地理信息系统课程新型教学方法初探

岳书平，闫业超

（1.南京信息工程大学 地理与遥感学院，江苏 南京 210044）

地理信息系统课程新型教学方法初探

岳书平1，闫业超1

（1.南京信息工程大学 地理与遥感学院，江苏 南京 210044）

在分析GIS课程性质及特点的基础上，针对当前GIS教学中存在的教学手段单一、理论与实践失衡及课程考核方式单一等问题，提出了充分利用现代信息技术和网络资源、构建不同层级的实践教学体系、增加课程考核次数等相应措施，以期得到较好的教学效果，实现既定的教学目标。

地理信息系统；教学改革；教学方法

GIS是传统科学与现代技术结合的产物，是多种学科交叉的产物。随着相关科学与技术的不断发展，GIS的内涵也在不断深化，从最初的采集、存储、管理、分析和显示有关地理现象的技术系统逐渐发展成一门学科，形成了完整的理论体系和学科体系。进入21世纪，随着遥感等信息技术、互联网技术、计算机技术等的应用和普及，地理信息系统已经从单纯的技术型和研究型逐步向地理信息服务层面转移。目前，GIS凭借其快速处理和分析信息的优势，已成为国家宏观决策和区域多目标开发的重要技术工具，在资源管理、规划设计、灾害监测、医疗卫生、国防以及军事上都有广泛的应用[1]。随着应用领域的扩展和应用程度的不断加深，GIS理论研究和技术方法也日益受到重视。作为3S技术的核心之一，GIS 课程将地理空间基础理论、地理信息系统技术方法和地理信息系统的实践融为一体，使学生在学习地理信息系统技术方法的同时，掌握与地理信息系统技术实现和方法应用有关的基础理论，从而真正领会GIS技术的科学性、技术性和实践性。因此，GIS课程对地理信息系统及相关专业的学生来说是非常重要的一门专业基础课[2]。

1 GIS课程的性质及特点

地理信息系统课程是地理信息系统专业本科生的专业主干课程，通过该门课程的学习，使学生掌握地理信息系统的基本原理、基本方法、常用GIS软件的操作，要求学生牢固地掌握地理信息系统的组成、空间信息的描述、空间数据结构、空间数据库的建立、空间数据模型的建立、空间分析方法、空间数据的可视化等方面的知识，为后续其他GIS课程的学习打下基础。跟GIS的发展历史紧密相关，GIS课程也体现出如下特点：

1）多学科交叉，综合性强。GIS集成了地理学、地图学、测绘学、遥感科学、计算机科学、数据库、信息科学等相关的理论和技术，是多种学科交叉的产物，研究领域广泛。但是，由于涉及领域跨度比较大，在GIS课程教学中要求学生既要具有地理学的相关知识，也要具有计算机科学、遥感及地图学等方面的基础。并且要注意相关课程开设的先后顺序，比如，地图学、测量学、计算机基础等课程作为基础课程，应该在GIS课程开设之前进行，遥感原理课程可与GIS课程同时开设，这样才能使学生学习起来更容易理解和掌握。在GIS教学中，既要考虑计算机应用与软件开发能力的培养，传递GIS与计算机领域最前沿的理论方法研究动态，又要充分注重培养学生利用GIS技术解决实际问题的能力。一个GIS专业的本科生起码要掌握一门计算机语言，掌握2种以上常见GIS软件操作，并具有二次开发能力。因此，要鼓励学生在认真学习GIS基本理论的同时，自学一门编程语言，如Java、C++、.Net、Python等，并能结合GIS二次开发语言进行系统开发。

2）理论性与应用性并重。GIS是在地理学研究和生产实践的需求中产生的，GIS的应用促使技术系统不断完善，并逐渐发展了GIS的理论；理论研究又指导开发新一代高效GIS，并不断扩展其应用领域，加深应用的深度；GIS的应用，又对理论研究和技术方法提出了更高的要求，这3个方面的内容是相互联系相互促进的[3]。因此，GIS把基本理论研究、技术系统设计和应用方法研究3方面作为自己的研究内容，它既是一门基础理论科学，又是一门应用性较强的技术性科学。在GIS教学中，要求教师具有较高的素质和技巧，对于基本理论中的重点、难点要给学生讲清楚。例如，在讲解空间叠合分析时，可以通过实例分析的方式阐明空间叠合分析的基本原理及实现方法。同时，为了培养学生的创造性思维能力和利用GIS解决实际问题的能力，在讲授基本原理的同时，采用ArcGIS软件现场演示clip、erase、union、identity等空间叠合分析命令，通过对比叠合分析前后图形数据和属性数据的变化，使学生理解和掌握空间叠合分析的基本原理及不同类型叠合分析之间的区别，然后在实践教学中通过“市区择房分析”这个实例，让学生将基本理论与实际应用结合起来，既有利于对抽象理论的理解，又可以提高学生运用GIS解决实际问题的能力。

