地理信息系統(tǒng)綜合應(yīng)用實(shí)習(xí)課程的建設(shè)與創(chuàng)新

曾文　龔君芳　王慧敏

摘 要 技術(shù)實(shí)踐能力培養(yǎng)是地理信息系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)教學(xué)的重要內(nèi)容。雖然地理信息系統(tǒng)相關(guān)實(shí)踐課程眾多，但往往針對(duì)具體專門領(lǐng)域的訓(xùn)練，綜合性實(shí)踐課程仍然缺乏。針對(duì)設(shè)計(jì)的中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地理信息科學(xué)專業(yè)課程——地理信息系統(tǒng)綜合應(yīng)用實(shí)習(xí)，本文介紹了課程目標(biāo)、內(nèi)容設(shè)置和實(shí)施過程方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并對(duì)連續(xù)4年的實(shí)習(xí)情況進(jìn)行了分析。實(shí)踐證明，學(xué)生通過該課程學(xué)會(huì)了將專業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合整理，并應(yīng)用到具體項(xiàng)目之中，既提高了實(shí)踐技能，又培養(yǎng)了分析解決問題和團(tuán)隊(duì)合作的能力。

關(guān)鍵詞 地理信息系統(tǒng) 實(shí)踐教學(xué) 綜合應(yīng)用實(shí)習(xí) 課程改革

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.10.062

Construction and Innovation of Geographic Information

System Comprehensive Practical Course

ZENG Wen， GONG Junfang， WANG Huimin

（School of Information Engineering， China University of Geosciences， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract Cultivating technical practice ability plays an important role in geographic information system （GIS） education. Although there are many GIS-related practical courses， most of them are designed for specific training purposes and meanwhile comprehensive practical courses are still lacking. This paper introduces the design of GIS comprehensive practical course of geographic information science specialty in China University of Geosciences （Wuhan）. Purposes， contents and procedures of this course are all innovatively designed and implement results during the last 4 years are analyzed. It is proved that completion of the course helps students integrate and apply professional knowledge into a specific project， and hence promote their practical skills as well as their abilities of analyzing & handing problems， and working together as a team.

Keywords geographic information systems； practice teaching； comprehensive practical course； curriculum reform

0 引言

近年來，隨著數(shù)字地球、智慧城市以及各行業(yè)信息化建設(shè)的推廣和升級(jí)，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)及其應(yīng)用得到了快速發(fā)展，[1]GIS專業(yè)人才的需求急劇增長。各個(gè)行業(yè)日益廣泛的 GIS應(yīng)用工程，對(duì)高校 GIS專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生提出了更高的要求，要求他們?cè)谠鷮?shí)理論基礎(chǔ)之外，更要具備過硬的實(shí)踐能力與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能力。[2]

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）的GIS專業(yè)非常重視實(shí)踐教學(xué)，開設(shè)了一系列實(shí)踐課程，[3]僅獨(dú)立的課程設(shè)計(jì)就涵蓋計(jì)算機(jī)高級(jí)語言、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用、空間數(shù)據(jù)庫等方面，還有自然地理與地質(zhì)學(xué)野外實(shí)習(xí)、測(cè)量學(xué)實(shí)習(xí)、地圖學(xué)實(shí)習(xí)等實(shí)習(xí)課程。學(xué)生通過這些課程的學(xué)習(xí)，自身實(shí)踐能力有一定的提高。但是，這些實(shí)踐課程只針對(duì)專門課程或具體知識(shí)點(diǎn)，相互之間缺少配合與銜接，不利于學(xué)生掌握系統(tǒng)性完整性的知識(shí)和技能，難以滿足社會(huì)對(duì) GIS 應(yīng)用人才的需求。[4]

因此，我們從2014年開始，在大三下學(xué)期期末開設(shè)了GIS綜合應(yīng)用實(shí)習(xí)課程。為期三周，合計(jì)4.5個(gè)學(xué)分。該課程面向?qū)嶋H應(yīng)用和工程需求，引導(dǎo)學(xué)生消化梳理所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，自主分析思考，綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)與技能，依據(jù) GIS 數(shù)據(jù)工程和軟件工程的原理和方法，自己動(dòng)手，實(shí)現(xiàn)一個(gè)綜合性GIS應(yīng)用系統(tǒng)。[5]

1 定位與目標(biāo)——知識(shí)貫通，綜合實(shí)踐，構(gòu)建完整系統(tǒng)

GIS專業(yè)的學(xué)習(xí)涉及地理學(xué)、信息科學(xué)、測(cè)繪科學(xué)、地圖制圖學(xué)等眾多學(xué)科，覆蓋面極廣，[6][7]需要在對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)有了一定的積累之后進(jìn)行系統(tǒng)的整理歸納，通過實(shí)習(xí)實(shí)踐綜合應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)問題，提高自主思考、自主解決實(shí)際問題的能力。[8]

