GIS 開發(fā)課程教學(xué)改革研究

梁玉蓮，盧 遠，羅國瑋，張建兵，初愛萍

（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

自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)是一個跨政府、跨市場的復(fù)合行業(yè)，同時又是一個多學(xué)科、融合新一代信息技術(shù)的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。國內(nèi)外地理信息企業(yè)紛紛將地理位置和自然資源數(shù)據(jù)與人口、交通、旅游等數(shù)據(jù)進行智能化的融合應(yīng)用，推進各行業(yè)智慧發(fā)展的進程。在政府部門、規(guī)劃設(shè)計和地理信息企業(yè)及互聯(lián)網(wǎng)、物流等新業(yè)態(tài)的創(chuàng)新企業(yè)，需要大量的具備厚實自然資源專業(yè)基礎(chǔ)，又懂?dāng)?shù)字技術(shù)的專業(yè)人才。地理信息科學(xué)（GIS）專業(yè)產(chǎn)生于20 世紀60 年代，是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求下，解決自然資源數(shù)字化和信息化空間化的地理學(xué)重要分支之一[1]。據(jù)中國土地學(xué)會、中國地理信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會等粗略統(tǒng)計，每年自然資源行業(yè)對GIS 專業(yè)人才的需求超10 萬人。因此，迫切需要培養(yǎng)面向自然資源領(lǐng)域的地理信息科學(xué)（GIS）專業(yè)人才，以適應(yīng)新時代自然資源事業(yè)的需求[2，3]。

GIS 開發(fā)課程是培養(yǎng)GIS 專業(yè)學(xué)生運用數(shù)字化技術(shù)對各種形式的地理信息進行加工、處理、開發(fā)和服務(wù)一門重要課程[4，5]。該課程在強化學(xué)生對地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用、面向?qū)ο缶幊膛c設(shè)計原理與應(yīng)用，以及GIS 二次開發(fā)理論等知識深入理解的基礎(chǔ)上，重點傳授學(xué)生與地理信息相關(guān)的軟件工程設(shè)計的理論與技術(shù)，以及地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)的原理、方法與步驟。通過設(shè)置綜合性的地理信息系統(tǒng)實驗，使學(xué)生能將計算機技術(shù)與地理信息科學(xué)原理融會貫通，熟練掌握面向?qū)ο缶幊痰脑砼c方法，掌握地理信息工程項目的設(shè)計的過程與步驟，從而形成嚴謹?shù)倪壿嬎季S和推理能力。通過小組式和項目式的訓(xùn)練，還可以鍛煉學(xué)生們的項目團隊合作意識與團隊協(xié)作能力。

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的“中國地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告”數(shù)據(jù)顯示，2019年我國地理信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達到6479 億元，年增長率8.7%。地理信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的大小企業(yè)共2 萬多家，從業(yè)人員40 萬人以上。近年來地理信息產(chǎn)業(yè)保持高速增長，這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)在我國經(jīng)濟社會發(fā)展中的作用日益顯現(xiàn)。隨著“國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定”“全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要（2015-2030）”等一系列國家政策規(guī)劃的出臺，以及北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等國家重大項目的持續(xù)推進，地理信息產(chǎn)業(yè)得到跨越式的發(fā)展。地理信息科學(xué)專業(yè)人才除了涉足傳統(tǒng)的地圖服務(wù)、測繪服務(wù)、遙感監(jiān)測服務(wù)行業(yè)以外，還覆蓋互聯(lián)網(wǎng)搜索和電子商務(wù)提供商、數(shù)字城市和國土空間規(guī)劃、自然資源管理等應(yīng)用領(lǐng)域[2，6]。在地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的驅(qū)動下，培養(yǎng)大量具有創(chuàng)新創(chuàng)造、設(shè)計研發(fā)和工程管理能力，能很快擔(dān)當(dāng)起自然資源數(shù)字管理的復(fù)合型專業(yè)人才需求還將增大，缺口也仍在擴大。

