地理信息系統(tǒng)教材建設(shè)研究

韋娟 劉乃安 付衛(wèi)紅

摘 要：以空間信息與數(shù)字技術(shù)專(zhuān)業(yè)的核心課程地理信息系統(tǒng)的教材建設(shè)為例，從專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案和課程大綱出發(fā)，系統(tǒng)闡述了空間信息技術(shù)發(fā)展對(duì)教材的要求、人才培養(yǎng)對(duì)教材建設(shè)的要求、對(duì)現(xiàn)有教材的剖析、在教學(xué)改革中重構(gòu)新形態(tài)教材等內(nèi)容。在教學(xué)和實(shí)踐中與信息教育技術(shù)融合創(chuàng)新開(kāi)展課程內(nèi)容建設(shè)，將新技術(shù)、新方法及科研成果及時(shí)融入教學(xué)中，采用動(dòng)態(tài)增改和調(diào)整等多種策略更新教材內(nèi)容，在“教材+線(xiàn)上資源+線(xiàn)下課程+實(shí)踐創(chuàng)新”教學(xué)與學(xué)習(xí)資源環(huán)境下，重構(gòu)地理信息新形態(tài)教材的深度、難度及廣度體系。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；教材建設(shè)；新形態(tài)

一、空間信息技術(shù)發(fā)展對(duì)教材的要求

1．人才培養(yǎng)模式的改革促進(jìn)教材建設(shè)

2004年，武漢大學(xué)設(shè)立全國(guó)第一個(gè)“空間信息與數(shù)字技術(shù)”專(zhuān)業(yè)并開(kāi)始招生，標(biāo)志著空間信息與數(shù)字技術(shù)專(zhuān)業(yè)的誕生（被稱(chēng)為“武大模式”）。2005年西安電子科技大學(xué)也適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)代化對(duì)空間信息領(lǐng)域人才的迫切需要而創(chuàng)設(shè)了“空間信息與數(shù)字技術(shù)”專(zhuān)業(yè)并開(kāi)始招生（被稱(chēng)為“西電模式”）。雖然兩個(gè)學(xué)校設(shè)置的專(zhuān)業(yè)有相同的名字，但學(xué)習(xí)內(nèi)容卻相去甚遠(yuǎn)，所以給予不同的“模式”稱(chēng)號(hào)。西安電子科技大學(xué)的空間信息與數(shù)字技術(shù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案在通信工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改制，還是以學(xué)校的電子信息為特色進(jìn)行建設(shè)。后面相繼設(shè)立該專(zhuān)業(yè)的學(xué)校根據(jù)各自的特色，以這兩種模式為本進(jìn)行專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案及相關(guān)課程的設(shè)置。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Sy-stem，GIS）是空間信息與數(shù)字技術(shù)專(zhuān)業(yè)“西電模式”的一門(mén)核心專(zhuān)業(yè)課和能力支撐課。根據(jù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案和課程大綱，學(xué)生需通過(guò)這門(mén)核心課程對(duì)空間信息科學(xué)有一個(gè)基本了解。而地理信息系統(tǒng)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，在原有學(xué)科交叉處派生出來(lái)的一門(mén)新興前沿學(xué)科。它是用來(lái)處理和分析空間數(shù)據(jù)的一門(mén)綜合性信息技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、信息和管理學(xué)、地學(xué)、空間科學(xué)及測(cè)量學(xué)等學(xué)科，進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的采集、量測(cè)、分析、存儲(chǔ)、管理、顯示、傳播和應(yīng)用等[1-2]。這對(duì)教材的編著提出了較高的要求，既要系統(tǒng)全面地講述地理信息系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵的技術(shù)方法，還需結(jié)合空間信息技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行創(chuàng)新融合。

2．教材內(nèi)容及動(dòng)態(tài)更新

在高等教育中，教材一直是我國(guó)教育改革的重點(diǎn)之一，是教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)思想的主要體現(xiàn)者[3]。地理信息系統(tǒng)教材主要涵蓋的內(nèi)容有：GIS的基本概念和涉及的基礎(chǔ)理論、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)采集與處理、空間分析方法及產(chǎn)品輸出、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、3S集成等。與紙質(zhì)版教材配套的還須有講授課件、教學(xué)視頻、拓展應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)等電子教材資源，為學(xué)生自主線(xiàn)上學(xué)習(xí)提供靈活的多樣方式，使學(xué)習(xí)可以不受時(shí)間和空間的限制。當(dāng)然電子教材內(nèi)容隨著學(xué)科前沿及新技術(shù)的發(fā)展需不斷進(jìn)行更新，如隨著時(shí)空大數(shù)據(jù)GIS、移動(dòng)GIS、云原生GIS、區(qū)塊鏈GIS、數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實(shí)GIS與視頻GIS、游戲引擎與GIS、三維GIS等新技術(shù)的融合發(fā)展，及時(shí)推送這些新技術(shù)在安全應(yīng)急、新型智慧城市、智慧機(jī)場(chǎng)、智慧園區(qū)、智能交通、國(guó)土資源、自然資源、公安時(shí)空大數(shù)據(jù)、自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理、水利數(shù)字孿生、生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)等不同行業(yè)的應(yīng)用案例，確保教學(xué)內(nèi)容與創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展同步[4]。

