范冬林,藍(lán)貴文,李景文,徐 勇,姜建武,竇世卿
(1.桂林理工大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院,廣西 桂林 541004)
泛在測(cè)繪被定義為用戶(hù)在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間,認(rèn)知環(huán)境與人產(chǎn)生關(guān)系時(shí)使用和構(gòu)建地圖的活動(dòng)和能力[1]。泛在測(cè)繪服務(wù)于近乎實(shí)時(shí)定位的大眾行業(yè),時(shí)空位置信息是這類(lèi)應(yīng)用的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),除了專(zhuān)業(yè)的測(cè)繪數(shù)據(jù),一些非專(zhuān)業(yè)的包含空間位置的眾包數(shù)據(jù)也逐步成為測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。隨著泛在測(cè)繪的發(fā)展,時(shí)空數(shù)據(jù)的采集,存儲(chǔ)、處理和管理等不斷深化,數(shù)據(jù)的維度不斷增加,數(shù)據(jù)的體系和管理模式也不斷的變化[2-3]。針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)繪時(shí)空數(shù)據(jù)管理的思維和技術(shù)已經(jīng)不再適用,更多開(kāi)放開(kāi)源的數(shù)據(jù)工具被廣泛應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)以滿(mǎn)足泛在測(cè)繪的時(shí)空數(shù)據(jù)處理要求[4]。
空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程是一門(mén)綜合性課程,知識(shí)內(nèi)容是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、地理信息原理3個(gè)方向的交叉綜合,既包括計(jì)算機(jī)中關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)理論內(nèi)容,又包括軟件工程中的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、集成等,還涉及地理學(xué)中的空間數(shù)據(jù)模型、空間索引等[5]。課程內(nèi)容繁雜,學(xué)生難以有效掌握知識(shí)點(diǎn),形成舉一反三的效果。特別是對(duì)于地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生,該課程的前置課程少,需要在有限課時(shí)情況下掌握多門(mén)課程的內(nèi)容,被學(xué)生認(rèn)為是最難的專(zhuān)業(yè)課之一。隨著泛在測(cè)繪在大眾服務(wù)行業(yè)的發(fā)展,社會(huì)對(duì)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的時(shí)空數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用能力提出了更高的要求,需要具備快速時(shí)空數(shù)據(jù)響應(yīng)能力的應(yīng)用型高級(jí)人才。針對(duì)這一變化趨勢(shì),迫切需要進(jìn)行空間數(shù)據(jù)庫(kù)的教學(xué)改革,培養(yǎng)滿(mǎn)足泛在測(cè)繪需求的地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)人才。本文探討了課程團(tuán)隊(duì)所在學(xué)校空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程建設(shè)現(xiàn)狀,并對(duì)其中存在的一些問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié);結(jié)合泛在測(cè)繪背景下對(duì)于空間數(shù)據(jù)人才的社會(huì)需求,對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程中的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織方式、教學(xué)方法進(jìn)行了改革,以期解決空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)新工科驅(qū)動(dòng)下高級(jí)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo),滿(mǎn)足泛在測(cè)繪背景下社會(huì)和行業(yè)對(duì)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)人才的需求。