3）基础性与前沿性相结合。自20世纪60年代提出以来，GIS发展至今已有50多年的历史，它已经形成了完整的理论体系，成为人类认识自然、改造自然的重要基础性手段和技术方法。目前，GIS也已广泛应用到土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、城市规划、灾害防治、经济建设及政府各职能部门和企业管理部门等，几乎深入到社会生活领域的各个角落。随着社会需求的不断增加和相关技术的日益成熟，GIS也表现出不同的发展趋势，比如移动GIS、Open GIS、3D&4D GIS、Cyber GIS等[4]，GIS技术的发展和更新速度可谓日新月异。因此，GIS表现出基础性与前沿性相结合的特性。作为地理信息系统专业的核心课程，该课程授课中，在介绍地理信息系统的基本原理与技术方法的基础上，要将基础知识与GIS前沿问题结合，要求教师紧跟研究热点，及时更新教学中所用实例，拓宽学生的研究思路与创新思维。例如，近年来最热门的是以云计算技术为代表的高性能GIS，在GIS课程中及时添加相关信息，讲解异构空间数据集成技术、异构功能资源集成技术及异构功能资源的互操作与搭建式开发技术等云GIS关键技术，移动GIS与云GIS及大数据的关系等等，让学生在掌握基础理论的同时，及时了解GIS的发展前沿，增加学生的学习兴趣，拓宽学生的知识面。

2 目前GIS教学中存在的主要问题

据不完全统计，目前国内有180多所高校开设了地理信息系统专业。围绕GIS课程教学改革，不同学者也都结合自身实践经验从不同角度进行了分析。总体来看，目前GIS教学中主要存在以下问题：

1）教学手段单一，内容局限于课本知识，抽象难以理解。相对于地理学、测绘学等专业而言，地理信息系统属于新兴学科，因此在GIS的教学和研究方面积累不足，相关教材不多且比较抽象，再加上当前国内的GIS教材内容重复较多、更新速度慢，存在滞后现象。这种状况与GIS在现实社会中的广泛应用不相适应，诸多的应用实例并没有体现在教材中，致使目前以课堂讲授为主的“填鸭式”教学中，教学内容也主要局限于课本上的理论知识。学生听起来感觉非常抽象，难以理解、枯燥乏味，无法激发学生的学习兴趣，致使学生学习效率低下，对应该掌握的知识点理解不透，囫囵吞枣，无法奠定扎实的专业基础，不利于后续开设的相关课程的理解。

2）在理论与实践的教学中，过于偏重理论，实践教学内容缺乏层次性。GIS课程的理论性和技术性都很强，来源于实践，应用于实践，应用性非常强[5]。但是，从理论和实践教学的课时分配来看，当前的GIS教学模式主要强调对理论知识的掌握，弱化了 GIS 专业的实践性特点。教师在教学过程中也往往会避重就轻，学生的实践能力没有充分重视，致使学生在学习 GIS中未能真正学有所用，出现实习、实践环节薄弱等问题[6]。例如，笔者所在的大学测绘工程专业所开设的地理信息系统原理课程，总课时为32学时，其中实习课为4学时，仅占总学时的1/8，大多数学生反映上机实践时间偏少，无法在课堂上完全掌握实践教学的所有知识点。目前，很多高校即使开设了实践课程，也基本停留在实践教学的初级阶段。在实践教学内容的设置中，主要以验证性、认知性的实践内容为主，课堂上学生按照老师既定的实习内容，根据实践指导书按部就班地模拟一遍，缺乏综合性、分析性的实践内容。这种仅以知识的验证或者再现为基本目的的传统实践教学模式，不能很好地训练学生解决实际问题的能力，更不利于培养学生善于思考和自主创新的能力。此外，GIS实践内容主要通过个人努力完成，不注重培养团体合作意识。

3）课程考核形式单一，难以反映学生的真实水平。与国内中小学考试形式类似，目前大多数高校还是以闭卷考试为主，对于课程的考核也是通过学期末的最后一次考试成绩作为对学生成绩的考量指标。所以，为了考出好成绩，对于一些抽象的概念，学生即使没有真正理解其内在的涵义，单凭死记硬背也能考出不错的成绩。这种考核方式使学生在平时课堂上不认真听讲，课后也不复习，只是在期末考试前突击一下；另外，单纯的闭卷考试形式容易诱导学生重理论轻实践，仅凭一次卷面成绩难以反映学生们对基本理论知识的掌握程度和实际的操作能力，单一的考试形式必然存在诸多弊端。开设GIS课程的目的不只是让学生掌握基本理论，最终目的是提高学生的应用能力和动手能力。因此，必须改进当前的课程考核形式，寻求一种能反映学生真实水平的考核方式。

