測繪學科《空間統(tǒng)計與地學分析》課程設(shè)置探討

趙 羲，龐小平,，李艷紅，張 翔

（1.武漢大學 中國南極測繪研究中心，湖北 武漢 430079；2. 武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079）

我國許多開設(shè)測繪科學與技術(shù)學科的高校都認識到了空間分析的重要性，建設(shè)了空間統(tǒng)計、地形分析、地學分析、地統(tǒng)計學、計算機圖形學、空間數(shù)據(jù)庫、地理信息科學等與空間分析相關(guān)的課程，培養(yǎng)學生空間數(shù)據(jù)分析、軟件使用等科研和業(yè)務(wù)能力[1-6]。本文從探討《空間統(tǒng)計與地學分析》的教學目的出發(fā)，論述了我校此課程的教學內(nèi)容、教學方法和考核形式，為測繪科學與技術(shù)學科的教學管理和課程建設(shè)提供參考。

1 教學目的

我校針對測繪科學與技術(shù)的各二級學科研究生開設(shè)的專業(yè)必修課《空間統(tǒng)計與地學分析》，是對本科階段《空間分析》課程的延伸，以空間統(tǒng)計為主要內(nèi)容，結(jié)合部分與空間統(tǒng)計有關(guān)的地學分析進行理論知識介紹和應(yīng)用案例的講解。課程設(shè)置的目標是培養(yǎng)研究生基本的科研能力，幫助學生掌握空間數(shù)據(jù)的定量統(tǒng)計分析算法、空間相關(guān)性、空間自相關(guān)等規(guī)律的探索、空間數(shù)據(jù)的插值與統(tǒng)計建模等數(shù)據(jù)處理的方法，解決地理、環(huán)境、經(jīng)濟、生態(tài)等相關(guān)領(lǐng)域的問題。因此該課程的理論性、技術(shù)性和實用性都很強，要求學生能夠掌握基礎(chǔ)統(tǒng)計、空間統(tǒng)計等基本理論，空間分析、地學分析中的常用算法，并且能夠針對具體案例，綜合利用多種統(tǒng)計方法和軟件來解決空間問題。

2 教學內(nèi)容

《空間統(tǒng)計與地學分析》是空間分析課程系列的高級課程，根據(jù)課程的教學目的和目標，其教學內(nèi)容體系包括基礎(chǔ)理論、方法與技術(shù)、應(yīng)用實踐3個層次?；A(chǔ)理論部分的教學內(nèi)容主要是概率論與統(tǒng)計學的相關(guān)理論知識，對該部分內(nèi)容的講授，應(yīng)該考慮到研究生在本科階段不同的學科背景和他們對統(tǒng)計知識的掌握程度，由淺入深地引導其學習、回顧和總結(jié)，幫助學生由數(shù)學基本知識的學習逐漸過渡到空間統(tǒng)計與地學分析的方法學習中。對于方法與技術(shù)的部分，主要介紹有關(guān)空間點、線、面以及地統(tǒng)計的經(jīng)典分析方法和模型。對最前沿的空間統(tǒng)計方法，由于理論難度較大且課堂時間有限，可以安排一兩次講座形式的課程進行概況性的介紹，為感興趣的學生提供深入學習的線索。最后，應(yīng)用實踐部分也是這門課程的主要部分，主要是在基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法學習的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際案例，在問題場景中幫助學生更深刻地理解知識、掌握知識及靈活應(yīng)用知識。另一方面，也能夠讓學生熟悉空間分析和統(tǒng)計學的軟件操作，培養(yǎng)學生的科研動手能力。具體的教學內(nèi)容體系見表1。

表1 空間統(tǒng)計與地學分析課程教學內(nèi)容

3 教學方法

3.1 多種類型的教材配合

結(jié)合《空間統(tǒng)計與地學分析》課程的教學內(nèi)容，我們在選擇教材時需要兼顧基礎(chǔ)理論、方法與技術(shù)、應(yīng)用實踐這3個方面的內(nèi)容。 Wong等主編的《Statistical Analysis of Geographic Information: with ArcView GIS and ArcGIS》于2005年出版，2008年被張學良翻譯成中文《ArcView GIS 與 ArcGIS 地理信息統(tǒng)計分析》[7]，是國際國內(nèi)很多空間統(tǒng)計課程的基礎(chǔ)教材。此書的章節(jié)安排與我們課程內(nèi)容的前半部分編排思路相似，先介紹經(jīng)典統(tǒng)計學的基礎(chǔ)知識，再以點、線、面為章節(jié)劃分空間統(tǒng)計的理論與方法，并且在每個章節(jié)中還附有詳細的案列分析。書中對基礎(chǔ)知識的講解非常通俗易懂，尤其適合空間統(tǒng)計的初學者由淺入深地學習理論，由簡到難地掌握技術(shù)應(yīng)用。美中不足的是此書的軟件實踐是針對ArcView的操作，目前已經(jīng)被ArcGIS取代。因此我們推薦湯國安和楊昕主編的《ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程（第2版）》[8]，該書主要圍繞ArcGIS軟件的各種空間分析功能，進行概括的理論基礎(chǔ)介紹，詳細的操作示范，豐富的地學案例分析。這兩本書作為課程教材配合使用，基本可以涵蓋課程設(shè)置的教學內(nèi)容，難度適中，也適合作為學生自學的入門參考書。

