基于項目式教學的城市地理信息系統(tǒng)課程教學探究

韓東亞　林杭

［摘 要］新工科背景下，高校工科課程改革是新時期人才培養(yǎng)的重要需求。城市地理信息系統(tǒng)是多學科交叉的新興學科，是智慧城市建設的重要技術支撐。文章針對城市地理信息系統(tǒng)教學中存在的問題，引入項目教學法，基于工程實例進行城市地理信息系統(tǒng)課程教學設計，建立了學生成績評價模型。課題組在項目設計上結合城市地下空間工程專業(yè)特色，利用城市地理信息系統(tǒng)特有的圖形化顯示巧妙引入課程思政元素，并引入企業(yè)評價機制對項目進行綜合評價，優(yōu)化了項目設計和考核方式，實現(xiàn)了教書育人和提高教學質量的目標。

［關鍵詞］UGIS；項目評價；思政元素；項目式教學

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）14-0047-04

隨著中國城市化進程的加快、城市人口的增長，城市資源短缺問題、城市交通問題、城市環(huán)境問題、城市住房問題等日漸突出。在此背景下，作為數(shù)字城市、智慧城市的基礎，3S（城市地理信息系統(tǒng)UGIS、全球定位系統(tǒng)GPS、遙感RS）技術的核心——城市地理信息系統(tǒng)（Urban Geographical Information System， UGIS）在城市各個領域得到了廣泛的發(fā)展，相關技術人才的需求日益增長。UGIS是多學科綜合交叉的一門學科，內容包括工程測量、計算機技術、數(shù)學、城市規(guī)劃、城市管理等[1]。各大互聯(lián)網公司也競相發(fā)展獨有的基于時空大數(shù)據的搜索引擎，形成了具有重大商業(yè)經濟價值和社會服務價值的產品，例如阿里時空數(shù)據引擎Ganos、京東時空數(shù)據引擎Just、美團大腦、百度大腦等，其核心和根本就是城市地理空間大數(shù)據，這就形成了對UGIS技術人才數(shù)量的客觀需求。

2014年，發(fā)展改革委等八部委印發(fā)了《關于促進智慧城市健康發(fā)展的指導意見》，提出智慧城市建設的目標之一是實現(xiàn)城市管理服務的信息化和精細化。2016年，發(fā)展改革委、測繪地理信息局印發(fā)的《測繪地理信息事業(yè)“十三五”規(guī)劃》提出涉及城市發(fā)展、教學、科研的重要意見，包括“推進新型基礎測繪建設”“開展新型基礎地理信息數(shù)據庫建設”“發(fā)展地圖文化創(chuàng)意產業(yè)”“做好數(shù)字城市地理空間框架建設”“推進智慧城市時空信息云平臺試點示范應用”等。聯(lián)合國教科文組織的有關文獻曾表明，人類活動所產生的信息，80%以上與地理空間位置有關。智慧城市是物理空間、信息空間和社會空間的三元空間耦合[2]。智慧城市建設是當前城市發(fā)展的重點，如何走向智慧城市是需要研究解決的關鍵問題。因此，只有建立三元空間的關聯(lián)關系，才能利用信息空間發(fā)現(xiàn)、分析和解決城市發(fā)展問題，使城市走向智慧化。UGIS基于信息技術將物理空間數(shù)字化為信息空間，即在信息技術的支持下，對實體空間和屬性信息進行采集、存儲、查詢與分析、管理等，進而實現(xiàn)城市發(fā)展的各種業(yè)務。

UGIS課程是全國很多高校城市地下空間工程專業(yè)開設的特色課程，旨在提高學生理論水平和實踐能力，培養(yǎng)學生融合專業(yè)知識與軟件開發(fā)技術的能力，是一門理論、實踐、應用緊密結合的課程。但傳統(tǒng)的課堂授課式教學培養(yǎng)的學生進入工作崗位后，往往需要重新進行技術培訓才能勝任崗位職責。為了適應國家城市化發(fā)展和市場發(fā)展的需求，高校的UGIS課程有必要進行教學改革與探究。

