GIS類課程基于任務的分步驟教學模式研究

吳秀芹 畢華興

（北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083）

地理信息系統（GIS）為信息的展示與管理提供了一種新的方法，是在計算機硬件、軟件系統支持下研究現實世界（資源與環(huán)境），并對變遷的各類空間數據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統［1－3］。地理信息系統作為集計算機科學、地理學、測繪遙感學、環(huán)境科學、城市科學、空間科學、信息科學和管理科學為一體的新興邊緣學科，迅速地興起和發(fā)展起來，并廣泛地應用于地學、農業(yè)、林業(yè)和環(huán)保等領域。隨著人們對空間信息認識的逐步深入以及數字城市和數字行業(yè)的發(fā)展，GIS的應用范圍將越來越深入、越來越寬廣，從而成為國民經濟發(fā)展中不可或缺的技術工具［4］。

從當前的應用情況看，林業(yè)對地理信息系統及其相關人才的需要會越來越多，林業(yè)生產技術和人才需求的變化要求林業(yè)院校必須順應這一實際情況，及時調整GIS教育的課程體系［5］。因此，北京林業(yè)大學水土保持學院自然地理學科自2004年起為研究生開設了“地理信息系統原理與應用”學位課，主要的教學對象是剛入學的、有一定地學和GIS基礎的、在未來的研究或論文寫作過程中將以GIS為工具的研究生。經過6年的教學實踐與探索，以及通過對其他同類院校相關課程的了解，筆者認為當前GIS類課程普遍存在重理論輕實踐、學生很難將理論與實際結合起來等問題［6－7］。為此，筆者提出 GIS類課程教學應嘗試實施基于任務的分步驟教學模式，以期為開展更優(yōu)良的GIS教育提供借鑒。

一、GIS類課程教學存在的問題

北京林業(yè)大學水土保持學院自然地理學科地圖學與地理信息系統專業(yè)為研究生開設了“GIS原理與應用”學位課程，開課伊始即由筆者主講。6年來，該課程深受學生喜愛，選課人數曾多達90人，并一直居高不下。通過幾年來的授課經歷，筆者發(fā)現，無論是本科教學還是研究生教學，GIS類課程教學都存在以下問題。

（一）課堂講授的效果不佳

GIS的操作對象是空間數據，空間數據又分為矢量數據的點、線、面以及柵格數據。通常，為研究生開設的GIS類課程，主要講授有關利用GIS強大的空間分析功能應用空間數據進行空間分析的內容。GIS操作對象的抽象性使整個課程講授過程也非常抽象。因此，對GIS基礎較弱的學生而言，常常是老師在課堂上講得不亦樂乎、學生在底下聽得不知所云。這就需要在GIS類課程教學過程中多借助現代教育手段，如多媒體教學手段等，把一些抽象的、難以理解的知識直觀化和形象化并與現實的地物和實際應用結合起來。

（二）教學實踐環(huán)節(jié)缺乏針對性

GIS作為計算機應用技術，其應用的展開包括項目的分析、組織和實施等。其中，主要涉及的GIS基本功能，如空間校正、數據采集、數據編輯、數據管理、空間分析、空間數據展示等，都需要通過大量的上機實際操作才能掌握。但是，當前GIS類課程設置的上機實踐學時相對較少；再者，上機實踐的內容及其順序多依據理論課程的教材，與研究生當前的應用訓練和未來的科研實踐脫節(jié)。

（三）教學內容的設置難以適應多專業(yè)生源的需要

GIS作為一門新興的交叉學科，其課程體系不僅涉及地理學、測繪學、統計學等基礎性學科，而且依托于計算機軟硬件技術和遙感技術。而且，林業(yè)院校的研究生生源在本科階段所打下的相關基礎各異。因此，研究生階段開設的GIS類課程的教學內容既要考慮進一步充實GIS廣泛的基礎知識，又要考慮滿足基礎較好的學生對GIS高級應用的需要。如果課程內容安排不好，就會導致GIS基礎不好的學生聽不懂、GIS基礎好的學生覺得教學內容過于淺顯的局面。這就使教師在有限的教學課時內合理安排所有教學內容的難度加大。

（四）教學體系難以適應GIS的發(fā)展更新

隨著計算機技術、網絡技術和數據庫技術的發(fā)展及其應用的不斷深化，GIS技術的發(fā)展也不斷呈現出新的特點和趨勢。例如，在GIS軟件產品方面，Esri公司的ArcGIS系列產品每2年就召開1次用戶大會，每次產品都會有一些更新和發(fā)展，要么推出新的模塊，要么對已有模塊進行改進。因此，如果GIS課程教學體系一成不變的話，則難以適應當前GIS不斷發(fā)展的趨勢，也不能滿足學生應用相關技術和未來就業(yè)的需求。

