“空間信息與數(shù)字技術”專業(yè)建設研究—以中國地質(zhì)大學（武漢）為例

邵玉祥，彭 雷，王媛妮，李新川，翁正平

中國地質(zhì)大學（武漢） 計算機學院，湖北 武漢 430074

“空間信息與數(shù)字技術”專業(yè)建設研究—以中國地質(zhì)大學（武漢）為例

邵玉祥，彭 雷，王媛妮，李新川，翁正平

中國地質(zhì)大學（武漢） 計算機學院，湖北 武漢 430074

“空間信息與數(shù)字技術”專業(yè)教學模式、培養(yǎng)體系要創(chuàng)新，更要有特色。教學模式的創(chuàng)新在于專業(yè)與行業(yè)相結合，培養(yǎng)體系的特色體現(xiàn)在創(chuàng)建多目標培養(yǎng)方案。經(jīng)過多年的不懈努力，中國地質(zhì)大學（武漢）教學團隊在“空間信息與數(shù)字技術”專業(yè)建設方面探索了許多新思路、新方法、新途徑，深化了“面向?qū)ο蟆钡慕虒W理念，調(diào)整了專業(yè)建設思路，規(guī)范了專業(yè)培養(yǎng)架構，解決了課程設置中主線選取的不確定問題，及專業(yè)建設中教學內(nèi)容的定位模糊問題，對專業(yè)建設與人才培養(yǎng)模式進行了探索與實踐。

空間信息與數(shù)字技術；教學理念；面向?qū)ο螅坏刭|(zhì)體對象；地質(zhì)過程

“空間信息與數(shù)字技術”專業(yè)（簡稱，“空信專業(yè)”）的實質(zhì)是“空間信息數(shù)字化”，國外本專業(yè)統(tǒng)稱為“Geomatics”，中文譯為“地球空間信息學”[1]。國內(nèi)“空間信息與數(shù)字技術專業(yè)”主要分為兩個方向，一個是以武漢大學為代表的，以原先測繪、地理信息為背景發(fā)展起來的，側(cè)重點在于3S及其相關應用。一個是以西安電子科技大學為代表的，主要側(cè)重于深空探測與微波通信、衛(wèi)星定位導航技術與應用[2-3]。近年來隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術的發(fā)展，全國已有近20所院校分別依托各自原有的優(yōu)勢專業(yè)如測繪、計算機、地質(zhì)學、通信工程等開設了本專業(yè)。中國地質(zhì)大學（武漢）于2010年開始試辦，2014年9月教育部正式批準，目前歸屬于計算機學院的“計算機科學與技術”一級學科下，以地質(zhì)學、地質(zhì)資源勘查與工程優(yōu)勢學科為依托，服務于地礦工作信息化，研究理論是地質(zhì)信息科學與技術，研究目標是實現(xiàn)地質(zhì)學、資源勘查學、地質(zhì)工程中的計算機應用，研究對象的物理空間是地表及地下三維地質(zhì)空間[4-6]。

一、“面向?qū)ο蟆苯虒W理念

中國地質(zhì)大學（武漢）“空信專業(yè)”建設之初，由于對本專業(yè)的誤解或者理解不透徹，總覺得是計算機課程和地質(zhì)課程的簡單堆砌，沒有實現(xiàn)二者的實質(zhì)性融合。其實，我校開設“空信專業(yè)”既有理論支撐又有技術支持，特色在于用計算機技術解決地質(zhì)問題。為了實現(xiàn)計算機課程與地質(zhì)課程的水乳交融，解決課程設置、教學內(nèi)容知識點分解的主線問題，本專業(yè)教學團隊確立了“空信專業(yè)”面向?qū)ο蟮慕虒W理念，并貫穿于專業(yè)教學實踐過程的始終（圖1）?！翱招艑I(yè)”面向?qū)ο蠼虒W理念可以描述為：研究領域是地質(zhì)空間，研究對象是地質(zhì)實體，研究手段是計算機技術，把“地質(zhì)學”和“面向?qū)ο蠓椒▽W”兩門課程作為專業(yè)視角，對地質(zhì)空間（領域）中的地質(zhì)對象（實體）進行“類、對象、面向?qū)ο蟆钡闹R點分解。面向?qū)ο蠼虒W理念是指導“空信專業(yè)”課程資源配置、教學模塊拓展以及專業(yè)思維認知的主線。

