計(jì)算思維在WebGIS開發(fā)與應(yīng)用教學(xué)中的研討

楊元維 高賢君

摘要：地理信息科學(xué)專業(yè)中計(jì)算思維模式的培養(yǎng)越來越受到廣大高校教師的關(guān)注?！禬ebGIS開發(fā)與應(yīng)用》是一門綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，對(duì)于學(xué)生思維能力、理解能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力以及其綜合素質(zhì)等方面起著至關(guān)重要的作用。對(duì)基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的WebGIS開發(fā)與應(yīng)用教學(xué)進(jìn)行研究和分析，設(shè)計(jì)以計(jì)算思維模式為主線的課程教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容，分析計(jì)算思維在本課程中的應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；WebGIS；實(shí)踐教學(xué)；Web編程；空間分析

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）28-0100-02

Teaching Thinking of Oriented Computational Thinking of Web Program Design Course

YANG Yuan-wei， GAO Xian-jun

（1.School of Geosciences， Yangtze University， Wuhan 430100， China）

Abstract： In recent years， the cultivation of Computational Thinking Mode in geographic information science is attracting more and more attention from university teachers. WebGIS Development and Application is a comprehensive and practical course， which plays an important role in students' thinking ability， understanding ability， practical ability， innovative ability and comprehensive quality. This paper studies and analyzes the WebGIS development and application teaching based on the cultivation of Computational Thinking ability， designs the teaching objectives and contents with the computational thinking mode as the main line， and analyzes the application and effect evaluation of the computational thinking mode in this course.

Key words： Computational thinking； WebGIS； practice teaching； Web programming； Spatial Analysis

WebGIS（網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)，Web Geographic Information Science）是指在Web環(huán)境下既能實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的檢索、查詢、制圖輸出、編輯及空間分析等GIS基本功能，又能提供地理信息服務(wù)發(fā)布、共享和交流協(xié)作等高級(jí)功能的GIS系統(tǒng)[1]。其通常作為地理信息科學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，其先修課程包括《計(jì)算方法》、《C#程序設(shè)計(jì)》、《網(wǎng)絡(luò)編程（Java）》和《地理信息信息原理》等課程，是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合且應(yīng)用廣泛的課程。該課程有益于培養(yǎng)學(xué)生的WebGIS工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力。

由于《WebGIS開發(fā)與應(yīng)用》課程涉及的知識(shí)面相對(duì)較廣，在講授該課程時(shí)分為兩個(gè)部分。第一部分是Web基礎(chǔ)知識(shí)，此部分授課目的是使學(xué)生能夠迅速掌握Web開發(fā)的基本要領(lǐng)，如面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、HTML、CSS、JavaScript、Ajax以及JSP、ASP.NET前端開發(fā)方面的內(nèi)容，通過此部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握必要的Web前端開發(fā)知識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備；第二部分是WebGIS開發(fā)及應(yīng)用，具體包括WMTS、WMS、WFS、WCS等多源數(shù)據(jù)加載、圖形繪制及編輯、標(biāo)注、動(dòng)態(tài)投影、空間分析等GIS功能，該部分將以目前WebGIS最盛行的開源開發(fā)包OpenLayers3作為開發(fā)庫(kù)進(jìn)行講解，此部分授課目的是使學(xué)生掌握基于Web環(huán)境的GIS基本開發(fā)能力。該課程總課時(shí)為48學(xué)時(shí)，其中課堂講解部分為32學(xué)時(shí)，實(shí)踐部分為16學(xué)時(shí)。由于該課程學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多，且知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度低，講授該課程有一定的難度，如何讓學(xué)生全面理解、掌握及實(shí)踐本課程是亟待解決的問題。為解決上述問題，以計(jì)算思維的方式講授該課程，以構(gòu)建學(xué)生計(jì)算思維為主導(dǎo)的教學(xué)方式提升學(xué)生對(duì)WebGIS開發(fā)的知識(shí)理解能力和實(shí)踐能力，不著眼于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)編程課程中對(duì)算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及語法，而更注重于學(xué)生計(jì)算機(jī)編程思維模式的培養(yǎng)。

1 計(jì)算思維模式的課程教學(xué)體系建設(shè)