具備GIS 開發(fā)設(shè)計能力是產(chǎn)業(yè)發(fā)展對地理信息科學(xué)專業(yè)人才的首要需求也是最迫切的需求。因此，GIS 開發(fā)課程的教學(xué)方式必須迎合信息時代的產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求，不斷創(chuàng)新教學(xué)模式和深化實踐性教學(xué)，使得學(xué)生在掌握地理信息科學(xué)原理與技術(shù)的同時，強化計算機科學(xué)基礎(chǔ)及對信息科學(xué)系統(tǒng)性的認識，形成完整的知識與技能鏈條。充分培養(yǎng)學(xué)生自主研發(fā)的能力，提升其熟練運用地理信息技術(shù)解決自然資源產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力。本文探討一種在自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)需求背景下，自然資源領(lǐng)域的企業(yè)緊密合作，開展實踐性的GIS 開發(fā)課程全新教學(xué)模式。

1 課程建設(shè)的目標(biāo)和內(nèi)容

1.1 建設(shè)目標(biāo)

基于自然資源數(shù)字行業(yè)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)任務(wù)需求，借助計算機軟件開發(fā)平臺和地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)工具，在項目需求的職稱下，培養(yǎng)學(xué)生自主完成地理信息系統(tǒng)平臺的開發(fā)，以實現(xiàn)地理信息的存儲、編輯、分析、展示、輸出等主要內(nèi)容。培養(yǎng)學(xué)生對地理信息系統(tǒng)軟件的設(shè)計與開發(fā)能力、對現(xiàn)有計算機技術(shù)和軟件的操作與應(yīng)用能力，使其能從對理論知識理解上升到對實踐性技能應(yīng)用以及融會貫通的層次[7]。

1.2 教學(xué)手段

合理運用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，結(jié)合自然資源數(shù)字行業(yè)產(chǎn)業(yè)實際工程項目需求，建立“理論教學(xué)+課堂實驗+產(chǎn)業(yè)實踐”三個層次的課程體系。把以課堂傳授知識為主的學(xué)校教育與直接獲取實際經(jīng)驗、實踐能力為主的項目開發(fā)模式有機結(jié)合的教育形式。理論教學(xué)中融入項目開發(fā)實例進行講述；隨堂實驗所需的實驗素材依托自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)合作企業(yè)來設(shè)置，建立包含實驗素材、實驗方法和實驗步驟講解的“GIS 開發(fā)”的線上教學(xué)資源庫，利用線上資源數(shù)據(jù)庫開展線上線下相結(jié)合的課程教學(xué)建立GIS 開發(fā)實驗資料庫，從而滿足隨堂實驗要求。開發(fā)課程內(nèi)容注重數(shù)字化技術(shù)、編程方法、軟件工程開發(fā)模式、信息管理等各個環(huán)節(jié)的整體性設(shè)置，并在此基礎(chǔ)上選擇與企業(yè)生產(chǎn)項目需求相結(jié)合綜合實踐項目，采用接觸實際GIS 建設(shè)項目的方式幫助學(xué)生實現(xiàn)GIS 專業(yè)技能的內(nèi)化和繼承，通過提高學(xué)生的工程素質(zhì)來提升GIS 專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)開發(fā)的整體水平。

1.3 課程對專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的支撐

以自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)建為契機，秉承“產(chǎn)-學(xué)-研-用”相結(jié)合的教學(xué)理念，為地理信息科學(xué)與信息科學(xué)技術(shù)應(yīng)用有機融合提供良好的理論探討、指導(dǎo)和實踐操作平臺，為不斷深化地理信息科學(xué)改革與創(chuàng)新實踐。以實習(xí)基地和項目參與的形式建立長效合作機制和平臺。聯(lián)手產(chǎn)業(yè)學(xué)院相關(guān)企事業(yè)用人單位、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)公司等更多利益相關(guān)方，通過參與實際生產(chǎn)項目來完成實踐性實驗課程的模式，來考驗和磨礪GIS專業(yè)學(xué)生的開發(fā)水平，為各部門、行業(yè)和產(chǎn)業(yè)定向輸送GIS 專業(yè)人才，同時為創(chuàng)立高校GIS 專業(yè)的良好品牌專業(yè)形象奠定社會基礎(chǔ)，推動GIS 專業(yè)品牌的樹立。

2 現(xiàn)有教學(xué)模式的局限性

2.1 授課形式偏重講授而缺少實踐

當(dāng)下高校實驗性課程教學(xué)模式大部分仍還停留在以教師為中心的教育模式為主，這種教學(xué)模式忽視了學(xué)生的主體作用。學(xué)生往往按現(xiàn)成的數(shù)據(jù)和給定的方法步驟才能按部就班、依葫蘆畫瓢去完成一個實驗。這種被動的學(xué)習(xí)方式很大程度上依賴于教材和老師給出詳細的實驗步驟，沒有充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和主動性，即使完成實驗也是知其然不知其所以然，沒有真正動腦筋去獨立設(shè)計和分析實驗。學(xué)生對GIS開發(fā)知識技能并沒有實現(xiàn)真正的內(nèi)化，對地理信息系統(tǒng)的開發(fā)也缺乏設(shè)計性和創(chuàng)造性[8]。

