時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代地圖學(xué)課程的教學(xué)改革

鄧樹林

（南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530001）

0 引言

地圖學(xué)是以地圖信息傳遞為主線，研究地圖的理論、制圖、應(yīng)用的綜合性學(xué)科[1，2]。地圖是人類對空間認(rèn)知的圖形化表達(dá)，作為一種地理空間信息的載體[3]。但地圖在不同歷史時(shí)期，其信息源、主題、載體、形式、內(nèi)容、制作方法以及應(yīng)用方式具有差異性，其全方位價(jià)值也會不一樣。自20世紀(jì)50年代末、60年代初以來的現(xiàn)代地圖學(xué)，是以時(shí)空數(shù)據(jù)為對象的信息化時(shí)代地圖學(xué)，時(shí)空數(shù)據(jù)處理與表達(dá)是其核心。當(dāng)今，隨著天地空海一體的傳感器網(wǎng)技術(shù)、“互聯(lián)網(wǎng)＋”、人工智能和智能計(jì)算等技術(shù)的高速發(fā)展的“大數(shù)據(jù)時(shí)代”的到來，地圖學(xué)具有明顯的大數(shù)據(jù)科學(xué)的特征，是以往任何時(shí)期都無法比擬的：地圖的實(shí)時(shí)動態(tài)性、主題針對性、載體多樣化、內(nèi)容復(fù)合性、制作方法現(xiàn)代化、表現(xiàn)形式個性化、應(yīng)用泛在化等特征，地圖學(xué)理論、技術(shù)和應(yīng)用體系產(chǎn)生了巨大變化。地圖數(shù)據(jù)從單一到多源，不再局限于傳統(tǒng)的測繪數(shù)據(jù)，更多的地理數(shù)據(jù)來源于互聯(lián)網(wǎng)等，具有體量海量化、來源多樣化、類型繁雜化、價(jià)值低密化、真?zhèn)坞y辨等特征[4]。隨著新地圖認(rèn)知理論的不斷發(fā)展，地圖學(xué)與地理信息科學(xué)結(jié)合得更加緊密。

地圖學(xué)課程是一門既年輕又古老的學(xué)科[5]，地圖學(xué)在地球科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)中處于重要地位，其理論性與實(shí)踐性強(qiáng)，知識點(diǎn)多。地圖學(xué)課程是地理信息科學(xué)、土地資源管理等地學(xué)相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課和必修課，在每個專業(yè)的課程體系中均具有承上啟下的重要作用，是不可替代的一門課程[6，7]。其為以后學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)課程（如3S技術(shù)等）打下堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)的同時(shí)，地圖學(xué)課程還是地學(xué)及其相關(guān)專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本技能[8]。它既包括理論教學(xué)，又包括實(shí)踐教學(xué)，對學(xué)生的能力、知識和素質(zhì)的培養(yǎng)都具有深遠(yuǎn)的意義。對今后探求地圖內(nèi)在規(guī)律、地球空間信息科學(xué)有關(guān)的問題的能力至關(guān)重要[9]。

當(dāng)前地圖學(xué)課程重點(diǎn)關(guān)注理論知識教學(xué)，對于新興地圖數(shù)據(jù)獲取、應(yīng)用實(shí)踐等教學(xué)內(nèi)容相對較少，學(xué)生思維滯后、知識體系缺乏系統(tǒng)認(rèn)識，導(dǎo)致理論知識與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)[10]。隨著數(shù)字制圖技術(shù)的發(fā)展和深入應(yīng)用，以手工制圖為主的傳統(tǒng)地圖學(xué)教學(xué)內(nèi)容急需調(diào)整，以滿足時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代學(xué)科發(fā)展的需求[11]。時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代地圖學(xué)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式如何調(diào)整是亟待解決的關(guān)鍵問題。

