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)。

（四）增設(shè)開源課程，深度融合GIS

商用GIS 軟件為使用者解決空間分析、決策、二次開發(fā)提供了便捷，但涉及商業(yè)機(jī)密，不會(huì)公布底層代碼與軟件架構(gòu)，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)GIS 開發(fā)的過(guò)程中對(duì)理論知識(shí)掌握不扎實(shí)，不僅難以與地學(xué)深度結(jié)合，也不容易出原創(chuàng)性的科研成果。為了培養(yǎng)創(chuàng)新性人才，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)面向開源GIS 積極探索新的地理信息科學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案，增設(shè)開源GIS 課程。目前，不同方向的開源GIS 軟件平臺(tái)很多，見表1，統(tǒng)計(jì)了一些比較常見的開源GIS平臺(tái)，在第二列中加粗的部分是適合本教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教學(xué)開源GIS 平臺(tái)。目前，開源GIS 沒有系統(tǒng)的教材及資源，且一下子增設(shè)太多課程不切實(shí)際。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)在嚴(yán)格把關(guān)教材的基礎(chǔ)上，循序漸進(jìn)增設(shè)GIS 開源課程，但仍需更多的實(shí)驗(yàn)論證與師資力量投入。

表1 GIS 開源平臺(tái)

三、結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前社會(huì)飛速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出新的技術(shù)與發(fā)展理念，地理信息科學(xué)專業(yè)的學(xué)生需要學(xué)好GIS 開發(fā)類課程，才能更好地勝任創(chuàng)新性工作，從而融入到新時(shí)代的技術(shù)浪潮中。繁重的專業(yè)課程、應(yīng)試式的學(xué)習(xí)及缺少足夠?qū)嵺`等成為大部分學(xué)生難以真正掌握該類課程的主要因素，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)從教學(xué)方式、科學(xué)平臺(tái)、項(xiàng)目實(shí)踐及教學(xué)改革等方面提出了教學(xué)對(duì)策，能夠?yàn)閷W(xué)生打好編程基礎(chǔ)、了解GIS 底層架構(gòu)、掌握優(yōu)秀開發(fā)思維及提升實(shí)際開發(fā)能力等提供途徑。目前，部分方案經(jīng)過(guò)實(shí)踐已取得良好效果，后續(xù)將進(jìn)一步完善并用于實(shí)際教學(xué)，以期進(jìn)一步提升地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生的GIS 開發(fā)能力。