分類耦合式地理信息系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

張　唯，劉修國，張劍波，王曉醉

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430074； 2. 武漢大學(xué)科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究院，湖北 武漢 430070)

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分類耦合式地理信息系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

張唯1，劉修國1，張劍波1，王曉醉2

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430074； 2. 武漢大學(xué)科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究院，湖北 武漢 430070)

針對現(xiàn)有高校課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的內(nèi)容零散、實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)重疊及工程應(yīng)用性弱的特點(diǎn)，以GIS綜合實(shí)驗(yàn)為例，提出分類耦合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思想，在對課程實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類模塊化的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置“數(shù)據(jù)處理”“基礎(chǔ)建?！奔啊澳Ｐ头治觥?個針對不同應(yīng)用能力需求的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，耦合相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，采用基于項(xiàng)目驅(qū)動的啟發(fā)式教學(xué)法，培養(yǎng)學(xué)生在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，更有助于增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知度，為GIS及其相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供有益的借鑒。

GIS；實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)；項(xiàng)目驅(qū)動；啟發(fā)式教學(xué)

GIS是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對地理信息進(jìn)行處理、存儲、提取、管理和分析的一種現(xiàn)代工具[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，GIS可以將生態(tài)、環(huán)境、地質(zhì)、水利、農(nóng)林、交通及經(jīng)濟(jì)等多個行業(yè)的信息以數(shù)字化的形式存儲，通過空間分析和可視化的方式，綜合詮釋其在地理空間分布上的特征，進(jìn)而提供不同行業(yè)的輔助決策。GIS經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)具備完善的理論基礎(chǔ)，形成了明確的研究方向，也產(chǎn)生了眾多成熟的工具軟件，應(yīng)用于生產(chǎn)生活的方方面面，是一門典型的實(shí)用型學(xué)科。2014年1月30日，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》[2]，標(biāo)志著我國的GIS產(chǎn)業(yè)進(jìn)入發(fā)展的黃金階段。

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)是國內(nèi)較早開設(shè)GIS專業(yè)的高校之一，經(jīng)過多年的專業(yè)課程建設(shè)，形成了較為成熟的理論和實(shí)踐教學(xué)體系，并成功孕育了MapGIS這一國產(chǎn)GIS平臺產(chǎn)品，在地質(zhì)、氣象及農(nóng)林等眾多領(lǐng)域占有重要的市場份額[3]。隨著學(xué)科理論研究的深入和專業(yè)社會認(rèn)知度的不斷提升，GIS產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員激增，對GIS畢業(yè)生的要求也逐年提升。學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)理論的基礎(chǔ)上，還需要對常用的GIS軟件及相應(yīng)的行業(yè)應(yīng)用有一定程度的了解，才能充分適應(yīng)市場的激烈競爭。因此，GIS專業(yè)的教學(xué)需要從“知識教育”逐漸向“能力培養(yǎng)”轉(zhuǎn)變，通過加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的力度逐步提升學(xué)生的GIS應(yīng)用能力。

作為培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用型人才的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等教育中扮演著舉足輕重的角色[4]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以鞏固實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)為教學(xué)目標(biāo)，缺乏實(shí)際的應(yīng)用需求，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難免牽強(qiáng)。由于教學(xué)的最小單元為課程，不同課程間實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)存在一定程度的交叉。為避免實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重復(fù)，相同的實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)往往只存在于一門課程中，但不同課程中對相同實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的側(cè)重程度會有一定差異，進(jìn)而會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)內(nèi)容的遺漏。因此，針對不同應(yīng)用能力需求，需要開設(shè)具有一定綜合性的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)課程，通過對課程知識結(jié)構(gòu)的重組，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度與深度，以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用地理信息理論解決實(shí)際工程問題的能力，契合市場對地理信息人才的需求。

