案例教學(xué)法在GIS軟件應(yīng)用教學(xué)中的探索與實(shí)踐

夏元平， 許亞男， 劉 波

(東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，江西南昌330013)

我國(guó)正處于地理信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展階段，目前地理信息技術(shù)應(yīng)用和地理信息服務(wù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)以及人們的日常生活中，并形成了極大的市場(chǎng)需求，用人單位招聘地理信息專業(yè)學(xué)生的數(shù)量也在隨之增加。當(dāng)被問到對(duì)招聘GIS專業(yè)學(xué)生的要求時(shí)，用人單位認(rèn)為實(shí)踐能力強(qiáng)和能吃苦耐勞是決定大學(xué)生是否被錄用的重要因素，比重分別達(dá)到87．9%和84．6%，且所有用人單位都把學(xué)生的實(shí)際操作能力差作為造成當(dāng)前大學(xué)生就業(yè)難的首選原因［1］，《GIS軟件應(yīng)用》課程就是為了彌補(bǔ)這一問題而引入的專業(yè)課程。因此，如何提高學(xué)生的GIS軟件應(yīng)用能力以適應(yīng)市場(chǎng)的需求，是現(xiàn)階段必須解決的關(guān)鍵問題。

GIS軟件應(yīng)用是一門實(shí)踐性強(qiáng)、工具型GIS軟件眾多、版本更新快、綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)置難，集理論分析與工程應(yīng)用于一體的課程。盡管諸多學(xué)者從教學(xué)實(shí)踐模式、教學(xué)體系等方面對(duì)GIS軟件應(yīng)用課程教學(xué)中存在的問題進(jìn)行了探討，但關(guān)于改進(jìn)GIS軟件應(yīng)用課程的教學(xué)方法和手段的研究甚少。本文提出了一種以案例為導(dǎo)向的GIS軟件應(yīng)用教學(xué)方法，通過選取和設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)真實(shí)、完整、系統(tǒng)的工程項(xiàng)目案例，將課程的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)連貫起來，形成一個(gè)完善的、綜合的課程教學(xué)體系。能因地制宜，因材施教，在很大程度上保證教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)腦能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)GIS軟件應(yīng)用的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高學(xué)生分析與解決問題的能力。

1 GIS軟件應(yīng)用教學(xué)中存在的問題及案例教學(xué)法的特點(diǎn)

1．1 GIS軟件應(yīng)用教學(xué)中存在的問題

GIS軟件應(yīng)用教學(xué)是提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的重要課程環(huán)節(jié)之一，具有實(shí)踐性、直觀性、設(shè)計(jì)性、綜合性與創(chuàng)新性特點(diǎn)，同時(shí)在加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)創(chuàng)新能力方面有著重要的作用。盡管目前 GIS軟件應(yīng)用課程開設(shè)了多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更多的是屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)是相對(duì)獨(dú)立的，并沒有真正將本課程的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)連貫起來，存在的問題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①課程開設(shè)的隨意性較大。在GIS軟件應(yīng)用教學(xué)過程中，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，或教師個(gè)人的教學(xué)態(tài)度不夠端正，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置時(shí)往往具有一定的隨意性。②課程體系的設(shè)置不合理。在學(xué)習(xí)GIS的過程當(dāng)中，如果一開始就只學(xué)習(xí)GIS相關(guān)理論知識(shí)，而后在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都沒有學(xué)習(xí)相關(guān)的軟件應(yīng)用技術(shù)，則會(huì)削弱學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，并且打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。③實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏真實(shí)的案例和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。GIS軟件應(yīng)用屬于一門實(shí)用技術(shù)，它必須針對(duì)特定的服務(wù)對(duì)象才能體現(xiàn)出它的潛力及價(jià)值，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過程融入的真實(shí)工程應(yīng)用數(shù)據(jù)很少，也沒有相對(duì)應(yīng)的工程項(xiàng)目應(yīng)用背景，根據(jù)假設(shè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)缺乏真實(shí)感和邏輯性。④教學(xué)缺乏關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)性。GIS軟件應(yīng)用的主要目的是掌握應(yīng)用GIS軟件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來解決實(shí)際的工程應(yīng)用，但目前普遍的教學(xué)方法都是就事論事，做某個(gè)實(shí)驗(yàn)只是為了去驗(yàn)證軟件的某項(xiàng)功能，而實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)之間毫無關(guān)聯(lián)，也沒有完整的系統(tǒng)性。