因此，適應(yīng)時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代要求、專業(yè)高水平復(fù)合型制圖人才的培養(yǎng)，則迫切需要對當(dāng)前地圖學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。本文以南寧師范大學(xué)地學(xué)相關(guān)專業(yè)的地圖學(xué)課程教學(xué)為例，探討如何在時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下進(jìn)行地圖學(xué)教學(xué)改革，提出針對性的教學(xué)改革措施，以期提高地圖學(xué)課程的教學(xué)水平與質(zhì)量。

1 地圖學(xué)在時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的新變化

（1）地圖學(xué)的時(shí)空觀，深刻影響著地圖學(xué)研究的認(rèn)識論和方法論。時(shí)空大數(shù)據(jù)成為地圖學(xué)的大規(guī)模海量數(shù)據(jù)源，地圖學(xué)可以更加科學(xué)的描述和表達(dá)事物或現(xiàn)象的運(yùn)動變化規(guī)律。如新冠肺炎疫情專題地圖的制作，春季人流量實(shí)時(shí)動態(tài)地圖制作等。從地圖學(xué)發(fā)展歷程來看，反映了地圖學(xué)數(shù)據(jù)（信息）源由少到多、單源到多源、簡單到復(fù)雜的趨勢，進(jìn)一步推動了制圖數(shù)據(jù)處理方法與技術(shù)的不斷發(fā)展。

（2）隨著時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的開始，地圖學(xué)的科學(xué)范式隨即進(jìn)入數(shù)據(jù)密集型計(jì)算范式，以時(shí)空大數(shù)據(jù)計(jì)算為特征。“時(shí)空大數(shù)據(jù)計(jì)算”，除了多源異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)融合外，還體現(xiàn)在時(shí)空大數(shù)據(jù)可視化等的理論、方法和技術(shù)變化，以及時(shí)空大數(shù)據(jù)的多尺度自動變換、分析挖掘與知識發(fā)現(xiàn)等，最終實(shí)現(xiàn)最大化的時(shí)空大數(shù)據(jù)價(jià)值。

（3）時(shí)空大數(shù)據(jù)開放、動態(tài)、多模式、綜合的感知世界和傳輸時(shí)空信息。同時(shí)，整個感知認(rèn)知活動，融入了天空地海一體的智能傳感器網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)以及新興計(jì)算技術(shù)等，這必將成為時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代地圖學(xué)理論的基礎(chǔ)研究任務(wù)。

2 目前地圖學(xué)教學(xué)中存在的主要問題

根據(jù)目前地圖學(xué)課程的基本特點(diǎn)和結(jié)合本校地圖學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀，分析地圖學(xué)課程教學(xué)中所存在的若干問題：

（1）理論體系較龐大，基本概念多，比較抽象，但學(xué)時(shí)有限，教學(xué)任務(wù)繁重。地圖學(xué)課程的基本課時(shí)為64學(xué)時(shí)，其中理論授課44學(xué)時(shí)，實(shí)踐操作20學(xué)時(shí)。相對實(shí)踐課時(shí)較少，容易出現(xiàn)追趕教學(xué)進(jìn)度的情況，導(dǎo)致影響教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。另一方面，目前教學(xué)方法仍以教師授課方式為主，在整個教學(xué)過程中不能較好發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，學(xué)生容易倦怠，難以取得較好的教學(xué)效果。此外，授課專業(yè)班級較多，專業(yè)基礎(chǔ)及專業(yè)要求差異性較大，授課內(nèi)容和授課方式不能根據(jù)專業(yè)需求進(jìn)行靈活的快速調(diào)整。

（2）實(shí)踐操作性較強(qiáng)，但是往往在教學(xué)過程中注重理論而忽視實(shí)踐，實(shí)踐教學(xué)的模式相對單一。在掌握基本理論后，還需熟悉并掌握地圖制圖方法、制圖軟件的基本操作、主要的地圖應(yīng)用。同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)往往安排在地圖學(xué)課程的后半段，而且多以手繪地圖以及軟件操作為主，實(shí)踐教學(xué)采用的數(shù)據(jù)相對單一，制圖技術(shù)及應(yīng)用與現(xiàn)實(shí)市場需求脫節(jié)，無法從時(shí)空大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)制圖最后到地圖應(yīng)用相結(jié)合，不利于從根本上提高學(xué)生的動手與實(shí)踐能力，也不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的提高。

