交通類專業(yè)GIS課程實驗教學(xué)研究

吳立,陳曉麟

(1.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院,長沙 410004;2.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,杭州 311112)

0 引 言

當前各國都把課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和畢業(yè)實踐視為高等學(xué)校教育中的三個重要環(huán)節(jié),缺一不可。對于工科專業(yè)學(xué)生來說,加強實驗教學(xué)、提高學(xué)生動手能力更有其重要性和必要性。目前,交通建設(shè)正以信息化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ),向智能型交通迅速發(fā)展。地理信息系統(tǒng) (GIS)作為智能交通的核心技術(shù)手段之一,在近30多年內(nèi)取得了驚人的發(fā)展,并廣泛應(yīng)用于工程測量、交通規(guī)劃、交通管理、交通安全、交通信息服務(wù)等交通領(lǐng)域[1]。因為地理信息系統(tǒng)是一門介于信息科學(xué)、空間科學(xué)、管理科學(xué)之間的新興交叉學(xué)科,是傳統(tǒng)科學(xué)與現(xiàn)代計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,因此,將GIS應(yīng)用于交通類學(xué)科領(lǐng)域,對學(xué)生在實際工作中的操作能力、應(yīng)用能力提出了較高的要求,怎樣結(jié)合交通類專業(yè)特點,依托教學(xué)過程中豐富的實驗教學(xué)素材,開展GIS實驗教學(xué)工作,是值得深入探討和研究的。

1 課程實驗教學(xué)特點

GIS的基本思想是將地表信息按其特性進行分類,然后進行分層管理和分析,其實質(zhì)是一種空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[2]。它除了具有一般數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能之外,還可進行空間查詢和空間分析。地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于交通領(lǐng)域,稱為交通地理信息系統(tǒng)(GIS-T)。GIS-T這門新課程納入交通類專業(yè),開展實驗教學(xué),要注意以下三點:

(1)GIS-T是交通地理信息概念的計算機實現(xiàn),即以數(shù)字形式表達交通地理概念,這需要很好的理解信息技術(shù)、計算機技術(shù)對該課程和交通專業(yè)領(lǐng)域的支撐作用。

(2)GIS-T是工具型軟件環(huán)境,需要與相關(guān)的工具軟件的學(xué)習(xí)應(yīng)用結(jié)合。

(3)GIS-T課程教學(xué)應(yīng)注重與專業(yè)學(xué)科的集成化工作,較好地體現(xiàn)集成化應(yīng)用在實驗教學(xué)中的重要地位。

2 實驗教學(xué)的目的與要求

GIS-T課程的課堂教學(xué)過程側(cè)重于GIS理論知識體系的構(gòu)建,其重點教學(xué)內(nèi)容是以空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)采集與處理理論知識為基礎(chǔ),進行相關(guān)GIS軟件的空間數(shù)據(jù)分析的原理及常規(guī)方法的學(xué)習(xí)。如果僅僅依靠課堂理論教學(xué),難以使學(xué)生形成對GIS-T的感性認識,難以培養(yǎng)起學(xué)生初步的工程實體概念及較好的實踐操作應(yīng)用能力?；诖?課程實驗的開設(shè)很具有必要性。

GIS-T課程實驗教學(xué)需立足于交通類工程特點,在一系列理論教學(xué)的基礎(chǔ)上,有針對性地模擬、創(chuàng)造工程實踐環(huán)境,目的是使學(xué)生在充分了解交通工程實踐的基礎(chǔ)上,培養(yǎng)學(xué)生的具體操作能力,提高綜合素質(zhì)。通過實驗,要求學(xué)生掌握空間數(shù)據(jù)的采集、處理與分析等的基本方法與手段,提高學(xué)生在工程研究中進行觀察、認識、思考、分析的綜合能力和解決實際工程問題的能力,激發(fā)學(xué)生開展獨立思考的積極性,加深對GIS-T理論的理解與認識,使其能夠在一定的指導(dǎo)下獨立開展簡單的交通地理信息系統(tǒng)工程分析,具備較強的工程研究能力。

通過GIS-T課程實驗教學(xué),為學(xué)生今后的專業(yè)課程 (如交通規(guī)劃、智能交通系統(tǒng)等)學(xué)習(xí)提供有利的基礎(chǔ)支撐,積極推進建立知識、能力、素質(zhì)三者協(xié)調(diào)發(fā)展的人才培養(yǎng)模式。

3 課程實驗教學(xué)指導(dǎo)思想

GIS-T課程實驗教學(xué)不應(yīng)僅僅滿足本身專業(yè)基礎(chǔ)課程的要求,而應(yīng)滿足對學(xué)生應(yīng)用該課程知識解決交通實際問題能力的培養(yǎng)要求。因此,地理信息系統(tǒng)課程實驗教學(xué)應(yīng)遵循以下的指導(dǎo)思想。

