基于地學專題應用的ＧＩＳ軟件教學模式研究

文章編號：1672-5913(2008)20-0056-04

摘 要：本文根據(jù)地理信息系統(tǒng)GIS課程軟件教學的特點和培養(yǎng)創(chuàng)新型GIS軟件技術(shù)人才的需要，提出了基于地學專題應用的課程軟件教學模式，對GIS課程的軟件教學內(nèi)容、教學組織進行了分析設(shè)計與實踐應用研究，并給出GIS軟件地學專題應用教學案例。

關(guān)鍵詞：GIS；軟件教學；地學專題；教學模式

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

1 引言

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡稱GIS)是本世紀60年代發(fā)展起來的一門融計算機技術(shù)、測繪學、遙感、應用數(shù)學、信息科學、地球科學于一身的綜合和集成的信息技術(shù)[1]，是對地理空間信息數(shù)據(jù)進行采集、輸入、管理、編輯、查詢、分析、模擬和顯示，為地學研究和決策服務(wù)而建立起來的計算機技術(shù)系統(tǒng)。它以高效的數(shù)據(jù)管理能力、空間分析、多要素綜合分析和動態(tài)監(jiān)測能力，廣泛應用于城市土地管理、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、防災減災、工程建設(shè)、房地產(chǎn)開發(fā)、商業(yè)等各個領(lǐng)域。自1998年7月教育部批準新設(shè)GIS本科專業(yè)后，國內(nèi)具有一定教學和研究基礎(chǔ)的各高校都紛紛響應，積極創(chuàng)辦GIS專業(yè)。GIS作為該專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，教學內(nèi)容緊湊，理論知識集成度高，實踐操作性強，集中體現(xiàn)在空間數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫建立、軟件系統(tǒng)操作、系統(tǒng)建立和維護、面向特定領(lǐng)域的分析應用和GIS軟件開發(fā)技術(shù)等軟件教學方面，單靠課堂教學和自主學習，學生在有限的課時內(nèi)很難掌握，不可能實現(xiàn)既定教學目標。軟件教學是該課程極其重要的教學環(huán)節(jié)，通過軟件教學不僅要加深理解和應用GIS課程的基本概念理論知識，而且要鍛煉學生的動手能力和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學生應用GIS技術(shù)解決專業(yè)實際問題的技能，達到高校創(chuàng)新型專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)目標要求[2-4]。

國外一些高校在課程教學中已經(jīng)率先開始使用專題應用的課程教學方法，并已取得了一些進展[5]。在該教學方法中，突出學生“在專題應用情境中思考，在實踐中學習”的教學環(huán)境和學習過程，強調(diào)培養(yǎng)學生的專業(yè)應用技能和創(chuàng)造力培養(yǎng)。目前國內(nèi)高校中也開始嘗試這種新型教學模式，在課程教學中引入面向?qū)ｎ}應用的教學實踐環(huán)節(jié)[6]。本文以基于地學專題應用的GIS課程軟件教學模式構(gòu)建為背景，將GIS課程軟件實驗實踐教學與GIS

專業(yè)軟件強大的地學空間分析功能模塊聯(lián)系起來，把課程軟件教學實驗實踐環(huán)節(jié)以“地學專題應用”的形式引入課堂教學之中，取得了良好的教學效果，是非計算機類專業(yè)軟件教學模式和創(chuàng)新型專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的有益嘗試與探索。

2 基于地學專題應用的GIS軟件教學模式組織

傳統(tǒng)的課程軟件教學的重心和注意力主要集中在所授課程的基礎(chǔ)知識、基本理論和方法的理解和掌握上，在制訂一套相同的教學計劃下，學生按部就班地遵循固定的專業(yè)課程設(shè)置計劃和教學大綱學習，這種統(tǒng)一化和標準化的理想狀態(tài)與學生實際具體學習專業(yè)軟件的狀況不符。基于地學專題應用的課程軟件教學模式則是建立在同課程的實際專業(yè)軟件應用緊密結(jié)合，要求專業(yè)軟件操作技能較高的前提上，學生對來自工程中的實際應用問題進行深入分析，學習運用專業(yè)技能知識解決實際專業(yè)問題的方法與技巧。教學原則是培養(yǎng)學生“在專業(yè)軟件實踐應用中學習”，給學生創(chuàng)造更多的專業(yè)軟件技能實踐學習鍛煉機會?；诘貙W專題應用的GIS課程軟件教學思路和組織實施教學的基本環(huán)節(jié)如下所述。