空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程較為典型的理論課程教材為謝昆青等譯著的《空間數(shù)據(jù)庫(kù)》,崔鐵軍編著的《地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)原理》,吳信才編著的《空間數(shù)據(jù)庫(kù)》等。這類(lèi)教材具有明顯的專(zhuān)業(yè)學(xué)科背景,要么需要學(xué)生具備專(zhuān)業(yè)學(xué)科知識(shí),要么對(duì)實(shí)踐條件有一定要求。這些教材的內(nèi)容組織相差較大,在組織理論教學(xué)時(shí),需要進(jìn)行合理的取舍與重組,以適應(yīng)學(xué)科發(fā)展和行業(yè)需求。以課程團(tuán)隊(duì)所在高校為例,從2017年以來(lái)共進(jìn)行2 次理論教學(xué)知識(shí)內(nèi)容的重組與優(yōu)化。另外,實(shí)踐知識(shí)受限于專(zhuān)業(yè)軟件,無(wú)法實(shí)現(xiàn)泛在性。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)基于GIS 基礎(chǔ)軟件,雖然在某些方面突出了課程間的承接性,但無(wú)法為泛在應(yīng)用的快速響應(yīng)提供服務(wù)。學(xué)生在實(shí)踐知識(shí)完成后仍然無(wú)法快速解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。事實(shí)上,隨著空間數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展,基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)踐知識(shí)既可以脫離GIS 特定軟件獨(dú)立存在,也可以配合GIS 軟件以共同處理空間數(shù)據(jù),如PostgreSQL 的POSTGIS插件,而傳統(tǒng)的課程內(nèi)容和實(shí)踐軟件無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)快速響應(yīng)的人才需求。
空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程涉及理論和實(shí)踐部分。由于課程教材選擇和課時(shí)安排等原因,在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中,往往偏重理論教學(xué)而減少實(shí)踐教學(xué)。目前選用的理論教材很少具有配套的實(shí)踐,使得理論教材和實(shí)踐教材配套性缺失。雖然擴(kuò)大了主講教師在設(shè)計(jì)實(shí)踐內(nèi)容的自主性,但存在較大的隨意性。特別是針對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)索引和空間數(shù)據(jù)模型等章節(jié)知識(shí)內(nèi)容,能夠設(shè)計(jì)成為實(shí)踐案例的試驗(yàn)項(xiàng)目要么數(shù)量有限,要么結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中無(wú)法完全匹配理論教學(xué)的知識(shí)點(diǎn),理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容銜接性不強(qiáng),使得學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中由于無(wú)法探究理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的具體過(guò)程,而只能進(jìn)行感性理解。同時(shí),教學(xué)知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)容銜接有待加強(qiáng),空間數(shù)據(jù)庫(kù)涉及眾多學(xué)科內(nèi)容,知識(shí)點(diǎn)之間的銜接性不高,主要體現(xiàn)在教學(xué)主線(xiàn)難以把握,不能突出專(zhuān)業(yè)性和泛在測(cè)繪的應(yīng)用性[6];實(shí)踐教學(xué)知識(shí)點(diǎn)之間的銜接性不高,無(wú)法為空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與建設(shè)的最終目的服務(wù),阻礙了學(xué)生綜合能力的提升等。
空間數(shù)據(jù)庫(kù)是一門(mén)實(shí)踐性較強(qiáng)的課程,實(shí)踐內(nèi)容的教學(xué)效果直接決定了該課程的教學(xué)效果[7]。實(shí)踐教學(xué)模型通常容易陷入以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式。在前期,教師進(jìn)行實(shí)踐演示,后期學(xué)生依靠實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū),按照既定的數(shù)據(jù)和步驟得到預(yù)期的實(shí)習(xí)結(jié)果。在這種教學(xué)模式中,學(xué)生缺乏主動(dòng)思考,更多的是按照教師設(shè)定的流程完成任務(wù),屬于被動(dòng)吸收知識(shí)。實(shí)踐的效果基本依靠學(xué)生的記憶能力,不利于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)??