計(jì)算思維（Computational Thinking）是借助計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本原理和核心概念去解決問題、設(shè)計(jì)程序和理解人們的日?；顒?dòng)，是計(jì)算機(jī)類相關(guān)課程不可或缺的基礎(chǔ)思維模式[1]。計(jì)算思維主要特點(diǎn)是采用啟發(fā)式推理方式對(duì)問題進(jìn)行建模求解，換言之，不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度[2-3]。近些年，許多高校將培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。實(shí)際上，在地理信息科學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)方案也期望融入計(jì)算思維培養(yǎng)，然而部分教師和學(xué)生對(duì)計(jì)算思維綜合理解程度仍然不深[4-5]，因此需對(duì)本課程進(jìn)行大力改革，將計(jì)算思維的啟發(fā)式思想融入教學(xué)中，提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)編程類課程的關(guān)聯(lián)度和耦合度。

《WebGIS開發(fā)與應(yīng)用》課程具有綜合性與實(shí)踐性較強(qiáng)等特點(diǎn)，不同于其他GIS專業(yè)課程，由于Web和GIS技術(shù)的快速發(fā)展，通常造成教材無法及時(shí)滿足教學(xué)的需要，以往機(jī)械的教學(xué)方式已無法滿足學(xué)生掌握WebGIS開發(fā)及實(shí)踐能力的需要[6-7]。培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)編程設(shè)計(jì)類課程思維模式至關(guān)重要，能夠讓學(xué)生建立自身的計(jì)算思維模式，計(jì)算思維相比于機(jī)械重復(fù)的固定編程語言教學(xué)模式，具有更強(qiáng)的目標(biāo)性、自主性以及趣味性[8]，運(yùn)用面向計(jì)算思維模式的WebGIS開發(fā)與應(yīng)用設(shè)計(jì)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)對(duì)具有關(guān)聯(lián)性編程理念、思想、方法的理解與掌握，以此起到觸類旁通的效果。

2 計(jì)算思維模式在WebGIS開發(fā)與應(yīng)用課程教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1教學(xué)目標(biāo)的設(shè)立

在開展學(xué)習(xí)本課程前，學(xué)生已完成計(jì)算機(jī)編程類若干先修課程的學(xué)習(xí)，通過《C#程序設(shè)計(jì)》的學(xué)到C#中面向?qū)ο蟮念?、接口、命名空間、委托與事件等方面內(nèi)容?；诖耍诖_立本專業(yè)《WebGIS程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)目標(biāo)時(shí)，應(yīng)充分考慮當(dāng)前授課對(duì)象、先修課程及學(xué)習(xí)能力，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生面向計(jì)算思維WebGIS開發(fā)編程設(shè)計(jì)能力，并據(jù)此設(shè)計(jì)本課程面向計(jì)算思維的教學(xué)目標(biāo)。

由于先修課程《C#程序設(shè)計(jì)》涉及相對(duì)較少計(jì)算思維培養(yǎng)方面，造成學(xué)生學(xué)習(xí)的編程相關(guān)知識(shí)相對(duì)比較零散，缺乏整體性和側(cè)重性。因此，在制定《WebGIS程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)目標(biāo)時(shí)，充分挖掘計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)編程課程中的核心作用，利用思維模式的培養(yǎng)代替編程語言的培養(yǎng)模式。實(shí)際上，在本課程教學(xué)過程中，計(jì)算思維能力不僅僅作為一種核心能力來培養(yǎng)，同時(shí)也是教學(xué)中的核心內(nèi)容。《WebGIS程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)中以理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，教學(xué)目標(biāo)主要為計(jì)算機(jī)思維的培養(yǎng)，教學(xué)主要內(nèi)容為程序設(shè)計(jì)思維的引導(dǎo)與構(gòu)建，并在課上進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌咐绦蛘{(diào)試演示，并結(jié)合上機(jī)實(shí)踐增加學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的計(jì)算思維實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在上機(jī)實(shí)踐中，為學(xué)生準(zhǔn)備若干上機(jī)編程測(cè)試題，并將其作為實(shí)踐訓(xùn)練，并將完成編程測(cè)試完成較好的同學(xué)的作品作為范本，并提供其在講臺(tái)上匯報(bào)、講解其編程作品的機(jī)會(huì)。