二、GIS類課程改革的建設目標

要解決GIS類課程教學存在的問題，筆者認為，首先要明確GIS類課程改革的建設目標：①通過課堂講授并結合課堂演示和上機實踐，使學生真正理解并掌握GIS的理論體系以及了解GIS的發(fā)展前沿和趨勢。②不僅要求學生掌握一種GIS軟件的核心功能，并具備進一步運用該軟件的能力；還要求學生通過該軟件的學習能夠觸類旁通，具備學習使用其他同類軟件的能力。③要求學生能夠運用ArcGIS技術解決專業(yè)領域內的實際問題，并在水土保持與荒漠化防治、城市規(guī)劃、區(qū)域經濟、資源環(huán)境、交通、人口和物流管理等領域能夠勝任與GIS有關的軟件工程、GIS應用和管理等工作。④要求學生經過課程學習基本可以獨立使用GIS類軟件，并能夠運用到專業(yè)分析中。

三、GIS類課程改革的創(chuàng)新實踐

目前，GIS已成為水保學院、林學院和園林學院相關各專業(yè)學生開展科研工作和撰寫論文所必備的一種技術手段。為了進一步提高GIS類課程教學的效果，筆者根據多年來的教學和實踐經驗，并借鑒前人的研究成果，嘗試在課程教學中實施基于任務的分步驟教學模式。

（一）課程內容的調整

基于任務的分步驟教學模式的特點是：在介紹GIS基本理論的同時，更加注重其在實踐中的應用；課程的講授順序按照實際應用的步驟來安排；上機實習緊緊圍繞著一個典型的項目案例，教師以理論與實踐相結合的方式詳細講解GIS的各項功能，寓理論學習于實踐過程中。根據基于任務的分步驟教學模式的特點，以及GIS類課程選課學生專業(yè)背景多樣化、GIS基礎和相關地學基礎參差不齊、上機實踐能力較弱、GIS應用需求較強等情況，筆者認為，在對課程內容進行調整時應充分考慮為沒有任何GIS基礎的學生補習GIS基本原理等知識，還應考慮滿足已有GIS基礎的學生對更高層次GIS應用的需要；并且適當安排與授課內容相對應的計算機實驗課，確定課程講授與上機實驗的課時比為1∶1。

以北京林業(yè)大學水土保持學院自然地理學科為研究生開設的“地理信息系統原理與應用”學位課為例，調整后的課程教學內容主要包括“基礎篇”“實習篇”和“應用篇”3部分。①“基礎篇”主要針對GIS和地學基礎較弱的學生，具體內容包括GIS經典概念和理論的介紹、GIS軟件產品的介紹和評述；相關地學背景知識的補充介紹。其中，GIS經典概念和理論介紹部分相對以往的傳統教學更為注重深層次的剖析，并通過更多的實例介紹培養(yǎng)學生的理論應用能力；地學基礎知識的補充介紹只講授與GIS課程相關的地圖投影等內容，也是結合應用加以講解。②“實習篇”的具體內容主要包括上機操作以及與其相對應的理論部分（如數據獲取、空間分析和制圖輸出等）的講授。③“應用篇”的具體內容主要包括GIS在某一領域的應用案例教學和專題講座。調整后的課程內容更強調教學內容的應用性、先進性和動態(tài)性，力求做到教學內容與行業(yè)技術在使用上的同步更新。

在課程教學過程中，筆者還對一些相對簡單的內容（如容易理解的概念和GIS的基本功能等）進行總結，然后印成學習資料分發(fā)給學生，使沒有GIS基礎的學生通過自學就能夠掌握這部分基礎知識。這樣，在課堂上只要講授一些較經典又很難理解的章節(jié)（如GIS數據結構和GIS空間分析功能等）就可以了。

自開課以來，“地理信息系統原理與應用”學位課還2次邀請北京大學相關領域的專家擔任主講；同時，在外校專家講座之外，由北京林業(yè)大學的任課教師或校內相關教師承擔1次GIS應用于地學或水土保持與荒漠化防治方面的講座。此外，課程還聘請交通行業(yè)GIS應用、地學GIS應用、林業(yè)GIS應用等領域的知名專家為學生做專題報告；并通過增加專題報告后的討論時間，為學生與專家之間的充分交流創(chuàng)造條件，從而使學生充分了解當前GIS應用的前沿領域。

（二）目標導向型分步驟教學的實施

以北京林業(yè)大學水土保持學院為研究生開設的“地理信息系統原理與應用”學位課為例，筆者在實施目標導向型分步驟教學時，首先選取與水土保持和地學相關的GIS應用案例，并準備與案例相對應的實驗數據；然后重新安排教學順序，按照“數據獲取（任務開始）—數據空間分析—制圖輸出（任務結束）”實際操作步驟安排相關的教學內容。

其次，采取課堂講授與上機實踐交叉進行的做法。在課程教學中，實踐課和課堂講授選用統一的實驗數據，并按照GIS任務實施的具體步驟安排上機實踐內容，從而使實習內容與每次的課堂講授內容都相對應。這使學生的每一次上機實踐都能進行有目標的練習。同時，將學生能力的培養(yǎng)貫穿于課程教學的全過程，針對GIS功能龐大且靈活、同一目標可運用多種工具實現的特點，鼓勵學生通過不同的途徑實現相同的目標，從而使學生在學習GIS軟件功能的同時提高解決實際問題的能力。