一、UGIS課程教學改革面臨的問題

中南大學城市地下空間工程專業(yè)的UGIS課程突出與城市建設和城市管理的有機結合，依托學校信息技術和“大土木”強勢學科進行建設。本課程引導學生在掌握UGIS專業(yè)知識和技術的同時，掌握UGIS在城市地下空間的應用技術。但目前本課程的建設不夠完善，部分學生的實踐和應用能力經不住實際項目的考驗。UGIS課程傳統(tǒng)教學主要存在以下幾個問題。

（一）實驗課時少

受限于專業(yè)培養(yǎng)方案的要求，UGIS課程總學時再三壓縮。在實際授課中，部分教師為按照課本知識體系完成全部內容的教學，不斷壓縮實驗課時，無法安排設計性、綜合性的實驗項目，僅僅將實驗教學作為理論教學的補充。課程教學以教師為主體，學生參與感不強，得不到充分的實踐機會。僅有的實驗課教學亦趨向于“步驟式”教學，即學生按照一定的步驟完成實驗，部分學生在實驗過程中并沒有進行獨立思考和獨立操作，這就背離了設置實驗課的初衷。

（二）實驗考核占比少

課程考核以期末筆試成績?yōu)橹?，約占70%～80%，實驗課程的實踐和報告只作為學生平時成績的少部分，通常占比不足10%，并且考核要求低。此種考核模式下，一些學生把精力都放在課程理論學習上，死記硬背實驗操作步驟，致使實踐和理論嚴重脫節(jié)，達不到課程的培養(yǎng)目標。

（三）實驗項目陳舊、不符合專業(yè)需求

在常規(guī)的課程實驗中，實驗項目以課本附帶實例為基礎，重在驗證課程理論知識和熟悉常用UGIS軟件的基本操作。信息技術和GIS技術的發(fā)展是日新月異的，但課本的更新速度很慢，并沒有涵括最新技術。另外，城市地下空間工程實踐的目標是培養(yǎng)學生成為具有較強實踐能力和一定創(chuàng)新能力的城市地下空間工程應用型高級專門人才，這就要求學生具備應用UGIS技術解決城市相關問題的能力，但現(xiàn)有的大部分實驗案例項目并不能體現(xiàn)城市地下空間工程的專業(yè)特色。這導致一些實驗項目一方面缺乏設計性和綜合性，一方面難以滿足專業(yè)需求。

（四）缺少課程思政元素

習近平總書記在2019年學校思想政治理論課教師座談會上指出，思想政治理論課是落實立德樹人根本任務的關鍵課程，我們辦中國特色社會主義教育，就是要理直氣壯開好思政課[3]。思政教育改革是高等教育教學改革的熱點和重點，目前UGIS實驗項目設計缺乏課程思政內容，仍以講解原理、軟件和實驗步驟為主。

二、在UGIS課程中應用項目教學法

（一）項目教學法簡介

項目教學法是建立在工業(yè)和信息社會基礎上的現(xiàn)代教育方法，即在教師指導下，學生完成一個相對獨立的項目，具體任務包括信息收集、方案設計、項目實施和項目評價[4]。項目教學法的顯著特征是“以教師為引導、項目為主線、學生為主體”，能夠解決現(xiàn)有UGIS課程教學存在的一些問題，例如實驗課時少、實驗考核成績占期末總成績的比重低等問題。

項目教學法改變了傳統(tǒng)的教師講、學生聽的教學模式[5]，能夠激發(fā)學生的積極性。學生可以通過真實的工程案例，學習和掌握知識點，加深對實際問題的思考，提高自己的實踐能力。

（二）項目教學法的應用步驟

UGIS課程項目式教學的主要步驟可以分為：（1）項目設計；（2）項目任務布置與實施；（3）項目開發(fā)文檔編寫；（4）項目總結與評價。項目設計是UGIS課程項目式教學的重中之重，項目設計必須包含UGIS課程各章節(jié)的知識點，又要具有一定的實施性。作為UGIS的一個縮影，校園地理信息系統(tǒng)是非常典型的項目實例。下面以中南大學新校區(qū)校園地理信息系統(tǒng)為例，簡要介紹UGIS課程項目式教學是如何實施的。