2.2 實驗設(shè)計偏重針對知識點而忽視整體性設(shè)計

GIS 課程實驗的設(shè)計應(yīng)該是綜合性的，既需要考慮到知識點的覆蓋，也需要關(guān)注實驗的整體性設(shè)計。教師在進行實驗課程計劃時，仍較為注重講述過程，對標(biāo)教學(xué)大綱中的知識點，以“點對點”的傳統(tǒng)講授形式為主。在數(shù)據(jù)組織和處理環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的GIS 更多的是按照Tomlinson 的思想，沿用地圖數(shù)據(jù)處理的模式，未能從“面向圖層”的設(shè)計和處理模式完全向“面向?qū)ο蟆鞭D(zhuǎn)化。在數(shù)據(jù)組織上也未能很好地引入知識工程技術(shù)。實驗設(shè)計只注重知識點，而忽略了實驗的整體性和實際應(yīng)用情景，使得學(xué)生難以理解和掌握GIS 系統(tǒng)的綜合運用和實際應(yīng)用場景，學(xué)生缺乏綜合性思考。例如GIS 開發(fā)環(huán)節(jié)中涉及地理數(shù)據(jù)編輯、查詢、存儲、空間分析以及地圖制圖等知識節(jié)點。他們之間的教學(xué)案例缺乏一個系統(tǒng)性和連貫性，GIS 開發(fā)的師指點只是課程學(xué)習(xí)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，并不能涵蓋全部，學(xué)生除了需要掌握知識點，掌握GIS 關(guān)鍵模塊的開發(fā)技能以外，還需有整體性的思維，實驗缺乏整體性的設(shè)計，可能導(dǎo)致實驗之間的聯(lián)系性較差，學(xué)生難以將各個實驗相互聯(lián)系起來，從而缺乏系統(tǒng)性的認知。只注重知識點的掌握，而忽略了學(xué)生的實踐能力和應(yīng)用能力的培養(yǎng)，無法滿足學(xué)生實際需求和社會發(fā)展對GIS人才的要求。軟件工程通用性的整體開發(fā)流程對GIS開發(fā)來說同樣重要。除了必備GIS 開發(fā)技術(shù)以外，還應(yīng)教會學(xué)生從整個信息系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)流程。從需求分析到設(shè)計、編碼、測試部署和維護過程中涉及的原理和規(guī)則均需要明晰。

2.3 課程未能緊扣自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求

自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)是一個新興的領(lǐng)域，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，這個領(lǐng)域的需求和變化也在不斷增加。因此，對于自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)相關(guān)的課程來說，緊扣產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求是非常重要的。課堂的實驗過程未能緊扣自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，所展現(xiàn)出來的突出問題主要有以下幾點。一是課程內(nèi)容實用性不高，課程內(nèi)容過于理論化或過時，教學(xué)大綱更新不及時，教師選用教材陳舊、講義課件陳舊等，無法滿足學(xué)生在實際工作中所需的技能和知識，導(dǎo)致課程內(nèi)容的不實用。例如GIS 二次開發(fā)的時候仍采用C/S 框架，在傳統(tǒng)的VS 框架或者借助ArcGIS 老版本的二次開發(fā)工具進行。所采用的軟件系統(tǒng)與當(dāng)下的操作系統(tǒng)甚至?xí)嬖诩嫒菪詥栴}。學(xué)生學(xué)到這種明顯與時代脫節(jié)的教學(xué)內(nèi)容所也必然是與社會需求脫節(jié)的。二是課程與行業(yè)不匹配，課程內(nèi)容無法做到與自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)的實際需求和發(fā)展方向匹配，學(xué)生學(xué)習(xí)該課程后不能很好適應(yīng)這個領(lǐng)域的工作環(huán)境，無法滿足企業(yè)的實際需求。再者，課程內(nèi)容不與實際需求相符，學(xué)生則會覺得這個課程無趣或者無用，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高，從而影響學(xué)習(xí)效果。因此，對于自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)相關(guān)的課程，應(yīng)該緊扣行業(yè)需求和發(fā)展方向，結(jié)合實際案例和項目，注重實踐操作，使學(xué)生學(xué)到的知識和技能能夠直接應(yīng)用到實際工作中，提高學(xué)生的職業(yè)競爭力。同時，也應(yīng)該密切關(guān)注行業(yè)的發(fā)展趨勢，不斷更新和優(yōu)化課程內(nèi)容和教學(xué)方法，保持課程的前沿性和實用性。