GIS 綜合應(yīng)用實(shí)習(xí)課程的設(shè)置，高度契合GIS專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，是培養(yǎng)GIS工程師或設(shè)計(jì)師的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，同時(shí)也是學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)與實(shí)習(xí)的提前操練。課程目標(biāo)是促使學(xué)生：（1）加深對(duì)測(cè)繪工程、GIS原理、GIS工程、空間分析、GNSS等專業(yè)課程的理解掌握，將所學(xué)的GIS知識(shí)進(jìn)行綜合整理；（2）通過構(gòu)建一個(gè)完整的 GIS 應(yīng)用原型系統(tǒng)，熟悉掌握數(shù)據(jù)采集、處理、分析和展示的技術(shù)設(shè)備和技術(shù)手段，為實(shí)際工作中的GIS應(yīng)用構(gòu)建打下基礎(chǔ)；（3）理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)會(huì)獨(dú)立分析、積極思考、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并精益求精地解決問題；（4）培養(yǎng)GIS需求分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力；（5）培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神，以及任務(wù)分工和協(xié)同工作能力。

2 內(nèi)容設(shè)置——校園為題，數(shù)據(jù)為基，鼓勵(lì)應(yīng)用創(chuàng)新

課程設(shè)計(jì)了與學(xué)生最熟悉的校園環(huán)境相關(guān)的若干綜合性項(xiàng)目課題，如數(shù)字校園、校園房產(chǎn)、校園管網(wǎng)等，學(xué)生自主組成3～5人的團(tuán)隊(duì)，針對(duì)所選題目，進(jìn)行外業(yè)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)建庫、專題展示、查詢統(tǒng)計(jì)分析、成果輸出，并構(gòu)建桌面 GIS（C/S結(jié)構(gòu)）、WebGIS （B/S 結(jié)構(gòu)） 或移動(dòng)GIS（M/S結(jié)構(gòu)）形式的軟件系統(tǒng)。

題目具體要求如下：

（1）三維數(shù)字校園。建立三維虛擬校園，清晰逼真展示校園內(nèi)的每棟建筑、道路、綠化帶、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等區(qū)域的外在形象及周邊環(huán)境，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景放大、縮小和漫游，并根據(jù)需要提供文字、圖片、視頻，360全景多角度標(biāo)記展示功能。系統(tǒng)在三維建模和場(chǎng)景展示的基礎(chǔ)上，應(yīng)開發(fā)功能，針對(duì)特定人群（學(xué)生、教師、游客等）提供有價(jià)值的空間信息服務(wù)，例如指路、導(dǎo)購等。

（2）校園房產(chǎn)系統(tǒng)。對(duì)校園房產(chǎn)數(shù)據(jù)（包括校園東區(qū)、西區(qū)、北區(qū)的教學(xué)樓、宿舍樓、實(shí)驗(yàn)樓、辦公樓、家屬樓、圖書館等）進(jìn)行采集、整理、數(shù)字化，完成屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)的建庫處理，進(jìn)行系統(tǒng)需求分析、功能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)校園房產(chǎn)的輸入、編輯、瀏覽、查詢、統(tǒng)計(jì)與輸出等數(shù)字化管理。系統(tǒng)應(yīng)在房產(chǎn)數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，自主添加輔助專題數(shù)據(jù)，開發(fā)專題管理或分析決策功能，如：管理和養(yǎng)護(hù)房屋相關(guān)資產(chǎn)和設(shè)備，統(tǒng)計(jì)對(duì)比二級(jí)單位房屋、設(shè)備資產(chǎn)占有量，提供自習(xí)教室查詢及分析上課地點(diǎn)安排合理性，等等。

（3）校園管網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)。地下管網(wǎng)擔(dān)負(fù)物資、能源和信息的傳輸作用，是校園重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是學(xué)校生存和發(fā)展的物質(zhì)保證之一。隨著教育事業(yè)的發(fā)展和校園規(guī)模的擴(kuò)大，校園地下管網(wǎng)變得越來越復(fù)雜，已涵蓋給排水網(wǎng)、熱力管網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)、電力網(wǎng)、通訊網(wǎng)等多種類型。本課題旨在應(yīng)用GIS理論與技術(shù)對(duì)校園地下管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行管理，有效地解決管網(wǎng)資料的存儲(chǔ)、查詢、管理和分析。學(xué)生應(yīng)基于自己的知識(shí)背景和行業(yè)理解，在系統(tǒng)中提供一定的生活服務(wù)或輔助決策功能，例如：漬澇易發(fā)點(diǎn)識(shí)別管理、 管道間距安全分析、應(yīng)急關(guān)閥分析、WiFi 熱點(diǎn)覆蓋分析，等等。