3 GIS课程新型教学方法的探讨

1）充分利用现代信息技术，将多媒体教学与传统教学手段相结合。纵观GIS的发展历史不难看出，GIS的发展与计算机技术的迅速发展密不可分。为了能更好地体现GIS课程的基本理论和前沿技术，改善教学效果，必然要充分利用新型的教学技术。多媒体教学图文并茂、动静结合，利用相关软件对教学内容进行分析、归类、总结、比较，可以直观地以文字、图片、音频、视频、动画等方式展示各种枯燥的教学内容，给学生提供了更丰富全面的知识和信息，让教学过程变得生动、亲和，可以提高课堂效率。多媒体教学以其显著的优势成为现代化教学的主要方法和手段之一，也成为实现现代教学内容的有效途径。但是，多媒体教学也会存在不足之处，比如，对公式的推导，如果只是简单地以课件形式进行演示，没有详细的推导过程，则无法加深学生对公式的理解。因此，在GIS课程教学中，应该将多媒体教学与传统的板书教学结合起来，运用多媒体展示大量的相关信息，利用板书循序渐进地讲解知识点，二者的有效结合才能使学生接受并尽可能地当场消化教学中的重点和难点。

2）建立网络GIS教学、测验及答疑系统。网络在促进GIS发生质变的同时，也成为GIS课程的一种新型教学方式。在网络如此发达的时代，可以充分利用网络资源建立GIS课程教学网站，任课教师可上传教学视频、教学大纲、教案等教学资料至网络共享，学生可以随时、随地借助电脑、智能手机等终端访问教学网站[7-10]。通过发微博、在线留言的方式，学生之间可以随时讨论问题、交流学习心得，教师也可随时与学生互动，在线答疑并了解教学效果[11,12]，充分合理地利用网络教学，可以弥补课时限制的缺陷，特别是上机操作课时较少的限制。教师可以通过网络布置作业，上传作业文档，学生在线完成作业并提交作业成果，然后由教师负责在线批改，并了解学生对知识点的掌握情况。除此之外，还可利用网络进行在线测验，将每章中需要掌握的知识点汇集成题库，测试学生对相关内容的理解，期末考试之前还可以通过网络随机抽取试题自动形成样卷，让学生自主练习以达到熟练掌握的目的。

3）重视GIS实践教学，构建不同层次的实践教学体系。GIS是一门理论性和技术性都很强的学科，GIS课程应强调针对性和实用性，重视实践教学环节，适当增加实践课时，不同学校所开设的GIS课程的总课时量是不同的，但是一般来说实践课时量应不少于总课时量的1/3，比如，美国乔治梅森大学地理信息系统导论课程每次上课总时间为145 min（中间的休息时间除外），其中实践教学时间为50 min，每次课中都有实践教学，理论教学与实践教学相互交叉，通过实践教学帮助学生理解和消化抽象的理论教学内容[13]。另外，目前的GIS实践教学多以软件应用为主，但简单地跟着老师进行机械操作是万万不行的[14]。实践教学需要按内容分段、分级进行，设置认知性实验、综合性实验、设计性实验三级教学实验内容，逐步形成不同层次、不同等级的独具特色的实践教学体系。认知性实验用于帮助学生熟悉ArcGIS等常用GIS软件的基本操作，理解GIS理论中的相关概念。比如，给学生提供1幅校园规划图，让学生自己拿GPS在校园内采集控制点，然后生成点状分布图层并对校园规划图进行几何纠正，之后再对纠正后的图层进行数据的采集与编辑，使学生更好地理解几何纠正和地图投影，并熟悉数据采集、编辑的具体操作和流程。综合性实验以案例分析的形式，使学生学会运用GIS理论和技术解决实际问题。在实践教学中，笔者运用了汤国安教授《ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程》一书中的“市区择房分析”为案例[15]，通过该实习既可以让学生熟悉叠加分析、缓冲区分析等空间分析操作，还可以让学生深刻体会到GIS在现实生活中的应用，激发学生的学习兴趣。设计性实验是在学生熟悉相关软件操作及基本功能的基础上，通过提出相关问题让学生发散思维，自主设计实验内容、实验数据，最终找到解决问题的答案。为了锻炼学生独立思考问题的能力和动手能力，笔者设计了“3S技术在学校选址中的应用”，让学生自己设计实验方案和实验步骤，独立完成实习内容，老师根据学生提交的实习结果和实习报告进行评分。