2.2教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

在GIS學(xué)科中，本課程屬于理論與實(shí)踐并重型課程。運(yùn)用理論與實(shí)踐結(jié)合的方式，具體地，結(jié)合每一章節(jié)所需完成的知識(shí)目標(biāo)和技能目標(biāo)，將本課程的教學(xué)模塊分為兩個(gè)部分：分別是Web基礎(chǔ)編程和WebGIS開發(fā)與應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容安排及教學(xué)目標(biāo)如表 1所示。

JS基礎(chǔ)編程（2學(xué)時(shí)） 能夠擴(kuò)展至網(wǎng)頁編程領(lǐng)域，靜態(tài)頁面運(yùn)行原理、設(shè)計(jì)方法及基于事件驅(qū)動(dòng)的JavaScript運(yùn)行，并對(duì)輕量級(jí)組件JQuery以一定了解，對(duì)目前廣泛使用的數(shù)據(jù)獲取方式Ajax進(jìn)行掌握。 WebGIS開發(fā)與應(yīng)用 多源數(shù)據(jù)加載（4學(xué)時(shí)）

空間分析（2學(xué)時(shí)） 實(shí)現(xiàn)Web編程設(shè)計(jì)的WebGIS化轉(zhuǎn)移，能夠利用加載OGC標(biāo)準(zhǔn)的常用數(shù)據(jù)類型，如WMS、WMTS、WFS、WCS等。能夠?qū)崿F(xiàn)基于Web圖形繪制及編輯。并掌握基于Web空間分析原理及方法。 ]

從表 1中可以看出，將教學(xué)內(nèi)容分為理論和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)部分，其課時(shí)安排為32：16學(xué)時(shí)。平均來講，每周4學(xué)時(shí)的理論課和2學(xué)時(shí)的實(shí)踐課。在第一部分Web基礎(chǔ)編程中，由于學(xué)生之前并未開設(shè)相應(yīng)的Web基礎(chǔ)課程，因此，首先安排6個(gè)學(xué)時(shí)的Web基礎(chǔ)知識(shí)，分別是HTML+CSS+Javascript，通過該部分知識(shí)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生迅速掌握網(wǎng)頁前端開發(fā)的基本要領(lǐng)，并借助實(shí)踐課程實(shí)現(xiàn)對(duì)該部分知識(shí)的鞏固。由于在WebGIS開發(fā)與工程應(yīng)用中，有大量讀取GML、KML、Geojson等類型格式數(shù)據(jù)的需求，而這些格式數(shù)據(jù)的讀取方式多為Ajax異步形式，因此，在Web基礎(chǔ)課程部分，新增Ajax內(nèi)容的學(xué)習(xí)，而在Ajax中需要大量使用輕量級(jí)JQuery組件，因此在講授Ajax內(nèi)容之前，需對(duì)JQuery進(jìn)行簡(jiǎn)要講解。

在第二部分WebGIS開發(fā)與應(yīng)用中，主要包括多源數(shù)據(jù)加載、圖形繪制及編輯、標(biāo)注、動(dòng)態(tài)投影及空間分析等內(nèi)容的講解。首先對(duì)OGC組織支持的幾類常見的地圖服務(wù)類型如WMS、WMTS、WFS、WCS等，以此滿足目前WebGIS主流地圖服務(wù)商提供的數(shù)據(jù)服務(wù)類型。對(duì)數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)渲染、地圖圖層切換及移除等功能進(jìn)行實(shí)踐講解，然后在客戶端瀏覽器上進(jìn)行圖形（點(diǎn)、多義線、矩形、圓、多邊形等）繪制，在講解時(shí)重點(diǎn)闡述如何在客戶端瀏覽器上展現(xiàn)這些要素，并根據(jù)符號(hào)化演示渲染這些要素，其次講解如何利用OpenLayers中的Format來解析數(shù)據(jù)中的格式，從而獲取數(shù)據(jù)中的地理空間信息。對(duì)于標(biāo)注和動(dòng)態(tài)投影的講解相對(duì)簡(jiǎn)略，如標(biāo)注中的圖片標(biāo)注、popup標(biāo)注等類型進(jìn)行講解，對(duì)動(dòng)態(tài)投影的講解可以簡(jiǎn)略一些，原因是本專業(yè)先修課程中有《地圖學(xué)》等課程中已有詳細(xì)的講解。對(duì)最后一部分基于Web環(huán)境下的空間分析的內(nèi)容需重點(diǎn)講解，如對(duì)各種形狀的緩沖區(qū)分析、最短路徑分析、流向分析等內(nèi)容進(jìn)行講解及實(shí)際操作演示，在上機(jī)課中配套出相應(yīng)的題目供學(xué)生練習(xí)。