從圖1可知，“空信專業(yè)”面向?qū)ο蠼虒W理念的起點是“地質(zhì)學”和“面向?qū)ο蠓椒▽W”兩門課程，這兩門專業(yè)基礎課程是學生形成專業(yè)思維、探索專業(yè)內(nèi)涵的核心課程，是專業(yè)課程設置中的重中之重?！暗刭|(zhì)學”課程描述的是地質(zhì)對象和地質(zhì)過程的初級階段，實質(zhì)是為學生規(guī)劃專業(yè)思維空間，目標是讓學生對專業(yè)體系和內(nèi)涵有清晰的輪廓，通過秭歸地質(zhì)實習對地質(zhì)對象和地質(zhì)過程有一個更深層次的認識?！懊嫦?qū)ο蠓椒▽W”課程描述的是類、對象、面向?qū)ο蟮乃季S、定義過程，目的是構建學生的專業(yè)思維模式。二者融合構成的“空信專業(yè)”面向?qū)ο蠼虒W理念，對教師而言規(guī)劃的是專業(yè)教學過程的主線，對學生而言描繪的是學習專業(yè)知識的輪廓。

圖1 “空信專業(yè)”面向?qū)ο蠼虒W理念及課程設置示意圖

二、“空信專業(yè)”課程設置方案

“空信專業(yè)”面向?qū)ο蠼虒W理念的核心在于面向?qū)ο笾械摹皩ο蟆倍x上。中國地質(zhì)大學“空信專業(yè)”面向的是“地質(zhì)體對象”，根據(jù)“面向?qū)ο蠓椒▽W”的理論觀點，對象就要有屬性（數(shù)據(jù)）和行為（操作），所以學習地質(zhì)體對象的屬性（數(shù)據(jù)）就要開設礦物巖石學、構造地質(zhì)學、地層學、遙感地質(zhì)學、綜合勘查學等課程，學習地質(zhì)體對象的行為（操作）就要開設地學三維可視化與過程模擬、地學數(shù)據(jù)分析、算法分析與設計等課程。有了“地質(zhì)體對象”就要面向“地質(zhì)體對象”進行程序設計，進行程序設計就要開設集成平臺課程（數(shù)據(jù)結構、操作系統(tǒng)、計算機組成原理、計算機網(wǎng)絡等），開發(fā)工具課程（C++、VC++、JAVA、C#、Web、Oracle等），實習實踐課程（綜合實習、軟件開發(fā)實習、畢業(yè)設計等）。面向“地質(zhì)體對象”進行程序設計的目標是開發(fā)軟件產(chǎn)品，所以需要開設系統(tǒng)設計課程（項目工程管理、地質(zhì)信息系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等）。

目前，我校“空信專業(yè)”課程設置共有六大教學模塊，分別為數(shù)據(jù)（屬性）模塊、操作（行為）模塊、集成平臺模塊、開發(fā)工具模塊、實習實踐模塊、系統(tǒng)設計模塊，如圖1所示。

