工程教育驅(qū)動下GIS開放實驗?zāi)Ｊ教接懪c實踐

馮少茹，黃木易，解華明，楊婉清

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥230601)

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）是以地球表面與空間地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，通過計算機平臺綜合處理和分析這些地理數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)[1]。近年來，數(shù)字地球以GIS作為的重要技術(shù)支撐和中心學(xué)科，GIS在各個工程應(yīng)用領(lǐng)域廣泛利用。隨著信息化浪潮的不斷推進，社會各相關(guān)行業(yè)對地理信息技術(shù)人才的需求日益增強，迫切需要大量綜合型、創(chuàng)新型、實戰(zhàn)型GIS工程技術(shù)應(yīng)用人才。我國加入《華盛頓協(xié)議》之后，我們國家的工程教育邁入了新的里程碑[2]。當(dāng)前我國大力推進高等教育改革的重中之重是加強工程教育理念、培養(yǎng)具有全球視野的國際型工程應(yīng)用人才。高校工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)面臨著改革與創(chuàng)新[3]。GIS工程技術(shù)人才的能力培養(yǎng)涉及很多方面，高校作為工程技術(shù)人才的培養(yǎng)基地，實驗教學(xué)的作用非常關(guān)鍵[4]。我國高校傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式一直存在著實驗內(nèi)容比較單一、教學(xué)環(huán)境封閉、過度依賴實驗教師講解操作、實驗項目脫離實際工程應(yīng)用、依懶理論課程體系、學(xué)生實驗態(tài)度怠慢等問題，并且同時存在實驗項目不能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)激情及學(xué)習(xí)動力，學(xué)生的工程實踐能力和綜合創(chuàng)新能力很難培養(yǎng)等問題。我校GIS課程實驗教學(xué)也存在著諸如此類的境況，近年來，在工程教育理念的驅(qū)動下，我校GIS實驗課程勇于探索、深化改革，以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)滿足社會需要的高素質(zhì)綜合型工程技術(shù)應(yīng)用人才作為培養(yǎng)目標。GIS實驗教學(xué)向著實驗項目豐富、實驗教學(xué)開放、能有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、能大力提高學(xué)生的工程應(yīng)用技能為最終目的的開放實驗教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，構(gòu)建了包括實驗室開放平臺、開放實驗項目、開放實驗評價體系等一系列內(nèi)容豐富、行之有效的開放實驗教學(xué)模式，并取得了一定的成效。

1 GIS開放實驗教學(xué)的必要性

20 世紀中期，美國教育進行物理實驗教學(xué)改革，提出了開放實驗的教學(xué)模式[5]。開放式實驗教學(xué)是相對于封閉式的教學(xué)實驗環(huán)境來定義的，將固定不動的封閉教學(xué)實驗環(huán)境變化成高效的全方位不斷變換的開放實驗環(huán)境，稱為開放式教學(xué)[6]。上世紀80年代，我們國家開始進行實驗室開放方面的理性探索，取得了較豐富的研究成果，成果主要集中在實驗室如何開放、制定什么樣的開放政策、采取什么樣的措施等研究方向。在研究如何把學(xué)生作為教學(xué)主體，使實驗開放在教學(xué)模式上發(fā)生根本改變這方面還很薄弱[7]。工程教育要求實驗教學(xué)更注重學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)。開放實驗教學(xué)為學(xué)生提供了激勵主動思索的學(xué)習(xí)方式和激發(fā)積極性的教學(xué)環(huán)境，由學(xué)生自主選擇具有較強工程實踐性和創(chuàng)新性的實驗項目，能與最新動態(tài)的社會工程實踐項目緊密結(jié)合，真正體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的工程教育的教學(xué)理念[8]。目前，GIS技術(shù)工程應(yīng)用領(lǐng)域范圍越來越廣泛，如市政給排水管網(wǎng)、煤氣管網(wǎng)、自然災(zāi)害監(jiān)測、交通運輸管理、區(qū)域性工程的自動監(jiān)測等，包含多個工程領(lǐng)域、多種工程項目的統(tǒng)籌管理與控制。我校作為地方土建類院校，開設(shè)GIS 課程的專業(yè)大多具有明顯的工程性質(zhì)。在工程教育背景下，開放實驗教學(xué)模式的實施勢在必行，可以為社會輸出合格的高素質(zhì)GIS技術(shù)工程應(yīng)用型人才提供有利的保障。