2.1 建立地學專題設(shè)計小組

首要教學環(huán)節(jié)是建立GIS軟件地學專題應用學習小組，作為課程軟件實驗實踐教學的基本組織和實施單位。在軟件教學開始時，每5～7名學生組成一個學習小組，軟件教學完成后，各小組集體完成一個GIS地學專題應用軟件項目設(shè)計，并提交代碼與軟件報告。

2.2 教師地學專題方向指導

軟件教學的地學專題講授部分可以采用教師地學專題應用科研項目講座、學生課堂專題討論、GIS地學專題應用小項目模擬招標等多種形式，強調(diào)指導教師與學生的直接交流和深入輔導?？梢耘渲?名主講，3名助教來實施地學專題軟件應用教學，每位教師可以根據(jù)自己的專業(yè)方向特長及同學的專題興趣方向，指導不同的學習小組，完成地學專題應用項目的設(shè)計。

2.3 學生多種方式自主學習

按照課程教學中學生學習的基本規(guī)律，開課前，學習小組在教師的指導下進行項目立項問題分析；課程中，學生通過課堂聽講、作業(yè)、資料查閱、文獻閱讀等方式掌握所需的基本理論和相關(guān)地學專題知識，并通過上機實驗、相互討論、教師指導等形式完成地學專題應用任務(wù)，以期達到學生在實踐中學習的目的，培養(yǎng)同學獨立解決實際問題的能力。

2.4 數(shù)據(jù)資源及實驗室開放

保證實驗室資源和網(wǎng)絡(luò)資源向?qū)W生開放，GIS專業(yè)軟件運行暢通，盡可能地開放學生實驗數(shù)據(jù)庫和課程實習實驗數(shù)據(jù)資源。

2.5 教學效果評價

學生在課程結(jié)束時提交地學專題應用項目報告和進行項目設(shè)計答辯，對其取得的學習和研究的成果進行評估，鼓勵同學撰寫科技小論文，整理發(fā)表。對有進一步開展研究興趣的同學，組織他們完善其專題應用開發(fā)設(shè)計作品，參加全國的GIS高校學生作品大賽。

學習小組同學在專題應用設(shè)計時，必須做到和同學及指導教師共同討論、交流自己的思路想法及分享地學專題應用設(shè)計成果，達到學生在專題應用設(shè)計中最大限度地鍛煉和養(yǎng)成獨立分析和解決實際問題的能力，同時鍛煉學生的團隊精神和專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新意識，使他們認識到科研工作中的創(chuàng)新價值和團結(jié)協(xié)作的重要性。

3 GIS地學專題應用軟件教學案例

目前，GIS專業(yè)領(lǐng)域軟件種類豐富，各有特色。其中ARCGIS是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所開發(fā)的新一代GIS專業(yè)軟件，特別適用于地學專業(yè)方向GIS項目的應用開發(fā)，是目前最流行的地學專業(yè)應用研究與空間分析工程處理與分析計算工具[7-8]，在諸多領(lǐng)域表現(xiàn)其卓越的地理空間分析和應用功能，包括空間信息科學計算、地理信息工程模擬仿真、決策支持與專家系統(tǒng)等方面。根據(jù)ARCGIS應用面廣、專業(yè)性突出、軟件功能模塊強等特點，我們選擇它作為GIS實驗實踐教學的主要軟件。

以ARCGIS為主要教學軟件，基于地學專題應用的GIS軟件教學案例包含了ARCGIS軟件的空間數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換、地學專題制圖、矢量數(shù)據(jù)分析、柵格數(shù)據(jù)分析、DEM分析、空間分析、三維立體模擬等基本內(nèi)容模塊，針對ARCGIS軟件的強大的地學專題空間分析功能來實現(xiàn)GIS應用開發(fā)與設(shè)計，在軟件教學實踐中，結(jié)合教師的科研方向設(shè)計了以下軟件教學案例專題(如表1)。

