面向地理科學(xué)專業(yè)的地理信息技術(shù)實(shí)踐教學(xué)體系的改革與實(shí)踐

吳紅波，張瑞君

(1.陜西理工大學(xué) 地理科學(xué)系，陜西 漢中 723000； 2.西北大學(xué) 陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710127)

地理信息科學(xué)是集成地圖學(xué)、測(cè)量學(xué)、地理模型、遙感技術(shù)、環(huán)境資源、社會(huì)學(xué)、全球定位系統(tǒng)等一體的綜合性學(xué)科，闡述人地關(guān)系、生地關(guān)系、社地關(guān)系和天地人機(jī)關(guān)系的機(jī)理過(guò)程與科學(xué)問(wèn)題[1]。地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System，GIS)概念自20世紀(jì)60年代在加拿大提出后，GIS空間分析技術(shù)得以飛速發(fā)展，社會(huì)對(duì)GIS類技術(shù)人才的需求較為迫切。21世紀(jì)初，互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬可視、移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)飛速發(fā)展和應(yīng)用[2]，使我國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)步入高速發(fā)展期，迅速促進(jìn)地理信息技術(shù)的推廣與普及。GIS應(yīng)用系統(tǒng)軟件的日趨成熟[3]，使GIS市場(chǎng)在數(shù)據(jù)服務(wù)、系統(tǒng)軟件服務(wù)、傳感網(wǎng)服務(wù)、地學(xué)知識(shí)服務(wù)上呈現(xiàn)多元化需求[4]。因此，在“新工科”和“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”建設(shè)背景下[5]，地理信息技術(shù)的內(nèi)涵、應(yīng)用領(lǐng)域、表達(dá)形式、發(fā)展方向需要重新思考[6]，培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求的GIS技術(shù)人才已成為地理信息技術(shù)課程教學(xué)改革的當(dāng)務(wù)之急[7]。

隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)和高新科技的飛速發(fā)展，地理信息技術(shù)類的畢業(yè)生所需要的GIS知識(shí)的數(shù)量和學(xué)科融合程度也在不斷增大[8]；以地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感(Remote Sensing，RS)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)為核心的地理信息技術(shù)實(shí)踐課程，具有較強(qiáng)專業(yè)性、實(shí)踐性、技術(shù)性和創(chuàng)新性。地理信息產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)需求及復(fù)合型人才培養(yǎng)，必須依托于師范、工科、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、海洋等領(lǐng)域發(fā)展，不能脫離行業(yè)應(yīng)用的特色。從辦學(xué)層次來(lái)看，在我國(guó)GIS教育主要以本科和研究生培養(yǎng)為主[9]，高等職業(yè)技術(shù)教育培養(yǎng)偏少[10]。目前，各個(gè)培養(yǎng)院校在本科層次教學(xué)質(zhì)量、師資力量和辦學(xué)條件存在差異，核心課程體系課程設(shè)置也不相同[11]，學(xué)生的GIS實(shí)踐水平良莠不齊，與地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)及用人單位需求不相符。地理信息技術(shù)類課程教學(xué)內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)的差異、課程教學(xué)內(nèi)容的滯后，與社會(huì)應(yīng)用脫節(jié)，導(dǎo)致GIS實(shí)踐技能與其他學(xué)科的創(chuàng)新能力不足[12]，因此，地理信息技術(shù)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)適應(yīng)社會(huì)市場(chǎng)需求和地理信息技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。為適應(yīng)提升實(shí)踐課程教學(xué)質(zhì)量和服務(wù)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展，以陜西理工大學(xué)地理科學(xué)專業(yè)為例，結(jié)合2015—2017年間地理信息技術(shù)實(shí)踐課程的教學(xué)體系優(yōu)化、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)模式改進(jìn)，探討模塊化和案例式教學(xué)方法引入地理信息技術(shù)實(shí)踐課程學(xué)習(xí)、學(xué)科競(jìng)賽與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，旨在為地方高校地理科學(xué)專業(yè)的內(nèi)涵建設(shè)強(qiáng)化和轉(zhuǎn)型升級(jí)提供實(shí)踐參考。