本文以 “GIS綜合實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，提出了分類耦合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思想，并結(jié)合洪水淹沒災(zāi)害風(fēng)險評估這一典型案例，探討了其在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上的創(chuàng)新。

一、分類耦合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的

分類耦合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)是針對不同的應(yīng)用需求，對系列課程的實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用能力分成不同的類別，以實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)作為最小實(shí)驗(yàn)教學(xué)單元，結(jié)合具體工程應(yīng)用案例，通過對教學(xué)單元的耦合，實(shí)現(xiàn)連貫性綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的定制。實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)級別的分類教學(xué)，有助于應(yīng)對地理信息產(chǎn)業(yè)對不同類型人才的職業(yè)規(guī)劃，而教學(xué)環(huán)節(jié)的自定義耦合，能夠讓實(shí)驗(yàn)貫穿多門課程，促進(jìn)知識的融會貫通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同類別人才間知識的流動。

二、分類耦合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以課程為依托對象，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容局限于課程本身，而忽略了與后續(xù)課程的延續(xù)性。分類耦合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要同時考慮多門課程的教學(xué)內(nèi)容，對其涉及的應(yīng)用能力進(jìn)行分級，進(jìn)而設(shè)計(jì)更為合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。因此，分類耦合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計(jì)分為人才職業(yè)定位、專業(yè)能力分類、實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)劃分及實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)耦合4個步驟，通過不同類型人才能力的逐層深化，不斷強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)能力等級的提升。分類耦合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的總體方案如圖1所示。

圖1　分類耦合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的總體方案

1. GIS人才類型

地理信息涉及社會生產(chǎn)生活的眾多領(lǐng)域，根據(jù)市場對地理信息人才的應(yīng)用需求，從職業(yè)規(guī)劃角度大致可分為數(shù)據(jù)處理、基礎(chǔ)建模和行業(yè)應(yīng)用3類人群，其對專業(yè)應(yīng)用能力的要求呈現(xiàn)逐層遞增的趨勢[5]。

數(shù)據(jù)處理型人才需要掌握基本的空間數(shù)據(jù)模型概念，能夠熟練使用數(shù)據(jù)采集工具和軟件，同時能夠進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)處理，通過數(shù)據(jù)的制作與轉(zhuǎn)換，制作出合乎行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的地理信息產(chǎn)品?；A(chǔ)建模型人才需要在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的GIS應(yīng)用模型，除具備基本的地理信息知識外，還需要了解相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)背景及應(yīng)用特點(diǎn)，并能夠?qū)⒍哌M(jìn)行有機(jī)結(jié)合。行業(yè)應(yīng)用型人才是地理信息方向最高級別的人才，需要能夠同時駕馭所有地理空間數(shù)據(jù)模型和特定專業(yè)的應(yīng)用模型，并針對行業(yè)應(yīng)用給出較為合理的行業(yè)解決方案。

除此之外，從對中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院GIS專業(yè)多年畢業(yè)生就業(yè)情況的分析發(fā)現(xiàn)，除上述3類專業(yè)人才外，也有部分學(xué)生從事GIS相關(guān)產(chǎn)業(yè)的銷售等工作，對于這類人才，只需要具備基本的地理信息理論知識即可，因此本文不做專門的討論。

2. GIS專業(yè)能力分類

GIS從建立之初就秉承理論與實(shí)踐并重，理論為實(shí)踐服務(wù)的原則，滲透到社會生產(chǎn)生活的各個角落。因此，GIS專業(yè)的人才培養(yǎng)應(yīng)該注重理論素質(zhì)與實(shí)踐能力的共同提升。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，除了基本的理論素養(yǎng)外，還需要培養(yǎng)學(xué)生在程序開發(fā)、軟件操作及科技寫作方面的能力，并注重自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力及創(chuàng)新能力的同步發(fā)展。針對不同的人才類型，能力培養(yǎng)涉及的實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo)也不盡相同。