（3）多學(xué)科融合交叉，知識更新快，但學(xué)校相關(guān)配套的軟、硬件設(shè)施比較落后。地圖學(xué)是一門交叉學(xué)科，包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地理信息科學(xué)、測繪學(xué)、自然地理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、人工智能、區(qū)域分析等。尤其，隨著時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的快速發(fā)展，地圖學(xué)的基礎(chǔ)理論、數(shù)據(jù)獲取方式、制圖技術(shù)、應(yīng)用范疇已經(jīng)發(fā)生了巨變。但是，在實(shí)際教學(xué)過程中，理論教學(xué)多以簡單理論講解為主，缺乏與多學(xué)科交叉融合，融會貫通（如與3S技術(shù)的結(jié)合，從數(shù)據(jù)獲取，到數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)制圖，最后到地圖應(yīng)用，讓學(xué)生真正把握地圖學(xué)的知識體系）。實(shí)踐教學(xué)主要以紙質(zhì)地圖等傳統(tǒng)的地圖為主，缺乏現(xiàn)代設(shè)備和前沿技術(shù)方法支撐或輔助，如高性能圖形工作站、3D打印機(jī)、專業(yè)制圖軟件等，導(dǎo)致學(xué)生缺乏利用現(xiàn)代化設(shè)備和軟件系統(tǒng)完成地圖實(shí)踐活動的機(jī)會。

3 時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代地圖學(xué)教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

在時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代，隨著地圖學(xué)課程信息源、主題、載體、形式、內(nèi)容、制作方法以及應(yīng)用方式等課程內(nèi)容的不斷變化，地圖學(xué)教學(xué)內(nèi)容同樣面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。為適應(yīng)時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代地圖學(xué)發(fā)展的新需求，當(dāng)前地圖學(xué)的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該從地圖學(xué)方法論、地圖數(shù)據(jù)多源實(shí)時(shí)動態(tài)化、地圖主題針對化且內(nèi)容復(fù)合化、地圖表現(xiàn)形式多樣化與個性化、地圖制作現(xiàn)代化與地圖服務(wù)廣泛化等方面進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而完善與拓展傳統(tǒng)地圖學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。讓學(xué)生真正掌握時(shí)空大數(shù)據(jù)的“提取數(shù)據(jù)→分析挖掘→發(fā)現(xiàn)知識→設(shè)計(jì)或選擇知識表達(dá)方式并可視化”整個過程。

（1）地圖學(xué)的時(shí)空觀和方法論。包括人類活動在內(nèi)的任何事物和現(xiàn)象的運(yùn)動變化有空間和時(shí)間性，時(shí)空大數(shù)據(jù)是由包括人類活動在內(nèi)的任何事物和現(xiàn)象的運(yùn)動變化所產(chǎn)生的。其都具有時(shí)間、空間、屬性、多源異構(gòu)、多維動態(tài)等特征，同時(shí)也有空間參照與時(shí)間參照。萬事萬物的時(shí)空特征作為地圖學(xué)主要研究對象，展現(xiàn)了地理實(shí)體的時(shí)空維度。在時(shí)間維，可進(jìn)行時(shí)間序列延拓，從而科學(xué)表達(dá)過去、現(xiàn)在與未來；在空間維，能科學(xué)表達(dá)地球表層、海洋、月球表面、網(wǎng)絡(luò)空間等。要讓學(xué)生具有地圖學(xué)的時(shí)空觀，才能更好地描述和表達(dá)萬事萬物的時(shí)空特征。

