基于Java的開源GIS編程教學初探

袁小華 王令群 王振華 張書臺 張?zhí)祢?/p>

摘要：基于開源技術(shù)的地理信息系統(tǒng)（GIS）開發(fā)能力，是“空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)”（空間專業(yè)）本科學生的重要就業(yè)能力。文章以培養(yǎng)空間專業(yè)學生開源GIS編程基礎(chǔ)為目標，利用該專業(yè)Java課程的實踐教學環(huán)節(jié)，對基于Java的開源GIS編程教學進行了初步探索，其中設(shè)計的教學案例、任務(wù)和項目，搭建的開源實踐教學平臺，以及采用的過程化考核，可為相關(guān)教學提供參考。

關(guān)鍵詞：Java程序設(shè)計;開源GIS編程;實踐教學;教學探索

中圖分類號：G642.41? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）40-0269-04

一、引言

本科計算機大類下的空間專業(yè)培養(yǎng)計算機技術(shù)和空間信息技術(shù)復(fù)合人才。隨著GIS行業(yè)技術(shù)的進步，GIS開發(fā)能力已成為空間專業(yè)畢業(yè)學生的重要就業(yè)能力，這需要空間專業(yè)有效開展開源GIS編程的教學。針對面向培養(yǎng)目標的程序設(shè)計教學，文獻[1]探討了Java教學中如何面向?qū)I(yè)需求調(diào)整教學內(nèi)容，文獻[2]建議在Java理論教學中設(shè)計貫穿全課程的GIS開發(fā)實例，并提出了B/S架構(gòu)下基于AWT、Applet和Servlet技術(shù)的GIS編程教學方案，為空間專業(yè)開展GIS編程教學提供了方向。

目前，數(shù)據(jù)開源、工具開源和平臺開源逐漸成為GIS行業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢[3，4];與B/S架構(gòu)下的GIS開發(fā)相比，C/S架構(gòu)下可實現(xiàn)更多GIS應(yīng)用功能[5]，涉及更多方法和技術(shù);在開源GIS開發(fā)中，以GeoServer和GeoTools為主的開發(fā)平臺性能穩(wěn)定，功能豐富，已占據(jù)主流地位[6，7];相比于其他語言，Java為開源軟件的開發(fā)提供完美支持[8];我?？臻g專業(yè)的Java相關(guān)課程實驗學時充足。綜合考慮各因素，在本校空間專業(yè)的Java課程中，基于GeoServer和GeoTools的開源實踐教學平臺，我們對如何開展C/S架構(gòu)下的GIS編程實踐教學進行了初步探索，內(nèi)容包括根據(jù)行業(yè)需求設(shè)定教學目標，確定以實踐為主的教學內(nèi)容和教學模式，搭建開源實踐教學平臺，設(shè)計和實施相關(guān)教學案例、實踐任務(wù)和項目，并對各個教學環(huán)節(jié)進行過程化考核。本文介紹了相關(guān)探索結(jié)果。

二、教學過程

（一）教學目標與教學內(nèi)容

針對行業(yè)的開源GIS開發(fā)人才需求，我們將本專業(yè)的GIS編程教學目標設(shè)定為：通過理論和實踐教學，培養(yǎng)學生的開源GIS編程基礎(chǔ)，從而為進入行業(yè)早做準備。該教學目標決定了本專業(yè)GIS編程教學：內(nèi)容應(yīng)以相關(guān)基礎(chǔ)知識和主流開源GIS技術(shù)為主，形式應(yīng)以實踐教學為主，實踐平臺須采用主流開源軟件搭建，須以Java課程為主要支撐課程，考核方式應(yīng)以檢查實踐任務(wù)和項目的完成情況為主。本專業(yè)的“Java程序設(shè)計基礎(chǔ)”和“Java課程設(shè)計”為配套課程，相繼在大二下期和其后的小學期內(nèi)開設(shè)，兩課共含52個實踐學時，此外，在“Java程序設(shè)計基礎(chǔ)”課程的后期，學生也已掌握了Java的GUI編程和數(shù)據(jù)庫連接編程基礎(chǔ)，因此在本專業(yè)Java課程中開展以實踐為主的GIS編程教學，具備有利條件。依據(jù)課程目標和相關(guān)，我們設(shè)定了四項GIS編程教學內(nèi)容，前三項安排在“Java程序設(shè)計基礎(chǔ)”的后3周，第四項安排在“Java課程設(shè)計”中。各教學內(nèi)容的教學任務(wù)是：教學內(nèi)容1介紹GIS系統(tǒng)開發(fā)的理論基礎(chǔ);教學內(nèi)容2和3對空間數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布等進行實踐;教學內(nèi)容4是對GIS編程（C/S模式）的綜合實踐，是教學重點。各教學內(nèi)容的具體設(shè)計見下表1。