1 地理信息技術(shù)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 師資結(jié)構(gòu)不合理，生源質(zhì)量較差

陜西理工大學(xué)地理科學(xué)專業(yè)自2008年開(kāi)辦以來(lái)，致力于地理師范類人才培養(yǎng)，本科辦學(xué)時(shí)間短，GIS教學(xué)水平有限。目前，2名專任教師負(fù)責(zé)GIS課程教學(xué)，分別負(fù)責(zé)GIS理論基礎(chǔ)和實(shí)踐課程教學(xué)，GIS基礎(chǔ)知識(shí)掌握較弱，教師GIS實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)于GIS二次開(kāi)發(fā)和地理信息技術(shù)動(dòng)態(tài)前沿授課未引起足夠重視。面對(duì)高考人數(shù)擴(kuò)招和生源質(zhì)量持續(xù)下降，我校地理科學(xué)專業(yè)本科生多為高考調(diào)劑志愿生源，文理兼招，學(xué)生對(duì)GIS的認(rèn)知水平較低，懼怕實(shí)驗(yàn)技能操作偏多的實(shí)踐課程。

1.2 實(shí)踐教學(xué)與技術(shù)應(yīng)用脫節(jié)，人才培養(yǎng)缺乏特色

地理科學(xué)專業(yè)課程包括公共必修課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課程等3個(gè)層次課程體系。然而，在教學(xué)環(huán)節(jié)中注重地理學(xué)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，忽視地理信息技術(shù)技能培養(yǎng)。作為實(shí)踐性、技術(shù)性、綜合性較強(qiáng)的GIS實(shí)踐課程，授課內(nèi)容過(guò)于陳舊、前沿技術(shù)應(yīng)用匱乏、GIS工程與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)，難以保證實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和應(yīng)用水平。在GIS相關(guān)實(shí)踐課程教學(xué)過(guò)程中，將學(xué)生培養(yǎng)成單純的數(shù)據(jù)采集與處理、二次開(kāi)發(fā)、專題制圖的人才，而缺乏某一領(lǐng)域的深入研究[13]。即使大部分學(xué)生掌握了GIS軟件基本操作和初級(jí)二次開(kāi)發(fā)能力，但是忽略學(xué)生發(fā)展的實(shí)際環(huán)境，未能有效利用行業(yè)或者區(qū)位優(yōu)勢(shì)資源，缺乏特色實(shí)踐專題訓(xùn)練。

1.3 GIS工程思維較弱，創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足

在地理信息技術(shù)實(shí)踐環(huán)節(jié)中[14]，采用傳統(tǒng)的“課堂-上機(jī)-考試”教學(xué)模式，而缺乏相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)和系統(tǒng)構(gòu)思能力，忽視創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。學(xué)生對(duì)某一應(yīng)用目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)或?qū)ｎ}信息提取，認(rèn)為按照原有的體系模型做即可，不能融會(huì)貫通的解決實(shí)際問(wèn)題，思維經(jīng)常局限于實(shí)踐課程基本內(nèi)容和操作。因此，需要把握地理信息技術(shù)課程知識(shí)體系的遞進(jìn)關(guān)系、內(nèi)在關(guān)聯(lián)、難易程度，從課程設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式上強(qiáng)化GIS工程實(shí)踐和系統(tǒng)性思維。

2 教學(xué)改革內(nèi)容與設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化實(shí)踐課程體系，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