1.項目設計

（1）項目名稱：中南大學新校區(qū)地理信息系統(tǒng)。

（2）項目目的：掌握UGIS基本原理與方法；熟練應用ArcGIS的繪圖、編輯、查詢與分析等工具。

（3）項目準備：收集不同年份的中南大學新校區(qū)地圖作為數(shù)字底圖；確定數(shù)字化技術和數(shù)字化精度；選擇要進行數(shù)字化的基本要素；確定數(shù)字化要素的分層和分幅方法；建立空間數(shù)據架構和數(shù)學模型；運用ArcGIS將點、線、面等地理實體納入不同圖層進行空間數(shù)據分層管理。

校園地理信息系統(tǒng)項目雖小，但包含的時空信息紛繁復雜，可以分解為時間維度、空間維度、屬性維度三個方面的信息（見圖1），并通過屬性信息、時間軸和空間位置實現(xiàn)屬性、時間和空間的耦合。此項目相關數(shù)據類型繁多，包含圖片、基礎地理要素、文本等?；A地理要素包括建筑物、樹木、草地、人工湖泊、道路、管網等（見表1）。

2.項目任務布置與實施

隨著章節(jié)知識點的不斷深入，教師不斷擴展校園地理信息系統(tǒng)包含的內容。設置的任務基本包含以下方面：①分析項目需求；②安裝UGIS軟件和采集數(shù)據；③分析數(shù)據架構和建立數(shù)據模型（見圖2）；④繪制地圖；⑤實現(xiàn)空間查詢與分析；⑥建立數(shù)據編輯模塊；⑦構建路徑導航模塊；⑧實現(xiàn)三維環(huán)游功能等。

在分配任務前要先對學生進行分組，由3～5名學生組成一個小組。在分組時要考慮學生的學習和實踐能力，盡量做到“組間均衡，組內互補”，保證項目的順利實施。任務分配時建議采用模塊化任務分配法，即每個小組完成一個項目的細分模塊。在建立模塊時，要以培養(yǎng)學生的知識、素養(yǎng)和實踐能力為目標，首要目標是培養(yǎng)學生的實踐能力。

3.項目開發(fā)文檔編寫

項目開發(fā)文檔是計算機系統(tǒng)產品不可缺少的一部分，沒有文檔就不能成為一個成熟的產品。在項目實施的過程中，及時編寫項目開發(fā)文檔，有助于糾錯并及時改正。在項目結束后，要指導學生及時編寫項目開發(fā)文檔，這是多項目實施全過程的一個總結，既能夠幫助學生復習所學知識內容，又能提高學生的寫作水平。

4.項目總結與評價

UGIS項目的總結和評價是對整個項目過程和結果的歸納。在每一個模塊完成后，都要進行功能演示和階段性的成果總結，找出存在且尚未解決的問題，以便及時檢驗項目是否能實現(xiàn)預期目標。要建立合理的評價模型，其包含的指標有：項目計劃（Project Plan， PP）、數(shù)據輸入報告（Input Data Report， IDR）、UGIS地圖（UGIS Map， UM）、UGIS地圖包含模（Individual Module， IM）、最終報告（Final Report， FR）。每次評價由教師和學生填寫打分表。成績（Grade，G）評定由下式確定：

[G（%）=0.3UM+0.4IM（IM1，IM2，IM3，…）+0.15FR+0.1PP+0.05IDR]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

項目完成后的評價包括三個方面：一是教師按式（1）給出的成績G1，教師要對整個項目功能實現(xiàn)和成果展示進行評價；二是小組之間按式（1）給出的成績G2；三是小組內成員之間按式（1）給出的成績G3。那么最終成績（Final Grade，F(xiàn)G）則為：

FG（%）=0.4G1+0.3G2+0.3G3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

三、UGIS課程項目式教學改進探究

（一）結合專業(yè)特色設計項目

項目設計以城市地下空間工程實踐培養(yǎng)目標為引導，應突出專業(yè)特色。城市地下空間工程主要對城市地下空間進行合理規(guī)劃和高效利用，如地下管道規(guī)劃與建設、城市地鐵修建、地下停車場修建、防空地下室建筑等，因此可以根據城市地下空間工程項目設計UGIS課程教學項目，例如長沙地鐵地理信息系統(tǒng)、長沙人防工程地理信息系統(tǒng)等。