地理信息系統(tǒng)教材強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性、簡(jiǎn)明性、可讀性、實(shí)用性、科學(xué)性與現(xiàn)勢(shì)性的結(jié)合，內(nèi)容精煉，簡(jiǎn)明易懂，可作為高等院?？臻g信息科學(xué)、地理信息系統(tǒng)、地理學(xué)、測(cè)繪學(xué)、資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理、土地管理等相關(guān)學(xué)科教材，也可作為科學(xué)研究、工程規(guī)劃設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)部門(mén)科技人員了解空間信息科學(xué)的參考資料。

二、人才培養(yǎng)對(duì)教材建設(shè)的要求

教材質(zhì)量是促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容改革、提高教學(xué)質(zhì)量的重要因素之一，在一定程度上反映編著者的教學(xué)和學(xué)術(shù)水平，教材編寫(xiě)是對(duì)知識(shí)和技術(shù)的凝練和再加工，對(duì)提升教師的業(yè)務(wù)綜合能力有著十分重要的作用。教材編寫(xiě)過(guò)程要求編著者在系統(tǒng)總結(jié)地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)和遙感基本理論與實(shí)踐的成功經(jīng)驗(yàn)和方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行編寫(xiě)。為充分發(fā)揮教材在本科人才培養(yǎng)中的作用，教材編寫(xiě)的要求有以下幾方面。

（1）目標(biāo)明確、技術(shù)先進(jìn)。GIS教材編寫(xiě)以提高學(xué)生的空間信息分析能力為出發(fā)點(diǎn)，在內(nèi)容的選取上，充分滿(mǎn)足從事空間相關(guān)工作應(yīng)具有的信息基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用技能需求；在章節(jié)的設(shè)計(jì)上，以潛移默化地影響學(xué)生方法能力、社會(huì)能力為目標(biāo)。同時(shí)，教材需充分體現(xiàn)“理論與實(shí)踐相結(jié)合”的特色，充分運(yùn)用先進(jìn)的教學(xué)手段，在每一章節(jié)中均應(yīng)包含實(shí)際應(yīng)用與實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)實(shí)際分析和操作熟悉相關(guān)知識(shí)的復(fù)雜工程應(yīng)用。

（2）課程思政、潤(rùn)物無(wú)聲。GIS教材編寫(xiě)和課件中要適當(dāng)融入空間信息知識(shí)涉及的歷史、應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)，以及空間信息科學(xué)的思想體系。西安電子科技大學(xué)的地理信息系統(tǒng)教材實(shí)例力求講好“中國(guó)故事”“西電故事”和“西電空間通信人故事”，提高學(xué)生正確認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，注重強(qiáng)化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)，潛移默化地幫助學(xué)生形成正確的價(jià)值觀。

（3）精簡(jiǎn)理論、突出應(yīng)用。教材編寫(xiě)以鍛煉學(xué)生“會(huì)用空間信息知識(shí)解決實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題”為基本點(diǎn)，力求滿(mǎn)足學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程及日后從事工作所需要的知識(shí)儲(chǔ)備需求。因此，教材更多著墨于與專(zhuān)業(yè)相關(guān)的各種實(shí)際工程案例的分析解決上，此也為GIS教材的特色之一，即循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生一步步完成“用專(zhuān)業(yè)知識(shí)”解決實(shí)際問(wèn)題的學(xué)習(xí)過(guò)程。