從以上題目的設(shè)置可以看到，課程任務(wù)并非封閉和固化，并未對(duì)軟件架構(gòu)、開發(fā)語言、GIS 平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)作出限定，每個(gè)題目的內(nèi)容都有“規(guī)定動(dòng)作”和“自選動(dòng)作”。但是，鑒于課程的定位和目標(biāo)，實(shí)習(xí)指導(dǎo)書強(qiáng)調(diào)了對(duì)實(shí)現(xiàn)方案的基本要求：（1）數(shù)據(jù)必須體現(xiàn)空間性，具有明確的坐標(biāo)參照；（2）系統(tǒng)必須進(jìn)行地圖展示，支持圖上查詢；（3）必須運(yùn)用空間分析方法實(shí)現(xiàn)自選功能。

3 實(shí)施與考核——分組執(zhí)行，自主設(shè)計(jì)，管控實(shí)施過程

課程教學(xué)采取以學(xué)生為主體，教師從旁協(xié)助輔導(dǎo)的方式，最大化地鍛煉和展示學(xué)生能力。學(xué)生自主選題，自主設(shè)計(jì)實(shí)施細(xì)節(jié)。老師重點(diǎn)在于前期參與學(xué)生選題的討論，嚴(yán)格過程管理，抓實(shí)中期檢查和后期考核，以考促學(xué)。

課程管理采用專業(yè)—班級(jí)—小組3級(jí)體系，通過嚴(yán)格的考核制度保證實(shí)習(xí)紀(jì)律和實(shí)習(xí)時(shí)間，通過里程碑式檢查保證任務(wù)按時(shí)完成。3～5人的實(shí)習(xí)小組按照性格貼合、能力互補(bǔ)、分工明確的方式組合，形成團(tuán)隊(duì)綜合能力最大化模式。工作成果及實(shí)習(xí)報(bào)告以小組為單位提交，實(shí)習(xí)報(bào)告及終期匯報(bào)中需要明確說明組內(nèi)各成員的工作內(nèi)容以及實(shí)際貢獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)習(xí)過程中的階段性檢查，基本杜絕了濫竽充數(shù)情況的發(fā)生。

課程相關(guān)工作分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分。實(shí)地測(cè)繪、數(shù)據(jù)收集和移動(dòng)終端應(yīng)用測(cè)試在地大校園進(jìn)行，數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)入庫、軟件開發(fā)和系統(tǒng)構(gòu)建在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

學(xué)生的最后成績(jī)由平時(shí)表現(xiàn)、中期檢查、結(jié)課檢查三部分構(gòu)成，平時(shí)表現(xiàn)和中期檢查各占比20%，結(jié)課檢查（實(shí)習(xí)報(bào)告和終期匯報(bào)）占比60%，最終評(píng)分結(jié)構(gòu)如表1所示。

4 實(shí)習(xí)情況分析——興趣濃厚，形態(tài)多樣，體現(xiàn)技術(shù)趨勢(shì)

多數(shù)學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出很大的興趣和創(chuàng)造熱情，在備選題目范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了有趣而多樣的應(yīng)用。一些小組將幾個(gè)題目的內(nèi)容融合在一起實(shí)現(xiàn)，比如“校園三維房產(chǎn)管理系統(tǒng)”；一些小組將校園三維場(chǎng)景與互聯(lián)網(wǎng)商務(wù)相結(jié)合，如“舌尖上的地大”；還有小組將房產(chǎn)與課表結(jié)合起來，分析評(píng)估各學(xué)院學(xué)生一天的平均行走距離。

根據(jù)4年來的教學(xué)統(tǒng)計(jì)，在選題方面，超過60%的小組開發(fā)了校園房產(chǎn)系統(tǒng)，30%左右的小組選擇了三維數(shù)字校園，開發(fā)校園管網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)的小組較少。通過與學(xué)生的交流發(fā)現(xiàn)，這種狀況主要源于數(shù)據(jù)采集的難易程度，也與學(xué)生的行業(yè)背景知識(shí)有關(guān)。在數(shù)據(jù)采集方面，使用全站儀的小組多于使用 GPS 設(shè)備的小組，這與前期學(xué)生測(cè)繪知識(shí)和技能的掌握有關(guān)。值得指出的是，有小組充分運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)資源，將OpenStreetMap 數(shù)據(jù)、百度地圖和自行測(cè)繪得到的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)融合使用。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，使用 SQL SERVER的小組最多，其次是使用桌面數(shù)據(jù)庫 MDB，也有少數(shù)小組使用 Oracle；在二維 GIS平臺(tái)的使用上，涵蓋ArcGIS、MapGIS、SuperMap、QGIS 等常見軟件；三維 GIS 平臺(tái)則更為多樣，包括Skyline、Unity 3D、HopeMap 3D、GMGlobe等。

