GIS 專業(yè)空間數(shù)據(jù)庫原理課程教學(xué)設(shè)計研究

王 婷 郭春蕾 邢 歡

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院 遼寧沈陽 110167）

一、課程背景

經(jīng)過多年教學(xué)及研究，針對眾多研究成型的空間數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)庫操作、空間數(shù)據(jù)查詢等方面的技術(shù)交流教學(xué)，重點關(guān)注高校課堂中對空間數(shù)據(jù)庫理論、技術(shù)及應(yīng)用如何更好地進(jìn)行傳播和實踐，目前與空間數(shù)據(jù)庫聯(lián)系緊密的專業(yè)單位機構(gòu)日益增多，GIS 方向人才逐年激增，對于GIS 長遠(yuǎn)發(fā)展提供了強大的支撐。

根據(jù)各高校人才培養(yǎng)方案的設(shè)定，學(xué)科背景存在差異，數(shù)據(jù)庫類課程教學(xué)內(nèi)容及方案方法不盡相同，各高校開設(shè)的該課程主要講授數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫原理、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，單從開設(shè)課程的命名上能夠看出側(cè)重點的區(qū)別，有些高校側(cè)重理論教授，有些高校側(cè)重實踐結(jié)合。數(shù)據(jù)庫中必要的要素數(shù)據(jù)，同時也是GIS 系統(tǒng)中涉及的調(diào)查采集、編輯處理、管理查詢、成果輸出等多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的組成基礎(chǔ)。

二、教學(xué)目標(biāo)

空間數(shù)據(jù)庫原理是一門涉及多領(lǐng)域、多方向的課程，課程內(nèi)容包括綜合性的知識和內(nèi)容，包含數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫設(shè)計等內(nèi)容的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)理論和知識體系，又包含依據(jù)GIS 建立的空間數(shù)據(jù)模型、空間索引、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。

現(xiàn)代測繪科學(xué)技術(shù)研究方向發(fā)展為空間數(shù)據(jù)數(shù)字化應(yīng)用與服務(wù)，空間數(shù)據(jù)處理、存儲及應(yīng)用依托于空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)，因此，高校測繪相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)空間數(shù)據(jù)庫類課程尤為重要，通過該課程的學(xué)習(xí)能夠使學(xué)生理解空間數(shù)據(jù)庫涉及的基本理論，掌握基本的空間數(shù)據(jù)庫處理方法、技術(shù)，空間數(shù)據(jù)庫相關(guān)軟件的使用，注重培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)據(jù)庫及空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)對空間數(shù)據(jù)采集處理、儲存應(yīng)用及管理服務(wù)等應(yīng)用能力。本門課程的設(shè)置旨在促進(jìn)學(xué)生融入GIS 行業(yè)，奠定地理空間數(shù)據(jù)處理入庫、管理、開發(fā)等工作基礎(chǔ)。

三、現(xiàn)狀問題

（一）課程體系設(shè)計傳統(tǒng)

經(jīng)調(diào)查，我國部分高校的測繪工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中，與空間數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)的課程中，空間數(shù)據(jù)庫原理或空間數(shù)據(jù)庫的相近課程大多數(shù)沒有開設(shè)，一般開設(shè)了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫類課程，同時此類課程由于涉及更多的計算機知識，多數(shù)是由計算機專業(yè)的教師講授，內(nèi)容主要涵蓋數(shù)據(jù)庫概述、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型、SQL 語言、數(shù)據(jù)庫安全維護及數(shù)據(jù)庫設(shè)計等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性內(nèi)容。對于GIS 方向的課程，此類數(shù)據(jù)庫課程涉的計算機理論的知識，僅能夠作為空間數(shù)據(jù)庫相關(guān)課程的先導(dǎo)性基礎(chǔ)內(nèi)容，專業(yè)特征欠缺貼合，不足以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)在GIS 領(lǐng)域能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

（二）知識面域復(fù)雜

空間數(shù)據(jù)庫知識結(jié)構(gòu)融合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的理論內(nèi)容，包含關(guān)系數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，同時包含空間數(shù)據(jù)涉及的GIS原理與技術(shù)，包含計算機基礎(chǔ)編程內(nèi)容，課程的理論結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，課程知識點多且分散，章節(jié)獨立關(guān)聯(lián)少，因此在教學(xué)過程中教學(xué)結(jié)構(gòu)連貫銜接的把握存在難度，教學(xué)主線較難把控，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)課程知識點時缺乏記憶連貫性，因此教師在教學(xué)過程中應(yīng)重點思考教學(xué)主線串聯(lián)。