4）增加课程考核次数，丰富课程考核方式。为了充分体现学生的真实水平，可以增加平时考核的次数。国外大学通常将考试分为若干次，每次考试的成绩均按一定比例计入最终成绩，这样有利于督促学生实时掌握已学内容。在出题时适当增加实践操作题目或应用型题目，或者将其中的某几次考试完全以上机操作的形式进行，这样有利于提高学生的学习积极性、主动性与创造性。除了以考试形式进行考核外，还可将平时出勤情况、作业情况、实习报告等内容也纳入课程考核体系，根据学生的卷面成绩，参考学生的平时表现，从不同角度来考核学生的理解、综合和创新能力。美国乔治梅森大学地理与地理信息科学系对于地理信息系统导论这门课的考核由5部分组成：上机作业、出勤/小测验、考试1、考试2、期末考试。其中，上机作业占50%，可见其对实践课程的重视程度；出勤/小测验占10%，该校学生几乎每月都有一次小测验，通过这些小测验可以督促学生及时复习已学内容；3次考试中，期末考试占20%，另外两次考试各占10%[13]。近年来，在实际教学过程中笔者对课程考核形式也进行了尝试，在最终成绩的计算中，出勤、作业/实习报告占20%；期中考试成绩占10%；期末考试成绩占70%。

4 结 语

进入21世纪，地理信息已经成为非常重要的资源，GIS在现代社会经济中的应用也越来越广泛，GIS教育日益受到重视。面对当前GIS教学中存在的问题，笔者结合6 a来地理信息系统原理课程的教学经验，提出了充分利用现代信息技术和网络资源、构建不同层级的实践教学体系及增加课程考核次数等相应措施。从目前的教学情况来看，这些措施在教学过程中起到了一定的作用，教学效果良好。为了更好地完成GIS的教学工作，今后要紧跟GIS的发展，调整课程内容，挖掘教学资源，探索更好的教学手段和方法，不断提高自身的教学水平。

[1] 胡祎.地理信息系统（GIS）发展史及前景展望[D].北京:中国地质大学,2011

[2] 俞晓莹,覃事娅.地理信息系统课程教学改革的探讨——面向资源环境与城乡规划管理专业[J].长沙航空职业技术学院学报,2006,6(3):7-9

[3] 邬伦,刘瑜,张晶,等.地理信息系统——原理、方法和应用[M].北京:科学出版社,2005

[4] 黄昆,陈登胜.资环专业GIS课程教学方法和环境特色策略[J].科教文汇,2010(9):53-55

[5] 武雪玲,牛瑞卿.浅谈地球信息科学与技术专业GIS课程的教学[J].测绘与空间地理信息,2010,33(5):8-10

[6] 侯立春,徐磊,许正昊.高师院校 GIS 课程教学与实践改革的探索[J].地理空间信息,2011,9(1):146-152

[7] 田雨,韩作振,卢秀山.地理信息系统（GIS）课程多媒体教学改革实践探索[J].中国地质教育,2002,44(4):50-53

[8] 李波.地理科学专业 GIS 课程教学的几点思考[J].安阳师范学院学报,2012(5):142-144

[9] 任海峰,赵君.移动学习模式在教学应用中的特征分析[J].成人教育,2009(12):60-61

[10] 琚春华,彭建良.基于移动学习的教学与实践相融合的教学模式研究[J].中国高教研究,2012(12):107-111

[11] 刘海英,朱红春,张蕾,等.网络环境下GIS课程新教学方法和手段探讨——以网络课程的设计开发为例[J] .高等理科教育,2008(4):140-143

[12] 郑春燕,胡华科,钟广锐,等.人才培养模式下课程体系与教学内容的整体优化[J].长江大学学报:自科版,2013,10(22): 132-134

[13] George Mason University.GGS 311-002 - Introduction to Geographic Information Systems[EB/OL].http://ggs.gmu.edu/ AcademicPrograms/ Syllabi/Syllabi.html,2014-07-01

[14] 高飞.应用型高校资环专业GIS课程教学方法研究[J].安徽农业通报,2013,19(21):93-94

[15] 汤国安,杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程 [M].北京:科学出版社,2012

P208

B

1672-4623（2015）04-0176-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.063

岳书平，博士，主要从事GIS在资源环境领域中的应用研究。

2014-07-23。

项目来源：国家自然科学基金青年基金资助项目（40901062）；江苏高校优势学科建设工程资助项目。