表1 基于地學專題應用的GIS軟件教學案例專題

3.1 空間疊加分析專題應用

GIS中的疊加分析是將有關(guān)地理專題要素層進行疊加產(chǎn)生一個新的數(shù)據(jù)層的過程，包括柵格數(shù)據(jù)的信息復合分析與矢量數(shù)據(jù)的疊加分析，是GIS中常用的用來提取空間隱含信息的方法之一。軟件教學實踐的目的是理解掌握對疊加分析的基本原理和方法，熟練掌握ARCGIS中疊加分析的方法，掌握使用疊加分析方法處理地學問題。軟件教學內(nèi)容包括對矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的疊加分析兩部分。其中重點對矢量數(shù)據(jù)進行疊加分析，利用ARCGIS中ANALYSIS TOOLS模塊中，可以提供ERASE圖層擦除、IDENTITY識別疊加、INTERSECT交集操作、SYMMETRICAL DIFFERENCE對稱區(qū)別、UNION圖層合并、UPDATE修正更新等幾種功能。圖1為區(qū)域土地定級評價疊加分類結(jié)果，圖2為區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價疊加結(jié)果。

圖1 區(qū)域土地定級評價疊加分類結(jié)果

圖2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價疊加結(jié)果

3.2 緩沖區(qū)分析專題應用

緩沖區(qū)分析是研究點、線、面地理實體，在其周圍自動建立一定寬度范圍內(nèi)的緩沖多邊形，實現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)在水平方向得以擴展的信息分析方法。軟件教學的目的是理解掌握緩沖區(qū)分析的基本原理和方法，熟練掌握ARCGIS緩沖區(qū)分析的技術(shù)方法，并能夠利用緩沖區(qū)分析方法解決地學問題。教學內(nèi)容包括：點、線、面數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)原理驗證分析、緩沖區(qū)分析的實際地理應用。ARCGIS中的緩沖區(qū)分析是基于柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的，主要使用BUFFER WIZARD工具來設(shè)置DISTANCE。通過大氣點狀污染源的擴散和根據(jù)對污染源進行分等定級的地理實際應用例子來進行緩沖區(qū)分析是比較典型的設(shè)計案例。圖3為大氣點污染源緩沖區(qū)生成。

圖3 大氣點污染源緩沖區(qū)

3.3 網(wǎng)絡(luò)分析專題應用

網(wǎng)絡(luò)分析是基于地理矢量數(shù)據(jù)的，主要進行最佳路徑選擇、地址匹配、資源分配等。實踐教學目的是理解網(wǎng)絡(luò)分析的基本原理和方法，熟練掌握ARCGIS軟件的網(wǎng)絡(luò)分析方法并能夠解決地理實際問題。ARCGIS中的UTILITY NETWORK ANALYST模塊提供了網(wǎng)絡(luò)分析的功能。軟件教學內(nèi)容包括流向分析和追蹤分析，使用ARCGIS中尋找救護車最優(yōu)路線、尋找最鄰近的服務(wù)站、城市住房選擇分析等3個地理實際應用。圖4為出租車服務(wù)路線網(wǎng)絡(luò)分析。

圖4 出租車服務(wù)路線網(wǎng)絡(luò)分析

3.4 DEM分析專題應用

DEM是對地形地貌的一種離散的數(shù)字表示，是對地表進行描述的數(shù)學方法。DEM分析是地學領(lǐng)域十分有用的技術(shù)手段和方法。軟件教學的目的是理解掌握DEM建立過程的原理方法，在ARCGIS中進行DEM分析的各項技術(shù)，并能解決地理專題應用。教學案例的內(nèi)容有：INTERPOLATE TO RASTER命令建立采樣點數(shù)據(jù)表面，點、線數(shù)據(jù)生成TIN，TIN到GRID轉(zhuǎn)換；DEM地理分析：坡度(SLOPE操作)、坡向(ASPECT操作)、平面曲率(CURVATURE操作)等地表指標的提??；CONTOUR SURFACE提取等高線，HILLSHADE生成地表陰影、通視分析等。圖5為流域DEM提取河網(wǎng)分析。

