《GIS與災害評價》課程的教學設(shè)計

鄧榮鑫，趙東保，許德合，王小東

（華北水利水電大學測繪與地理信息學院，河南鄭州 450046）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及人們對地理信息系統(tǒng)認識的加深，各國在經(jīng)濟社會發(fā)展中也越來越重視地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。地理信息系統(tǒng)（GIS）行業(yè)的快速發(fā)展，需要高校的地理信息科學專業(yè)教育適時地適應市場需求，更新人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)具有扎實的基礎(chǔ)理論知識、良好的實踐能力的高素質(zhì)應用型人才[2]。根據(jù)地理信息科學專業(yè)培養(yǎng)的目標，我校地理信息科學專業(yè)的課程設(shè)置在基礎(chǔ)理論課程學習之外，也開設(shè)了很多注重應用和實踐的課程，《GIS與災害評價》就是一門將理論與應用相結(jié)合的專業(yè)選修課程。

1 課程總體設(shè)計

《GIS與災害評價》是該校地理信息科學專業(yè)針對大四本科生開設(shè)的專業(yè)選修課程。鑒于該階段學生已經(jīng)有了較為充分的專業(yè)知識學習和積累，該課程的目的是能夠?qū)W生的理論知識系統(tǒng)化和專業(yè)知識應用化。因此，該課程以應用GIS方法進行災害評價為目的，以GIS空間數(shù)據(jù)處理流程為主線，交叉地理學、遙感（RS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、地圖學等專業(yè)基礎(chǔ)知識，結(jié)合實際案例分析，使學生能夠提升對GIS理論的理解層次，并能夠運用GIS方法進行災害評價等方面的實際應用，提高學生該本專業(yè)的專業(yè)認知和動手能力。為達到以上目的，該課程首先側(cè)重于技術(shù)方法，以GIS技術(shù)方法和處理過程為主線，介紹所需要的GIS功能及其基礎(chǔ)理論；同時側(cè)重于應用和實踐，以運用GIS進行災害評價為中心，講述如何進行問題分析、如何設(shè)計技術(shù)流程并最終如何實現(xiàn)災害評價；在教學方法上，該課程實行融合式、探究式和交互式等教學方法，融合式教學體現(xiàn)在課程講述過程中綜合其他相關(guān)課程知識，引導學生形成專業(yè)知識體系；探究式教學方法體現(xiàn)在以問題導向為中心，引導學生分析問題和解決問題；交互式教學方法體現(xiàn)在組織課堂討論的形式展開對相關(guān)問題的探討。

2 課程理論設(shè)計

GIS可簡單地定義為用于采集、模擬、處理、檢索、分析和表達地理空間數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)[3]。其中，空間數(shù)據(jù)是GIS的處理對象，空間分析是其核心。GIS基本理論是GIS課程的關(guān)鍵所在[4]，而具有應用技能水平則需要系統(tǒng)的學習地學、計算機、GIS等相關(guān)課程[5-6]。鑒于大四學生已有相應的理論基礎(chǔ)，該課程理論部分的講授從應用的角度，以空間數(shù)據(jù)為對象，以GIS空間數(shù)據(jù)技術(shù)處理流程的順序，設(shè)計基本理論、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達等環(huán)節(jié)（如圖1所示）。在GIS概念的講授中，通過融合式的教學方式，從地理學的角度理解GIS的應用目的，從地理信息的角度展示GIS的獨特特征，從信息系統(tǒng)的角度分析GIS的數(shù)據(jù)處理過程；在空間數(shù)據(jù)獲取部分的講授中，指出空間數(shù)據(jù)即為GIS處理的對象，從應用的角度講解GIS空間數(shù)據(jù)類型和獲取方法、不同數(shù)據(jù)類型和格式間的轉(zhuǎn)換方法以及空間數(shù)據(jù)的組織方式，其中遙感技術(shù)是獲取GIS空間數(shù)據(jù)的重要手段；在地理空間部分的講授中，強調(diào)空間數(shù)據(jù)區(qū)別于普通數(shù)據(jù)的根本是具有地理坐標，空間數(shù)據(jù)間的復合基礎(chǔ)是地圖投影，主要講解常用的地圖投影參數(shù)、地圖投影的轉(zhuǎn)換方法；在空間分析部分的講授中，強調(diào)空間分析是GIS的核心，是GIS理論部分的重點，從災害評價的角度，利用小型案例講解GIS的疊加分析、緩沖分析、DEM分析、統(tǒng)計分析等空間分析方法；在數(shù)據(jù)表達部分的講授中，強調(diào)地圖（以及系統(tǒng)設(shè)計）是GIS的“臉面”，地圖可視化是GIS數(shù)據(jù)處理和分析結(jié)果的展示，結(jié)合地圖學的內(nèi)容講解地圖制圖設(shè)計過程，并通過系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)重現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析、管理和制圖的全過程。

在理論課程的設(shè)計中，既注重了課程的整體性，展現(xiàn)了GIS空間數(shù)據(jù)處理的一般過程，融合了該專業(yè)其他課程相關(guān)知識，搭建了GIS相關(guān)理論框架，又將每個部分的知識點與應用結(jié)合，加深了學生對于理論知識的認識，增加了GIS理論認知的深度。