在本課程實(shí)踐教學(xué)方面，將綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等方式完成實(shí)踐教學(xué)，積極促進(jìn)理論知識(shí)和方法的理解與運(yùn)用，使學(xué)生在積極動(dòng)手編程中培養(yǎng)計(jì)算思維能力。

2.3教學(xué)效果評(píng)價(jià)

本課程教學(xué)的最終目的是分析解決WebGIS工程項(xiàng)目中的開發(fā)應(yīng)用問題，運(yùn)用計(jì)算思維來對(duì)問題進(jìn)行抽象、分析、構(gòu)建問題模型，對(duì)問題從宏觀到微觀層面把握，以此對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行總體

設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)以及測(cè)試。計(jì)算思維在WebGIS工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施階段均有體現(xiàn)，算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的靈魂，而編程語言是實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的載體。對(duì)于算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的原理、步驟及方法的學(xué)習(xí)，具有較多相似之處，編程語言的學(xué)習(xí)亦是如此。對(duì)于解決問題的思路、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及編程實(shí)現(xiàn)是WebGIS工程項(xiàng)目中問題有效解決的主要手段及過程。應(yīng)對(duì)此過程進(jìn)行重點(diǎn)講解與考查，避免知識(shí)點(diǎn)的孤立與分散，促進(jìn)學(xué)生聚焦本課程所需掌握的WebGIS開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)知識(shí)。

在對(duì)本課程教學(xué)效果評(píng)價(jià)方面，評(píng)價(jià)規(guī)則具體地根據(jù)學(xué)生的平時(shí)出勤、提問交流、實(shí)踐編程、課后作業(yè)的情況以及期末考試卷面成績(jī)來進(jìn)行綜合評(píng)定。考慮到本課程是一門GIS類編程設(shè)計(jì)課程，對(duì)實(shí)踐能力培養(yǎng)尤其重要，因此，筆者在布置實(shí)踐作業(yè)方面，應(yīng)盡量減少書面部分，增加實(shí)踐上機(jī)部分，多以編程設(shè)計(jì)成果進(jìn)行評(píng)價(jià)與考核。

3 結(jié)論

本文針對(duì)面向計(jì)算思維的WebGIS開發(fā)與應(yīng)用課程的教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、方法、考核及評(píng)價(jià)方式等方面進(jìn)行了有益的探索，取得了較為良好的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力得到了大大提高。推廣計(jì)算思維計(jì)算機(jī)編程課程中發(fā)揮的功效，更好地滿足學(xué)生的就業(yè)市場(chǎng)對(duì)復(fù)合型、應(yīng)用型人才的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟令奎， 史文中， 張鵬林. 網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)原理與技術(shù)[M]. 科學(xué)出版社， 2010.

[2] 李曉明， 蔣宗禮， 王志英，等. 積極研究和推進(jìn)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2012， No.161（5）：1-1.

[3] 王節(jié). 高職學(xué)生計(jì)算思維現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策的研究與實(shí)踐[D]. 重慶師范大學(xué)， 2015.

[4] 郭喜鳳， 武仁杰， 米海英. 計(jì)算思維能力培養(yǎng)模式探索[J]. 河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版）， 2012， 28（5）：115-116.

[5] 楊孜茁， 方志軍， 黃勃. 《Web程序設(shè)計(jì)》課程建設(shè)策略研究[J]. 軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)）， 2017， 16（1）：18-20.

[6] 劉遠(yuǎn)剛， 何貞銘， 蔡永香，等. 《WebGIS原理與方法》教學(xué)改革與探索[J]. 長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版）， 2011， 08（6）：133-134..

[7] 張佐幫， 周廷剛， 陳杰，等. 云環(huán)境下WebGIS教學(xué)改革的研究初探[J]. 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息， 2018（1）：58-61.

[8] 葛明珠. 基于計(jì)算思維的協(xié)作學(xué)習(xí)模式在中學(xué)信息技術(shù)課程中的實(shí)踐與研究[D]. 陜西師范大學(xué)， 2014.

【通聯(lián)編輯：王力】