3 教學(xué)模式的改革方向和舉措

3.1 教學(xué)形式多樣化，立體化設(shè)計實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

在充分掌握開發(fā)原理和技術(shù)的基礎(chǔ)上，GIS 設(shè)計開發(fā)課程應(yīng)更加著重對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。一方面，可以通過引入項目實戰(zhàn)的方式，將課程與自然資源數(shù)字行業(yè)產(chǎn)業(yè)實際項目相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生在項目中應(yīng)用所學(xué)知識，了解軟件開發(fā)過程和項目管理方法，提高學(xué)生的實踐能力?？梢酝ㄟ^邀請自然資源數(shù)字行業(yè)企業(yè)或者相關(guān)行業(yè)的人士來講解實際項目，讓學(xué)生在實戰(zhàn)中深入了解行業(yè)需求和技術(shù)發(fā)展。另一方面，可以進一步增加課程實驗環(huán)節(jié)的學(xué)時比重，讓學(xué)生親手動手操作，編寫代碼、調(diào)試、運行程序，掌握軟件開發(fā)過程中的具體技能和方法。通過自主設(shè)計小型的實驗項目，讓學(xué)生逐步熟悉軟件開發(fā)的流程和工具，從而提高實踐能力。實現(xiàn)整個數(shù)字化技術(shù)、編程方法、軟件開發(fā)以及信息管理等每一個GIS 開發(fā)的環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容的立體化設(shè)計。例如，在數(shù)字化環(huán)節(jié)要強調(diào)訓(xùn)練學(xué)生學(xué)會何處理和解析空間數(shù)據(jù)的采集、地圖的數(shù)字化、遙感圖像等技術(shù)；在編程技術(shù)上，學(xué)生應(yīng)重點掌握進行自動化處理和分析地理數(shù)據(jù)的方法，既要掌握學(xué)習(xí)如何使用主流編程語言（例如Python、JavaScript等）編寫GIS 腳本和程序，完成數(shù)據(jù)處理和分析等自動化GIS 任務(wù)、批量處理數(shù)據(jù)以及構(gòu)建地理模型等方法。還應(yīng)掌握API 的開發(fā)使用，如ArcGIS API for JavaScript、QGIS Python API 等工具開發(fā)定制的GIS應(yīng)用。在GIS 開發(fā)工具的使用上，既要懂得使用主流組件式開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用（例如ArcObjects、PyQGIS等），也需要了解使用Web GIS 技術(shù)（例如Leaflet、OpenLayers 等）進行在線地圖的開發(fā)。

3.2 合理設(shè)綜合實訓(xùn)，強化開發(fā)技術(shù)的整體性

綜合實訓(xùn)指的是一種融合多種學(xué)科知識的綜合性實踐教學(xué)方式，它可以采用多種形式和方法，如項目設(shè)計、實踐操作、綜合性實驗等。以綜合實訓(xùn)為載體，提升學(xué)生啟發(fā)性和整體性思維能力主要可以通過以下幾個方式。首先在綜合實訓(xùn)設(shè)計時，應(yīng)明確目標(biāo)和任務(wù)，以便能夠更好地幫助學(xué)生掌握相關(guān)的知識和技能，選擇與自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)相關(guān)的實訓(xùn)內(nèi)容，讓學(xué)生能夠在實踐中綜合應(yīng)用所學(xué)知識和技能，解決行業(yè)產(chǎn)業(yè)的實際問題。其次是強調(diào)團隊協(xié)作，綜合實訓(xùn)往往需要學(xué)生合作完成，因此要強調(diào)團隊協(xié)作和溝通能力的培養(yǎng)，可以采用小組合作的方式，將學(xué)生分成小組，每個小組負責(zé)一個綜合實訓(xùn)項目，參與整個需求分析到軟件開發(fā)的過程，從而使他們能更好地理解團隊協(xié)作、項目管理、溝通協(xié)調(diào)等方面的技能，提高實踐能力和團隊合作能力。讓學(xué)生在實踐中能夠相互合作，互相學(xué)習(xí)，共同完成任務(wù)。最重要的是在實訓(xùn)過程中要強調(diào)系統(tǒng)化的思維，GIS 開發(fā)需要對整個系統(tǒng)有全面的認識和理解，尤其注重設(shè)計階段的培養(yǎng)，讓學(xué)生能夠掌握系統(tǒng)設(shè)計的方法和技巧，提高GIS 軟件系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量和整體性思維。同時，課程中注重學(xué)生的自主探究和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，鼓勵學(xué)生在項目開發(fā)中尋找問題，探索解決方案，還可以通過鼓勵學(xué)生參與開源項目的方式，積極參與開源項目，了解和學(xué)習(xí)優(yōu)秀的代碼實踐和開發(fā)思路，從而提高啟發(fā)性思維。