地理信息技術(shù)課程體系主要由理論基礎(chǔ)、技術(shù)系統(tǒng)、應(yīng)用方法組成(見(jiàn)圖1)。針對(duì)傳統(tǒng)課堂講授效果不佳、實(shí)踐內(nèi)容陳舊、教學(xué)體系跟不上地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求、技術(shù)更新等問(wèn)題，根據(jù)對(duì)地理信息技術(shù)課程教學(xué)的深度和側(cè)重點(diǎn)的把握，適當(dāng)調(diào)整GIS課程體系結(jié)構(gòu)，采用案例式、模塊化教學(xué)和“以賽促學(xué)”模式應(yīng)用于GIS實(shí)踐課、GPS實(shí)踐課、RS實(shí)踐課。為了強(qiáng)化GIS方法、應(yīng)用案例和GIS前沿動(dòng)態(tài)，課程學(xué)習(xí)不僅引入模塊化和案例式教學(xué)模式，也通過(guò)特色專題任務(wù)訓(xùn)練和上機(jī)考試題庫(kù)模擬，突出針對(duì)性、專業(yè)性、關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，并結(jié)合GIS前沿技術(shù)、理論與方法進(jìn)行深度講解。根據(jù)用人單位意見(jiàn)反饋和畢業(yè)生崗位職責(zé)要求，GIS實(shí)踐教學(xué)中的地理信息類軟件，以ArcGIS、ArcGIS Pro、MapGIS、SuperMap等軟件為主，兼顧遙感、GPS數(shù)據(jù)處理、制圖軟件學(xué)習(xí)，重點(diǎn)強(qiáng)化學(xué)生的GIS實(shí)踐水平和創(chuàng)新能力。

圖1 地理信息技術(shù)實(shí)踐課程體系

2.2 教學(xué)方法靈活應(yīng)用，課程考核體系多元化

為克服以課堂板書和多媒體演示為主的傳統(tǒng)授課思維的僵化，以利于學(xué)生系統(tǒng)性地掌握知識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用及創(chuàng)新能力培養(yǎng)，地理信息技術(shù)實(shí)踐環(huán)節(jié)引入模塊化、案例式混合教學(xué)進(jìn)行授課。GIS、RS和GPS實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

課程考核綜合成績(jī)由上機(jī)成績(jī)(權(quán)重為70%)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和作業(yè)成績(jī)(權(quán)重為20%)、平時(shí)成績(jī)(權(quán)重為10%)3部分求和。此外，社會(huì)調(diào)查報(bào)告、大學(xué)生科創(chuàng)成果、假期見(jiàn)習(xí)、GIS二次開(kāi)發(fā)軟件等作品，均可加權(quán)計(jì)入課程考核成績(jī)。

2.3 突出實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化實(shí)踐水平

根據(jù)“GPS原理與應(yīng)用”“GIS空間分析”“專題地圖制圖”“遙感數(shù)字圖像處理”“現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)”和“GIS二次開(kāi)發(fā)”等課程教學(xué)目標(biāo)與實(shí)踐要求，構(gòu)建了地理科學(xué)專業(yè)的地理信息技術(shù)的主要實(shí)踐內(nèi)容及考核指標(biāo)(見(jiàn)表2)。按照學(xué)生掌握模塊數(shù)量和實(shí)踐能力，采用優(yōu)秀、良好、中等和較差等級(jí)評(píng)估體系，考察在校本科生的GIS實(shí)踐內(nèi)容掌握程度，針對(duì)突出問(wèn)題和較多難點(diǎn)反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整授課內(nèi)容，逐步提升地理信息技術(shù)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生實(shí)踐水平。

2.4 強(qiáng)化專題模塊訓(xùn)練，以賽促學(xué)

根據(jù)地理科學(xué)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃和課程設(shè)置要求，地理信息技術(shù)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)既有遙感應(yīng)用、GIS基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、土壤、水文、氣象學(xué)等關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，也有基礎(chǔ)性、驗(yàn)證型、綜合型和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。本科生可以根據(jù)計(jì)算機(jī)特長(zhǎng)、編程能力、研究興趣和就業(yè)方向，組建創(chuàng)新活動(dòng)項(xiàng)目小組，參與專題任務(wù)學(xué)習(xí)和GIS類學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)(見(jiàn)表3)。對(duì)于GIS、遙感、測(cè)量實(shí)踐內(nèi)容感興趣的同學(xué)，授課老師可安排難易適中的科研實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理與分析、社會(huì)調(diào)查任務(wù)，進(jìn)一步深化學(xué)生自學(xué)能力、專業(yè)應(yīng)用能力、獨(dú)立創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