為從“Java課程設(shè)計”中騰出實踐課時，該課程中原有的三類實踐項目僅保留GUI編程實踐部分，其余的WWW與Web Service網(wǎng)絡(luò)編程實踐，以及數(shù)據(jù)庫連接實踐，因分別會在“網(wǎng)絡(luò)綜合實訓(xùn)”課程（大三小學期，64課時）和“數(shù)據(jù)庫實踐”課程（與“Java課程設(shè)計”同期且同課時）中重點開設(shè)，所以都不再保留。

（二）教學模式與教學方法

依據(jù)教學內(nèi)容和學生基礎(chǔ)而采取合適的教學模式與教學方法，可提高教學效率[9-11]。GIS編程教學以實踐教學為主，在其中我們針對具體教學內(nèi)容，分別采用了案例驅(qū)動教學法[6]、任務(wù)驅(qū)動教學法[10]和項目教學法[10，11]。具體為：在教學內(nèi)容1中，基于案例介紹基于Java的開源GIS開發(fā)流程、主流GIS服務(wù)器和GIS開發(fā)插件;在教學內(nèi)容2中，先示范開源數(shù)據(jù)庫中空間數(shù)據(jù)的建立和管理，然后讓學生完成相關(guān)實踐任務(wù);在教學內(nèi)容3中，先結(jié)合案例介紹基于開源GIS服務(wù)器和開源插件的空間數(shù)據(jù)管理和訪問方法，并分析關(guān)鍵代碼，然后讓學生完成相關(guān)的實踐任務(wù)，為小學期中的GIS編程綜合實踐做準備;在教學內(nèi)容4中，學生以分組形式完成開源GIS編程綜合實踐項目。

（三）案例、任務(wù)與項目設(shè)計

在GIS編程教學的案例、任務(wù)和項目的設(shè)計中，我們注意了案例的整體性、任務(wù)的目的性和項目的設(shè)計性[9]。具體為：案例1是對我國陸界的展示，在教學內(nèi)容1和3中使用。其中：在教學內(nèi)容1中著重演示我國陸界空間數(shù)據(jù)的存儲和發(fā)布;在教學內(nèi)容3中著重演示陸界空間數(shù)據(jù)展示中對開源GIS插件的依賴管理，以及本地和GIS服務(wù)器空間數(shù)據(jù)的訪問和展示過程。任務(wù)1是空間數(shù)據(jù)庫建立實踐。該任務(wù)要求學生在應(yīng)用開源數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)擴展功能，對點、線和面空間數(shù)據(jù)進行生成和管理。任務(wù)2是空間數(shù)據(jù)訪問實踐。教師在演示案例1中GIS服務(wù)器的空間數(shù)據(jù)管理和發(fā)布，以及開源GIS插件的空間數(shù)據(jù)訪問后，該任務(wù)要求學生搭建實踐平臺，并完成對本地和GIS服務(wù)器空間數(shù)據(jù)的訪問。項目1是C/S架構(gòu)下的GIS編程綜合實踐。該項目要求學生以分組形式，選定一個空間數(shù)據(jù)專題，進行GIS開發(fā)的功能設(shè)計、空間數(shù)據(jù)的準備、GIS服務(wù)器的數(shù)據(jù)存儲與發(fā)布，以及在C/S架構(gòu)下的空間數(shù)據(jù)訪問實現(xiàn)。

（四）實踐教學平臺

在GIS編程的實踐教學中，我們依據(jù)行業(yè)主流和相互兼容的原則，采用合適的GIS服務(wù)器來定實踐平臺的整體架構(gòu)，選擇與GIS服務(wù)器良好兼容的軟件搭建實踐平臺。具體為：在開源GIS服務(wù)器中，由于GeoServer擁有：是對OpenGIS規(guī)范的J2EE實現(xiàn);允許Java程序通過調(diào)用GeoTools插件中的包，和以WCS、WMS、WFS等地理參考信息模型，對服務(wù)器上的空間數(shù)據(jù)進行查、增、刪和改;支持幾乎全部高級數(shù)據(jù)庫和上百種投影;能將空間數(shù)據(jù)輸出為多種圖形格式等突出優(yōu)勢，因此我們選擇GeoServer（版本2.12.2）作為空間數(shù)據(jù)發(fā)布的服務(wù)器。

