基于“3S”技術(shù)一體化地理信息系統(tǒng)實踐教學(xué)設(shè)計探索

陳彧 張文慧

摘 要：地理信息系統(tǒng)是土地資源管理專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，具有實踐操作性強(qiáng)，與遙感、測量技術(shù)（3S技術(shù)）結(jié)合緊密，實際問題導(dǎo)向性強(qiáng)的特點(diǎn)。目前的教學(xué)實踐中，如何將這三大特點(diǎn)更好地融合到課堂中，是現(xiàn)實教學(xué)改革中的重要任務(wù)。本文在實踐中總結(jié)出一套基于3S技術(shù)一體化的地理信息系統(tǒng)實踐教學(xué)設(shè)計方案，從教學(xué)的思路、內(nèi)容和方法上提出新的探索方向，旨在提升土地資源管理專業(yè)地理信息系統(tǒng)教學(xué)的效果，使學(xué)生能夠在教學(xué)過程中提升實踐能力。

關(guān)鍵詞：“3S”技術(shù)；地理信息系統(tǒng)；土地資源管理

目前，地理信息系統(tǒng)（Geographical Information Systems，GIS）在社會生活中的應(yīng)用范圍越來越廣，已經(jīng)成為土地資源管理和規(guī)劃、城市管理、工程建設(shè)、商業(yè)策劃、災(zāi)害防治等領(lǐng)域的重要工具。因此，土地資源管理專業(yè)已經(jīng)將GIS作為本專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。對于這些應(yīng)用型學(xué)科的學(xué)生，重點(diǎn)是掌握GIS在本專業(yè)中的具體應(yīng)用知識和技能；而對GIS中所涉及的計算機(jī)原理的相關(guān)知識可以相對簡要精練吸收，主要目的是用于輔助理解具體的應(yīng)用場景。因此，針對這些非GIS專業(yè)的地理信息系統(tǒng)課程，必須專門設(shè)計面向該專業(yè)的實踐教學(xué)內(nèi)容和方法。

“3S”技術(shù)是由遙感技術(shù)（Remote sensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（Geography information systems，GIS）和全球定位系統(tǒng)（Global positioning systems，GPS）組成的統(tǒng)稱，能夠精準(zhǔn)地對空間信息進(jìn)行采集、存儲、分析、應(yīng)用并模擬預(yù)測目標(biāo)的變化趨勢，是一種綜合性現(xiàn)代信息技術(shù)。其中，GPS和RS用于數(shù)據(jù)的采集，GIS則是對采集數(shù)據(jù)的具體分析。在實際應(yīng)用場景中，“3S”技術(shù)本身是難以分割的。因此，如何將一體化的“3S”技術(shù)引入地理信息系統(tǒng)的實踐課程教學(xué)中，使得學(xué)生對“3S”技術(shù)有系統(tǒng)的理解，并且能夠直接應(yīng)對實際應(yīng)用場景，是目前教學(xué)研究的難點(diǎn)。

本文基于中南民族大學(xué)公共管理學(xué)院土地資源管理專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)地理信息系統(tǒng)課程的實際情況，談?wù)劵凇?S”技術(shù)一體化地理信息系統(tǒng)實踐教學(xué)設(shè)計及探索。

一、地理信息系統(tǒng)實踐教學(xué)特點(diǎn)

（一）理論與實踐的結(jié)合，以實踐為主

地理信息系統(tǒng)這門學(xué)科是一種實踐性非常強(qiáng)的課程，它正是為了應(yīng)對現(xiàn)代信息技術(shù)及全球化條件下土地資源管理、城市規(guī)劃、工程建設(shè)等領(lǐng)域出現(xiàn)的各種實際問題而不斷發(fā)展的。在學(xué)校里，除了以課堂教學(xué)的方式進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，還要結(jié)合實際操作進(jìn)行實踐運(yùn)用學(xué)習(xí)。這樣的教學(xué)形式能夠讓不具備GIS背景知識的初學(xué)學(xué)生對課程內(nèi)容有更深刻的理解，對應(yīng)用方法有更好的掌握。以實踐為主的教學(xué)方式，能夠讓學(xué)生在具有真實環(huán)境的項目實踐中，與同學(xué)們相互溝通、相互協(xié)作，分享各自的實踐方法與經(jīng)驗，能使學(xué)生更加有效地理解課程的原理以及原理在具體項目中的實踐操作，促使課程價值、信息的交流與轉(zhuǎn)換。以實踐為主不僅可以加深學(xué)生對課本上理論知識的理解，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，是傳統(tǒng)的只關(guān)注理論的原理教學(xué)方法所不能比擬的。