三、“空信專業(yè)”學生培養(yǎng)架構

1.框架式教學內(nèi)容設計

歷經(jīng)6學年的專業(yè)發(fā)展，兩屆畢業(yè)生的培養(yǎng)實踐，本專業(yè)教學團隊完成了以“地質(zhì)體對象”為起點，以地質(zhì)信息系統(tǒng)集成為目標，以屬性獲取、行為定義為兩翼的框架式教學體系設計。具體而言，“空信專業(yè)”所有課程教學內(nèi)容是一個統(tǒng)一的整體，是分層遞進環(huán)環(huán)相扣的，每門課程教學內(nèi)容都是以地質(zhì)空間為研究領域，以面向?qū)ο蠼虒W理念為視角，以課程知識點對象化為教學手段，分解每門課程中的知識點，把知識點轉(zhuǎn)化為地質(zhì)體對象，抽象出地質(zhì)體對象中的數(shù)據(jù)結構和狀態(tài)過程，實現(xiàn)地質(zhì)體對象“類”的設計，把基于課程知識點的地質(zhì)體對象中的數(shù)據(jù)結構和狀態(tài)過程集成在一起，進行基于地質(zhì)空間的面向地質(zhì)體對象的教學內(nèi)容設計[7-8]。

2.立體教學模式

經(jīng)過多年的積累，基于“知識點分解+案例教學+項目教學”的三維立體教學模式已經(jīng)成熟。課堂教學以“知識點”為單元，每個知識點都被劃分為一個教學對象，教師上課之前首先完成課程知識點的分解，根據(jù)課時數(shù)進行知識點課堂解析以及課下導引配置。實驗教學采用“案例教學法”，實現(xiàn)課堂知識點與課后實驗的線性連接。軟件開發(fā)實習、課程設計、畢業(yè)設計都采用“項目教學法”，實現(xiàn)課程內(nèi)容全覆蓋?！爸R點分解+案例教學+項目教學”既是專業(yè)教學的三階段，也是學生培養(yǎng)的三部曲。知識點分解對應的是課程內(nèi)容的重點與難點，強化的是教師教學過程中的課前準備形式。案例教學實現(xiàn)的是課程知識點的鏈接，提高的是學生的實際動手能力。項目教學覆蓋的是教學案例，培養(yǎng)的是學生的綜合素質(zhì)[9-10]。

3.多層次的分級實踐教學體系

在課堂教學環(huán)節(jié)中，每個知識點都對應一個例題，在實踐教學環(huán)節(jié)中，每門課程實驗、課程設計都對應一個典型案例，在綜合實習、軟件開發(fā)實習中都對應一個小微型項目，在畢業(yè)設計中都完成一個由導師主導的企業(yè)項目模塊開發(fā)。經(jīng)過多年積累，“空信專業(yè)”多層次分級實踐教學體系已經(jīng)建設完成，而且實驗教材齊全，實驗成果豐富，實踐教學所需的案例素材庫、項目指導書都已經(jīng)出版成冊并投入使用。在具體的教學實踐中，應該注重課堂知識點與課外實踐典型案例的銜接，強調(diào)培養(yǎng)學生的實際動手能力。典型案例應精心設計、短小精悍。實踐項目注重對典型案例的匯總與銜接，不宜過大過難，關鍵在于培養(yǎng)學生綜合運用知識的能力。

4.專業(yè)知識與行業(yè)需求相結合，構建多目標培養(yǎng)體系

我?！翱招艑I(yè)”以“結合地學專業(yè)優(yōu)勢，培養(yǎng)地質(zhì)科學與信息技術相交叉的復合型專業(yè)人才”為目標，目的是為地質(zhì)、能源、交通、信息、通訊等行業(yè)服務。課堂教學傳授的是專業(yè)知識，把握的是理論體系，項目研發(fā)解決的是行業(yè)需求，提高的是實踐技能?！翱招艑I(yè)”的研究領域是地上下三維地質(zhì)空間，研究對象是地表及地下實體，研究開發(fā)的是兩大軟件工程，即地理信息系統(tǒng)和地質(zhì)信息系統(tǒng)。隨著航空航天技術的成熟與發(fā)展，遙感技術也是本專業(yè)的重點發(fā)展方向，目前本專業(yè)基于地質(zhì)空間、地理空間、遙感技術的三大核心科研方向已經(jīng)成型，多目標培養(yǎng)體系已經(jīng)建成。