（三）欠缺課程間的銜接

面對測繪工程專業(yè)學(xué)生的未來發(fā)展，針對GIS 專業(yè)的測繪人員既是空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)的使用者，同時也是空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)的建設(shè)者和管理者，因此，空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計與應(yīng)用同等重要，都應(yīng)為教學(xué)的重點內(nèi)容。空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計內(nèi)容和環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計是一致的，包括需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫實施、數(shù)據(jù)庫運行與管理等環(huán)節(jié)，空間數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化建設(shè)與設(shè)計以傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫理論作為基礎(chǔ)?？臻g數(shù)據(jù)庫所運用的SQL 語言，其學(xué)習(xí)和運用也是地理信息系統(tǒng)訓(xùn)練重要的應(yīng)用工具。類似于這樣的環(huán)節(jié)重視度較低，相關(guān)課程之間的銜接不夠完善。

（四）理論與實踐脫節(jié)

理論論述繁多且系統(tǒng)，部分內(nèi)容非常抽象，學(xué)生認(rèn)知感不強，同時對于復(fù)雜的抽象的概念和句式生疏。例如空間數(shù)據(jù)庫學(xué)習(xí)中的空間數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)索引、空間數(shù)據(jù)查詢等關(guān)鍵內(nèi)容包含的基本概念和原理須分類記憶且不易理解，而且常用教材及參考資料對論述部分的闡述或繁雜或抽象，學(xué)生對于該部分的內(nèi)容理解和學(xué)習(xí)較為困難，從而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此空間數(shù)據(jù)庫需要一定的實踐、練習(xí)與訓(xùn)練，實踐操作能夠使學(xué)生更好地理解及掌握空間數(shù)據(jù)庫原理及技術(shù)的結(jié)合。但目前的教學(xué)安排理論教學(xué)較為偏重，實踐操作缺乏，理論與實踐存在脫節(jié)現(xiàn)象。

另外在實踐軟件上，一般商用軟件（如ArcGIS）存在封裝原理與算法，空間數(shù)據(jù)庫操作過程及實現(xiàn)過程課足以完整實現(xiàn)及表達(dá)，但很難去探究其建立的原理及結(jié)果實現(xiàn)的具體過程。

（五）計算機基礎(chǔ)能力提升局限

測繪專業(yè)學(xué)生偏重技術(shù)操作及實現(xiàn)，從人才培養(yǎng)計劃及傳統(tǒng)的人才需求考慮，專業(yè)方面涉獵課程較廣泛，且包含大量的實踐運用課程，整體計算機基礎(chǔ)能力偏低。此外，無人機測繪、三維激光掃描、傾斜攝影等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，使得測繪工程專業(yè)新領(lǐng)域課程不斷增加，涉及計算機方面的應(yīng)用更加深入和頻繁，傳統(tǒng)理論課程作為基礎(chǔ)引領(lǐng)雖必不可少，但結(jié)合計算機基礎(chǔ)理論的專業(yè)課程的深入系統(tǒng)學(xué)習(xí)存在一定的局限性。

四、空間數(shù)據(jù)庫教學(xué)設(shè)計與優(yōu)化

（一）優(yōu)化原則

在有限的學(xué)時里，空間數(shù)據(jù)庫課程須對多方面的教學(xué)知識內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)精簡教學(xué)內(nèi)容的原則，適當(dāng)取舍，根據(jù)教學(xué)安排劃分教學(xué)內(nèi)容重難點和理解性知識點：課堂講授重難點內(nèi)容，且隨堂或課后開展實踐性練習(xí)，加深對重點內(nèi)容的掌握與理解；理解性知識點以學(xué)生自學(xué)和拓展了解的方式設(shè)置。課程整體的設(shè)計涉及幾個方面的優(yōu)化：

1.凸顯核心

精簡教學(xué)環(huán)節(jié)及內(nèi)容，由于課程內(nèi)容涉及知識面廣且原理概念繁雜抽象，在教學(xué)過程中，精選重點章節(jié)及內(nèi)容，精簡教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.把握重點和難點