在系統(tǒng)形態(tài)方面，基于瀏覽器B/S構(gòu)架的系統(tǒng)最多，面向桌面系統(tǒng)的C/S構(gòu)架次之。支持移動(dòng)智能終端（手機(jī)和平板）的系統(tǒng)，都同時(shí)開發(fā)了瀏覽器訪問頁面。 B/S構(gòu)架的系統(tǒng)使用 Java Script 占多數(shù)，其次是采用.Net 體系。C/S 構(gòu)架，使用微軟公司 Visual Studio 的 WinForm 框架的系統(tǒng)占主導(dǎo)。但一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，2017年開發(fā)桌面系統(tǒng)的小組已有近一半使用 Qt框架。為數(shù)不多的 M/S移動(dòng)端開發(fā)均基于Android，沒有小組在iOS上進(jìn)行開發(fā)。

5 結(jié)語

GIS 綜合應(yīng)用實(shí)習(xí)課程的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了系統(tǒng)性、完整性、全流程和工程化的原則。系統(tǒng)性方面，涵蓋數(shù)據(jù)、設(shè)備、軟件和應(yīng)用；完整性方面，提出一個(gè)具體應(yīng)用需求，完成完整的解決方案；“全流程”指的是覆蓋數(shù)據(jù)的采集、建庫、管理、分析和應(yīng)用；“工程化”指的是按照軟件工程的原則和方法進(jìn)行開發(fā)并提交相關(guān)文檔報(bào)告。

該課程的建設(shè)實(shí)踐，則體現(xiàn)出開放性、啟發(fā)式、自主性、組織化等特點(diǎn)：（1）自選動(dòng)作培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力；（2）教師全程觀察，適時(shí)點(diǎn)撥，授之以漁而非授之以魚；（2）鼓勵(lì)自主選擇技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)百花齊放；（4）自由組合，以小組形式完成項(xiàng)目，既考核系統(tǒng)整體，也注重個(gè)人貢獻(xiàn)。

在設(shè)計(jì)和實(shí)踐方面的一系列創(chuàng)新，使得課程受到學(xué)生普遍歡迎，達(dá)到良好的教學(xué)效果。連續(xù)4個(gè)年級(jí)的實(shí)踐表明，在提煉需求小組討論設(shè)計(jì)方案分工執(zhí)行集成匯總解決問題的過程中，學(xué)生普遍能夠獨(dú)立分析問題和解決問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力得到顯著提高，形成了樂于協(xié)作、勇于創(chuàng)新、認(rèn)真踏實(shí)的工作態(tài)度。課程的設(shè)計(jì)和實(shí)踐達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)。

從學(xué)生實(shí)習(xí)成果的分析，可以體察一些明顯的技術(shù)趨向（如 Qt 的崛起和開源平臺(tái)的流行），也發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有專業(yè)教學(xué)的欠缺（如 GPS 測(cè)繪、移動(dòng) GIS、3S集成），為 GIS 專業(yè)進(jìn)一步的教學(xué)改革提供了有價(jià)值的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 龔健雅，王國良.從數(shù)字城市到智慧城市：地理信息技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)[J].測(cè)繪地理信息，2013.38（2）：1-6.

[2] 賈澤露.GIS專業(yè)實(shí)踐教學(xué)綜合改革研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2007.32（6）：199-201.

[3] 鄭貴洲，林偉華，彭俊芳.地理信息科學(xué)專業(yè)多層次實(shí)踐體系構(gòu)建及學(xué)生綜合能力培養(yǎng)[J].測(cè)繪與空間地理信息，2018（2）：14-17.

[4] 黃解軍，袁艷斌，張曉盼，詹云軍，崔巍.面向地理信息系統(tǒng)（GIS）專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的教學(xué)改革與探索[J].大學(xué)教育，2013（11）：93-94.

[5] 龔君芳，王改芳，李圣文.“GIS綜合應(yīng)用實(shí)習(xí)”課程改革探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015.32（3）：216-218.

[6] 陳正江，湯國安，任曉東.地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[7] 張新長，任伏虎，郭慶勝，曾文，王海鷹.地理信息系統(tǒng)系統(tǒng)工程[M].北京：測(cè)繪出版社，2015.

[8] 呂建軍，龔君芳，許勇，李干鵬.地理信息系統(tǒng)開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018.35（5）：138-141.