2 GIS開放實驗現(xiàn)狀分析

2013年以來，我校劃撥地信實驗中心各項經(jīng)費共300 余萬元，已經(jīng)具有開放實驗的平臺基礎(chǔ)。目前地理信息實驗中心的主要軟、硬件配置如表1 所示，另外還配置 SQL Server、AutoCAD2018、Mat Lab、以及一些數(shù)據(jù)庫、遙感、多媒體、編程語言和SPSS統(tǒng)計軟件等。

表1 地信實驗中心主要軟、硬件配置

我校地理信息實驗中心2013 年上半年提出開設(shè)GIS 開放實驗項目，取得了一些成績的同時也存在不少問題，主要有可供選擇的開放性實驗項目數(shù)量偏少；專業(yè)特色鮮明的工程實驗項目較少；教師較少機會接觸工程實踐；實驗老師要兼顧教學(xué)與科研，承擔(dān)著艱巨的任務(wù)，開設(shè)開放實驗項目的積極性不高；實驗室使用存在矛盾等。面臨這些問題，我校GIS 課程與時俱進，一直在努力探索適合我校發(fā)展的開放實驗教學(xué)方式。

3 構(gòu)建工程型GIS開放實驗教學(xué)模式

在工程教育理念的指導(dǎo)下，構(gòu)建適應(yīng)新形勢下GIS 工程教育要求的開放實驗教學(xué)模式，如圖1所示。

圖1 工程理念驅(qū)動下GIS開放實驗?zāi)Ｊ皆O(shè)計流程

3.1 開放實驗角色定位與開放形式

在開放實驗教學(xué)過程中，教師不再控制整個課堂，而只是協(xié)助學(xué)生完成教學(xué)任務(wù)。學(xué)生自己制定實驗內(nèi)容、實驗項目、實驗流程、實驗方案等，讓學(xué)生去認知構(gòu)建，變成開放實驗教學(xué)的主角。開放實驗的開放性表現(xiàn)在若干個方向，比如說實驗室、實驗教學(xué)服務(wù)、實驗設(shè)備儀器、實驗過程等方面，每學(xué)期地理信息實驗中心通過實驗教學(xué)系統(tǒng)發(fā)出開放實驗的通告及要求，學(xué)生可以通過自己賬戶申請加入，也可以中途加入；實驗對象的開放，包括對全校范圍內(nèi)相關(guān)專業(yè)各年級學(xué)生的開放。

3.2 開放實驗項目

開放實驗項目的構(gòu)建一方面要加強GIS基礎(chǔ)實驗課程的學(xué)習(xí)，夯實基礎(chǔ)、增加后勁；另一方面更要通過GIS 工程相關(guān)項目的增強訓(xùn)練，提高學(xué)生的工程應(yīng)用技能。地理信息實驗中心將開放實驗項目內(nèi)容實行模塊化整合，分為工程基礎(chǔ)型、工程綜合型和技能競賽型。

3.2.1 工程基礎(chǔ)型實驗

基礎(chǔ)性實驗主要是指GIS課程的專業(yè)實驗及基本應(yīng)用技能，通過構(gòu)建目標鎖定基礎(chǔ)性比較強的實驗項目來漸漸提高學(xué)生的GIS 應(yīng)用技能基礎(chǔ)，比如地圖編輯處理、投影變換、各類插值方法、坡度提取與坡向提取等。目前我們學(xué)校最主要的GIS學(xué)習(xí)軟件是ArcGIS、MapGIS，通過針對學(xué)生的基礎(chǔ)性項目訓(xùn)練，結(jié)合GIS主要的工程應(yīng)用方向，使學(xué)生能夠熟練地使用這些軟件，掌握這些常用軟件基本使用原理，掌握各種工具的操作方法，做到能夠獨立、快速的使用軟件。具體實驗項目內(nèi)容如表2所示。

表2 基礎(chǔ)性開放實驗項目表

3.2.2 工程綜合型實驗項目

綜合型實驗是在訓(xùn)練型實驗基礎(chǔ)上的提高。我校開設(shè)GIS 課程的專業(yè)較多，工程綜合型開放實驗項目要結(jié)合各專業(yè)的特色和工程應(yīng)用方向，以工程實際為背景，對實驗實施內(nèi)容進行策劃、分解，使工程實踐成果與開放實驗教學(xué)緊密結(jié)合，主要開放實驗項目如表3所示。