3.1 平衡交通專業(yè)知識、地理信息系統(tǒng)學(xué)科知識與計算機技術(shù)之間的關(guān)系

地理信息系統(tǒng)的基本組成是硬件、軟件、數(shù)據(jù)和人員,計算機軟硬件技術(shù)進步推動著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展,對地理信息系統(tǒng)具有深遠的影響,例如數(shù)據(jù)庫理論、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對空間分析和空間訪問的影響。但我們認為不是 “地理信息系統(tǒng)就是計算機”或 “地理信息系統(tǒng)就是編程開發(fā)”,而是 “地理信息系統(tǒng)基本離不開計算機”或 “地理信息系統(tǒng)離不開編程開發(fā)”。毋庸置疑,無論是地理信息系統(tǒng)通用功能模塊的開發(fā),還是地理信息系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)和應(yīng)用功能模塊的開發(fā),都是建立在較強的計算機背景之下的。隨著計算機技術(shù)在各個領(lǐng)域的滲入發(fā)展,目前對理工科大學(xué)生的計算機水平都有了更高的要求,學(xué)生本身對計算機知識的掌握也更為重視,但同時還應(yīng)具備較強的專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域知識,才能正確運用好計算機這一工具。因此,只有在專業(yè)知識、地理信息系統(tǒng)學(xué)科知識、計算機技術(shù)之間尋求一個良好的平衡,才能讓基于計算機技術(shù)的地理信息系統(tǒng)為交通類專業(yè)服務(wù)。

3.2 面向交通工程實際,緊密結(jié)合學(xué)科前沿領(lǐng)域

地理信息系統(tǒng)的發(fā)展起始于20世紀60年代,20世紀80年代才走向成熟并迅速在各國推廣應(yīng)用,因此地理信息系統(tǒng)是一門較新的技術(shù)課程,且隨著信息技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等平臺技術(shù)的迅速發(fā)展,地理信息系統(tǒng)的發(fā)展也是與日俱增,且越來越廣泛地應(yīng)用于工程領(lǐng)域。GIS-T實驗教學(xué)旨在為學(xué)生將來在具體交通工程中解決實際問題打下基礎(chǔ)。為了使學(xué)生畢業(yè)后能夠很快適應(yīng)實際工程,在設(shè)計GIS-T實驗教學(xué)的內(nèi)容與方式時要采用循序漸進,逐步提高的方式,并且,要改變常規(guī)實驗教學(xué)的單一模式,可以采用課堂操作練習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)、科技立項、畢業(yè)設(shè)計等多種實驗教學(xué)形式相結(jié)合的方式,發(fā)揮不同教學(xué)形式的優(yōu)勢,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,實驗內(nèi)容由淺到深、難度由低到高,理論結(jié)合實踐。同時,在內(nèi)容設(shè)計中,積極增加代表本學(xué)科前沿領(lǐng)域或從科研成果轉(zhuǎn)化而來的實驗內(nèi)容,使學(xué)生能夠及時了解本學(xué)科的最新動態(tài)和發(fā)展方向。

3.3 注重操作應(yīng)用、培養(yǎng)創(chuàng)新能力及綜合素質(zhì)

在GIS-T的實驗教學(xué)中,所關(guān)注的核心問題是學(xué)生對知識的運用能力、對空間數(shù)據(jù)分析過程的操作能力。突出鍛煉的是信息采集能力、數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)分析能力、解決交通實際問題能力以及成果表現(xiàn)能力。GIS-T實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生對GIS-T的興趣,鞏固理論知識,激發(fā)潛在創(chuàng)造力的重要手段。如果學(xué)生能由 “被動式”的實驗變成 “主動探索式”實驗[3],在完成必做的課程實驗任務(wù)后,能根據(jù)自己的專業(yè)特長及興趣所在,積極開展科技立項、畢業(yè)設(shè)計等過程中相關(guān)的其它實驗,這不僅達到了實驗教學(xué)中注重操作應(yīng)用的目的,更重要的是培養(yǎng)了大學(xué)生的創(chuàng)造意識,提高了綜合素質(zhì)。

4 實驗教學(xué)內(nèi)容

經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐,本校GIS-T的實驗教學(xué)主要通過對較為流行和通用的GIS工具軟件 (如ArcGIS,MapInfo等)的學(xué)習(xí),實現(xiàn)GIS與專業(yè)知識結(jié)合的初步應(yīng)用,達到了較好的教學(xué)效果。GIS工具軟件主要用于對空間和屬性數(shù)據(jù)的輸入、存儲、編輯,以及制圖和空間分析等,為了能循序漸進的對GIS工具軟件進行認識和操作,并實現(xiàn)與專業(yè)課程的有機結(jié)合,實驗教學(xué)分為以下四個階段 (圖1)。