（2）多源（元）異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)融合，是時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代給地圖學(xué)帶來的新問題[12]。來自國內(nèi)外不同行業(yè)、不同部門的時(shí)空大數(shù)據(jù)具有多類型、多時(shí)態(tài)、多分辨率、多尺度、多語義、多參考系等特性，集成的時(shí)空大數(shù)據(jù)不連續(xù)、不一致問題突出，給地圖制圖增加了難度。因此，對不同時(shí)間、不同類型、不同尺度、不同語義和不同參考系統(tǒng)的時(shí)空大數(shù)據(jù)的復(fù)雜關(guān)系和相互轉(zhuǎn)換規(guī)律進(jìn)行科學(xué)表達(dá)、描述和分析[13]，解決多源（元）異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)的融合，已成為時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代地圖學(xué)亟待解決的科學(xué)問題。因此在地圖學(xué)教學(xué)過程中應(yīng)不斷更新地圖數(shù)據(jù)源獲取方法，數(shù)據(jù)融合技術(shù)，及時(shí)介紹多源異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)源的產(chǎn)生特點(diǎn)、獲取方式及融合方法，以增強(qiáng)內(nèi)容的現(xiàn)勢性。

（3）時(shí)空大數(shù)據(jù)分析挖掘與知識發(fā)現(xiàn)，為時(shí)空大數(shù)據(jù)的核心與本質(zhì)。其中，時(shí)空大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析要比普通專題地圖制圖數(shù)據(jù)處理要更復(fù)雜，普通專題地圖的數(shù)據(jù)處理模型方法已經(jīng)較成熟[14]，而時(shí)空大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析設(shè)計(jì)一系列科學(xué)技術(shù)問題，如需要大數(shù)據(jù)的清洗、數(shù)據(jù)融合，以及統(tǒng)計(jì)計(jì)算是在大數(shù)據(jù)分布式存儲驅(qū)動下進(jìn)行的[15]。用時(shí)空大數(shù)據(jù)思維去發(fā)現(xiàn)其潛在價(jià)值，挖掘傳統(tǒng)方法發(fā)現(xiàn)不了的新知識、新規(guī)律和新模式，必將開啟地圖學(xué)的重大時(shí)代轉(zhuǎn)型。因此，在地圖學(xué)教學(xué)過程中讓學(xué)生了解與掌握時(shí)空大數(shù)據(jù)分析挖掘與知識發(fā)現(xiàn)的方法非常關(guān)鍵。

（4）由于地圖數(shù)據(jù)源多源異構(gòu)化，地圖可視化形式也日新月異，電子地圖已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖，可視化顯示維度已從二維顯示轉(zhuǎn)變?yōu)橐詴r(shí)空大數(shù)據(jù)為支撐的多維實(shí)時(shí)動態(tài)顯示，此外，如全息位置地圖、時(shí)空大數(shù)據(jù)地圖等新的可視化圖種出現(xiàn)[16]。因此，地圖的可視化教學(xué)應(yīng)成為地圖教學(xué)的重要內(nèi)容之一，使學(xué)生了解并學(xué)會設(shè)計(jì)地圖可視化的多樣性。

（5）時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的地圖已經(jīng)不僅僅用于表達(dá)靜態(tài)地理環(huán)境特征等特定領(lǐng)域，而是前所未有的實(shí)時(shí)動態(tài)全民位置地圖新時(shí)代。人們的衣食住行時(shí)空與地圖息息相關(guān)，如逛街購物、外賣配送、實(shí)時(shí)路線導(dǎo)航、共享單車等。整個地圖信息傳輸過程，地圖空間認(rèn)知貫穿始終，即從制圖者、地圖信息、地圖、地圖使用者、使用地圖的效果之間相互聯(lián)系、相互作用。而當(dāng)前地圖學(xué)教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容中仍主要以傳統(tǒng)地形圖教學(xué)為主，較少進(jìn)行課堂理論知識與實(shí)際應(yīng)用出口的銜接，與時(shí)俱進(jìn)。因此，案例學(xué)習(xí)中應(yīng)補(bǔ)充和更新地圖在不同領(lǐng)域最新應(yīng)用，體現(xiàn)學(xué)科課程的現(xiàn)實(shí)價(jià)值意義。

4 時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代地圖學(xué)模式探索

作為一門理論實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)與必修課，地圖學(xué)教學(xué)過程中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐，同時(shí)多項(xiàng)目化教學(xué)，競賽促進(jìn)教學(xué)等方式，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、勤于動手的動力。本文結(jié)合南寧師范大學(xué)學(xué)生具體情況，探索時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代地圖學(xué)教學(xué)改革模式。

