高等教育中GIS開發(fā)課程群改革與能力培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐

馮永玖　高峰　劉瑜　李陽(yáng)東

【摘 要】地理信息系統(tǒng)（GIS）開發(fā)課程群是高等教育中遙感GIS類的核心課程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的空間思維、數(shù)據(jù)處理能力、解決空間問題的能力起到至關(guān)重要的作用。本課程群包括《地理信息系統(tǒng)》、《可視化程序設(shè)計(jì)》、《GIS開發(fā)與應(yīng)用》、《WebGIS原理與開發(fā)》和《GIS綜合應(yīng)用實(shí)習(xí)》等5門理論與實(shí)踐課程。在課程群改革之前，各門開發(fā)課程采用的編程語(yǔ)言不一致，經(jīng)過課程的銜接改革統(tǒng)一使用C#語(yǔ)言，課程群的整體性得到了極大的提升，同時(shí)也極大地激發(fā)了學(xué)生的興趣、培養(yǎng)了他們的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】地理信息系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)編程；課程群；教學(xué)改革；創(chuàng)新實(shí)踐

0 引言

地理信息系統(tǒng)（GIS）是集空間數(shù)據(jù)采集、輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析和顯示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，近十余年來備受各界關(guān)注。由于GIS處理的數(shù)據(jù)具有空間位置特征，它幾乎與全世界80%的數(shù)據(jù)有關(guān)系或關(guān)聯(lián)。因此，在高等教育中許多院校均開設(shè)了GIS相關(guān)的課程，海洋類高校如上海海洋大學(xué)就是其中典型例子。GIS在海洋及海岸帶領(lǐng)域，不僅能夠采集、處理和顯示野外獲取的數(shù)據(jù)、遙感影像等空間數(shù)據(jù)，也能夠進(jìn)行海洋資源環(huán)境數(shù)據(jù)的深度分析，以揭示這些信息的空間分布、運(yùn)動(dòng)和時(shí)間變動(dòng)特征。

GIS相關(guān)的課程除了理論與算法，更重要的是通過計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)這些理論與算法，這就是GIS設(shè)計(jì)、開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。GIS開發(fā)涉及方方面面的知識(shí)與技術(shù)，包括獨(dú)立主機(jī)程序和萬維網(wǎng)GIS程序，涉及的語(yǔ)言包括C++、C#、VB.NET、JavaScript等。上海海洋大學(xué)將GIS開發(fā)能力的培養(yǎng)作為海洋技術(shù)專業(yè)本科生的必備技能。是開發(fā)與利用海洋資源和能源、拓展人類生存空間的技術(shù)。因此，對(duì)GIS開發(fā)課程群進(jìn)行必要的梳理、改革和創(chuàng)新，是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的前提條件。

1 GIS開發(fā)課程群與關(guān)系

GIS開發(fā)課程群首先包括基礎(chǔ)理論部分，即《地理信息系統(tǒng)理論與方法》，采用國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材；同時(shí)包括計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言基礎(chǔ)《可視化程序設(shè)計(jì)》，用C#語(yǔ)言進(jìn)行講授。“可視化程序設(shè)計(jì)”與大學(xué)生在第一年級(jí)學(xué)習(xí)的C++語(yǔ)言有所不同，它更加注重應(yīng)用而非基礎(chǔ)語(yǔ)言，同時(shí)為后續(xù)GIS開發(fā)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！禛IS開發(fā)與應(yīng)用》和《WebGIS原理與開發(fā)》是海洋技術(shù)專業(yè)中分別針對(duì)獨(dú)立主機(jī)程序和網(wǎng)絡(luò)程序的兩門GIS開發(fā)課程，是GIS開發(fā)課程群的核心部分。在經(jīng)過上述鍛煉之后，學(xué)生通過《GIS綜合應(yīng)用實(shí)習(xí)》進(jìn)行GIS開發(fā)與應(yīng)用的深度實(shí)踐。

在GIS開發(fā)中，涉及的主要內(nèi)容有：（1）GIS應(yīng)用與開發(fā)概論、基礎(chǔ)、應(yīng)用特點(diǎn)；（2）GIS系統(tǒng)分析、需求分析、以及ArcGIS開發(fā)系列軟件；（3）GIS總體設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)；（4）GIS實(shí)施與維護(hù)、測(cè)試與評(píng)價(jià)；（5）應(yīng)用型GIS程序?qū)嵗帉憽?/p>