圖1 GIS課程實驗教學(xué)階段圖

(1)GIS軟件的基本操作階段,主要針對具體的GIS工具軟件,比如ArcGIS、MapInfo等,進行軟件的基本操作練習(xí),包括新建GIS數(shù)據(jù)文件、實現(xiàn)指定格式GIS數(shù)據(jù)文件的讀取和顯示,放大/縮小、偏移、漫游等軟件菜單的熟悉等,目的在于對工具軟件的認知和熟悉。

(2)空間數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理階段,主要包括數(shù)據(jù)編輯、制圖與顯示及數(shù)據(jù)查詢。編輯功能使用戶可以添加和刪除點、線、面或改變它們的屬性;制圖和顯示功能可以顯示地理要素、技術(shù)數(shù)據(jù),并可分層輸出專題地圖,如交通規(guī)劃圖、路網(wǎng)圖等。查詢功能可以完成某一個圖層基于屬性關(guān)系、位置關(guān)系等的查詢,獲得具有特征要素的結(jié)果,如查詢主干道通過的重要城鎮(zhèn)、機動車超過一定數(shù)量的行政區(qū)域等等。該階段目的是對GIS軟件基本功能的掌握,并注重交通地理數(shù)據(jù)及信息的應(yīng)用。

(3)空間數(shù)據(jù)分析階段,包括疊加分析、緩沖區(qū)分析、特征選擇分析,在此基礎(chǔ)上,可進行提高性實驗,包括最優(yōu)選址、最短路徑分析及其它功能(例如三維分析、網(wǎng)絡(luò)分析)等?？臻g數(shù)據(jù)分析的首要目標是要結(jié)合交通類專業(yè),要進行相關(guān)的應(yīng)用。

該階段是實驗教學(xué)的核心,也是依托工程實際,實現(xiàn)對GIS軟件核心功能的應(yīng)用,要注重實驗內(nèi)容的設(shè)計,根據(jù)實驗教學(xué)時數(shù)安排,可由淺到深、難度由低到高,積極增加代表本學(xué)科前沿領(lǐng)域或從科研成果轉(zhuǎn)化而來的實驗內(nèi)容,使學(xué)生能夠更好地掌握本學(xué)科的最新動態(tài)和發(fā)展方向。例如以交通工程專業(yè)為例,初步階段可以進行新建道路影響區(qū)域分析;然后,可以通過最優(yōu)選址進行規(guī)劃道路、道路網(wǎng)的選定;最后通過最優(yōu)路徑分析,進行交通分配、交通誘導(dǎo)等功能的初步實現(xiàn)等。

(4)GIS二次開發(fā)與應(yīng)用階段,主要是對GIS開發(fā)工具的了解,針對計算機程度較高的學(xué)生,基于通用軟件開發(fā)工具,尤其是可視化開發(fā)工具,如Delphi、Visual C++、Visual Basic、Power Builder等為開發(fā)平臺,進行二次開發(fā)的思考與相關(guān)設(shè)計。該階段因為要結(jié)合較強的專業(yè)知識,可以作為高年級學(xué)生的課外科技項目來展開,目的是激發(fā)學(xué)生對GIS在交通領(lǐng)域的集成化的高級應(yīng)用的思考,培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力、創(chuàng)新能力。

5 結(jié) 語

地理信息系統(tǒng)作為一個新興學(xué)科,充滿活力,正不斷發(fā)展并成熟起來。地理信息系統(tǒng)技術(shù)與管理在交通領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)模和速度一日千里,我們必須深入認識和認真對待地理信息系統(tǒng)與交通類專業(yè)的密切關(guān)系,重視GIS-T實驗教學(xué)在課程教學(xué)中的重要地位。通過研究GIS-T實驗教學(xué)特點,制定符合交通類專業(yè)實際的實驗教學(xué)指導(dǎo)思想,并且隨著地理信息系統(tǒng)新技術(shù)的迅速發(fā)展,對實驗教學(xué)內(nèi)容不斷進行改革,去陳融新,使得實驗教學(xué)能有效地輔助課程的學(xué)習(xí),使交通類專業(yè)學(xué)生能更好地適應(yīng)現(xiàn)代高度信息化、智能化交通的發(fā)展趨勢。

[1]劉學(xué)軍,徐鵬.交通地理信息系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[2]鄔倫.地理信息系統(tǒng)原理、方法和應(yīng)用[M].北京:北京大學(xué)出版社,2000.

[3]陳舒懷,張湘?zhèn)?鮑鴻.工科院校課程化實驗教學(xué)體系的構(gòu)建探析[J].實驗技術(shù)與管理,2007,24(8):18-21.