臻g數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)踐學(xué)時(shí)的安排決定了其實(shí)驗(yàn)多數(shù)以簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主,設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)較少,無(wú)法有效培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力、組織協(xié)調(diào)能力等。另一方面,對(duì)于實(shí)踐教學(xué)效果的考核僅作為課程平時(shí)成績(jī)的一部分,無(wú)法與實(shí)踐內(nèi)容的重要性相匹配。雖然在期末試卷中可以部分體現(xiàn)實(shí)踐內(nèi)容知識(shí)點(diǎn),但同樣會(huì)陷入到以記憶為主的考核方式,不能實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生更深、更廣的知識(shí)考核,使得學(xué)生對(duì)實(shí)踐內(nèi)容不重視,只按部就班進(jìn)行操作,在遇到真實(shí)空間數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)需求時(shí),無(wú)法將理論聯(lián)系實(shí)際,以解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。
為解決空間數(shù)據(jù)庫(kù)教學(xué)上述存在的問(wèn)題,課程團(tuán)隊(duì)從2018 年開(kāi)始從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式,學(xué)習(xí)模式,考核方法等方面進(jìn)行改革。
針對(duì)課程內(nèi)容不適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求的問(wèn)題,在教學(xué)理論環(huán)節(jié),通過(guò)整合多個(gè)教材內(nèi)容,同時(shí)結(jié)合教師的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及社會(huì)發(fā)展需求,進(jìn)行課程內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)抽取,形成課程內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)資源池。針對(duì)知識(shí)點(diǎn)資源池,按照“知識(shí)-類(lèi)別-難度”3個(gè)維度,開(kāi)展空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程知識(shí)內(nèi)容重構(gòu),第1 維度為知識(shí)維度,涵蓋課程知識(shí)點(diǎn)資源池;第2 維度以第1 維度為基礎(chǔ)進(jìn)行劃分,形成理論、實(shí)踐、和應(yīng)用3個(gè)方面;第3維度為難度維度,分為基礎(chǔ)、進(jìn)階和挑戰(zhàn)3個(gè)階梯。通過(guò)實(shí)踐知識(shí)點(diǎn)重構(gòu),形成實(shí)踐課程知識(shí)立方體,完整覆蓋不同層級(jí)的學(xué)生學(xué)習(xí)面,使得學(xué)生通過(guò)自我挑戰(zhàn)可以完成不同難度知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)??臻g數(shù)據(jù)庫(kù)課程內(nèi)容立方體如圖1 所示。以數(shù)據(jù)組織與管理為例,將空間數(shù)據(jù)劃分為柵格和矢量,矢量進(jìn)一步劃分為具有幾何維度的集合(點(diǎn)、線(xiàn)、面、體),這些內(nèi)容作為知識(shí)維度講授;同時(shí),引導(dǎo)思考不同的應(yīng)用場(chǎng)景下數(shù)據(jù)組織與管理,如不同坐標(biāo)體系下數(shù)據(jù)組織與管理,不同數(shù)據(jù)量級(jí)(國(guó)家、省、市、區(qū))下數(shù)據(jù)分區(qū)、分塊、分層思維下的數(shù)據(jù)組織與管理;不斷提高應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜度,增加挑戰(zhàn)難度。借助空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程立方體,可以使參與者(教師、學(xué)生)清晰地掌握課程知識(shí)界限。在實(shí)際的授課過(guò)程中,根據(jù)學(xué)生的前期知識(shí)背景,通過(guò)調(diào)整難度和類(lèi)別維度的比例,以匹配學(xué)生的掌握程度。在實(shí)踐環(huán)節(jié),為了實(shí)施上述課程內(nèi)容知識(shí)點(diǎn),更是為了響應(yīng)泛在測(cè)繪背景下空間數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用需求,培養(yǎng)學(xué)生快速獨(dú)立使用空間數(shù)據(jù)庫(kù)的能力,采用開(kāi)源的PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)作為實(shí)踐應(yīng)用軟件。最后,通過(guò)不同應(yīng)用級(jí)別(ArcGIS、GeoServer、C#二次開(kāi)發(fā)等)進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)實(shí)踐內(nèi)容專(zhuān)業(yè)性和泛在性的統(tǒng)一。