（二）“3S”技術(shù)的不可分割性

“3S”技術(shù)是由遙感（RS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）共同組成的，要想解決在房地產(chǎn)、城市規(guī)劃、土地資源管理等方面的實際問題，必須將三種系統(tǒng)結(jié)合起來使用，而不能將其分割開來，單獨(dú)的一項技術(shù)無法解決實際項目中各種問題，RS、GPS、GIS在空間信息采集、動態(tài)分析與管理等方面有各自不同的特點(diǎn)，且具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，而“3S”技術(shù)就是將三種技術(shù)集中整合到一起，避開了每項技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用的局限性，將三項技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢集中融入各項復(fù)雜問題處理中，他們之間相互補(bǔ)充、相互依賴、相互滲透、難以分割。在運(yùn)用地理信息系統(tǒng)平臺完成實際項目時，只有同時使用RS、GPS、GIS三種技術(shù)，才能完整、高效、準(zhǔn)確地解決問題。

（三）問題導(dǎo)向性

任何地理信息系統(tǒng)的任務(wù)都是為了解決在國土空間規(guī)劃、不動產(chǎn)登記、地質(zhì)災(zāi)害、礦產(chǎn)資源、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域的具體實踐項目問題的，都是針對具體實踐項目問題而使用的，即地理信息系統(tǒng)運(yùn)用的主要目的在于解決具體實踐項目問題，而這些問題是需要深入思考和潛心研究，利用“3S”技術(shù)的一系列平臺，來實現(xiàn)對各種空間和環(huán)境信息的快速、準(zhǔn)確、可靠的收集、處理與更新才能解決的。在地理信息系統(tǒng)的實踐教學(xué)中問題情境的設(shè)計，積極結(jié)合學(xué)生的校園生活環(huán)境，用身邊的具體實踐項目問題來指導(dǎo)，營造更適宜的教學(xué)情境，此情境可以形成問題思考與解答的內(nèi)生驅(qū)動力，有助于學(xué)生解決問題。

二、地理信息系統(tǒng)實踐教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的主要問題如下：

（一）課堂教學(xué)“重理論、輕實踐”

目前，非GIS專業(yè)的地理信息系統(tǒng)課程應(yīng)用的教材主要還是GIS專業(yè)的地理信息系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容。而在地理信息系統(tǒng)專業(yè)中更加強(qiáng)調(diào)的是計算機(jī)原理方面的知識結(jié)構(gòu)，因此大量的課時放置在GIS基礎(chǔ)理論方面。但這些計算機(jī)原理對于非GIS專業(yè)學(xué)生而言，因在教學(xué)培養(yǎng)計劃中缺乏數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機(jī)原理與技術(shù)等相關(guān)課程的鋪墊，又有著學(xué)科交叉、相關(guān)知識多等特點(diǎn)，使得普適化理論教育容易，實踐教育難，學(xué)生在理解和掌握這些GIS專業(yè)理論方面顯得晦澀難懂。

然而，傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)的教學(xué)方法與內(nèi)容集中在地理信息系統(tǒng)專業(yè)所涉及的領(lǐng)域，與計算機(jī)原理等理論知識結(jié)合得更為緊密，較缺乏面向土地資源管理專業(yè)相關(guān)的應(yīng)用性教學(xué)內(nèi)容，不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用“3S”技術(shù)解決土地資源管理方面實際問題的能力。同時，課堂教學(xué)中涉及地理信息系統(tǒng)的理論知識點(diǎn)，也較少考慮與土地資源管理的交叉和融合，學(xué)生在學(xué)習(xí)了該課程后，無法真正領(lǐng)悟GIS在解決土地資源管理相關(guān)科學(xué)問題的作用和地位。

（二）缺乏“3S”技術(shù)一體化教學(xué)實踐內(nèi)容

目前，土地資源管理專業(yè)“3S”系統(tǒng)所涉及的遙感、測量、地理信息系統(tǒng)課程的一個問題在于分割教學(xué)。這一點(diǎn)在理論課堂上問題不大。但如果在實踐課程中還是切割開來，則會讓學(xué)生無法很好地理解“3S”系統(tǒng)本身的一體化性，因而會造成在實踐應(yīng)用中的困惑。因為在涉及實際問題處理中，往往需要結(jié)合遙感、測量進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的獲取，而GIS則是數(shù)據(jù)處理的平臺。由于目前“3S”教學(xué)課程的分割性，各個課程在實踐教學(xué)中只涉及本課程的數(shù)據(jù)處理知識。例如，在GIS實踐課程教學(xué)中，往往是教師直接給定實驗所需的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)如何獲??？從何而來？學(xué)生無從得知。而實際上，這些數(shù)據(jù)都是通過遙感解譯或者測量采集的，如果能設(shè)計一套覆蓋“3S”技術(shù)全流程的教學(xué)實踐場景，則可以讓學(xué)生更深入地掌握“3S”技術(shù)。

