GIS专业《空间数据库》教学内容与方法探讨

沈敬伟　周廷刚　郭丽敏　孙晨阳　杨桦

摘要总结了《空间数据库》的课程定位，并对教材内容进行简要对比，认为该课程存在涉及内容较多、理论比较抽象、教学难度较大的特点，其教学内容和方法有待深入探讨。在教学实践的基础上，从优化教学内容，强化教学实践，采用多样化的教学方法和手段3个方面探讨了教学方法改进的具体出路。实践证明达到了良好的教学效果。

关键词 《空间数据库》；地理信息系统；教学内容；教学方法

中图分类号S-01文献标识码A文章编号0517-6611（2014）04-01270-02

基金项目重庆市高等教育教学改革研究项目（1203114）研究成果。

作者简介沈敬伟（1984-），男，河北鸡泽人，讲师，博士后，从事地理信息系统领域的教学和科研工作。

空间数据库是描述与特定空间位置有關的真实世界对象的数据集合[1]。随着空间数据库应用的逐渐深入，很多学校开设了《空间数据库》这门课程。目前，《空间数据库》课程教学还存在一些问题：①教学中涉及的内容较多，既包含空间数据的抽象过程，又包含空间数据的计算机表达；既包含关系数据库管理空间数据，又包含对象关系型数据库和面向对象数据库管理空间数据；既包含空间数据库的设计，又包含空间数据库的运行和维护等。②《空间数据库》理论比较抽象，由于空间数据涉及二维或者三维空间，建构在空间数据之上的空间数据索引和空间查询等要比常规的属性数据相应的理论抽象得多。③《空间数据库》教学难度较大，不仅包含理论知识的学习，还包含相应的教学实践。西南大学在《空间数据库》课程教学过程中不断探索，积累了一些经验，取得了较好的效果，以下对《空间数据库》课程的教学内容和方法进行探讨。

1 《空间数据库》课程定位

通过本课程的学习，使学生掌握空间数据库的发展历程、空间数据的管理方法、空间数据库的应用，以及空间数据库的发展趋势，从而具备一定的空间数据库管理能力和编程开发能力，达到学以致用的目的。

从近些年已出版的《空间数据库》教材来看，国内外学者从不同的角度对《空间数据库》的内容进行描述，如表1所示。从表1可以看出，《空间数据库》教材内容差异较大，形式多样。

为此，结合地理信息系统专业的特点和本课程的教学目标，选取合适的教学内容，强化教学实践，改善教学方法和手段成为必然选择。

2优化教学内容

随着网络技术、虚拟现实技术、数据库技术、测绘科学等技术的进步，空间数据的管理已从二维、静态和单机管理发展到多维、动态和分布式管理。如果在有限的教学时间内涉及三维空间数据库、动态数据库和分布式数据库等内容，显然不利于学生对课程的消化和吸收。因此，在《空间数据库》课程教学中，必须对内容进行取舍。空间数据库的核心在于空间数据管理。因此，在课程的教学中，以空间数据管理为主线，其他教学内容都围绕这一条教学主线展开，如图1所示。

《空间数据库》教学主线在文件管理方式中，空间几何数据和属性数据均采用文件进行管理，因此，重点对矢量、栅格、影像数据的文件组织方式进行讲授。文件与关系数据库混合管理方式中，几何数据采用图形文件管理，属性数据采用关系数据库进行管理，因此，课程的教学内容关键在空间数据和属性数据的组织及联系形式。全关系数据库管理中，属性数据、几何数据同时采用关系数据库进行管理，因此，课程教学中需要着重讲解几何数据的大二进制字段存储方式。基于中间件的空间数据库管理中，中间件负责组织空间数据在关系数据库中的存储，也是空间数据的访问通道，关系数据库仅仅是存放空间数据的容器，因此，教学过程中，需要对空间数据引擎的工作原理，以及基于空间数据引擎的数据存储和访问模式进行讲解。对象关系数据库管理中，对现有的关系数据库进行扩展，增加空间数据类型，解决了空间数据存储问题，需要重点讲解扩展的空间几何字段，以及建构在空间几何字段之上的空间函数。面向对象数据库管理是面向对象技术与数据库管理的结合体，除具有面向对象的概念和方法之外，还具有传统的数据库管理系统的所有功能，因此，需要讲解面向对象数据库的核心概念，以及空间数据的面向对象数据库存取方案。

确定空间数据管理这一教学主线后，空间数据库模型、空间数据索引、空间数据库设计等章节内容设计上都要围绕图1中的教学主线展开。

根据西南大学学生开设专业课的情况，本课程的学时安排为54学时，课程教学分为理论教学和实践教学两大部分，其中理论教学42学时，实践教学12学时。结合课程的教学目标，理论教学内容安排见表2。

3 加强教学实践

《空间数据库》是一门实践性很强的课程，因此实践教学在整个教学过程中处于重要地位。理论教学和实践教学是相辅相成的，加强教学实践能够使学生理论结合实践，巩固对理论知识的学习，并且强化学生的动手能力和独立解决问题的能力。根据图1中的教学主线，笔者安排了12个学时的实践课程，精心设计了6个《空间数据库》方面的实验，如表3所示。

在教学实践的过程中，充分发挥学生的想象力和创造力，避免“填鸭式”的教学。在实验过程中，明确教学实践的内容，细节部分由学生自由发挥。例如，在“db4o的空间数据管理”实验中，仅需要明确实验目的，而学生们可以自由选择使用空间数据、空间数据库访问模式以及空间数据绘制方式。

4多样化的教学方式和方法

课堂教学中采用多媒体和板书相结合的教学方式，并发挥各自的优势。在教学过程中，标题性的内容需要书写到黑板上，使学生对课程内容有一个整体印象。多媒体课件具有信息量丰富、动态性等特征，因此在教学过程中，对于一些空间数据库应用案例、图表、动画等内容，可以用多媒体课件进行表达。例如，在讲解四叉树空间索引的时候，如果照本宣科地介绍四叉树空间索引的原理，以及插入、删除和检索操作，学生将难以理解。因此，在讲述空间索引这一抽象部分的时候，可以利用大量的图形进行展示。通过图形化表达空间索引，能够使学生更好地掌握这部分知识。