上機實習的教學實踐課主要是針對空間描述統(tǒng)計、點模式分析、空間自相關(guān)、空間內(nèi)插等重要知識點的軟件操作設(shè)置課時。實習數(shù)據(jù)選取了《ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程（第2版）》一書中的部分空間數(shù)據(jù)，方便學生參考教材中的相關(guān)內(nèi)容進行ArcGIS軟件操作。除了ArcGIS軟件外，我們還在課堂上介紹了經(jīng)典統(tǒng)計軟件SPSS，R和空間統(tǒng)計軟件GeoDa，GWR等，演示了部分統(tǒng)計方法的軟件操作步驟，以便學生了解更多常用的空間統(tǒng)計和地學分析軟件，在教學實踐課和課程考核時靈活選擇。

3.2 靈活多變的課堂教學

針對授課對象的知識水平和測繪學科背景，在課堂和課外教學環(huán)節(jié)，我們采用了多媒體教學的方式，廣泛利用網(wǎng)絡(luò)視頻、網(wǎng)絡(luò)課程、期刊等媒介，豐富課堂授課和課外學習的形式。例如，在第三章經(jīng)典統(tǒng)計學的常規(guī)教學內(nèi)容完成之后，我們給學生播放了Hans Rosling教授在《TED》上題為《The best stats you’ve ever seen》的精彩報告，引起學生對大數(shù)據(jù)分析、時空數(shù)據(jù)挖掘問題的強烈興趣，不僅鞏固了課堂知識，還活躍了課堂氣氛，達到快樂學習的目的。除了教材中簡單的應(yīng)用案例之外，我們還從地理、交通、人口、環(huán)境等空間統(tǒng)計應(yīng)用領(lǐng)域的國際期刊上找了大量的相關(guān)文獻，在理論方法的教學內(nèi)容后安排了應(yīng)用案例的專題講座，集中對這些發(fā)表在SCI期刊上的高質(zhì)量文章的內(nèi)容和空間統(tǒng)計方法進行講解，讓研究生掌握提出問題、分析問題、解決問題、總結(jié)問題的研究思路。此外，對于課外教學，由于上課學生對統(tǒng)計基礎(chǔ)知識的掌握程度良莠不齊，我們特別推薦了coursera網(wǎng)絡(luò)上的相關(guān)課程，例如臺灣大學葉丙成的《概率論》，杜克大學的《數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計推斷》，學生可以在課外時間通過視頻學習，還有很多國外網(wǎng)站提供了免費的統(tǒng)計學電子書和互動平臺，幫助他們輕松地補充自己的基礎(chǔ)知識?？傊?，通過多種渠道獲取多元化信息，不僅可以滿足不同知識層次的研究生學習需求，也可以開闊眼界，幫助他們尋找專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域空間分析問題的解決技巧，適應(yīng)對研究生的培養(yǎng)目標。

3.3 不同優(yōu)勢的考核形式

除了隨堂小測驗之外，對于課程期末考核，我們嘗試使用實驗報告的形式，并且采用了2種實驗類型進行對比。一種是規(guī)定了具體實驗內(nèi)容，提出具體要回答的問題，并規(guī)定解決問題需要的實驗方法，學生自由選擇軟件，完成實驗，并撰寫報告給出答案。第二種方式是只為學生提供數(shù)據(jù)，讓學生自由挖掘數(shù)據(jù)信息，選定實驗問題，再根據(jù)問題尋找解決方法和答案，實驗報告按照標準論文的形式完成。這兩種考核方式各有優(yōu)缺點，前者更加具體，老師可以通過設(shè)置具體問題，有針對性地考察學生某些方面的知識點，學生的自由度比較小，但可以通過實習有效鞏固重點內(nèi)容；后者更加靈活，調(diào)動了學生的主動性和創(chuàng)造性，可以培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決應(yīng)對的能力。我們對不同年級的學生進行對比，發(fā)現(xiàn)第一種考核形式更適合低年級碩士研究生，而第二種形式更適合高年級碩士研究生和博士生，并且可以非常有效地評估學生對知識點的運用程度和基本科研素質(zhì)。2種考核形式各有優(yōu)勢，需要結(jié)合具體的教學對象和考察目標來設(shè)置考核內(nèi)容。

[1]周衛(wèi). GIS專業(yè)的測繪科學技術(shù)需求與教學[J]. 現(xiàn)代測繪,2005, 28(1):43-45

[2]徐亞明，花向紅，王佩軍. 測繪工程理論教學體系模式與質(zhì)量控制探討[J]. 東北測繪，2000, 23(4):44-46

[3]孔云峰，秦耀辰，喬家君，等. 高校地理學科空間分析課程設(shè)置研究[J]. 測繪科學，2007, 23(3):186-189

[4]李光強，劉慶元，鄧敏，等. 論測繪工程專業(yè)《空間分析》課程的教學改革[J]. 礦山測量, 2009(3):87-89

[5]魏義長，趙東保，李小根，等.地統(tǒng)計學在地理信息系統(tǒng)教學中的地位與作用[J]. 測繪與空間地理信息, 2011, 34(3):1-4

[6]趙東保，李小根. 加強測量誤差理論教學的探討[J]. 地理空間信息, 2011, 9(3):180-182

[7]戴維·黃，杰·李. ArcView GIS 與 ArcGIS 地理信息統(tǒng)計分析[M]. 北京: 中國財政經(jīng)濟出版社, 2008

[8]湯國安，楊昕. ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M].北京:科學出版社, 2012