新工科背景下地理信息系統(tǒng)教學改革探討

李曉明，洪武揚，王偉璽，黃正東，辜智慧

（1.深圳大學建筑與城市規(guī)劃學院，廣東 深圳 518060；2.深圳大學智慧城市研究院，廣東 深圳 518060）

地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）起源于20世紀60年代初，是對地理空間數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、查詢、分析、顯示與輸出的計算機系統(tǒng)，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，已在各行業(yè)得到了廣泛的應用，滲透到了普通大眾的日常生活[1]。隨著人類社會步入信息時代，GIS已發(fā)展為地理信息科學（geographic information science），成為一門描述、存儲、分析和輸出空間信息理論和方法的新興交叉學科[2]。GIS成為國內外地理學、測繪科學等大學本科生的專業(yè)核心課，為培養(yǎng)不同領域的專業(yè)技術人才，以及培養(yǎng)碩士和博士研究生等科學研究人才提供重要基礎。近年來，信息與通信技術（information and communications technology，ICT）使測繪、規(guī)劃、國土等行業(yè)的GIS應用形態(tài)和研究范式發(fā)生了改變。GIS專業(yè)人才的培養(yǎng)目標更為依托行業(yè)而又不拘泥行業(yè)，且隨地理信息應用需求發(fā)生柔性延展[3]。鑒于地理信息系統(tǒng)教學對于學生理解GIS課程的理論精髓和未來就業(yè)所起到的關鍵作用[4]，將GIS教學變成一種知識領域更加全面、方法技術更加前沿、實踐方式更加多樣的專業(yè)人才培養(yǎng)模式將成為重要目標[5]。

在當前“新工科”建設背景下，高等教育更需體現(xiàn)面向未來技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。2016年，國家在測繪科學與技術的二級學科中新增了“地理空間信息工程”特設專業(yè)，注重測繪科學與地理學和計算機科學的交叉融合[6]。深圳大學地理空間信息工程專業(yè)于2017年正式招生，注重培養(yǎng)學生掌握地理空間信息技術、城市科學和數(shù)據(jù)科學基本理論、技術和工程實踐方法，以面向解決城市問題為特色，建立了“思維思辨-理論基礎-分析應用-研究創(chuàng)新”4個層級的城市GIS教學體系框架[7]，其中地理信息系統(tǒng)原理（GIS原理）課程作為重要的理論基礎課程，與空間數(shù)據(jù)庫原理、空間統(tǒng)計與分析課程共同為分析應用以及研究創(chuàng)新提供基礎。地理信息系統(tǒng)原理課程應充分給予學生學科交叉、方向多樣、領域寬廣的教學內容，并需要配合實踐教學加強學生主動解決實際問題的能力。

為此，本文面向新工科背景下的地理信息系統(tǒng)原理和實踐課程改革要求，通過對現(xiàn)狀問題的梳理與辨析，結合深圳大學地理信息系統(tǒng)課程教學實踐，嘗試提出融合式發(fā)展的地理信息系統(tǒng)課程教學改革路徑，以期為更好地適應新工科理念下的地理信息人才培養(yǎng)與教學改革提供參考。

1 新工科背景下的地理信息系統(tǒng)原理和實踐課程的新要求

地理信息系統(tǒng)原理是一門專業(yè)基礎課程，旨在讓學生理解地理信息系統(tǒng)基本概念，掌握地理信息系統(tǒng)的基本理論和技術方法，使學生理解空間數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)的結構及其相互關系，掌握地理空間數(shù)據(jù)的采集、編輯、處理、組織、管理、分析與顯示的技術原理與方法，初步搭建起地理信息系統(tǒng)專業(yè)領域的知識結構體系和框架。地理信息系統(tǒng)實踐課程是在掌握GIS基本原理的基礎上開設的一門實踐課程，通過GIS軟件實習操作，學習如何利用地理信息系統(tǒng)去解決實際問題的思路，提升利用地理信息系統(tǒng)解決實際問題的思維與能力。

新工科建設要求培養(yǎng)一批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當務之急，也是長遠之策。GIS是以空間視角刻畫和表達物理空間和社會空間的技術學科，通過GIS建立地理-人文-信息三元空間的關聯(lián)，將是智慧城市建設的邏輯基礎[7]。地理信息系統(tǒng)原理和實踐課程的相關專業(yè)知識和技術手段更新較快，如地理大數(shù)據(jù)、空間大數(shù)據(jù)、地理知識挖掘等新興概念的提出，大大促進了GIS理論和技術不斷革新變化。