圖1 空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程知識(shí)立方體
基于PBL開(kāi)展空間數(shù)據(jù)庫(kù)教學(xué),以魚(yú)與漁兩者兼得的方式進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)。圍繞課程知識(shí)立方體,按照PBL教學(xué)原則設(shè)計(jì)問(wèn)題知識(shí)樹(shù),每一個(gè)問(wèn)題以當(dāng)前課程的核心內(nèi)容為主體構(gòu)建問(wèn)題樹(shù)。問(wèn)題樹(shù)以樹(shù)狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn),最底部為樹(shù)根,是空間數(shù)據(jù)庫(kù)授課目標(biāo)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題,樹(shù)的上一層問(wèn)題是為解決其下部問(wèn)題衍生出來(lái)的問(wèn)題。樹(shù)的葉子節(jié)點(diǎn)一般為基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn),這部分內(nèi)容由教師講授,課前預(yù)習(xí)過(guò)程中,通過(guò)發(fā)布二級(jí)問(wèn)題的情景圖引導(dǎo)學(xué)生更好地思考。在進(jìn)行新的知識(shí)點(diǎn)講授時(shí),向?qū)W生展示與問(wèn)題相關(guān)的問(wèn)題分解樹(shù),使學(xué)生明確該知識(shí)內(nèi)容在整個(gè)體系中的位置,同時(shí)使學(xué)生清楚掌握該知識(shí)內(nèi)容可以解決的問(wèn)題,促進(jìn)學(xué)生的全局概念,奠定學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力。以時(shí)空數(shù)據(jù)索引教學(xué)為例,先引入索引在數(shù)據(jù)管理中的作用,以及通過(guò)具體實(shí)例展示不同索引技術(shù)下數(shù)據(jù)的查詢(xún)時(shí)間;然后講授常規(guī)索引(B樹(shù)、KD樹(shù)、四叉樹(shù)等)內(nèi)容;最后組織討論數(shù)據(jù)維度升高時(shí)如何進(jìn)行索引,通過(guò)討論情況,科學(xué)講授新的多維索引技術(shù)。在具體實(shí)施過(guò)程中,按照“問(wèn)題點(diǎn)引入”,“知識(shí)點(diǎn)講授”,“組織討論”,“解決問(wèn)題”4個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行PBL教學(xué)方法實(shí)施(見(jiàn)圖1)。
傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)依靠實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū),按照設(shè)定的步驟得到預(yù)期的實(shí)習(xí)結(jié)果,該模式難以發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性,學(xué)生在學(xué)習(xí)完后仍然無(wú)法內(nèi)化為自己的知識(shí),解決實(shí)際問(wèn)題。因此,筆者設(shè)置以點(diǎn)帶面的實(shí)踐學(xué)習(xí)模式,協(xié)助學(xué)生在鞏固點(diǎn)狀知識(shí)的同時(shí),掌握如何依靠現(xiàn)有知識(shí)解決線(xiàn)狀知識(shí),以及面狀知識(shí),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過(guò)一個(gè)點(diǎn)掌握一個(gè)面。教師先講授點(diǎn)狀知識(shí),通過(guò)設(shè)計(jì)與點(diǎn)狀知識(shí)相關(guān)的實(shí)踐案例,每一個(gè)案例給出一些解題的提示,使得學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中,結(jié)合點(diǎn)狀知識(shí),按照解題提示可以完成實(shí)踐案例。線(xiàn)狀知識(shí),按照“進(jìn)階”和“挑戰(zhàn)”分為2種類(lèi)型,“進(jìn)階”類(lèi)型的線(xiàn)狀知識(shí)指與知識(shí)點(diǎn)相似或相近的知識(shí)點(diǎn),學(xué)生通過(guò)解題提示可以間接得出答案。而“挑戰(zhàn)”類(lèi)型的線(xiàn)狀知識(shí)指比該知識(shí)點(diǎn)更高階知識(shí)點(diǎn),學(xué)生需要按照解題提示自行搜索相關(guān)知識(shí)內(nèi)容才能得出答案。面狀知識(shí)與線(xiàn)狀知識(shí)類(lèi)似分為“進(jìn)階”和“挑戰(zhàn)”,只不過(guò)面狀知識(shí)涉及的內(nèi)容不單單是獨(dú)立的知識(shí),而是相互交叉的內(nèi)容。