1．2 GIS軟件應(yīng)用案例教學(xué)法的特點(diǎn)

真實(shí)性。案例教學(xué)強(qiáng)調(diào)真實(shí)性，就絕對(duì)不可對(duì)所選取的案例進(jìn)行虛構(gòu)［2］。一方面所選取的案例應(yīng)符合地理信息系統(tǒng)的理論知識(shí)。案例教學(xué)要解決在理論教學(xué)過程中學(xué)生不能完全理解的知識(shí)要點(diǎn)，并且學(xué)會(huì)在實(shí)踐中如何去操作應(yīng)用。因此，案例教學(xué)應(yīng)該要跟理論教學(xué)進(jìn)程相匹配，并能體現(xiàn)地理信息系統(tǒng)理論知識(shí)的要求，而不能將課程當(dāng)中學(xué)生未接觸的理論知識(shí)點(diǎn)滲人到案例之中，以防將學(xué)生引人盲區(qū)。另一方面所選取的案例應(yīng)接近實(shí)際，要能準(zhǔn)確地反映生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)。

典型性。GIS軟件應(yīng)用實(shí)踐性強(qiáng)，涉及的行業(yè)也非常廣，故GIS軟件應(yīng)用課堂案例教學(xué)的信度和效果取決于所選案例是否具有代表性。典型案例應(yīng)是學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)踐當(dāng)中能夠“伸手就摸得著”，并且對(duì)其理論知識(shí)也是能理解的，這樣就便于對(duì)學(xué)習(xí)的要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)探究，從而起到舉一反三的作用。

系統(tǒng)性。根據(jù)案例學(xué)習(xí)的目的，對(duì)一個(gè)具體的GIS案例進(jìn)行詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)，把軟件的某一項(xiàng)功能的學(xué)習(xí)分解成一個(gè)個(gè)獨(dú)立小案例，最后把分解的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，集成一個(gè)完整的工程，使學(xué)生在進(jìn)行系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的同時(shí)，體會(huì)到所學(xué)的知識(shí)在服務(wù)社會(huì)中能有用武之地。

2 GIS軟件應(yīng)用教學(xué)案例的選取及設(shè)計(jì)

相對(duì)于一般的理論課堂講授，操作應(yīng)用性的案例教學(xué)要求教師在知識(shí)點(diǎn)的策劃、課堂的組織、教學(xué)過程的控制上傾注更多的時(shí)間和精力。如果想要使案例教學(xué)的運(yùn)用達(dá)到較好的教學(xué)目的，需事先做好周密的計(jì)劃和安排，否則將不能取得案例教學(xué)應(yīng)有的教學(xué)效果。

2．1 案例教學(xué)的選取

作為貫穿整個(gè)教學(xué)過程所使用的案例，一定要有針對(duì)性。首先，要能覆蓋整個(gè)專業(yè)相關(guān)知識(shí)的內(nèi)容和形式，在通過案例學(xué)習(xí)的同時(shí)要掌握GIS的基本理論和相關(guān)應(yīng)用的操作方法。其次，要有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和主動(dòng)性，提升學(xué)生思考的深度，認(rèn)識(shí)到實(shí)際案例的復(fù)雜性，提高其全面思維的能力。最后，選取的案例要針對(duì)某個(gè)熱門行業(yè)，增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的實(shí)效性。筆者根據(jù)教學(xué)目的的要求及對(duì)全國(guó)地理信息項(xiàng)目行業(yè)類別比例進(jìn)行的分析(見圖1)，主要選取了全國(guó)第二次土地詳查項(xiàng)目案例作為軟件基礎(chǔ)應(yīng)用的學(xué)習(xí)，并選取了對(duì)應(yīng)的面向?qū)ｎ}應(yīng)用案例來講解GIS軟件在相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用。

圖1 地理信息項(xiàng)目行業(yè)類別比例分析

2．2 案例教學(xué)的設(shè)計(jì)

按照學(xué)校專業(yè)教學(xué)計(jì)劃的安排，本課程是在第二學(xué)年上學(xué)期開設(shè)，這時(shí)，學(xué)生對(duì)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)還不夠全面和深入，因此，在對(duì)案例進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將采取循序漸進(jìn)的方式，采用MAPGIS軟件，從基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集、輸入、管理、處理和查詢的功能學(xué)習(xí)開始，在學(xué)生掌握了軟件的基本操作功能之后，再選取專題應(yīng)用案例來進(jìn)行空間分析和應(yīng)用方面的講解。