大數(shù)據(jù)不僅使世界認識到數(shù)據(jù)的重要性，更引發(fā)了許多行業(yè)從根本上實施變革。大數(shù)據(jù)時代也對GIS提出了諸多挑戰(zhàn)，如海量、多源、異構數(shù)據(jù)的存儲與管理以及價值挖掘等[8]。物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、智能傳感、大數(shù)據(jù)、人工智能和自動控制等現(xiàn)代技術迅猛發(fā)展，地理學和測繪學及其分支日漸深度融合，中國社會經(jīng)濟和科技事業(yè)的發(fā)展及全球命運共同體的建設等也對GIS提出了新需求，地理信息科學的發(fā)展正邁入一個全新的時代[9]。

與此同時，城市研究的范式在大數(shù)據(jù)和人工智能的影響下已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化[10]。城市變得越來越智慧，GIS在新城市科學中也發(fā)揮著越來越重要的作用[11]。新城市科學體系的形成，要求GIS人才除了具備傳統(tǒng)的專業(yè)技術外，還需要培養(yǎng)學生具備應對當今城市變化的新技能和新思維[12]，這無疑也給地理信息系統(tǒng)原理和實踐課程教學帶來了更多挑戰(zhàn)。

2 地理信息系統(tǒng)原理和實踐課程的問題分析

1）教學內容零散，學科專業(yè)知識交叉融合不充分。作為一門綜合性極強的專業(yè)基礎課，地理信息系統(tǒng)原理的課程內容學習不應該是零散的“點”，而應該是將相關的“點”結合為一體的“線”，甚至“面”。傳統(tǒng)課堂教學中僅限于本門課程教材中的內容，通常只是將涉及GIS的理論知識點逐個灌輸給學生，缺乏與城市信息學的交叉融合，也極少引入GIS與城市信息學數(shù)據(jù)采集與分析的課堂練習實踐，學生難以充分領悟GIS在解決城市問題的地位和作用。

2）教學模式單一，學生學習積極主動意愿未激發(fā)。地理信息系統(tǒng)原理課程內容比較多，為完成教學任務，課程的教學模式以課堂講授為主。課堂教學中，學生往往只是被動接受教師所講授的專業(yè)理論知識，對于教學內容的真正掌握情況，受限于單向講授方式，亦不能得以充分展示和檢測。這種正向的反饋機制如果無法建立，教師則難以根據(jù)學生對教學內容的接受程度靈活控制進度，教學模式趨向于固化，最終導致課堂教學成效甚微。

3）教學實踐機械，學生實際動手操作能力待提高。一方面，GIS本身是一項應用性極強的工具，隨著GIS相關軟件的不斷發(fā)展與升級，各功能與工具直接的耦合關系和邏輯關系更加嚴密。以往地理信息系統(tǒng)課程的教學實踐設計相對簡單，會導致教學內容與新技術發(fā)展需求存在脫節(jié)。另一方面，教師演示、學生模仿的這種實踐模式，典型缺陷在于沒有為學生提供足夠的思考空間和探索機會，當學生面對具體問題時依然無從下手，缺乏主動發(fā)現(xiàn)問題和解決問題能力的培養(yǎng)。

3 地理信息系統(tǒng)原理與實踐融合的教學改革路徑探索

新工科背景下對于地理信息系統(tǒng)原理和實踐課程的改革要求包括了重融合、強實踐、多樣化等，在總結歸納當前存在問題的基礎上，本文從教學內容、教學模式、教學實踐3個方面進行教學改革實踐的論述（圖1）。

圖1 地理信息系統(tǒng)課程教學改革探索路徑

3.1 教學內容交叉融合

地理信息系統(tǒng)原理課程交叉特征明顯，涉及計算機、數(shù)學、地理、測繪等，在新工科背景下特別強調對城市信息學的深度融合。在總課時一定的前提下，除了GIS基礎理論的講授外，需要重點甄選與城市信息學密切相關的知識點作為核心授課內容。此外，需要在教學內容中豐富城市信息學相關知識，以GIS作為智慧城市操作系統(tǒng)的理念，大幅度增加面向智慧城市發(fā)展需求的地理信息系統(tǒng)課程內容。