4.1 地圖理論的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

地圖學(xué)的理論知識體系非常龐大，需要通過實(shí)踐，才能真正掌握。特別是時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的地圖學(xué)，需要掌握新的理論，新的技術(shù)方法。實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括多源數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析挖掘、知識發(fā)現(xiàn)以及地圖應(yīng)用等。在理論教學(xué)過程中，可隨堂進(jìn)行試驗(yàn)教學(xué)的穿插，讓學(xué)生盡快在實(shí)踐中真正理解理論知識點(diǎn)。

4.2 地圖多源數(shù)據(jù)獲取的任務(wù)教學(xué)

在數(shù)據(jù)獲取實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，基于原有數(shù)字化地圖、野外實(shí)測成圖、傳統(tǒng)攝影測量與遙感觀測等地圖數(shù)據(jù)獲取方式教學(xué)，新增無人機(jī)低空攝影測量、三維激光掃描測量、互聯(lián)網(wǎng)上爬取的大數(shù)據(jù)等的教學(xué)。因?yàn)閷W(xué)時(shí)有限，需要掌握的額外理論知識和技能較多，需要分無人機(jī)小組、三維激光小組、Python小組，分任務(wù)完成數(shù)據(jù)獲取并經(jīng)驗(yàn)分享等多種形式，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)獲取方式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

4.3 分析挖掘與知識發(fā)現(xiàn)的演示教學(xué)

大數(shù)據(jù)分析挖掘教學(xué)：根據(jù)獲取的不同數(shù)據(jù)，讓學(xué)生掌握采用不同處理軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗與分析，如ARCGIS軟件、MATLAB軟件的使用。這可通過軟件的演示，讓學(xué)生基本掌握軟件的使用，學(xué)會大數(shù)據(jù)的簡單分析與挖掘。知識發(fā)現(xiàn)教學(xué)：根據(jù)分析的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生學(xué)會看圖說話，同時(shí)所做的圖不僅要規(guī)范更要美觀?？赏ㄟ^推薦及帶領(lǐng)學(xué)生多閱讀相關(guān)好文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)人家的作圖技巧、分析結(jié)果的方法等。通過教師的相關(guān)教學(xué)演示，讓學(xué)生學(xué)會舉一反三。

4.4 地圖應(yīng)用的案例教學(xué)

地圖學(xué)課程中的案例教學(xué)源于生活，是銜接理論和應(yīng)用的途徑，可有助于掌握理論知識，理解理論聯(lián)系實(shí)際的作用。根據(jù)不同部門不同行業(yè)需求，進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)會制作不同類型的專題地圖、動態(tài)地圖等。讓每位學(xué)生選擇一個主題，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取，到數(shù)據(jù)分析與挖掘、知識發(fā)現(xiàn)，最后到地圖應(yīng)用的全過程，作為最后課程的作業(yè)。

5 結(jié)語

隨著時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代到來，地圖學(xué)迎來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。因此，地圖學(xué)需緊跟科學(xué)技術(shù)發(fā)展前沿，調(diào)整和更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，以適應(yīng)時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展，讓地圖學(xué)能站在新的起點(diǎn)向更高水平發(fā)展。在時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的背景下，基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能傳感器網(wǎng)技術(shù)、新興計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)等新信息化技術(shù)，就本校地圖學(xué)教學(xué)實(shí)際情況，總結(jié)教學(xué)中的，探討時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代地圖學(xué)教學(xué)內(nèi)容和模式應(yīng)做出的調(diào)整與建議，讓學(xué)生真正掌握時(shí)空大數(shù)據(jù)的“提取數(shù)據(jù)→分析挖掘→發(fā)現(xiàn)知識→設(shè)計(jì)或選擇知識表達(dá)方式并可視化”整個過程，以期為地圖學(xué)理論與實(shí)踐教學(xué)改革提供參考。