圖1 課程理論教學體系

3 課程案例設(shè)計

結(jié)合學校和學院特色，從農(nóng)業(yè)干旱、地質(zhì)災害、森林火災、城市熱島等方面進行案例分析，剖析GIS災害分析和評價的一般思路，并綜合運用3S（GIS、RS和GPS）技術(shù)講解GIS災害分析和評價的一般過程，重點培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，能夠讓學生掌握GIS災害分析和評價的具體方法。該文以地質(zhì)災害評價為例，分析該部分內(nèi)容的授課方法。

3.1 提出問題

某區(qū)域是滑坡易發(fā)區(qū)，滑坡的發(fā)生能夠掩埋房屋，摧毀建筑，堵塞河道，給人民的生命和財產(chǎn)造成巨大的損失。對區(qū)域滑坡發(fā)生風險進行科學評價，對于防災減災具有重要的意義。

3.2 思路分析

如何進行滑坡災害風險評價呢？需要有合理的評價體系；如何建立評價體系？需要有科學的評價因子；如何選擇評價因子？需要掌握引起滑坡發(fā)生的誘發(fā)因素；如何能夠利用GIS技術(shù)完成區(qū)域滑坡災害風險評價？首先需要將滑坡發(fā)生的誘發(fā)因素轉(zhuǎn)化為空間數(shù)據(jù)，通過空間數(shù)據(jù)處理建立地理數(shù)據(jù)庫，其次構(gòu)建滑坡災害風險評價指標體系，并利用空間分析方法基于評價模型實現(xiàn)滑坡災害易發(fā)性評價，最后利用地圖制圖方法完成區(qū)域滑坡災害易發(fā)性評價專題圖。因此，在問題分析過程中，從根本上要掌握滑坡發(fā)生的機理和過程，建立滑坡易發(fā)性的評價體系，然后再利用GIS技術(shù)，明確相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析和輸出方法，最終完成目標。

3.3 技術(shù)流程

技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 滑坡災害易發(fā)性評價技術(shù)流程

3.4 具體方法

（1）數(shù)據(jù)獲取方法：利用地圖數(shù)字化方法獲取地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)；利用DEM分析方法獲取坡度、坡向、高程和斜坡結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)；利用空間插值方法降雨數(shù)據(jù)；利用遙感信息提取方法獲取道路數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)處理方法：建立統(tǒng)一坐標系統(tǒng)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，建立滑坡災害風險評價因子地理數(shù)據(jù)庫。（3）數(shù)據(jù)分析方法：基于指標評價體系，利用緩沖區(qū)分析、重分類等方法建立各因素評價等級；基于評價模型（可通過層次分析法等模型建立），利用地圖代數(shù)方法完成滑坡災害易發(fā)性分析。（4）數(shù)據(jù)輸出方法：基于網(wǎng)格法完成專題制圖。

3.5 擴展思考

考慮評價單元和數(shù)據(jù)獲取等方面因素，空間分析是基于柵格數(shù)據(jù)完成，能否利用矢量數(shù)據(jù)來完成分析？為便于學生比較思考，后續(xù)的實驗課程會設(shè)計一個基于矢量數(shù)據(jù)分析的災害分析案例——森林火災風險評估，并讓學生分析解題思路，完成風險評價，并比較兩個案例的異同點，總結(jié)類似評價方法的一般思路和過程。通過相關(guān)案例分析，引導學生主動思考，激發(fā)其學習興趣，培養(yǎng)學生思考分析問題的能力和動手能力。

4 課程考核設(shè)計

該課程側(cè)重于技術(shù)應用和實踐，為避免僵硬的理論考查模式，該課程設(shè)計了多樣靈活的考核模式：（1）實驗考核：通過設(shè)計實驗內(nèi)容，讓學生獨立分析問題和解決問題，側(cè)重于考核學生對問題的分析和方法的比較，以及實踐動手能力；（2）小組討論：根據(jù)學生人數(shù)分成若干小組，每組按興趣確立一個GIS災害評價相關(guān)的題目，通過查閱資料獲取相關(guān)研究動態(tài)和分析方法，并安排2個學時用作組織匯報，鍛煉學生合作能力、自學能力以及科研匯報能力；（3）課程報告：給出一個災害評價需求并提供相關(guān)原始數(shù)據(jù)，學生自行設(shè)計研究方案，完成相關(guān)災害的GIS評價，并提交研究報告。通過合理調(diào)整綜合成績構(gòu)成 （例如：10%平時成績+20%實驗成績+20%小組討論成績+50%課程報告成績），能較好地反映學生對知識的掌握情況，以及在分析問題和解決問題等方面的能力，并使學生能夠注重提高實踐中的動手和解決問題的能力。

5 結(jié)語

基于以上融合式的知識貫串、探究式的問題分析、交互式的課堂討論和靈活的課程考核等教學模式，通過課堂氣氛、課堂討論、學生提問和課程報告等方面的反饋可以發(fā)現(xiàn)，學生的學習目標更加明確、理論知識更加清晰、學習更加主動積極，學生分析問題和思考問題的能力得到了較好的開發(fā)，實際動手能力取得了較大的提高，該課程所采用的教學方法和方式深受學生的好評，取得了良好的教學效果。

在該課程的實施過程中，也存在著一些問題，如主要講解了GIS災害評價的一般方法，對于相關(guān)方面的前沿問題和技術(shù)方法，雖然在學生討論部分有所涉及，但并沒有能夠?qū)嵺`實施，相關(guān)內(nèi)容需要進一步深化，今后應注意將GIS災害評價的前沿問題和方法引入到課程教學中，這對教師的科研能力也提出了較高的要求。