圖5 流域DEM提取河網(wǎng)結(jié)果

3.5 地學制圖專題應用

本專題應用案例是對GIS軟件應用模塊使用的總結(jié)和綜合，通過對前幾個GIS軟件空間分析地學專題應用的熟悉和練習，學生自己親手制作一張地學專題地圖。軟件教學的目的是掌握專題地圖制圖的一般方法和步驟，加深掌握數(shù)字化、圖形編輯、色彩搭配等制圖要領(lǐng)。軟件教學內(nèi)容步驟包括實驗底圖專題要素選擇、數(shù)字化、編輯、專題要素圖例符號化、圖例編輯修訂、地圖整飾等。ARCGIS中的圖例編輯器用于地圖圖例要素的設(shè)置修改，LAYOUTS模塊中編輯地圖的版式、圖例位置等專題地圖要素。通過專題地圖制作，使學生熟練掌握利用GIS軟件進行地圖制作的能力。圖6為青島經(jīng)濟開發(fā)區(qū)土地定級效果專題地圖。

圖6 青島經(jīng)濟開發(fā)區(qū)土地定級效果專題圖

4 結(jié)束語

在GIS軟件教學中充分利用專業(yè)軟件功能強大的地學專題應用空間分析功能，基于地學專題應用設(shè)計的軟件教學模式與思路應用于GIS的軟件實驗與實踐教學，教學效果明顯，學生的創(chuàng)新型思維和動手能力得到顯著增強和提高。根據(jù)軟件教學模式實施情況，總結(jié)以下幾點教學心得與體會：

(1) 學生對基于地學專題應用的軟件教學這種新的教學模式持歡迎和積極的學習態(tài)度，一方面，同學在實際動手操作中理解和掌握了GIS的基本理論知識和軟件實際使用技能，激發(fā)了學習積極性和熱情；同時在實踐應用中，加深了對地學專業(yè)基本知識和概念的掌握。

(2) 培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新型思維，在軟件教學過程中，學生能夠通過查閱文獻資料或設(shè)計討論創(chuàng)新思路來優(yōu)化自己的地學應用專題設(shè)計，這些知識在常規(guī)課堂上難以得到。

(3) 通過軟件教學中加入專業(yè)科研的方式方法，鍛煉了學生規(guī)范地書寫研究報告的能力，為后續(xù)課程設(shè)計和畢業(yè)論文設(shè)計工作打下良好的基礎(chǔ)，在書寫報告的過程中，提高了項目報告文字表達能力，通過項目講解和測評答辯進一步加深了對地學專題實際應用及軟件基本知識的理解和操作。

(4) 培育和養(yǎng)成了學生的團結(jié)協(xié)作精神和團隊意識，學生在軟件教學交流的同時加深了對科研和項目應用創(chuàng)新知識的求知欲望。

(5) 通過基于地學專題應用的GIS軟件教學模式實踐應用，多名同學在中科院地理信息產(chǎn)業(yè)中心舉辦的SUPERMAP杯、ESRI公司組織的ARCGIS杯等全國高校地學專業(yè)學生參加的GIS軟件應用設(shè)計開發(fā)大賽中獲得多項一等獎、二等獎等多項獎項，極大地鼓舞了學生科技創(chuàng)新的熱情，紛紛踴躍參加學校組織的科技創(chuàng)新立項活動。

參考文獻

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Research of GIS Software Teaching Pattern Based on Geographical Thematic Application

Tian Yu ， Lu Xiu-shan， Jiang Yan， Guo Jia-shu

(Shandong University of Science and Technology Geomatics College Qingdao 266510)

Abstract: According to the characteristic of Geographic Information System course software teaching and the acquirement of initiative special students’ cultivation， the paper gives the GIS course software teaching pattern based on geographical thematic application， the GIS software teaching contents and teaching construction were analyzed and designed for implementing research. the teaching examples were given， by practical teaching application， the pattern is a good idea and benefit trial to be a reference material to non-computer special software teaching and the initiative special technology students cultivation.

Key words: GIS， Software Teaching， Geographical Thematic problems， Teaching Pattern