地理信息系統(tǒng)原理是一門專業(yè)必修課程，同時是GIS 專業(yè)方向的先導(dǎo)課程，雖在課程中設(shè)計了空間數(shù)據(jù)相關(guān)的結(jié)構(gòu)性內(nèi)容，但并未詳細(xì)闡述空間數(shù)據(jù)模型、索引及查詢等與數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)性，也未涉及計算機算法實現(xiàn)過程。該部分的內(nèi)容層次要求高，即應(yīng)設(shè)置為教授的重難點。

3.理論與實踐呼應(yīng)原則

空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的理論教學(xué)應(yīng)結(jié)合實踐操作開展，提升理論知識的理解程度，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題是能夠檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)本課程效果的有力證明。

（二）確定教學(xué)主線

空間數(shù)據(jù)庫的建庫過程本質(zhì)就是從現(xiàn)實世界到計算機世界的進(jìn)化過程。因此教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)定開展以現(xiàn)實世界—空間數(shù)據(jù)模型—計算機世界為課程教學(xué)主線，通過主線的連通逐步闡述空間數(shù)據(jù)庫的相關(guān)理論及實現(xiàn)過程等內(nèi)容，進(jìn)而連通計算機世界的表達(dá)，重點掌握矢量數(shù)據(jù)模型、柵格數(shù)據(jù)模型、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；而計算機世界主要涉及空間數(shù)據(jù)的處理、存儲、應(yīng)用操作等。主線設(shè)定以連貫清晰、由淺及深、循序漸進(jìn)為根本思想。

（三）教學(xué)手段優(yōu)化

突出學(xué)生為主體，教師是引導(dǎo)，教學(xué)設(shè)計要著重挖掘能夠顯現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)主體的教學(xué)形式和方式，促進(jìn)學(xué)生主動實踐，以增強學(xué)生自主思考、探究能力為目的。

在教學(xué)手段方面以優(yōu)化傳統(tǒng)的教學(xué)模式為基礎(chǔ)，借鑒及創(chuàng)新教學(xué)方法和手段進(jìn)行課程教學(xué)，沖破學(xué)生的思維定式。

教學(xué)手段優(yōu)化包括：

1.歸納啟發(fā)式教學(xué)

由于課程理論復(fù)雜且抽象，概念緊湊，學(xué)生容易產(chǎn)生認(rèn)知疲乏，知識點記憶混亂。在講授連續(xù)知識點時，采用分類歸納式或啟發(fā)式教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生主動思考和理解。例如針對空間數(shù)據(jù)索引的講授，提出空間索引的目的，促使學(xué)生自主思考索引的意義，從而思考空間數(shù)據(jù)索引的實現(xiàn)意義。同時在講解的時候，貫穿學(xué)生日常能夠接觸認(rèn)知的事物，將空間數(shù)據(jù)庫與書進(jìn)行事物鏈接，將空間索引與目錄進(jìn)行鏈接，使學(xué)生更加深入地理解索引的概念及建設(shè)意義。引入圖書、目錄的關(guān)系和作用，圖書包含目錄，必備的目錄能夠便于讀者查找，能夠使使用者快速定位到查詢內(nèi)容的位置；空間數(shù)據(jù)庫有索引，索引是為了向數(shù)據(jù)庫使用者提供快速定位及查詢。

2.理論與實踐適當(dāng)結(jié)合

在課堂理論教學(xué)的同時，能夠進(jìn)行編寫操作的內(nèi)容，以講授為例進(jìn)行講解；同時利用思考題的形式，讓學(xué)生進(jìn)行理解編寫，通過討論的形式，帶動課堂，使每一位學(xué)生都能夠參與思考練習(xí)。需要進(jìn)行實現(xiàn)的內(nèi)容，為學(xué)生提供練習(xí)平臺及軟件，使學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)動手操作。同時課程練習(xí)要保證難易程度的合理性和獨立操作性，使學(xué)生能夠獨立完成，且要達(dá)到思考的高度，實現(xiàn)學(xué)生獨立思考、獨立解決的能力培養(yǎng)。

3.結(jié)合工作案例

為激發(fā)學(xué)生興趣、提升學(xué)生主動思考的能力，通常教材中的案例偏重理論說明，課程教學(xué)中可選例方面貼合工作時間里進(jìn)行說明講解。例如，在講解SQL 語言編寫時，先以書中例題進(jìn)行講解，同時結(jié)合校園情況，對學(xué)生系統(tǒng)進(jìn)行梳理，對學(xué)生信息、成績表、選課信息做語句編寫；在空間數(shù)據(jù)范疇，結(jié)合地籍調(diào)查的過程信息進(jìn)行說明，同時說明涉及基礎(chǔ)SQL 語言編寫的部分，舉例土地調(diào)查信息的建立、查詢、修改等過程進(jìn)行課堂測試，以討論等方式進(jìn)行講授。另外例如講解空間數(shù)據(jù)關(guān)系時，建立土地確權(quán)地塊拓?fù)潢P(guān)系等案例，使學(xué)生理解理論知識的實際運用。