表1 地理信息技術(shù)實(shí)踐教學(xué)實(shí)踐與設(shè)計(jì)

表2 GIS、RS和GPS實(shí)踐內(nèi)容模塊要求

表3 地理信息技術(shù)實(shí)踐專題任務(wù)內(nèi)容與技能要求

續(xù)表3

以賽促學(xué)是將模塊化教學(xué)內(nèi)容、專題任務(wù)訓(xùn)練融入到實(shí)踐課程教學(xué)體系中[15]，把GIS前沿知識(shí)、工程經(jīng)驗(yàn)、教學(xué)理念帶到實(shí)踐課堂，是日常教學(xué)活動(dòng)的一種升華[16]。隨著師資力量、教學(xué)科研基礎(chǔ)條件及教學(xué)交流的不斷提升，學(xué)校已連續(xù)3年舉辦校級(jí)GIS應(yīng)用技能選拔大賽，鼓勵(lì)本科生參與大學(xué)生課外科技創(chuàng)新大賽、全國(guó)GIS技能大賽等活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生參加企業(yè)見(jiàn)習(xí)、GIS類培訓(xùn)、自主申報(bào)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金、撰寫地理信息類相關(guān)學(xué)術(shù)論文，拓寬視野和綜合學(xué)術(shù)素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3 教學(xué)效果與學(xué)科競(jìng)賽情況分析

3.1 課堂效果及成績(jī)考核反饋

地理科學(xué)2013級(jí)43人(2個(gè)班級(jí))、2014級(jí)110人(4個(gè)班級(jí))和2015級(jí)60人(2個(gè)班級(jí))地理信息技術(shù)實(shí)踐課程教學(xué)中，采用模塊化、案例式、多媒體、板書課堂授課模式授課課時(shí)比重見(jiàn)圖2，其中模塊化、案例式的授課課時(shí)分別占到35.0%、30.0%，多媒體占到25%，板書課堂達(dá)到10%，這表明模塊化和案例式教學(xué)更容易受到學(xué)生的喜愛(ài)。本科生參加GIS類學(xué)科競(jìng)賽、模塊化任務(wù)專題、參加教師科研項(xiàng)目的本科生人數(shù)比重見(jiàn)圖3，分別占到調(diào)查學(xué)生人數(shù)的37.0%、19.0%和15.0%；其中，參與大學(xué)生課外科技創(chuàng)新活動(dòng)的學(xué)生人數(shù)比重為12.0%，學(xué)生對(duì)課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、企業(yè)見(jiàn)習(xí)和其他實(shí)踐形式的積極性較低，僅為5%、5%和7%。

以“GIS空間分析技術(shù)”和“遙感數(shù)字圖像處理”主干實(shí)踐課程為例，分析地理科學(xué)2013級(jí)、2014級(jí)和2015級(jí)本科生GIS、RS實(shí)踐能力和操作掌握程度。與地理2013級(jí)“GIS空間分析技術(shù)”和“遙感數(shù)字圖像處理”課程考核成績(jī)區(qū)間分布相比(見(jiàn)圖2和圖3)，地理2014級(jí)、2015級(jí)學(xué)生的課程考核成績(jī)良好(成績(jī)區(qū)間80～89分)和優(yōu)秀(成績(jī)區(qū)間90～100分)的學(xué)生比重持續(xù)增加，這表明學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣有所增強(qiáng)，大多數(shù)學(xué)生能夠獨(dú)立操作和使用主流的GIS、遙感圖像處理類軟件。此外，模塊化專題任務(wù)和案例式講授方式能幫助學(xué)生加深實(shí)驗(yàn)原理和操作過(guò)程的理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力，促進(jìn)GIS和遙感圖像處理技能的熟練掌握和靈活應(yīng)用。