配合GeoServer服務(wù)器，我們采用JDK（版本1.8.0.6）作為實踐平臺的運行環(huán)境;選用Eclipse（版本為Kepler Service Release 1）作為IDE;采用MySQL（版本5.7）管理屬性和點線等空間數(shù)據(jù);在Eclipse中分別加載JDBC插件（具體為mysql-connector-java-5.1.41）支持對MySQL的訪問，加載GeoTools（版本為18-SNAPSHOT）支持對GeoServer的訪問，加載Maven（版本4.4）管理程序?qū)eoTools中具體的包的依賴關(guān)系。

下面圖1顯示了GIS教學平臺中的軟件與插件的支撐關(guān)系，圖2顯示啟動GeoServer服務(wù)后的DOS界面，圖3顯示了在Eclipse中采用JMapFrame訪問并展示服務(wù)器上圖層時，通過Maven管理的6個GeoTools依賴包。

（五）考核方式

表1中的GIS編程教學內(nèi)容前后相關(guān)聯(lián)，其中最后的實踐項目才是教學的核心，因此在教學中我們需要及時把握學生的學習情況，采用過程化考核方式，由階段有效性來保證教學整體的有效。具體為：GIS實踐任務(wù)的考核放在“Java程序設(shè)計基礎(chǔ)”中進行，形式是教師檢查學生提交的任務(wù)結(jié)果并按完成情況評分，每個任務(wù)滿分5分，計入“Java程序設(shè)計基礎(chǔ)”的上機成績。兩次GIS實踐任務(wù)的得分，還作為后面項目1中調(diào)整學生分組和選題的依據(jù)。項目1的考核放在“Java課程設(shè)計”結(jié)束時進行，形式是對分組項目（包括一個Java的GUI項目和項目1，各占總成績的60%和40%）組織一次集中答辯。各項目組都需要向全班匯報本組對項目所進行的問題分析、數(shù)據(jù)和功能設(shè)計、分工協(xié)作、代碼與運行等，并回答其他組和教師的提問，其他分組則對匯報組所述內(nèi)容逐項評分，各組評分的平均分和教師對答辯組紙質(zhì)報告的評分，以9∶1的比例匯總后，成為答辯組組長的項目得分，組內(nèi)其他成員的項目得分，由其在分組中的排序逐次以5分遞減。

三、教學效果

在本院“空間專業(yè)”的兩門Java課程中，我們已實施了一輪上述GIS編程教學設(shè)計，教學內(nèi)容全部安排在機房集中完成，課任教師全程指導(dǎo)實踐任務(wù)和項目。我們發(fā)現(xiàn)：學生對GIS編程學習積極主動，大多能完成實踐項目和任務(wù)，尤其是在項目1的完成中，各組基本上全天在一起討論、設(shè)計和編程;此外，學生還十分重視最后的集中答辯，各分組都能精心準備PPT和紙質(zhì)報告，并由組內(nèi)表達能力較強的同學進行匯報，從而保證了GIS編程教學設(shè)計的完成。下面圖4為案例1中展示的我國陸界，圖5到圖7是相關(guān)任務(wù)和項目的部分結(jié)果示例。

上面各圖的空間數(shù)據(jù)中，圖4中的來自GADM[12]，圖6及圖7中（b）和（c）中的來自GeoServer[13]，圖7中（a）的來自中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心[14]。

四、結(jié)論

在探討如何在“空間專業(yè)”開展基于Java的開源GIS編程教學中，我們整合了該專業(yè)兩門Java課程中的實踐課時，在其中添加了以實踐為主的開源GIS編程教學內(nèi)容，設(shè)計和應(yīng)用了GIS編程的相關(guān)案例、任務(wù)和項目，圍繞GeoServer搭建了開源的教學平臺，并對教學效果采用了過程化的考核，完成了培養(yǎng)學生開源GIS編程基礎(chǔ)的教學目標。目前我們對GIS編程的教學還限于C/S架構(gòu)下空間數(shù)據(jù)的獲取和展示等基礎(chǔ)部分，在此基礎(chǔ)上，今后教學中還將繼續(xù)整合“空間專業(yè)”相關(guān)課程的實踐課時，以便能進一步結(jié)合GeoAPI，添加C/S架構(gòu)下圖層的管理、要素處理和B/S架構(gòu)下空間數(shù)據(jù)展示等更多內(nèi)容，以及將MySQL替換為對空間坐標體系支持更好的PostgreSQL，以加強對學生開源GIS編程能力的培養(yǎng)。

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