2．2．1 基礎(chǔ)應(yīng)用案例設(shè)計(jì)

武漢中地信息工程有限公司研制的大型基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)軟件平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱“MAPGIS”)作為中國(guó)具有完全自主知識(shí)版權(quán)的地理信息系統(tǒng)，是全球唯一的搭建式GIS數(shù)據(jù)中心集成開發(fā)平臺(tái)［3］，在全國(guó)第二次土地詳查項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用。以全國(guó)第二次土地詳查項(xiàng)目案例為中心的MAPGIS軟件應(yīng)用教學(xué)法，其主要目的是讓學(xué)生跟著實(shí)際工程項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、獨(dú)立思考，逐步解決問題的能力，而這其中的重點(diǎn)就是通過實(shí)際的工程項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，要讓學(xué)生明白自己所學(xué)的知識(shí)的實(shí)效性以及成果的顯著性，而不是盲目地去學(xué)習(xí)某一個(gè)功能模式。因此案例設(shè)計(jì)的指標(biāo)主要參考全國(guó)第二次土地詳查相關(guān)技術(shù)流程，整個(gè)案例的分解項(xiàng)目以及對(duì)應(yīng)的知識(shí)內(nèi)容設(shè)計(jì)如表1。

表1 基于MapGIS的全國(guó)第二次土地詳查教學(xué)案例分解設(shè)計(jì)

2．2．2 GIS專題應(yīng)用教學(xué)案例設(shè)計(jì)

基于MAPGIS面向?qū)ｎ}應(yīng)用案例教學(xué)包含了統(tǒng)計(jì)分析、DEM的建立與應(yīng)用分析、空間分析、三維立體模擬以及GIS綜合分析與應(yīng)用等基本內(nèi)容模塊［4］，在案例教學(xué)中，要了解各行業(yè)應(yīng)用發(fā)展的主要趨勢(shì)，結(jié)合熱點(diǎn)問題來設(shè)計(jì)各種應(yīng)用專題案例(表2)，同時(shí)，根據(jù)問題的提出和數(shù)據(jù)分析，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力。

表2 面向?qū)ｎ}應(yīng)用的GIS軟件應(yīng)用教學(xué)案例

3 案例教學(xué)在GIS軟件應(yīng)用教學(xué)中的組織實(shí)施

3．1 問題的提出

以2010年江西撫河唱?jiǎng)P堤發(fā)生決堤，數(shù)萬災(zāi)民被安置東華理工大學(xué)為切入點(diǎn)，提出洪水災(zāi)害為我國(guó)發(fā)生頻率較高，危害范圍比較廣的一種自然災(zāi)害，將對(duì)國(guó)家和社會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，洪水災(zāi)害一旦出現(xiàn)，如何結(jié)合自己所掌握的GIS知識(shí)，來精確評(píng)估洪水災(zāi)害所造成的損失。這時(shí)，可以采取提問、解答等多種形式的互動(dòng)方式，分析洪水災(zāi)害的各項(xiàng)特征指標(biāo)，來提高學(xué)生進(jìn)行抽象思維和邏輯推理的理性思維能力。比如:洪水災(zāi)害發(fā)生的位置、洪水災(zāi)害影響的范圍、洪水淹沒的深度等自然特征指標(biāo)，人口、淹沒土地利用類型、房屋等社會(huì)特征指標(biāo)，財(cái)產(chǎn)損失率、面上綜合經(jīng)濟(jì)損失等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)［5］。

3．2 數(shù)據(jù)分析

為了鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用GIS軟件的知識(shí)和方法進(jìn)行分析和解決問題的能力，可以給定一個(gè)分析目標(biāo):要求估計(jì)出受災(zāi)地區(qū)住宅用地被洪水淹沒而造成的損失，讓學(xué)生結(jié)合目標(biāo)，分析要獲取和準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)，同時(shí)，可以根據(jù)分析目標(biāo)中“住宅用地”、“淹沒”和“損失”等關(guān)鍵字來引導(dǎo)學(xué)生積極思考，對(duì)“住宅用地”進(jìn)行分類需準(zhǔn)備土地利用現(xiàn)狀數(shù)字化地圖;計(jì)算“淹沒”的范圍要求掌握洪水水位的相對(duì)高程(設(shè)計(jì)為600 m)，即等高線圖形數(shù)據(jù);估算“損失”的大小則和居民的財(cái)產(chǎn)、地基穩(wěn)定性有關(guān)。并歸納出屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)。