圖2 “GIS空間分析技術(shù)”課程考核成績(jī)區(qū)間

圖3 “遙感數(shù)字圖像處理”課程考核成績(jī)區(qū)間

3.2 GIS類學(xué)科競(jìng)賽情況

2015—2017年期間本科生在北京超圖公司的“SuperMap杯全國(guó)高校GIS大賽”、ESRI公司“ESRI杯中國(guó)大學(xué)生GIS軟件開(kāi)發(fā)競(jìng)賽”、中地?cái)?shù)碼集團(tuán)的“全國(guó)高校GIS技能大賽”、“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目等各類別學(xué)科競(jìng)賽中獲國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)13項(xiàng)，其中三等獎(jiǎng)及以上6項(xiàng)(見(jiàn)表4)。2015—2017級(jí)本科生在各類別GIS類學(xué)科競(jìng)賽的獲獎(jiǎng)人數(shù)持續(xù)增加，已累積達(dá)到72人次，占到地理科學(xué)在校本科生總?cè)藬?shù)的33.8%。而且，國(guó)家級(jí)GIS類學(xué)科競(jìng)賽獲獎(jiǎng)學(xué)生人數(shù)和項(xiàng)數(shù)的增加，表明通過(guò)參加GIS類學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)和培訓(xùn)，使學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、學(xué)術(shù)能力和實(shí)踐能力得到強(qiáng)化，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和自信心，對(duì)地理信息技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的提升起到推進(jìn)作用。

表4 2015—2017年本科生在GIS類學(xué)科競(jìng)賽的獲獎(jiǎng)情況 項(xiàng)/人次

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)對(duì)人才數(shù)量和質(zhì)量的需求日益增加。正確認(rèn)識(shí)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力內(nèi)涵建設(shè)，成為地方院校地理科學(xué)專業(yè)GIS類實(shí)踐課程改革和教學(xué)質(zhì)量提升的當(dāng)務(wù)之急。在面臨就業(yè)壓力大、實(shí)踐教學(xué)水平較弱、課堂體系僵化的背景下，我校地理科學(xué)2013級(jí)、2014級(jí)和2015級(jí)的地理信息技術(shù)實(shí)踐課程體系從課程優(yōu)化、教學(xué)內(nèi)容組織與設(shè)計(jì)、教學(xué)方法和課程考核體系方面進(jìn)行改革，制定有效的專題任務(wù)訓(xùn)練，主要表現(xiàn)在：1)結(jié)合秦巴地區(qū)相關(guān)自然地理、人文、旅游資源的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)新，使實(shí)踐環(huán)節(jié)和內(nèi)容具有較好的完整性和一致性。2)為強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和個(gè)性化思維，地理信息技術(shù)實(shí)踐課程從GIS、RS和GPS實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了模塊化、案例式教學(xué)模式講授，模塊化和案例式的課堂講授學(xué)時(shí)比重，分別占到35.0%、30.0%；而且，考核成績(jī)良好(成績(jī)區(qū)間80～89分)和優(yōu)秀(成績(jī)區(qū)間90～100分)的學(xué)生人數(shù)比重持續(xù)增加。3)地理信息技術(shù)類專題任務(wù)學(xué)習(xí)和學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)的內(nèi)容，緊密聯(lián)系地理信息技術(shù)的前沿動(dòng)態(tài)、應(yīng)用案例和工程實(shí)踐，構(gòu)建具有區(qū)域特色的實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新訓(xùn)練，很大程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自信心，提升GIS、RS和GPS實(shí)踐操作水平和學(xué)科融合應(yīng)用能力。因此，在地理信息技術(shù)實(shí)踐課程體系優(yōu)化和教學(xué)改革的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索GIS工程思維和創(chuàng)新人才培養(yǎng)，適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)GIS技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新能力要求的復(fù)合技能型人才，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和借鑒價(jià)值。