程序開發(fā)能力主要涉及基礎(chǔ)建模和應(yīng)用分析類人才，尤其是基礎(chǔ)建模類人才，由于基礎(chǔ)建模往往缺乏必要的建模工具軟件，需要針對行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行模型的構(gòu)建和逐步修正，因而要求參與模型構(gòu)建的人員具有較高的程序設(shè)計(jì)素養(yǎng)，能夠使用程序開發(fā)語言實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建。應(yīng)用分析類人才在程序開發(fā)能力上的要求相對較低，一般到應(yīng)用分析階段，大多已有較為成熟的原型系統(tǒng)，可以用于模型的參數(shù)調(diào)整及分析。而行業(yè)分析階段的程序開發(fā)能力則大多側(cè)重于分析算法的實(shí)現(xiàn)和分析結(jié)果的表達(dá)。數(shù)據(jù)處理型人才一般不涉及程序開發(fā)能力的重點(diǎn)培養(yǎng)，但如果在數(shù)據(jù)處理工作中能夠具備基礎(chǔ)的程序開發(fā)能力，尤其是針對不同地理信息平臺的二次開發(fā)能力，可以通過輔助工具的編寫，提高數(shù)據(jù)處理的工作效率。

軟件操作能力則涉及所有類型的人才，根據(jù)應(yīng)用需求的不同，軟件及其操作的級別也不一樣。數(shù)據(jù)處理型和基礎(chǔ)建模型人才需要掌握ArcGIS、MapGIS等大型GIS平臺軟件的基本操作。其中，前者側(cè)重于矢量、柵格等通用空間數(shù)據(jù)的編輯和轉(zhuǎn)換；后者則側(cè)重其模型的參數(shù)配置及生成方法。行業(yè)分析型人才則需要掌握除GIS外在行業(yè)應(yīng)用中涉及的各類專業(yè)軟件及應(yīng)用分析用到的各類統(tǒng)計(jì)分析軟件等。

科技寫作能力同樣涉及所有類型人才，但從數(shù)據(jù)處理的角度，工作涉及的主要是報(bào)告文檔的輸出，因此需要重點(diǎn)培養(yǎng)這方面的能力，對于專業(yè)建模和行業(yè)應(yīng)用，則涉及專業(yè)分析文檔如需求分析、概要設(shè)計(jì)等，以及相關(guān)專業(yè)論文的撰寫。

此外，對于自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，應(yīng)該覆蓋所有的人才類型，通過分組實(shí)驗(yàn)和開放式的教學(xué)方式，啟發(fā)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)來搜集資料和尋求問題的解決方法。同時，對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果不必給出標(biāo)準(zhǔn)答案，鼓勵學(xué)生通過查閱最新的資料對實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評估。

3. 實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)劃分與耦合

實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的劃分與耦合是分類耦合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。根據(jù)專業(yè)能力需求的不同，需要首先對GIS系列課程進(jìn)行梳理，對已有的課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適度的調(diào)整，分離出多個實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以單獨(dú)完成某個具體的功能，但不與工程應(yīng)用相關(guān)聯(lián)，再根據(jù)具體的任務(wù)需要，通過實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的重組，實(shí)現(xiàn)面向任務(wù)的實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)耦合。

