新工科背景下地理信息系统教学改革探讨
时间：2023-01-18 11:50:12 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李晓明，洪武扬，王伟玺，黄正东，辜智慧
（1.深圳大学建筑与城市规划学院，广东 深圳 518060；
2.深圳大学智慧城市研究院，广东 深圳 518060）
地理信息系统（geographic information system，GIS）起源于20世纪60年代初，是对地理空间数据进行采集、存储、管理、查询、分析、显示与输出的计算机系统，经过几十年的不断发展，已在各行业得到了广泛的应用，渗透到了普通大众的日常生活[1]。随着人类社会步入信息时代，GIS已发展为地理信息科学（geographic information science），成为一门描述、存储、分析和输出空间信息理论和方法的新兴交叉学科[2]。GIS成为国内外地理学、测绘科学等大学本科生的专业核心课，为培养不同领域的专业技术人才，以及培养硕士和博士研究生等科学研究人才提供重要基础。近年来，信息与通信技术（information and communications technology，ICT）使测绘、规划、国土等行业的GIS应用形态和研究范式发生了改变。GIS专业人才的培养目标更为依托行业而又不拘泥行业，且随地理信息应用需求发生柔性延展[3]。鉴于地理信息系统教学对于学生理解GIS课程的理论精髓和未来就业所起到的关键作用[4]，将GIS教学变成一种知识领域更加全面、方法技术更加前沿、实践方式更加多样的专业人才培养模式将成为重要目标[5]。
在当前“新工科”建设背景下，高等教育更需体现面向未来技术和产业发展趋势。2016年，国家在测绘科学与技术的二级学科中新增了“地理空间信息工程”特设专业，注重测绘科学与地理学和计算机科学的交叉融合[6]。深圳大学地理空间信息工程专业于2017年正式招生，注重培养学生掌握地理空间信息技术、城市科学和数据科学基本理论、技术和工程实践方法，以面向解决城市问题为特色，建立了“思维思辨-理论基础-分析应用-研究创新”4个层级的城市GIS教学体系框架[7]，其中地理信息系统原理（GIS原理）课程作为重要的理论基础课程，与空间数据库原理、空间统计与分析课程共同为分析应用以及研究创新提供基础。地理信息系统原理课程应充分给予学生学科交叉、方向多样、领域宽广的教学内容，并需要配合实践教学加强学生主动解决实际问题的能力。
为此，本文面向新工科背景下的地理信息系统原理和实践课程改革要求，通过对现状问题的梳理与辨析，结合深圳大学地理信息系统课程教学实践，尝试提出融合式发展的地理信息系统课程教学改革路径，以期为更好地适应新工科理念下的地理信息人才培养与教学改革提供参考。
地理信息系统原理是一门专业基础课程，旨在让学生理解地理信息系统基本概念，掌握地理信息系统的基本理论和技术方法，使学生理解空间数据模型、空间数据的结构及其相互关系，掌握地理空间数据的采集、编辑、处理、组织、管理、分析与显示的技术原理与方法，初步搭建起地理信息系统专业领域的知识结构体系和框架。地理信息系统实践课程是在掌握GIS基本原理的基础上开设的一门实践课程，通过GIS软件实习操作，学习如何利用地理信息系统去解决实际问题的思路，提升利用地理信息系统解决实际问题的思维与能力。
新工科建设要求培养一批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑，既是当务之急，也是长远之策。GIS是以空间视角刻画和表达物理空间和社会空间的技术学科，通过GIS建立地理-人文-信息三元空间的关联，将是智慧城市建设的逻辑基础[7]。地理信息系统原理和实践课程的相关专业知识和技术手段更新较快，如地理大数据、空间大数据、地理知识挖掘等新兴概念的提出，大大促进了GIS理论和技术不断革新变化。
大数据不仅使世界认识到数据的重要性，更引发了许多行业从根本上实施变革。大数据时代也对GIS提出了诸多挑战，如海量、多源、异构数据的存储与管理以及价值挖掘等[8]。物联网、互联网、智能传感、大数据、人工智能和自动控制等现代技术迅猛发展，地理学和测绘学及其分支日渐深度融合，中国社会经济和科技事业的发展及全球命运共同体的建设等也对GIS提出了新需求，地理信息科学的发展正迈入一个全新的时代[9]。
与此同时，城市研究的范式在大数据和人工智能的影响下已经发生了巨大的变化[10]。城市变得越来越智慧，GIS在新城市科学中也发挥着越来越重要的作用[11]。新城市科学体系的形成，要求GIS人才除了具备传统的专业技术外，还需要培养学生具备应对当今城市变化的新技能和新思维[12]，这无疑也给地理信息系统原理和实践课程教学带来了更多挑战。
1）教学内容零散，学科专业知识交叉融合不充分。作为一门综合性极强的专业基础课，地理信息系统原理的课程内容学习不应该是零散的“点”，而应该是将相关的“点”结合为一体的“线”，甚至“面”。传统课堂教学中仅限于本门课程教材中的内容，通常只是将涉及GIS的理论知识点逐个灌输给学生，缺乏与城市信息学的交叉融合，也极少引入GIS与城市信息学数据采集与分析的课堂练习实践，学生难以充分领悟GIS在解决城市问题的地位和作用。