（三）實踐教學(xué)采用演示性知識點(diǎn)片段練習(xí)為主，結(jié)合具體項目的問題導(dǎo)向性不足

目前，地理信息系統(tǒng)的實踐教學(xué)還是以知識點(diǎn)導(dǎo)向為主，實驗講授中主要以學(xué)習(xí)每個知識點(diǎn)的操作方法為目的，教學(xué)方法則以“課堂演示+學(xué)生模仿練習(xí)”為主。例如，在核心課程的空間分析中，對每個空間分析工具的方法，教師給定實驗數(shù)據(jù)，在幻燈機(jī)中演示一遍，學(xué)生跟著操作一遍。教學(xué)目的在于讓學(xué)生通過模仿，并在教師的講解下掌握每個知識點(diǎn)，及軟件運(yùn)用方法。但這種教學(xué)方法的問題是，學(xué)生雖然按照課本內(nèi)容掌握了各個知識點(diǎn)，但遇到實際問題時仍然難以靈活應(yīng)用所學(xué)的知識點(diǎn)。這種按部就班式的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生難以提出新的問題和解決方案，導(dǎo)致學(xué)生只會按照課堂和書本上的“指示”重復(fù)實驗而不會創(chuàng)造性地解決問題，難以應(yīng)對具體實際項目中的各種困難。這是因為實踐中的問題是需要多個知識點(diǎn)協(xié)同完成的，本身是先有問題，再針對問題，分解出解決問題所需的知識點(diǎn)，與上述傳統(tǒng)教學(xué)方法的思路是相反的。因此，亟須轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫嶋H問題為導(dǎo)向的教學(xué)方式。

三、基于“3S”技術(shù)一體化地理信息系統(tǒng)實踐教學(xué)設(shè)計具體思路

（一）適當(dāng)增加實踐課程，加強(qiáng)綜合實驗設(shè)計

由“重理論、輕實踐”的教學(xué)方式轉(zhuǎn)化為以理論結(jié)合實踐，以實踐為主的教學(xué)方式。目前課時設(shè)置以理論課為主的思路實際上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足本課程的現(xiàn)實需求。由于土地資源管理專業(yè)的特點(diǎn)，是通過實踐來理解理論知識的，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。因此，首先要合理增加地理信息系統(tǒng)實踐部分的課時，讓學(xué)生把更多的時間放在學(xué)習(xí)如何運(yùn)用地理信息系統(tǒng)解決實際問題上，同時還可以增加對實踐的考核，比如布置小組實踐作業(yè)、適當(dāng)提高期末考試中實踐部分所占的分值比例等，從而引起學(xué)生對實踐課程的重視，提高學(xué)習(xí)的主動性與創(chuàng)新性。

同時，目前傳統(tǒng)的地理信息教學(xué)內(nèi)容是針對地理信息系統(tǒng)專業(yè)的，因此從教學(xué)內(nèi)容上看，過多強(qiáng)調(diào)了計算機(jī)原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容的闡述，而實際上非地信專業(yè)主要需求是應(yīng)用教學(xué)，這也就要求教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容是放在結(jié)合本專業(yè)的特點(diǎn)而進(jìn)行的應(yīng)用上面，而非過深地講授地理信息系統(tǒng)的原理。因此，本研究將研究針對土地資源管理專業(yè)的空間規(guī)劃、地籍建模等實踐應(yīng)用而設(shè)計相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容。

（二）以GIS平臺為主體，研究串聯(lián)RS、GPS的“3S”技術(shù)一體化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計改革

目前的地理信息系統(tǒng)教學(xué)中仍是傳統(tǒng)的就GIS教授GIS的課程教學(xué)內(nèi)容，即地理信息系統(tǒng)課程只教授GIS相關(guān)的知識，而對相關(guān)的遙感知識RS和測量知識GPS結(jié)合得并不緊密。這兩大知識雖然都有相應(yīng)的課程進(jìn)行具體傳授，但同樣存在相應(yīng)問題。所以教學(xué)中總是會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象：學(xué)生對于具體空間分析工具了解其基本功能，也可以簡單操作，但給出一個實際問題，學(xué)生往往不知道如何綜合應(yīng)用這些分析工具去解決。這是由于目前的教學(xué)內(nèi)容與對知識內(nèi)容的切割，學(xué)生知道去如何去處理每類知識體系下特定的問題，一旦面對實際中需要結(jié)合三者綜合知識處理的問題就束手無策了。