3.3 立足自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)需求，打造人才培養(yǎng)責(zé)任共同體

建立“理論教學(xué)+課堂實驗+產(chǎn)業(yè)實踐”的課程體系。對接產(chǎn)業(yè)行業(yè)，針對自然資源數(shù)字化的具體需求，及時響應(yīng)和修訂完善GIS 課程教學(xué)大綱，提高人才培養(yǎng)的前瞻性、引領(lǐng)性和針對性。依托高校、行業(yè)、企業(yè)專家組成的專業(yè)建設(shè)指導(dǎo)委員會，以培養(yǎng)適應(yīng)信息化社會需求的復(fù)合型工程人才為目標(biāo)。采用案例教學(xué)、項目驅(qū)動、實踐操作等教學(xué)方法，讓學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)，提高技能和應(yīng)用能力。深入理解自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)的核心需求，包括數(shù)據(jù)管理、空間分析、資源優(yōu)化等。邀請業(yè)界專家、企業(yè)代表等到課堂進行課程講授和參與課程共建，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程接觸實際GIS 建設(shè)項目，緩解學(xué)生在理論知識與工程項目實際之間脫節(jié)的矛盾，實現(xiàn)學(xué)生對實際GIS 理論知識與專業(yè)技能的內(nèi)化和繼承，通過提高學(xué)生的工程素質(zhì)來提升GIS專業(yè)學(xué)生的整體水平。充分發(fā)揮與自然資源數(shù)字行業(yè)緊密聯(lián)系的優(yōu)勢，除了共同設(shè)計制作實踐教學(xué)內(nèi)容和共同開發(fā)實踐教學(xué)案例以外，還可以通過共建實訓(xùn)平臺等方式，利用行業(yè)內(nèi)資源提供豐富的教學(xué)資源支持，與相關(guān)行業(yè)和機構(gòu)建立合作關(guān)系，共享數(shù)據(jù)和技術(shù)資源。共同評價教學(xué)效果的長效機制，促進課程教學(xué)體系更加契合行業(yè)應(yīng)用，提升GIS 設(shè)計與開發(fā)人才培養(yǎng)的針對性和有效性。

4 結(jié)語

GIS 開發(fā)課程是地理信息科學(xué)專業(yè)的核心課程之一，是地理信息科學(xué)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程的重要環(huán)節(jié)。課程設(shè)計的合理與否直接與人才培養(yǎng)是否符合市場需求有直接關(guān)聯(lián)。本文提倡采用新的教學(xué)模式和創(chuàng)新的教學(xué)方法開展GIS 開發(fā)課程的教學(xué)和實訓(xùn)，并在教學(xué)、研究和應(yīng)用的各個方面采取質(zhì)量控制措施，以確保取得顯著和獨特的教育成果。以自然資源數(shù)字產(chǎn)業(yè)學(xué)院為依托，向產(chǎn)業(yè)問需求，向行業(yè)要資源，以產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)需求導(dǎo)向，充分利用行業(yè)需求和資源，堅持需求驅(qū)動技術(shù)發(fā)展。產(chǎn)業(yè)學(xué)院的校企合作方共同參與教學(xué)大綱定制，建立教學(xué)資源庫，探索與企業(yè)聯(lián)合研發(fā)課程機制，建立產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的人才協(xié)同培養(yǎng)模式[9，10]。通過實踐項目訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)意識，提高學(xué)生的實踐、創(chuàng)新和團隊合作能力。全面提高GIS 技術(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，更好地服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級[11]。