2 課程群教學(xué)改革成效

2.1 可視化程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了GIS編程的基礎(chǔ)夯實(shí)

在2013年之前，GIS開發(fā)類課程使用了不同的語(yǔ)言，如《可視化程序設(shè)計(jì)》使用Visual C++語(yǔ)言和平臺(tái)，這是微軟在全球范圍應(yīng)用非常廣的平臺(tái)。學(xué)生在大一期間雖然已經(jīng)學(xué)習(xí)過《C++程序設(shè)計(jì)》，但是主要以講授語(yǔ)法為主，不涉及可視化程序設(shè)計(jì)，缺乏GIS開發(fā)相關(guān)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。此外，早期GIS獨(dú)立主機(jī)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言是Visual Basic語(yǔ)言，所以后續(xù)GIS獨(dú)立主機(jī)程序設(shè)計(jì)均采用VB.NET。這造成了前期基礎(chǔ)課程使用的程序語(yǔ)言與后續(xù)GIS開發(fā)課程并不一致，學(xué)生在語(yǔ)言轉(zhuǎn)換上需要花費(fèi)很多課時(shí)，并且最終的掌握程度并不理想。

近4年，基于ArcGIS的獨(dú)立主機(jī)開發(fā)在首選語(yǔ)言已經(jīng)定為C#，原VB.NET則成為第二建議語(yǔ)言。因此，為了夯實(shí)海洋技術(shù)專業(yè)學(xué)生的語(yǔ)言基礎(chǔ)，并且為今后更高難度的GIS開發(fā)課程打下基礎(chǔ)，經(jīng)過課程群多次研討，統(tǒng)一GIS獨(dú)立主機(jī)程序開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言為C#，實(shí)現(xiàn)了課程之間的承繼和無縫銜接。

通過程序語(yǔ)言的改革和統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了各課程之間的整體性，同時(shí)夯實(shí)了與GIS相關(guān)的可視化程序設(shè)計(jì)的主要技術(shù)基礎(chǔ)，包括：界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)建立、記錄修改和刪除、計(jì)算機(jī)繪圖、通過程序語(yǔ)言操作表格、空間數(shù)據(jù)顯示與處理等，它們密切地與后續(xù)學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容相關(guān)。

2.2 GIS獨(dú)立主機(jī)程序設(shè)計(jì)改革提高了學(xué)生開發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐能力

《GIS開發(fā)與應(yīng)用》一直是海洋技術(shù)專業(yè)的核心課程，在本專業(yè)2007年開設(shè)之始就是其中一門重要課程。但是，我們之前一直使用VB或VB.NET進(jìn)行教學(xué)（因?yàn)楫?dāng)時(shí)VB是GIS獨(dú)立主機(jī)開發(fā)的首選程序語(yǔ)言），但是隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，ArcGIS已經(jīng)將首選語(yǔ)言定為C#，我們的改革勢(shì)在必行。然而，在課程群開展承繼改革之前，學(xué)生沒有C#相關(guān)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，勢(shì)必要對(duì)C#語(yǔ)言的基礎(chǔ)進(jìn)行講授，浪費(fèi)了一定的課時(shí)量。

2014年，《GIS開發(fā)與應(yīng)用》作為市教委重點(diǎn)建設(shè)課程，改革的內(nèi)容就是將開發(fā)語(yǔ)言變?yōu)镃#，這涉及到教師教案和各種教學(xué)程序的重寫，目前我們已經(jīng)圓滿完成這項(xiàng)工作。我們將重點(diǎn)課程建設(shè)的成果應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)中，取得了良好的效果，包括學(xué)生能夠使用已經(jīng)熟悉的C#程序語(yǔ)言編寫GIS獨(dú)立主機(jī)程序、實(shí)現(xiàn)從GIS的矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)到3D數(shù)據(jù)的顯示、處理、分析和輸出。經(jīng)過程序設(shè)計(jì)和開發(fā)的實(shí)踐，80%的學(xué)生能夠編寫比較完整的GIS獨(dú)立主機(jī)程序。