（4）內(nèi)容新穎、實(shí)用性強(qiáng)。GIS教材依據(jù)空間信息與數(shù)字技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的需求而編寫(xiě)，內(nèi)容結(jié)構(gòu)按照學(xué)生的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)要求和實(shí)踐進(jìn)行安排。從身邊簡(jiǎn)單的問(wèn)題（如公園選址）引出地理信息知識(shí)，以解決問(wèn)題為導(dǎo)向進(jìn)行知識(shí)展開(kāi)，導(dǎo)學(xué)思路明晰，符合由淺入深的認(rèn)識(shí)過(guò)程，學(xué)生可以利用教材和電子資源進(jìn)行自我學(xué)習(xí)。教材對(duì)于地理信息及擴(kuò)展基本知識(shí)點(diǎn)都有較詳細(xì)的解釋?zhuān)⑶彝ㄟ^(guò)GIS教材和課件及視頻中大量的案例解決，力求強(qiáng)化學(xué)習(xí)者應(yīng)用空間信息知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

（5）學(xué)用結(jié)合，服務(wù)專(zhuān)業(yè)。GIS教材的各章節(jié)及案例之間要有比較密切的連貫關(guān)系，能夠做到前后呼應(yīng)、溫故知新，增強(qiáng)教材的綜合性和靈活性。

三、現(xiàn)有教材的剖析

在教學(xué)實(shí)踐中，我們調(diào)研了開(kāi)設(shè)地理信息系統(tǒng)課程的部分相關(guān)院校。如貴州大學(xué)的資源與環(huán)境工程學(xué)院將地理信息系統(tǒng)設(shè)置為一個(gè)專(zhuān)業(yè)，此專(zhuān)業(yè)及整個(gè)學(xué)院的教學(xué)科研側(cè)重于貴州乃至西南的地質(zhì)地形地貌，還專(zhuān)門(mén)成立喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)很具體實(shí)用。武漢大學(xué)的對(duì)應(yīng)專(zhuān)業(yè)為地理信息科學(xué)，屬于理學(xué)學(xué)科，主要針對(duì)長(zhǎng)江流域進(jìn)行實(shí)踐研究。西北大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)主要針對(duì)秦嶺山脈、野生動(dòng)物、朱鹮保護(hù)區(qū)等。百花齊放、各有千秋，這就使得各學(xué)校的地理信息系統(tǒng)課程的相關(guān)教材各有側(cè)重點(diǎn)。

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外已出版的地理信息系統(tǒng)教材多是針對(duì)地圖學(xué)及測(cè)繪學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生編寫(xiě)的，故而這些教材多側(cè)重于對(duì)地理信息系統(tǒng)基本理論和基本概念的介紹、地圖的建立及在測(cè)繪方面的應(yīng)用等方面。

作者在從事地理信息系統(tǒng)教學(xué)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的教材需要相當(dāng)多的前期基礎(chǔ)課程（如地理學(xué)、地圖學(xué)、測(cè)繪學(xué)、環(huán)境科學(xué)、管理科學(xué)等），而我們專(zhuān)業(yè)的學(xué)生不具備這些知識(shí)，因此使用現(xiàn)有的教材給教學(xué)帶來(lái)了諸多的不便，教學(xué)上需要補(bǔ)充很多的知識(shí)點(diǎn)，而學(xué)生因教材的不適對(duì)課程失去應(yīng)有的興趣，給后期學(xué)習(xí)其他課程及科研帶來(lái)不必要的麻煩。

因此，教材編寫(xiě)的目的就是根據(jù)專(zhuān)業(yè)設(shè)置及發(fā)展的趨勢(shì)，在注重教材內(nèi)容的基礎(chǔ)性和先進(jìn)性的同時(shí)，編寫(xiě)一本適合培養(yǎng)空間科學(xué)技術(shù)教學(xué)與研究，以最新的GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，融合衛(wèi)星導(dǎo)航定位、遙感等技術(shù)，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的思維方式和獲取知識(shí)能力，啟發(fā)學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng)新思想的新形態(tài)教材。

四、在教學(xué)改革中重構(gòu)新形態(tài)教材

針對(duì)空間信息與數(shù)字技術(shù)專(zhuān)業(yè)，地理信息系統(tǒng)課程根據(jù)實(shí)際需要，將教學(xué)內(nèi)容分為基礎(chǔ)、研討和實(shí)踐三個(gè)模塊。

基礎(chǔ)模塊：對(duì)應(yīng)學(xué)生必須掌握的基本原理、空間分析方法等內(nèi)容，主要通過(guò)課堂講授完成，重點(diǎn)是思路和方法。主要對(duì)應(yīng)教材的內(nèi)容有空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)采集與處理、GIS空間分析方法與產(chǎn)品輸出等。這部分內(nèi)容從邏輯上按照系統(tǒng)（基本原理、特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合、指標(biāo)）—模塊（原理和分析、指標(biāo)與分析、設(shè)計(jì)）—系統(tǒng)（系統(tǒng)模型、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)）來(lái)組織。