表3 工程設(shè)計綜合型開放實驗項目

如何利用GIS空間分析功能來處理相關(guān)的工程問題，我們模擬了工程實例，利用相關(guān)空間信息應(yīng)用專業(yè)知識來解決問題。綜合型實驗將工程項目分成多個階段，以項目組的形式來實施，人員分別進入不同的項目組。把工程案例項目分成若干個主項或子任務(wù)，主項再分各專業(yè)任務(wù)，每個主項設(shè)置一個負責(zé)人，把任務(wù)分發(fā)到相對應(yīng)的項目組，每組完成指定的主項任務(wù)，如果任務(wù)有難度不能按時完成，可以持續(xù)細化組內(nèi)任務(wù)。如基于GIS 市政工程管網(wǎng)信息系統(tǒng)設(shè)計與管理，可以針對工程管理、供水管網(wǎng)輸入編輯、查詢管理、管網(wǎng)維護、事故處理、運行調(diào)度、管網(wǎng)設(shè)計等方面內(nèi)容來進行分組分任務(wù)管理。

3.2.3 技能競賽型自主開放實驗項目

學(xué)生自主開放實驗是指學(xué)生可以自己主動決定整個實驗過程，自主決定可以使用哪些實驗資源，自主決定設(shè)計哪些實驗內(nèi)容，對開放實驗的時間、內(nèi)容、過程具有絕對的操縱權(quán)等，是一種比較創(chuàng)新的實驗教學(xué)模式[9]。GIS 技能競賽可以激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)GIS技術(shù)、拓寬學(xué)生思維，增強軟件操作技能，使學(xué)生就業(yè)實踐實力得到提升。技能競賽的比賽項目具有目標清楚、時間安排階段性強、軟件競技模塊訓(xùn)練明確等特點，非常適合作為自主開放實驗項目來針對學(xué)生進行專項訓(xùn)練。我校大力支持學(xué)生參加各類、各級別國家級省級相關(guān)大賽，如GIS技能競賽、GIS 軟件開發(fā)、高校GIS 大賽、學(xué)校內(nèi)部GIS 專業(yè)操作類競賽和開放實驗訓(xùn)練項目[10]。根據(jù)“全國大學(xué)生GIS 大賽”的內(nèi)容，將其轉(zhuǎn)化成地理設(shè)計、軟件開發(fā)應(yīng)用、工程開發(fā)應(yīng)用、三維建模與設(shè)計、制圖設(shè)計等一系列自主開放實驗項目。

3.3 開放實驗管理信息平臺

開放實驗管理信息平臺建設(shè)具有重要的使用價值，是開放實驗項目能否成功運行的關(guān)鍵因素之一。學(xué)生想了解開放實驗的基本信息主要通過開放實驗信息平臺，比如實驗項目相關(guān)的實驗資源有哪些，實驗項目的內(nèi)容包括哪些方面，開放實驗室的運行機制，目標實驗項目的考核評價要求等[11]。學(xué)生用戶可以登錄信息平臺進行查閱開放實驗教學(xué)大綱、實驗室開放時間、實驗室儀器設(shè)備資源。開放實驗管理信息平臺應(yīng)設(shè)專門技術(shù)人員負責(zé)管理，內(nèi)容實時更新，在平臺上按時公開實驗信息。教師可以登錄信息平臺設(shè)置開放實驗項目的選課條件、時間段的選擇、實驗預(yù)習(xí)內(nèi)容、開放的對象等等。通過信息平臺提高了實驗項目的運行效率，使開放實驗的管理非常便捷。

3.4 開放實驗教學(xué)質(zhì)量評價體系

為了保障開放實驗教學(xué)的質(zhì)量，需要建立教學(xué)質(zhì)量評價體系[12]。教學(xué)活動的開設(shè)是由教師和學(xué)生兩個主體共同完成的。GIS開放實驗教學(xué)質(zhì)量評價體系首先包括開放實驗教學(xué)的成效評價，教學(xué)成效評價包含的很多方面，有的展現(xiàn)為有形的成效，比如相關(guān)論文發(fā)表、GIS 大賽獲獎、發(fā)明使用專利等；有的展現(xiàn)為無形的成效，比如學(xué)生工程應(yīng)用技能的提高、考研考中率的增高、就業(yè)率的提升等。每年學(xué)校應(yīng)進行開放實驗成效統(tǒng)計，并給予教師和學(xué)生適當(dāng)?shù)莫剟?，這樣能有效地調(diào)動教師和學(xué)生加入開放實驗的熱情。另外開放實驗教學(xué)質(zhì)量評價體系還包括開放實驗項目成績評價，構(gòu)成部分提前設(shè)置占總成績的百分比，比如說實驗過程表現(xiàn)占總成績的40%，工程實踐能力占總成績的40%，實驗階段性成果評價占總成績的20%。實際操作和比例設(shè)置可以根據(jù)專業(yè)方向彈性變化。