2）教学模式单一，学生学习积极主动意愿未激发。地理信息系统原理课程内容比较多，为完成教学任务，课程的教学模式以课堂讲授为主。课堂教学中，学生往往只是被动接受教师所讲授的专业理论知识，对于教学内容的真正掌握情况，受限于单向讲授方式，亦不能得以充分展示和检测。这种正向的反馈机制如果无法建立，教师则难以根据学生对教学内容的接受程度灵活控制进度，教学模式趋向于固化，最终导致课堂教学成效甚微。
3）教学实践机械，学生实际动手操作能力待提高。一方面，GIS本身是一项应用性极强的工具，随着GIS相关软件的不断发展与升级，各功能与工具直接的耦合关系和逻辑关系更加严密。以往地理信息系统课程的教学实践设计相对简单，会导致教学内容与新技术发展需求存在脱节。另一方面，教师演示、学生模仿的这种实践模式，典型缺陷在于没有为学生提供足够的思考空间和探索机会，当学生面对具体问题时依然无从下手，缺乏主动发现问题和解决问题能力的培养。
新工科背景下对于地理信息系统原理和实践课程的改革要求包括了重融合、强实践、多样化等，在总结归纳当前存在问题的基础上，本文从教学内容、教学模式、教学实践3个方面进行教学改革实践的论述（图1）。
图1 地理信息系统课程教学改革探索路径
3.1 教学内容交叉融合
地理信息系统原理课程交叉特征明显，涉及计算机、数学、地理、测绘等，在新工科背景下特别强调对城市信息学的深度融合。在总课时一定的前提下，除了GIS基础理论的讲授外，需要重点甄选与城市信息学密切相关的知识点作为核心授课内容。此外，需要在教学内容中丰富城市信息学相关知识，以GIS作为智慧城市操作系统的理念，大幅度增加面向智慧城市发展需求的地理信息系统课程内容。
在教学内容表达上增设GIS与城市问题相交叉的专题案例，围绕某一主题或现象，将GIS专业教学中多门课程有机融合[13]。通过专题案例的深度挖掘，剖析相关的GIS技术过程与功能，使学生在深刻理解城市所面临问题的基础上，领悟GIS在解决城市问题中的作用，从而掌握利用GIS解决具体实际问题的逻辑流程与关键技术。通过课程教学内容与城市主题的交叉融合，不仅显著提高了学生的学习兴趣，同时为实践教学和训练夯实基础，进而提升学生解决复杂现实问题的能力。
3.2 教学模式强化实践
在教学中探索使用“2+1”的教学模式，其中2是线上视频课程与线下课堂讲解与操作，1是针对已掌握知识的GIS软件实践。①线上视频课程，学院已与超图达成战略合作协议，部署了整套的SuperMap软件，教师将提前录制好时长约15 min的软件操作视频发送给学生，以供课前预习。②线下课堂，教师针对性地讲解基本概念原理、方法与操作，通过知识点设问和启发式引导的方式，促进学生主动思考与相互讨论。③GIS软件实践，教师将面向城市相关的工程实践及科研成果以示例、动画的形式向学生演示，丰富课堂教学的信息量和生动程度，学生再进行操作练习，完成空间数据采集、数据管理、空间分析、制图与可视化等预定任务。通过线上、线下有机结合，学生能够充分掌握理论知识和提升操作能力。
推行研讨式教学，基于《地理信息系统原理》课程的教学重点和教学难点，设置6～8个与城市信息学相关的研讨式问题，将学生分为若干小组，学生以小组为单位对问题进行思考、讨论，教师引导学生解决问题，并形成最终的课程汇报。
3.3 教学实践多样化
解决城市实际问题的课程实践是GIS教学的核心价值。通过课程的综合实践，学生在巩固理论知识的同时，能够提升使用GIS解决问题的思维与能力。课程实践以加强课程知识掌握以及各学科的知识融合为目标，形式可以多样化，具体包括：
1）软件应用层面，加强国产软件SuperMap以及开源QGIS等软件的教学实践，并结合具体的教学案例，让学生在熟练掌握GIS通用软件的基础上，理解GIS的基本原理和方法，提高解决实际问题的能力。比如在GIS软件实习中，学生分组围绕深圳大学校园自主选定各种主题进行动手实践，部分成果如图2所示。
图2 校园主题的GIS软件实习部分成果展示
2）学科竞赛层面，学生可通过参与ESRI、超图等公司组织的GIS制图与软件研发大赛、政府部门组织的开放数据应用创新大赛等，增强学生的创造力和动手能力，以赛促学，以学促研。
3）见习实习层面，组织学生参观学习自然资源局、交通运输局、生态环境局等政府部门，以及规划设计院、测绘院等行业部门，了解解决各类与GIS相关的城市问题的案例，充分认识GIS在城市规划、建设、运行管理中发挥的实际作用，探索地理空间信息技术在城市领域的潜在应用。
新工科建设要求培养一批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑。“新工科”建设背景下的地理信息系统原理和实践教学，应着眼于重组教学内容，更新教学模式，创新教学实践方式。在教学内容方面，甄别重点，融合城市信息学等原理并增设相关案例讲解，全面提升学生的理论知识丰富程度；
在教学模式方面，推行研讨式及“2+1”教学模式，提高学生学习的积极性；
在教学实践方面，通过多软件学习、参观实习、以赛促学等模式深刻理解地理信息系统原理，锻炼学生解决实际问题的能力。教学改革中，重点引导学生融合多学科知识解决实际问题，培养学生空间思维能力及地理信息系统软件综合应用能力，最终目标在于综合提升学生创新思维、批判性思维、设计和创造思维、领导力、创新创业能力和人文素养。期望本文能在相关的学科基础课程和专业课程的教学改革中起到借鉴作用。