在筆者設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)中,主要內(nèi)容包括傳統(tǒng)SQL基礎(chǔ)、SSQL查詢(xún)、數(shù)據(jù)庫(kù)高級(jí)應(yīng)用和綜合實(shí)踐,結(jié)構(gòu)化查詢(xún)、非結(jié)構(gòu)化查詢(xún)、索引、存儲(chǔ)過(guò)程、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。學(xué)生在掌握理論知識(shí)前提下,通過(guò)點(diǎn)、線(xiàn)、面的方式一方面可以充分掌握基礎(chǔ)知識(shí),同時(shí),掌握了解決空間數(shù)據(jù)庫(kù)具體應(yīng)用問(wèn)題的方法和思路。圖2展示了點(diǎn)-線(xiàn)-面實(shí)踐教學(xué)模式,通過(guò)該實(shí)踐教學(xué)模式,實(shí)現(xiàn)“知識(shí)-技能-素質(zhì)”一體化人才培養(yǎng)。
圖2 點(diǎn)-線(xiàn)-面鏈?zhǔn)綄?shí)踐教學(xué)模
改革后的空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程于2018 年秋季在2015級(jí)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)中予以實(shí)施,課程團(tuán)隊(duì)將實(shí)踐內(nèi)容的考核比例調(diào)整至50%。目前已累計(jì)開(kāi)展3個(gè)輪次的教學(xué),通過(guò)教學(xué)效果對(duì)比,學(xué)生對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)知識(shí)有了更全面的掌握,對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)、建設(shè)、應(yīng)用等流程有了更清晰的認(rèn)知。在課程綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),可以充分利用掌握知識(shí)設(shè)計(jì)、實(shí)施小型空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè),甚至部分學(xué)生可以結(jié)合ArcGIS Server、GeoServer 配合Openlayer 等工具進(jìn)行空間數(shù)據(jù)高層次應(yīng)用。在考試成績(jī)方面,學(xué)生的考試平均成績(jī)從2019年秋的75分逐步提升到2021年秋季83分。在實(shí)踐能力方面,學(xué)生獲得第七屆互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國(guó)家級(jí)銀獎(jiǎng)1 項(xiàng),首屆全國(guó)大學(xué)生測(cè)繪創(chuàng)新開(kāi)發(fā)大賽特等獎(jiǎng)1項(xiàng),全國(guó)高校GIS大賽二等獎(jiǎng)2項(xiàng)等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。實(shí)踐證明:①基于課程立方體的內(nèi)容組織方式和PBL 教學(xué)方法可以有效增強(qiáng)學(xué)生空間數(shù)據(jù)庫(kù)的思維能力,促進(jìn)學(xué)生的邏輯思維和實(shí)踐動(dòng)手能力。②點(diǎn)-線(xiàn)-面的實(shí)踐知識(shí)學(xué)習(xí)模式可以有效培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力,促進(jìn)學(xué)生自我學(xué)習(xí)和主動(dòng)思考能力。
空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程在地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)中占據(jù)非常重要的作用,是實(shí)施專(zhuān)業(yè)定位的重要錨點(diǎn)之一。隨著社會(huì)發(fā)展和行業(yè)需求的變化,空間數(shù)據(jù)庫(kù)的課程設(shè)置和人才培養(yǎng)方案也需要相應(yīng)進(jìn)行改變。一個(gè)明顯的特征是泛在測(cè)繪需要具備快速響應(yīng)能力的空間數(shù)據(jù)庫(kù)人才,達(dá)到這個(gè)目標(biāo)不能僅僅依靠于傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)軟件和教學(xué)手段,知識(shí)的更新、教學(xué)方法的改進(jìn)以及學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變需要同步進(jìn)行。因此,筆者根據(jù)本校教學(xué)情況進(jìn)行了空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程改革實(shí)踐,雖然改革取得了一定的成效,但仍有很多方面可以改進(jìn)。課程的改革是一個(gè)持續(xù)性過(guò)程,下一階段,課程團(tuán)隊(duì)將在此基礎(chǔ)上,不斷對(duì)課程內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化和完善,為提高空間數(shù)據(jù)庫(kù)人才培養(yǎng)質(zhì)量繼續(xù)努力。