4.循序漸進(jìn)教學(xué)模式

合理組織空間數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，并圍繞核心環(huán)節(jié)展開講授，針對細(xì)節(jié)必須部分講解?？梢砸蕴釂?、思考的方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入課程，通過實際地理信息的例子讓學(xué)生理解地理數(shù)據(jù)模型的概念，并通過現(xiàn)場演示的方式告知學(xué)生模型的建立流程，并根據(jù)空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的體系，逐層分析數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)局、要素類的關(guān)系及數(shù)據(jù)組織管理形式，通過對數(shù)據(jù)表的屬性展示，解釋工作中涉及的屬性信息、表中每一項的含義表達(dá)，同時講解模型的適用性。

在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入課程后的教學(xué)過程中，以空間數(shù)據(jù)庫建模流程為基礎(chǔ)展開學(xué)習(xí)，逐步學(xué)習(xí)多種模型的建立及分類，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。

對于數(shù)據(jù)的處理及管理，需要計算機語言的溝通交流，進(jìn)而帶領(lǐng)學(xué)生系統(tǒng)的學(xué)習(xí)SQL 語言及其擴展。SQL 語言是數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫的核心學(xué)習(xí)部分，在課程教學(xué)中，同為重點的要求學(xué)生掌握及運用SQL 語言。在常見的應(yīng)用型軟件中，一般具有封裝性，故在教學(xué)內(nèi)容中可以分為兩步走：第一步，教授學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)SQL 語言，包括模式、表等結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建、查詢、修改等句式要求，達(dá)到可以運用SQL 語言進(jìn)行基本編寫的要求；第二步，借助可編寫平臺軟件學(xué)習(xí)基于空間要素的擴展SQL 語言，進(jìn)而創(chuàng)建SDO_GEOMETRY 數(shù)據(jù)類型的表、索引、空間數(shù)據(jù)插入、計算等操作。

結(jié)語

空間數(shù)據(jù)庫原理課程在地理信息系統(tǒng)專業(yè)具有基礎(chǔ)性作用。由于各大高校教學(xué)理念的差異性，導(dǎo)致該課程在教學(xué)內(nèi)容、方式方法及教學(xué)環(huán)節(jié)等方面存在諸多差異，整體教學(xué)效果有待提升。通過上述的論述，從教學(xué)主線、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段等多個方面，對現(xiàn)有教學(xué)模式進(jìn)行重新梳理與優(yōu)化。

對于GIS 專業(yè)空間數(shù)據(jù)庫原理課程的教學(xué)，重在培養(yǎng)學(xué)生實際應(yīng)用的廣域度的同時，也應(yīng)著重注意教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計：（1）進(jìn)一步夯實與地理信息系統(tǒng)緊密相連的空間數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)概念。（2）緊跟行業(yè)發(fā)展步伐，設(shè)計課程內(nèi)容。以成熟的地理信息系統(tǒng)應(yīng)用案例激發(fā)學(xué)生興趣為前提，呼應(yīng)式傳授空間數(shù)據(jù)庫的理論內(nèi)容。（3）在優(yōu)化空間數(shù)據(jù)庫課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)的同時，從實踐訓(xùn)練方面提高教學(xué)質(zhì)量及教學(xué)反饋，提升地理信息系統(tǒng)專業(yè)學(xué)生的實踐能力。

測繪工程專業(yè)已進(jìn)入信息化時代，數(shù)字化地理信息已廣泛推廣應(yīng)用，行業(yè)發(fā)展日益較快，技術(shù)更新日益增強，空間數(shù)據(jù)庫類課程將在測繪工程專業(yè)的人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)中發(fā)揮更明顯的作用，數(shù)據(jù)庫類課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實踐模式等諸多方面的改革研究亟待研究。因此，在實際教學(xué)中可以上述探討為借鑒，根據(jù)學(xué)生的實際情況和專業(yè)技術(shù)發(fā)展展開調(diào)整。