四、“面向?qū)ο蟆苯虒W理念主要解決的關鍵問題

1.解決了課程設置主線選取的不確定問題

我?！翱招艑I(yè)”建設有它的歷史淵源，從教師組成來看，是由資源學院科研團隊與計算機學院教學團隊兩部分教師組成，從專業(yè)知識來看，是地學專業(yè)與計算機專業(yè)的結合，從課程設置來看，是地質(zhì)課程和計算機課程的融合，由此可見“空信專業(yè)”屬于交叉學科。但是在具體的專業(yè)課程設置中到底應該選擇哪些課程，為什么選擇這些課程，缺少一條貫穿于專業(yè)課程設置的主線，造成了課程設置主線選取的不確定問題，課程設置中出現(xiàn)了地質(zhì)課程與計算機課程的“兩層皮”現(xiàn)象。

面向?qū)ο蠼虒W理念很好的解決了這個問題。面向?qū)ο蠼虒W理念的前提是首先要有對象，要想有對象必須先定義對象，由此出現(xiàn)了定義對象的數(shù)據(jù)結構“類”。從面向?qū)ο蠓椒▽W角度而言，“類”是數(shù)據(jù)和操作的集合，是屬性和行為的抽象化集成，是面向?qū)ο蟪绦蛟O計的頂層數(shù)據(jù)結構。在地質(zhì)課程和計算機課程的融合過程中，貫穿面向?qū)ο蠼虒W理念這條主線而實施的“空信專業(yè)”課程設置六大教學模塊如圖1所示。由此可見，用面向?qū)ο蠼虒W理念來規(guī)范“空信專業(yè)”的課程設置，教學模塊分類清晰，教學內(nèi)容便于理解，實現(xiàn)了課程的精準定位，有效克服了地質(zhì)課程和計算機課程的“兩層皮”現(xiàn)象。

2.解決了課程設置中教學內(nèi)容的定位模糊問題

目前“空信專業(yè)”共有六大教學模塊（圖1），總計約40門教學課程。專業(yè)特色體現(xiàn)在研究領域是地質(zhì)空間，研究對象是地質(zhì)實體，研究手段是計算機技術，技術實質(zhì)是“空間信息數(shù)字化”。面對宏觀上的課程設置以及微觀上的專業(yè)特色，如何組織教學內(nèi)容，如何實現(xiàn)地質(zhì)課程和計算機課程教學內(nèi)容的水乳交融，更需要“面向?qū)ο蟆苯虒W理念做技術支持?！懊嫦?qū)ο蟆苯虒W理念的理論基礎是面向?qū)ο蠓椒▽W，研究對象是地質(zhì)實體即地質(zhì)體對象，在具體組織每門課程教學內(nèi)容過程中，首先分解每門課程中的知識點，然后把每門課程中的知識點轉(zhuǎn)化為地質(zhì)體對象。例如，地質(zhì)學課程中由知識點轉(zhuǎn)化后的地質(zhì)體對象包括：礦物、巖石、地質(zhì)構造、地質(zhì)過程、勘查手段等，教學內(nèi)容既有地質(zhì)體的屬性描述，又有地質(zhì)體對象的生成過程，把地質(zhì)體的屬性描述和生成過程集成在一起，進行基于地質(zhì)空間的面向地質(zhì)體對象的地質(zhì)學課程教學內(nèi)容設計。所以用面向?qū)ο蠼虒W理念來研究地質(zhì)實體，用知識點分解法來定位教學內(nèi)容，把知識點單元轉(zhuǎn)化為地質(zhì)體對象，針對地質(zhì)體對象組織教學內(nèi)容，解決了課程設置中教學內(nèi)容的定位模糊問題。