3．3 思路分析和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在對(duì)具體問題和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，便可讓學(xué)生設(shè)計(jì)出一個(gè)問題解決思路:①考慮到洪水淹沒不能確定一個(gè)最高水位，故可以根據(jù)等高線數(shù)據(jù)，按照等高距造區(qū)，生成一個(gè)等高線區(qū)文件(見圖2)，并給該文件添加一個(gè)“高程值”屬性字段，并編輯所對(duì)應(yīng)的高程值。②利用MAPGIS輸入編輯功能對(duì)土地利用現(xiàn)狀線文件進(jìn)行拓?fù)湓靺^(qū)(見圖3)，然后再通過屬性管理系統(tǒng)來添加“土地利用類型”、“估計(jì)財(cái)產(chǎn)”、“地基類型”、“損失系數(shù)”、“地基財(cái)產(chǎn)”等屬性地段，并編輯所對(duì)應(yīng)的屬性(見表3)。③經(jīng)過對(duì)土地利用現(xiàn)狀和等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，將編輯好的等高線區(qū)文件和土地利用現(xiàn)狀區(qū)文件進(jìn)行疊加分析，再通過MAPGIS條件檢索功能求出水位在600m之內(nèi)被洪水淹沒的住宅用地，并根據(jù)住宅用地的估計(jì)財(cái)產(chǎn)及損失系數(shù)等屬性字段計(jì)算財(cái)產(chǎn)損失。

圖2 等高線區(qū)文件

圖3 土地利用現(xiàn)狀區(qū)文件

表3 土地利用現(xiàn)狀區(qū)文件屬性表

3．4 損失分析

在正式講解疊置分析功能模塊之前，先跟學(xué)生一起回顧下疊置分析的基本原理，以及執(zhí)行分析功能之后，圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)將會(huì)有何變化等問題，等學(xué)生有了清楚的認(rèn)識(shí)后，再往下講解。利用空間分析子系統(tǒng)的【區(qū)與區(qū)合并分析】功能，完成土地利用現(xiàn)狀和等高線區(qū)文件的疊置分析，產(chǎn)生一個(gè)土地利用現(xiàn)狀和等高線疊合的區(qū)文件，且疊合每個(gè)圖斑中都有了“土地利用類型”、“估計(jì)財(cái)產(chǎn)”、“地基類型”、“損失系數(shù)”、“地基財(cái)產(chǎn)”和“高程值”等屬性(圖4)。為了求出高程在600 m之內(nèi)，且土地使用性質(zhì)為住宅的數(shù)據(jù)，可以利用【條件檢索】功能，輸入分析條件“高程值≤600＆＆(土地利用性質(zhì)==多層房屋住宅‖土地利用性質(zhì)==底層房屋住宅)”，將獲得滿足該項(xiàng)要求的新的區(qū)文件，再利用【雙屬性四則運(yùn)算】屬性分析，得到“估計(jì)損失”和“被淹沒面積比例”等屬性數(shù)據(jù)項(xiàng)，其中估計(jì)損失=面積×地均財(cái)產(chǎn)×損失系數(shù)。

3．5 結(jié)論分析

進(jìn)行空間分析的目的就是要提取和傳輸空間信息，能為相關(guān)決策部門提供依據(jù)。通過以上的分析，可以得出分析結(jié)論表，如表4所示，這時(shí)，可以讓學(xué)生思考:如何讓分析結(jié)果更直觀，使人能一目了然地看出哪些地類損失較大，哪一類損失較小。對(duì)于分析結(jié)果，可按估計(jì)損失分成 ＜10 000、10 000～50 000、＞50 000三類，分別用三種不同圖例表示，畫出洪水淹沒損失分布圖(如圖5)。