“3S”技術(shù)作為一門實踐性很強(qiáng)的課程，教師在課堂中應(yīng)當(dāng)重視理論引導(dǎo)和實踐訓(xùn)練的分配比重，在設(shè)置實踐課內(nèi)容過程中要盡量設(shè)計融合GPS、GIS和RS這三個方面知識的綜合性較強(qiáng)的實踐項目。比如，筆者在教學(xué)實踐過程的摸索中，探索出一套基于校園場景的GIS實踐課程內(nèi)容設(shè)計，即結(jié)合遙感解譯（RS）到碎步點(diǎn)測量（GPS），最后將校園進(jìn)行3D建模，并進(jìn)行優(yōu)化路徑（GIS）的串聯(lián)“3S”整體技術(shù)的一體化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計改革，在實際中有較好的教學(xué)效果。

（三）實踐教學(xué)方法轉(zhuǎn)變?yōu)閱栴}導(dǎo)向性

目前，傳統(tǒng)實踐課的教學(xué)方法以知識導(dǎo)向性為主。這種教學(xué)方法以學(xué)生掌握知識點(diǎn)為目的，學(xué)生在學(xué)習(xí)中充分掌握了GIS中每個工具的操作功能，但一旦面對具體的實際問題，學(xué)生仍然缺乏解決的能力。這是因為具體的問題需要多個知識點(diǎn)的組合，這里面還涉及對具體問題解決方案的分析和設(shè)計能力。因此，在未來教學(xué)中，要向問題導(dǎo)向性的方式轉(zhuǎn)變，即給出具體的待解決的實際問題，讓學(xué)生自行設(shè)計實驗內(nèi)容和步驟的方式。這種鼓勵學(xué)生自主設(shè)計完整的實驗項目和方案，弱化教師對實驗的干預(yù)的教學(xué)方法，可以強(qiáng)化對學(xué)生獨(dú)立思考和團(tuán)隊合作能力的培養(yǎng)。

在進(jìn)行實踐項目設(shè)計時，可以把學(xué)?；蛑苓吺煜さ沫h(huán)境的項目作為首選，為學(xué)生模擬一個真實的操作環(huán)境。例如，筆者設(shè)計的校園“3S”一體化教學(xué)案例中，要求從測量到遙感解譯，再到校園各種場景的規(guī)劃，需要學(xué)生自主提出解決方案，教師再在過程中給予指導(dǎo)。在這個過程中，通過與老師以及小組成員間的交流，使學(xué)生能夠清楚在面對實際的項目中遇到的各種困難以及解決困難的方法，提高他們的專業(yè)技能。老師通過和學(xué)生們的溝通以及對整個實踐項目過程的全局性分析和掌握，在了解同學(xué)們在專業(yè)知識和實踐操作方面的各種不足后，能夠更好地做到“對癥下藥”。

結(jié)語

土地資源管理專業(yè)地理信息系統(tǒng)課程作為一門多個學(xué)科交叉、應(yīng)用范圍廣泛的學(xué)科，具有理論與實踐并重、應(yīng)用性強(qiáng)、知識點(diǎn)多且雜、技術(shù)更新快等特點(diǎn)。在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)結(jié)合地理信息系統(tǒng)的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生實踐操作能力，并將“3S”技術(shù)與土地資源專業(yè)的特點(diǎn)聯(lián)系起來，設(shè)計符合土地資源管理的特色的教學(xué)內(nèi)容，選取真實的實踐項目環(huán)境，不斷提高學(xué)生解決實際項目問題的能力，從而推動教學(xué)改革，提高課堂質(zhì)量。本文總結(jié)了目前中南民族大學(xué)土地資源管理專業(yè)地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)中的問題，提出了相關(guān)的解決方法，希望將有助于地理信息系統(tǒng)教學(xué)工作的發(fā)展和提高實驗教學(xué)的效果。

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項目基金：項目編號：JYX19047，項目名稱：《地理信息系統(tǒng)》“3S”技術(shù)一體化實踐教學(xué)設(shè)計研究

作者簡介：陳彧（1985— ），男，漢族，湖北荊州人，博士，講師，研究方向：土地利用變化及其生態(tài)效應(yīng)；張文慧（1996— ），女，漢族，湖北武漢人，碩士，研究方向：土地利用變化及其生態(tài)效應(yīng)。