研討模塊：針對(duì)需求和技術(shù)復(fù)雜性，研討空間分析模型、網(wǎng)絡(luò)分析、數(shù)字地形分析、選址、拓建等復(fù)雜工程問(wèn)題。對(duì)應(yīng)教材內(nèi)容中的案例分析、空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、空間分析方法的綜合應(yīng)用分析等。

實(shí)踐模塊：包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)踐兩部分內(nèi)容?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、地理實(shí)體分層、查詢(xún)、屬性和圖形數(shù)據(jù)連接、遙感圖像的矯正和矢量化等。綜合實(shí)踐主要針對(duì)實(shí)際工程或科研項(xiàng)目，如智慧校園中的某個(gè)子模塊進(jìn)行建模設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，目的是基本能力訓(xùn)練和綜合能力提升，主要對(duì)應(yīng)教材地理信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和信息技術(shù)及GIS新技術(shù)的知識(shí)內(nèi)容及綜合應(yīng)用。

在實(shí)際教學(xué)中，應(yīng)以“四個(gè)面向”（面向?qū)W生能力培養(yǎng)、面向數(shù)字化及新工科創(chuàng)新應(yīng)用、面向引領(lǐng)未來(lái)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、面向教師引導(dǎo)與學(xué)生多元化自主學(xué)習(xí)）為內(nèi)容深化教材建設(shè)。根據(jù)技術(shù)發(fā)展和需求變化，結(jié)合西安電子科技大學(xué)電子信息與通信學(xué)科優(yōu)勢(shì)，引入大數(shù)據(jù)、人工智能、電路設(shè)計(jì)、FPGA等內(nèi)容，與信息教育技術(shù)融合創(chuàng)新開(kāi)展課程內(nèi)容建設(shè)，重構(gòu)地理信息新形態(tài)教材的深度、難度及廣度體系。

（1）內(nèi)容高階化，實(shí)踐創(chuàng)新化。以地理信息系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)和應(yīng)用實(shí)例為主線(xiàn)，系統(tǒng)全面地講述地理信息系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵的技術(shù)方法、發(fā)展現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)，并結(jié)合當(dāng)前地理信息系統(tǒng)應(yīng)用熱點(diǎn)，通過(guò)應(yīng)用實(shí)例講述開(kāi)發(fā)方法。

（2）知識(shí)體系化，能力結(jié)構(gòu)化。將畢業(yè)要求顯性化為明確的知識(shí)體系和能力結(jié)構(gòu)，并將知識(shí)圖譜、導(dǎo)學(xué)圖和針對(duì)性的能力訓(xùn)練嵌入教材和課堂教學(xué)視頻。

（3）資源碎片化，思維系統(tǒng)化?；谝曨l、課件、人物故事、工程案例等數(shù)字化、碎片化資源，實(shí)現(xiàn)將設(shè)計(jì)方法、應(yīng)用需求等系統(tǒng)化的高階思維正向、反向串起來(lái)。

（4）能力訓(xùn)練化，評(píng)價(jià)綜合化。紙質(zhì)版教材和數(shù)字化資源實(shí)現(xiàn)以“知識(shí)、能力、素質(zhì)”為目標(biāo)的三位一體的人才培養(yǎng)模式，既有實(shí)踐訓(xùn)練，也有思維訓(xùn)練；既有專(zhuān)業(yè)能力，也有綜合素質(zhì)。

五、結(jié)論

教師在教學(xué)過(guò)程中采用動(dòng)態(tài)增改和調(diào)整等多種策略安排教材內(nèi)容，將新技術(shù)、新方法及科研成果及時(shí)融入教學(xué)，在“教材+線(xiàn)上資源+

線(xiàn)下課程+實(shí)踐創(chuàng)新”教學(xué)與學(xué)習(xí)資源環(huán)境下，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在課程教學(xué)中落實(shí)立德樹(shù)人的根本任務(wù)。

經(jīng)過(guò)5年的實(shí)踐，基于地理信息系統(tǒng)教材及電子輔助資料，使得教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際結(jié)合較緊密，在學(xué)習(xí)難度較大的情況下，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性。教學(xué)方式和評(píng)價(jià)方式提高了學(xué)生的課堂活躍度、思考的積極性和分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。實(shí)踐模塊有效促進(jìn)了互幫互學(xué)，明顯提高了設(shè)計(jì)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作與表達(dá)能力，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)自主性、學(xué)習(xí)能力、溝通表達(dá)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和創(chuàng)新意識(shí)。

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[責(zé)任編輯：余大品]