（二）引入思政元素設計項目

充分發(fā)掘和運用各學科蘊含的思想政治教育資源，健全高校課堂教學管理辦法，是中共中央對高校思想政治工作提出的意見[6]。地理信息系統(tǒng)（Geogaraphic Information Systen， GIS）特有的時空數(shù)據表達與圖形化顯示，能夠很直觀地展示思政內容，如很多學者已建立了紅軍長征GIS[7]、脫貧攻堅工程GIS[8]、海上絲綢之路GIS等[9]。還可以結合湖南文化特色和紅色旅游景點，建立湖南紅色旅游GIS，充分挖掘思政元素，在引導學生學習專業(yè)理論知識的同時，提高學生的思想政治覺悟。

（三）引入科研課題設計項目

結合教師的科研項目和國家、省級、校級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目設計UGIS項目，讓學生在實踐的過程中學到更多新知識，認識和了解UGIS科研前沿和動態(tài)，提高學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

（四）引導學生自主設計項目

引導和鼓勵學生從生活需求、企業(yè)需求、科研創(chuàng)新需求中尋找項目。學生在教師的指導下完善項目設計，不但可以使項目更具可行性和前瞻性，而且可以使自己在學習和實踐的過程中不斷提高創(chuàng)新能力、拓寬學習視野。鼓勵學生使用項目參加GIS開發(fā)大賽，例如大學生GIS軟件開發(fā)競賽、地理信息技術與應用技能大賽、SuperMap杯高校GIS大賽、全國大學生GIS應用技能大賽、北斗杯科技創(chuàng)新大賽等，這樣既能激發(fā)學生對專業(yè)學習的興趣，又能使學生感受到收獲的喜悅，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力。

（五）引入企業(yè)評價項目

考核與評價不僅是對學生學習和實踐成果的檢驗，也是對教師設計教學項目合理性的檢驗。因此，項目設計的“好與不好”不能僅僅靠教師的自說自話，還需要企業(yè)人員依托企業(yè)評價機制，對項目合理性、實用性與可轉化性進行系統(tǒng)的評估。

新時代教育環(huán)境下，為實現(xiàn)知識傳授、市場發(fā)展、價值引領的和諧統(tǒng)一，高校教育工作者應當改變傳統(tǒng)以課題講授為主的教學方法，探索新的教學方法，并充分發(fā)揮專業(yè)特色，建構課程思政教育模式，建立合理的評價體系和各類項目庫，以建設新時代的UGIS課程（見圖3）。

四、結語

UGIS課程是實踐性與應用性較強的工科課程，本文針對本課程傳統(tǒng)教學中存在的問題，引入項目教學法，通過校園地理信息系統(tǒng)項目闡釋了項目教學法在UGIS課程中是怎么實施的；提出從結合專業(yè)特色，引入思政元素、科研項目和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等方面設計教學項目，以激發(fā)學生興趣，提高學生學科素養(yǎng)的同時，提高他們的思想道德水平；引入企業(yè)評價機制對項目合理性和實用性進行綜合評估，從而提高學生的實踐能力，更好地滿足市場對UGIS相關從業(yè)人員的需求。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 周成虎. 全空間地理信息系統(tǒng)展望[J].地理科學進展， 2015，34（2）：129-131.

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[3] 吳晶，胡浩. 習近平主持召開學校思想政治理論課教師座談會強調 用新時代中國特色社會主義思想鑄魂育人 貫徹黨的教育方針落實立德樹人根本任務[J].人民教育，2019（7）： 6-8.

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[5] 劉克旺， 金龍國. 電工與電子技術應用課程教學改革探究與實踐[J]. 內蒙古煤炭經濟， 2021（5）：225-226.

[6] 馮剛， 嚴帥. 改革開放40 年高校思想政治教育管理的發(fā)展歷程[J]. 北京師范大學學報（ 社會科學版）， 2019（1）：10-22.

[7] 熊禮陽， 趙飛， 程瑤， 等. 紅軍長征GIS課程思政實驗案例建設探索與實踐[J]. 南京師大學報（自然科學版）， 2021， 44（S1）：40-48.

[8] 張書亮， 楊祺琪， 侯澤宇， 等. 面向“精準扶貧”的GIS課程思政實驗案例設計[J]. 南京師大學報（自然科學版）， 2021， 44（S1）：1-5.

[9] 牟乃夏， 張靈先， 任浩楠. 海上絲綢之路GIS課程思政實驗案例庫建設與思考[J]. 南京師大學報（自然科學版）， 2021， 44（S1）：6-13.

［責任編輯：吳雪強］