課程的承繼改革實(shí)現(xiàn)了教學(xué)的整體性，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)編程的自信心，實(shí)現(xiàn)了GIS開發(fā)能力的培養(yǎng)和實(shí)質(zhì)性提高，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)GIS程序編寫、綜合實(shí)踐創(chuàng)新、并進(jìn)入相關(guān)公司工作打下了良好的基礎(chǔ)。

2.3 WebGIS開發(fā)擴(kuò)寬了GIS開發(fā)的范疇和應(yīng)用領(lǐng)域

WebGIS是目前GIS應(yīng)用的趨勢(shì)，也是GIS的核心技術(shù)之一，WebGIS不僅能夠方便用戶訪問，而且能夠獲得可觀的商業(yè)利益，比如Google地圖和Baidu地圖等。

WebGIS是可視化程序設(shè)計(jì)與獨(dú)立主機(jī)GIS的高級(jí)階段。學(xué)生在系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了C#和GIS獨(dú)立主機(jī)開發(fā)之后，對(duì)利用高級(jí)程序語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)已經(jīng)有比較好的認(rèn)識(shí)，能夠在較短時(shí)間內(nèi)理解和融會(huì)貫通基于Web的程序語(yǔ)言，前期課程所學(xué)能夠在后期課程中較好地得到應(yīng)用，充分體現(xiàn)課程群的延續(xù)性和承繼性。WebGIS課程利用ArcGIS API for Javascript，教授學(xué)生熟練運(yùn)用HTML、ArcGIS、CSS、JavaScript、DOM、BOM等技術(shù)，編寫網(wǎng)絡(luò)GIS應(yīng)用程序。endprint

在講授過程內(nèi)容中，課程群不僅涉及專業(yè)領(lǐng)域WebGIS的編寫，而且初步介紹了基于IOS和Android的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的編寫。讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)GIS開發(fā)能力的升華，從而拓展專業(yè)技能，為順利進(jìn)入綜合實(shí)習(xí)階段和職業(yè)生涯奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.4 大創(chuàng)、實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了GIS開發(fā)能力的全方位鍛煉

在掌握了GIS開發(fā)從基礎(chǔ)到高階的技術(shù)之后，根據(jù)教學(xué)計(jì)劃的安排，學(xué)生會(huì)在大創(chuàng)和《GIS綜合應(yīng)用實(shí)習(xí)》中得到進(jìn)一步的綜合性、全方位的鍛煉。學(xué)生可以選擇處理遙感與GIS等空間數(shù)據(jù)，也可以選擇利用高級(jí)程序語(yǔ)言編寫一個(gè)相對(duì)完整的GIS系統(tǒng)。編寫GIS程序是一個(gè)難度較大的任務(wù)，但是學(xué)生有比較好的基礎(chǔ)，并且當(dāng)自己編寫的程序能夠良好地運(yùn)行時(shí)，能夠獲得巨大的成就感。這一階段是綜合性的鍛煉和實(shí)踐，課程群不再指定學(xué)生作業(yè)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，讓他們充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新思維，教師組適時(shí)進(jìn)行針對(duì)性的指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)自身能力的提高升華。同樣，在畢業(yè)論文階段，有關(guān)GIS的技術(shù)還會(huì)再一次得到加強(qiáng)和鍛煉，大部分學(xué)生在進(jìn)行GIS的開發(fā)項(xiàng)目時(shí)能夠完成具有充分創(chuàng)新性的成果。

3 結(jié)論

GIS課程群是上海海洋大學(xué)海洋技術(shù)專業(yè)的核心課程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的空間思維、數(shù)據(jù)處理能力、實(shí)踐實(shí)干能力，解決空間問題的能力起到至關(guān)重要的作用。在課程群改革之前，各門開發(fā)課程采用的編程語(yǔ)言不一致（如C++、C#和VB.NET等），經(jīng)過課程的銜接改革統(tǒng)一使用C#語(yǔ)言，課程群的整體性得到了極大的提升，學(xué)生在接受相關(guān)知識(shí)和技能時(shí)能夠變得不那么困難，掌握程度也更加牢靠，同時(shí)也極大地激發(fā)了他們的興趣、培養(yǎng)了他們的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

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