表4 分析結(jié)論表

圖4 土地利用現(xiàn)狀和等高線區(qū)文件疊合

4 案例教學(xué)在GIS軟件應(yīng)用教學(xué)中的效果分析

考慮到學(xué)生剛開始接觸GIS軟件，故選用的軟件是中文版的MAPGIS，教材是吳信才的《MAPGIS地理信息系統(tǒng)》。在開始兩個(gè)學(xué)年，對(duì)軟件的講解方法很單一，很少結(jié)合案例來講解，主要是按照課本的章節(jié)，針對(duì)軟件的某一項(xiàng)功能進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這種教學(xué)方式的效果很不明顯。2011年筆者對(duì)教學(xué)存在的問題進(jìn)行了分析，以學(xué)校制定新的教學(xué)計(jì)劃為契機(jī)，采取了以案例教學(xué)為中心的教學(xué)方法，并圍繞該方法開展以下幾點(diǎn)工作:①重新制定教學(xué)大綱，根據(jù)教學(xué)要求，對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了案例的選取和設(shè)計(jì)［6］;②設(shè)置合理的教學(xué)計(jì)劃，在制定2011版教學(xué)計(jì)劃時(shí)，將GIS原理課程和GIS軟件應(yīng)用課程設(shè)置在同一學(xué)期開設(shè)，GIS原理課程在上半學(xué)期開課，GIS軟件應(yīng)用在下半學(xué)期開課，且地圖學(xué)和測(cè)量學(xué)兩門課程在前一學(xué)期開設(shè)，為學(xué)生奠定更加扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。③嚴(yán)格案例應(yīng)用報(bào)告的書寫，并通過案例講解和測(cè)評(píng)答辯的形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，熄滅學(xué)生想僥幸過關(guān)的想法，加深對(duì)案例實(shí)際應(yīng)用及所學(xué)理論知識(shí)的掌握。④掌握MAPGIS軟件的應(yīng)用后，再利用學(xué)期末的兩周GIS原理教學(xué)實(shí)習(xí)，講解ARCGIS軟件的操作功能，要求學(xué)生利用ARCGIS軟件獨(dú)立完成設(shè)計(jì)的各項(xiàng)案例，達(dá)到觸類旁通的教學(xué)效果。

圖5 洪水淹沒損失分布圖

為了對(duì)案例教學(xué)法的教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，筆者對(duì)近五年來學(xué)校GIS專業(yè)學(xué)生對(duì)主講GIS軟件應(yīng)用教師的網(wǎng)上評(píng)教結(jié)果及畢業(yè)后用人單位反饋的學(xué)生工作上手情況和全國(guó)GIS應(yīng)用水平考試通過率進(jìn)行了跟蹤調(diào)研，結(jié)果見圖6。通過調(diào)研結(jié)果可得出:前兩年各項(xiàng)調(diào)研指標(biāo)都很不樂觀，用人單位提供的學(xué)生工作后的上手情況甚至有了下滑的趨勢(shì)，但到了2011年，各項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)了大幅度的上升，其后的兩年也有了穩(wěn)步的提高，在2013年第二屆全國(guó)大學(xué)生GIS應(yīng)用技能大賽中，筆者指導(dǎo)的參賽學(xué)生獲得了一等獎(jiǎng)。這說明案例教學(xué)法在GIS軟件教學(xué)中能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有利于提高學(xué)生全面掌握GIS知識(shí)的能力。

圖6 跟蹤調(diào)查數(shù)據(jù)分析

5 總結(jié)

通過對(duì)造成GIS專業(yè)學(xué)生就業(yè)困難的原因及GIS軟件教學(xué)過程中存在的問題進(jìn)行分析，提出了一種以案例教學(xué)法為中心的GIS軟件應(yīng)用教學(xué)方法。同時(shí)，依據(jù)全國(guó)地理信息項(xiàng)目行業(yè)類別比例數(shù)據(jù)對(duì)教學(xué)案例進(jìn)行了精心的選取和設(shè)計(jì)，并結(jié)合洪水災(zāi)害損失的分析案例，展現(xiàn)了案例教學(xué)在GIS軟件應(yīng)用教學(xué)組織中的實(shí)施過程。最后，通過近五年來對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的調(diào)查分析，得出案例教學(xué)法能有效地提高學(xué)生學(xué)習(xí)GIS軟件的積極性及實(shí)際動(dòng)手操作能力［5］。

［1］程朋根，夏元平，聶運(yùn)菊，等．地理信息科學(xué)專業(yè)本科學(xué)生需求與能力期望調(diào)查結(jié)果分析［J］．東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版，2013，32(4):472-476．

［2］朱濤，馬恒，劉強(qiáng)．專業(yè)技術(shù)課程案例教學(xué)方法研究［J］．高等教育研究學(xué)報(bào)，2010，1(33):91-95．

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