(1) 實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)劃分與耦合思路

為實(shí)現(xiàn)后續(xù)的耦合，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)劃分時，需要重點(diǎn)考慮節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立性，單個節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)盡量避免重復(fù)。以基礎(chǔ)理論能力方面為例，根據(jù)地理信息系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容，大致可分為制圖綜合、空間數(shù)據(jù)模型、空間分析、空間插值、空間表達(dá)和專業(yè)分析等。其中，制圖綜合是地圖學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但涉及地形圖的矢量化及屬性賦值等功能是GIS空間數(shù)據(jù)模型建模的基礎(chǔ)，而空間數(shù)據(jù)建模的方法又根據(jù)空間插值函數(shù)的不同分為不同的類別。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，地圖學(xué)中會設(shè)計(jì)地形圖矢量化的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)地圖向電子地圖的轉(zhuǎn)變。在地理信息系統(tǒng)課程中，需要根據(jù)給定的矢量數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而進(jìn)行緩沖區(qū)分析、最短路徑搜索等空間分析功能。在數(shù)字地面模型課程中，需要對矢量化后的等高線進(jìn)行高程賦值，再選擇合理的函數(shù)進(jìn)行空間插值，構(gòu)建柵格空間數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行地表特征分析，最后結(jié)合矢量數(shù)據(jù)和緩沖區(qū)分析的結(jié)果實(shí)現(xiàn)基于矢量柵格疊加的選址和分析。3門課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在數(shù)據(jù)上存在明顯的重疊，因此，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)中，可以將地圖矢量化、等高線屬性賦值、反距離加權(quán)空間插值法、克里金空間插值法等功能抽取出來，形成獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的不同分別組合完成整個實(shí)驗(yàn)過程。

除基礎(chǔ)理論外，其他能力的實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)則相對獨(dú)立，可以通過不同的分類等級來劃分。如程序開發(fā)能力可以按照基本語法、算法設(shè)計(jì)、二次開發(fā)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)4個層次來組織。其中，基本語法涉及C語言、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)等課程的內(nèi)容，而算法設(shè)置則主要抽取數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法分析課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。二次開發(fā)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)兩個層次一般沒有對應(yīng)的課程，需要根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)。如針對MapGIS的二次開發(fā)，則需要增加MapGIS基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其環(huán)境配置的內(nèi)容。針對不同的應(yīng)用能力需求將科技寫作能力分解為文檔撰寫、論文撰寫和報(bào)告撰寫3類，結(jié)合不同文體的特征設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

(2) 實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)劃分與耦合示例

氣象災(zāi)害風(fēng)險的管理與評估是GIS的重要應(yīng)用領(lǐng)域，通過對致災(zāi)因子、承災(zāi)體及災(zāi)情期望損失等方面的分析，采用指標(biāo)分析或概率統(tǒng)計(jì)的方式，定量描述災(zāi)害風(fēng)險及其影響要素的動力學(xué)機(jī)制[6]。氣象災(zāi)害的類型很多，在GIS教學(xué)中比較常見的是洪水淹沒分析[7]，通過對數(shù)字地面模型的地形特征計(jì)算，結(jié)合特定時刻的水文信息，預(yù)測未來某一時段洪水的覆蓋范圍，輔助進(jìn)行相應(yīng)的災(zāi)害預(yù)案[8]。在洪水淹沒分析結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合三維可視化技術(shù)可模擬淹沒的真實(shí)環(huán)境[9]，再結(jié)合特定時段的水文、氣象及地理環(huán)境資料，可對洪水淹沒區(qū)域進(jìn)行災(zāi)害評估[10]。結(jié)合上述思路，以洪水淹沒災(zāi)害風(fēng)險評估案例為例，不同專業(yè)能力的實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)劃分與耦合形式如圖2所示。

圖2　洪水淹沒災(zāi)害風(fēng)險評估實(shí)驗(yàn)案例

針對數(shù)據(jù)處理能力的鍛煉，需要耦合地圖柵格化、投影變換、地圖矢量化及制圖綜合4個節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容。這4個節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容相互獨(dú)立，存在一定的層次遞進(jìn)，每個節(jié)點(diǎn)都能夠生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，前一個節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)可作為下一個節(jié)點(diǎn)的輸入數(shù)據(jù)。學(xué)生連續(xù)完成4個實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)后，即可得到特定比例尺下原始紙質(zhì)地形圖的電子地圖。