（三）GIS學習能力的培養(yǎng)

GIS系列軟件的功能極其龐大，GIS更新的速度又非常快，所以僅靠一門課來學習和掌握GIS是遠遠不夠的。這就要求GIS類課程必須培養(yǎng)學生進一步學習GIS的能力，而非僅僅限于學習一門課程。因此，在“地理信息系統原理與應用”課程的課堂講授和上機實踐過程中，筆者堅持將學生GIS學習能力的培養(yǎng)貫穿始終，注重引導學生主動了解GIS及其系列軟件、掌握基本的GIS操作要領、了解進一步學習GIS的途徑和方法。

（四）增加“GIS軟件課內限時操作”的考核內容

“地理信息系統原理與應用”課程的考核除了延續(xù)以往通過課后的GIS項目設計對學生進行考核之外，還增加了“GIS軟件課內限時操作”的考核內容。經過多輪教學實踐，筆者發(fā)現，以往僅依據學生課后的GIS項目設計評定課程成績的方式存在教師評分較費時、學生間GIS項目設計雷同的情況時有發(fā)生等不足；而增加“GIS軟件課內限時操作”考核內容有利于相對客觀地考核學生對課程內容的掌握程度，為公正地評價學生的學習情況提供了有力的依據，同時課內外考核相結合的方式對課程教學效果的提高也產生了積極的推動作用。

四、GIS類課程改革的總結及建議

北京林業(yè)大學水土保持學院為研究生開設的“地理信息系統原理與應用”學位課實施目標導向型分步驟教學已1個學期，教學效果較以前明顯提高。學生對GIS的學習更有針對性，并且積極性較高；學生的GIS學習能力得到較大的提高，凡選修“地理信息系統原理與應用”課程的學生在課后都基本可以獨立應用GIS相關軟件解決專業(yè)領域的實際問題。經過第1輪的課程教學改革實踐，并基于近幾年的授課經驗，筆者認為今后GIS類課程的教學還應在以下幾方面有所突破。

（一）編寫具有專業(yè)特色的教材

目前，有關GIS理論和實踐的教材較多，但針對不同專業(yè)領域的GIS教材相對較少。因此，筆者建議，應根據林業(yè)院校相關專業(yè)的學科特點以及選課學生專業(yè)基礎的特點，盡快編寫針對性較強的適合不同專業(yè)領域要求的內部教材或正式教材。這類教材的內容除了應包含一些必要的GIS知識點之外，更為重要的是要具有專業(yè)特點，并應包括較多的專業(yè)案例。

（二）注重教學與實踐的結合

針對研究生的GIS類課程應更多地增加討論時間和與外界交流的機會，這也是“地理信息系統原理與應用”研究生學位課目前的欠缺之處。由于GIS領域的專家學者科研工作和相關業(yè)務繁重，再加上學校的教學經費有限，所以目前還只能通過開設講座的形式增加學生與處于前沿領域的專家學者進行探討與交流的機會。但是，筆者建議，今后在條件允許的情況下，還應盡量安排學生去國家基礎地理信息中心等相關部門實習參觀，并盡量多地安排相關學者與學生進行更為廣泛的面對面交流。

（三）進一步提高實驗教學的質量

目前，GIS類課程上機實驗教學資源的增加趕不上學生人數的增加，這限制了相關實驗課的開設和內容的選擇，進而影響了課程教學質量的提高。因此，筆者建議，高校要在實驗教學方面“做文章”，通過開放中心實驗室、網絡實驗室等，為學生的學習創(chuàng)造更多的機會；同時，要注重改進理論教學、實驗教學的方法和手段，以學為中心開展啟發(fā)式教學，組織興趣小組鼓勵學生開展知識創(chuàng)新活動，利用多媒體手段、網絡資源等促進理論教學和實驗教學效果的提高。

［1］陳述彭，魯學軍，周成虎.地理信息系統導論［M］.北京：科學出版社，2000：5－12.

［2］鄔倫.地理信息系統：原理、方法和應用［M］.北京：科學出版社，2004：7－22.

［3］黃杏元，湯勤.地理信息系統概論［M］.北京：高等教育出版社，1990：3－10.

［4］吳秀芹，張洪巖，李瑞改，等.ArcGIS9地理信息系統應用與實踐［M］.北京：清華大學出版社，2007：5－19.

［5］黃慶豐，吳文友.高等林業(yè)院校地理信息系統教學問題探討［J］.中國林業(yè)教育，2005，23（6）：51－52.

［6］彭鵬，謝光輝，李滿春.21世紀高師地理信息系統教學芻議［J］.湖南師范大學自然科學學報，2000，23（4）：91－94.

［7］陳兵麗.高校地理信息系統教學研究［J］.池州師專學報，2005，19（3）：129－131.