五、“面向?qū)ο蟆苯虒W理念的拓展應用

2015年11月，在廈門理工學院召開了“全國首屆空間信息與數(shù)字技術專業(yè)建設研討會”，并成立了“空間信息與數(shù)字技術專業(yè)建設聯(lián)盟”，2016年12月在武漢大學召開了“第二屆空間信息與數(shù)字技術專業(yè)建設研討會”。對與會院校專家代表的發(fā)言以及各校專業(yè)培養(yǎng)方案及課程配置分析可知，相同專業(yè)不同院校的研究領域和研究對象各不相同。例如，武漢大學研究領域為地上地理空間，研究對象包括地表、地形、地物等；西安電子科技大學主要研究外層空間，重點是深空探測、衛(wèi)星通信；上海海洋大學主要研究海洋，重點是海洋環(huán)境監(jiān)測與評價[11-12]。中國地質(zhì)大學（武漢）研究領域為地上、地下三維地質(zhì)空間，重點在于實現(xiàn)二維、三維地質(zhì)實體、地質(zhì)構造、地質(zhì)過程的空間信息數(shù)字化，以及地質(zhì)屬性的采集、管理、處理、建模、分析、編圖、評價和決策的地質(zhì)信息系統(tǒng)集成[13-14]。不同院校本專業(yè)的相同點都是引入了計算機課程，本質(zhì)上都是利用計算機技術解決自身所在的行業(yè)問題，不同點在于因不同院校的優(yōu)勢學科和服務行業(yè)不同而要求的課程配置不一樣。從表面上看是專業(yè)如何設置、課程如何配置、教學內(nèi)容如何組織的問題，從本質(zhì)上看還是專業(yè)教學理念問題，是課程優(yōu)化配置的主線問題，是教學模塊拓展以及專業(yè)定位與認知的問題。我?！翱招艑I(yè)”面向?qū)ο蠼虒W理念回答了為什么開設地質(zhì)類課程，應該開設那些地質(zhì)類課程，以及如何開設的問題。面向?qū)ο蠼虒W理念是貫穿“空信專業(yè)”體系建設的主線，是“空信專業(yè)”課程配置和教學內(nèi)容組織的立足點和落腳點，對其他兄弟院?！翱招艑I(yè)”建設與透視具有一定的參考價值。

六、結束語

中國地質(zhì)大學（武漢）“空信專業(yè)”特色在于用計算機技術解決地質(zhì)問題，如果拋開地質(zhì)類教學內(nèi)容，那么特色也就無從談起，但是如何組織教學內(nèi)容，如何實現(xiàn)計算機課程與地質(zhì)課程的水乳交融，是“空信專業(yè)”建設與發(fā)展急需解決的問題，用“面向?qū)ο蟆苯虒W理念來研究地質(zhì)對象，規(guī)劃專業(yè)建設，組織教學內(nèi)容，滲透行業(yè)發(fā)展，是“空信專業(yè)”建設與發(fā)展的新起點、新階段、新思維。

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spatial information and digital technotogy; teaching idea; object-oriented;geological object; geological process

G640

A

1006-9372（2017）04-00023-04

Title:Construction on Spatial Information and Digital Technology Specialty in China University of Geosciences(wuhan)

Author(s):SHAO Yu-xiang, PENG Lei, WANG Yuan-ni, LI Xin-chuan, WENG Zheng-ping

2017-04-05；

2017-09-11。

中國地質(zhì)大學（武漢）校級教學研究項目（2015A44）；智能地學信息處理湖北省重點實驗室開放研究課題（GIP201606）。

邵玉祥，男，副教授，主要研究方向為高性能計算、數(shù)據(jù)庫與大數(shù)據(jù)技術。

投稿網(wǎng)址： www.chinageoeducation.net.cn 聯(lián)系郵箱：bjb3162@cugb.edu.cn

邵玉祥，彭雷，王媛妮，等．“空間信息與數(shù)字技術”專業(yè)建設研究以中國地質(zhì)大學（武漢）為例[J]．中國地質(zhì)教育，2017，26（4）：23-26.