4 開放實驗教學(xué)模式的實施

4.1 規(guī)范開放實驗平臺使用制度

開放實驗平臺提供教師與學(xué)生交流空間，有專門的實驗技術(shù)人員負責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)更新和技術(shù)指導(dǎo)。開放實驗平臺管理對于開放實驗教學(xué)能否順利開展至關(guān)重要，因此要規(guī)范實驗平臺使用制度，制定關(guān)于如何管理開放實驗室、如何管理儀器設(shè)備并提高它在一定時間內(nèi)的使用次數(shù)、如何管理學(xué)生申報實驗項目并預(yù)約實驗項目等配套制度，比如《實驗室開放管理制度》主要規(guī)定了實驗室開放的實驗場所、開放時間、開放儀器數(shù)目類型等內(nèi)容；《實驗室開放申報制度》是規(guī)定學(xué)生如何申報適合自己的實驗項目、適合自己的時間及申報條件等相關(guān)內(nèi)容；《開放實驗指導(dǎo)教師守則》主要對實驗指導(dǎo)老師實驗準備、教學(xué)管理、監(jiān)督學(xué)生及課后批改報告等內(nèi)容做出規(guī)定。目前我校地理信息實驗中心的開放式管理模式處在探索階段。

4.2 工程開放實驗項目實施

在開放實驗信息平臺公布實驗項目內(nèi)容和開放時間時，學(xué)生根據(jù)自己的愛好和興趣進行選擇。我校GIS 開放實驗項目是分階段分層次實施的，由于學(xué)生存在著個體上的差異，專業(yè)知識基礎(chǔ)和實踐應(yīng)用能力存在差異，每一階段的實驗項目對應(yīng)相應(yīng)水平的學(xué)生群體，但不以年級、專業(yè)為標準，準許學(xué)生越過不同的年級、不同的學(xué)科專業(yè)選擇實驗項目。第一層次是在基礎(chǔ)薄弱或零基礎(chǔ)的學(xué)生中開展，主要開設(shè)GIS基礎(chǔ)性實驗項目；第二層次是吸收通過基礎(chǔ)訓(xùn)練考核的同學(xué)參加工程綜合型項目或競賽類項目，實施計劃安排如表4所示。如基于GIS的垃圾處理廠或發(fā)電廠選址分析，首先學(xué)生在基礎(chǔ)實驗中掌握基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、編輯、空間分析、空間建模、距離制圖、密度制圖、三維分析等工具的操作；然后再結(jié)合垃圾處理廠或發(fā)電廠的工程特點來進行工程綜合型實驗項目的各種操作。如果實驗項目專業(yè)性較強，可根據(jù)項目的服務(wù)專業(yè)及工程特點做出適當(dāng)調(diào)整。

表4 工程開放實驗項目學(xué)期實施計劃

4.3 實施效果分析

2013 年以來，學(xué)生參與發(fā)表文章16 篇，申請應(yīng)用型專利8項，獲得校級優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計16人。2018年全校各相關(guān)專業(yè)有十幾支組別參加比賽，每組3-4 人不等。累計取得了2 項國家級一等獎，10 項國家級二等獎。最近幾年，在校期間參加過開放實驗項目的學(xué)生就業(yè)率、考研率得到了提高，由2013 年的74%和55%增至2018 年的94%和85%。每屆畢業(yè)生對開放實驗教學(xué)的滿意分值由2013年的72分增加到2018 年的85 分；通過專業(yè)輔導(dǎo)員和用人單位獲得參與開放實驗的畢業(yè)生信息，單位滿意度從2013 年的68 分增加到2018 年的83 分。數(shù)據(jù)表明，隨著開放工程實驗項目種類與數(shù)量逐年上升，參與的學(xué)生數(shù)量、就業(yè)率、實驗教育教學(xué)滿意度、考研率、用人單位滿意度也在逐年上升。開放實驗教學(xué)模式對于提升學(xué)生勇于創(chuàng)新技能、畢業(yè)生素質(zhì)、人才成效以及實踐應(yīng)用能力，均具有明顯的積極作用。

5 結(jié) 語

開放實驗教學(xué)是高校實現(xiàn)工程教育實踐教學(xué)的重要手段。在GIS開放實驗教學(xué)的改革和探索過程中，對我校開放實驗教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問題進行分析，探討了工程基礎(chǔ)性、工程綜合性和學(xué)科競賽類實驗項目相結(jié)合的開放實驗內(nèi)容，構(gòu)建了開放實驗管理信息平臺與教學(xué)質(zhì)量評價體系，并分析了實施效果。實施工程型開放實驗教學(xué)模式使GIS相關(guān)專業(yè)的學(xué)生工程實踐能力得到提升，學(xué)生解決工程實際問題應(yīng)用能力大大提高。