基礎(chǔ)建模階段，在已得到電子地圖的基礎(chǔ)上，首先等高線屬性賦值實(shí)驗(yàn)為已有電子地形圖中的等高線進(jìn)行編輯，然后結(jié)合編輯好的等高線屬性信息選擇克里金插值方法得到柵格地形，對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行匯流累積量計(jì)算，得到相應(yīng)的水文分析模型。同時，結(jié)合點(diǎn)狀降水?dāng)?shù)據(jù)，選擇反距離加權(quán)插值法得到柵格降水模型。結(jié)合電子地圖中的河流信息，選擇緩沖區(qū)分析進(jìn)行分析區(qū)域圈定。最后，結(jié)合匯流累積量分析、數(shù)字降水模型及緩沖區(qū)分析的結(jié)果，結(jié)合水文信息，進(jìn)行面向氣象行業(yè)的專業(yè)分析。

結(jié)合水流、風(fēng)向等水文資料，設(shè)置洪水淹沒分析實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，對洪水淹沒變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。然后結(jié)合災(zāi)情數(shù)據(jù)進(jìn)行洪水淹沒災(zāi)害的風(fēng)險評估。考慮到工程應(yīng)用中災(zāi)害風(fēng)險評估的一般成果，再次耦合制圖綜合實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，將評估結(jié)果和原始地圖作為原始資料制作災(zāi)害分布圖。同時，分別設(shè)置實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)撰寫災(zāi)情分析報(bào)告并建立仿真環(huán)境下的災(zāi)情三維場景。

上述實(shí)驗(yàn)案例，通過對實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的重組，涵蓋了數(shù)據(jù)處理、基礎(chǔ)建模和行業(yè)應(yīng)用3個方面的能力訓(xùn)練，并通過分析報(bào)告、分布圖及三維場景的搭建，模擬了真實(shí)的工程應(yīng)用生產(chǎn)過程，符合綜合實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的要求。

三、分類耦合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

為增強(qiáng)綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性，在對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，還需要采用基于項(xiàng)目驅(qū)動的開發(fā)式啟發(fā)教學(xué)方法，在實(shí)驗(yàn)方式的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程的輔導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評價等方面進(jìn)行改革，輔助學(xué)生應(yīng)用能力的提升。

1. 項(xiàng)目驅(qū)動型教學(xué)

項(xiàng)目驅(qū)動型教學(xué)是一種基于建構(gòu)主義教學(xué)理論的教學(xué)方法[11]，在工程應(yīng)用型學(xué)科教學(xué)中備受推崇。項(xiàng)目驅(qū)動下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅在形式上與實(shí)際工程應(yīng)用更為接近，而且因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)和情節(jié)設(shè)計(jì)的真實(shí)性，比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)更能引起學(xué)生的共鳴。學(xué)生通過項(xiàng)目驅(qū)動型教學(xué)的學(xué)習(xí)，能夠增強(qiáng)其綜合分析的能力，更快適應(yīng)市場發(fā)展的需要。

以插值方法的實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)為例，單純的插值算法屬于計(jì)算方法的范疇，是數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)與運(yùn)算。插值得到的柵格模型是典型的空間數(shù)據(jù)模型，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，只能得到圖像形式的數(shù)據(jù)，無法與實(shí)際生產(chǎn)相聯(lián)系。采用項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)，可以將不同的插值方法與行業(yè)應(yīng)用結(jié)合起來。如以“制作1∶5萬數(shù)字高程模型”為目標(biāo)項(xiàng)目，則可以在對比不同插值方法的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生通過算法公式的比較、算法參數(shù)的配置及地形精度的評價等過程，選擇合適的插值方法來建立地形。在整個實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生不僅能夠了解插值算法公式本身，而且通過對參數(shù)的配置及精度的評定，熟悉了整個地形數(shù)據(jù)制作的工作流程。

同時，在表現(xiàn)形式上，也可以參考某些游戲的方式，針對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和難度級別，每個實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同級別的小任務(wù)，學(xué)生完成任務(wù)后，即可獲得相應(yīng)的能力積分，并進(jìn)入下一個級別的實(shí)驗(yàn)，在規(guī)定期限內(nèi)，根據(jù)最終的能力積分對學(xué)生的應(yīng)用能力進(jìn)行評估。