在教學內容表達上增設GIS與城市問題相交叉的專題案例，圍繞某一主題或現(xiàn)象，將GIS專業(yè)教學中多門課程有機融合[13]。通過專題案例的深度挖掘，剖析相關的GIS技術過程與功能，使學生在深刻理解城市所面臨問題的基礎上，領悟GIS在解決城市問題中的作用，從而掌握利用GIS解決具體實際問題的邏輯流程與關鍵技術。通過課程教學內容與城市主題的交叉融合，不僅顯著提高了學生的學習興趣，同時為實踐教學和訓練夯實基礎，進而提升學生解決復雜現(xiàn)實問題的能力。

3.2 教學模式強化實踐

在教學中探索使用“2+1”的教學模式，其中2是線上視頻課程與線下課堂講解與操作，1是針對已掌握知識的GIS軟件實踐。①線上視頻課程，學院已與超圖達成戰(zhàn)略合作協(xié)議，部署了整套的SuperMap軟件，教師將提前錄制好時長約15 min的軟件操作視頻發(fā)送給學生，以供課前預習。②線下課堂，教師針對性地講解基本概念原理、方法與操作，通過知識點設問和啟發(fā)式引導的方式，促進學生主動思考與相互討論。③GIS軟件實踐，教師將面向城市相關的工程實踐及科研成果以示例、動畫的形式向學生演示，豐富課堂教學的信息量和生動程度，學生再進行操作練習，完成空間數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、空間分析、制圖與可視化等預定任務。通過線上、線下有機結合，學生能夠充分掌握理論知識和提升操作能力。

推行研討式教學，基于《地理信息系統(tǒng)原理》課程的教學重點和教學難點，設置6～8個與城市信息學相關的研討式問題，將學生分為若干小組，學生以小組為單位對問題進行思考、討論，教師引導學生解決問題，并形成最終的課程匯報。

3.3 教學實踐多樣化

解決城市實際問題的課程實踐是GIS教學的核心價值。通過課程的綜合實踐，學生在鞏固理論知識的同時，能夠提升使用GIS解決問題的思維與能力。課程實踐以加強課程知識掌握以及各學科的知識融合為目標，形式可以多樣化，具體包括：

1）軟件應用層面，加強國產(chǎn)軟件SuperMap以及開源QGIS等軟件的教學實踐，并結合具體的教學案例，讓學生在熟練掌握GIS通用軟件的基礎上，理解GIS的基本原理和方法，提高解決實際問題的能力。比如在GIS軟件實習中，學生分組圍繞深圳大學校園自主選定各種主題進行動手實踐，部分成果如圖2所示。

圖2 校園主題的GIS軟件實習部分成果展示

2）學科競賽層面，學生可通過參與ESRI、超圖等公司組織的GIS制圖與軟件研發(fā)大賽、政府部門組織的開放數(shù)據(jù)應用創(chuàng)新大賽等，增強學生的創(chuàng)造力和動手能力，以賽促學，以學促研。

3）見習實習層面，組織學生參觀學習自然資源局、交通運輸局、生態(tài)環(huán)境局等政府部門，以及規(guī)劃設計院、測繪院等行業(yè)部門，了解解決各類與GIS相關的城市問題的案例，充分認識GIS在城市規(guī)劃、建設、運行管理中發(fā)揮的實際作用，探索地理空間信息技術在城市領域的潛在應用。

4 結語

新工科建設要求培養(yǎng)一批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐?！靶鹿た啤苯ㄔO背景下的地理信息系統(tǒng)原理和實踐教學，應著眼于重組教學內容，更新教學模式，創(chuàng)新教學實踐方式。在教學內容方面，甄別重點，融合城市信息學等原理并增設相關案例講解，全面提升學生的理論知識豐富程度；在教學模式方面，推行研討式及“2+1”教學模式，提高學生學習的積極性；在教學實踐方面，通過多軟件學習、參觀實習、以賽促學等模式深刻理解地理信息系統(tǒng)原理，鍛煉學生解決實際問題的能力。教學改革中，重點引導學生融合多學科知識解決實際問題，培養(yǎng)學生空間思維能力及地理信息系統(tǒng)軟件綜合應用能力，最終目標在于綜合提升學生創(chuàng)新思維、批判性思維、設計和創(chuàng)造思維、領導力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和人文素養(yǎng)。期望本文能在相關的學科基礎課程和專業(yè)課程的教學改革中起到借鑒作用。