2. 啟發(fā)式教學(xué)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師需要在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中給出原始數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)步驟及最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生根據(jù)步驟依次完成后，與標(biāo)準(zhǔn)答案進(jìn)行比對。地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日新月異，新的應(yīng)用平臺層出不窮，因此，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，應(yīng)該摒棄傳統(tǒng)教學(xué)中固定步驟、固定答案對學(xué)生思維的束縛，盡量估計(jì)學(xué)生在已有的任務(wù)設(shè)定下，通過分組討論和自主學(xué)習(xí)來完成原始數(shù)據(jù)的搜集、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評估等工作。

啟發(fā)式教學(xué)是目前高等教育中對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)極為有效的教學(xué)方式[12]，該方法提倡以學(xué)生為本，采用多種辦法，通過調(diào)動學(xué)生的主觀能動意識，促使教學(xué)任務(wù)的主動推進(jìn)。因此，在地理信息系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，可以充分運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)，在相同任務(wù)目標(biāo)的前提下，鼓勵不同小組的學(xué)生尋找不同的數(shù)據(jù)生產(chǎn)或應(yīng)用方法。再通過匯報(bào)演講、組間互評等方法，增強(qiáng)學(xué)生對不同方法的認(rèn)識。同時，針對一些特殊的任務(wù)如路徑分析等任務(wù)，也可以將鼓勵學(xué)生將實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品以網(wǎng)頁或APP的形式，提供可供用戶使用的平臺，讓用戶來對實(shí)驗(yàn)的成果進(jìn)行評判。

四、結(jié)束語

通過對中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院2010級至2013級共360余名學(xué)生開設(shè)“地理信息系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)情況來看，該實(shí)驗(yàn)對學(xué)生地理信息應(yīng)用能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新性思維的養(yǎng)成起到了良好的促進(jìn)作用。學(xué)生普遍反映通過綜合實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，不僅能夠鞏固已有的專業(yè)知識，而且學(xué)會了如何將不同課程專業(yè)知識融會貫通，用以解決實(shí)際生產(chǎn)問題。同時，通過啟發(fā)式的教學(xué)，學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)可度也得到了大幅度提升，就業(yè)的信心也有所增強(qiáng)。

分類耦合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)充分體現(xiàn)了能力本位[13]的教育理念，從學(xué)生的能力培養(yǎng)出發(fā)，順應(yīng)了社會對地理信息產(chǎn)業(yè)的人才需求。通過能力的分類和實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的耦合，既鞏固了已有的知識點(diǎn)，又確保了知識在不同能力分類中的流動性，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生應(yīng)用能力的螺旋式上升。

分類耦合式地理信息綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，具有一定的復(fù)雜性，除了需要多門專業(yè)課程教師的通力合作外，還需要具體工程應(yīng)用項(xiàng)目的支持，根據(jù)地理信息系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，及時調(diào)整和更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，才能真正實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，提升地理信息系統(tǒng)畢業(yè)生的市場競爭力。

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徠卡測量新技術(shù)應(yīng)用專欄

Instructional Design of the GIS Comprehensive Practical Sessions by the Ability Classification and the Practical Node Coupling

ZHANG Wei，LIU Xiuguo，ZHANG Jianbo，WANG Xiaozui

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0500.

2015-10-08

湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項(xiàng)目(2013143)

張唯(1980—)，女，講師，博士，主要從事測繪科學(xué)與技術(shù)相關(guān)研究和教學(xué)工作。E-mail:zw_paper@163.com

王曉醉

G64

B

0494-0911(2016)05-0138-05

引文格式： 張唯，劉修國，張劍波，等. 分類耦合式地理信息系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)[J].測繪通報(bào)，2016(5)：138-142.