基于因子分析的学生成绩评价对高校GIS专业建设的启示

王小丽 曹雅妮 简太敏

摘 要：21世纪以来地理信息系统作为一门新型技术发展快速，逐渐渗透入国民经济的多个部门，因此社会对GIS专业人才的需求量日益增长。然而目前GIS毕业生所具备的知识、技能与社会对GIS人才的需求依然存在一定的差距，因此探讨我校GIS专业建设至关重要。文章以我校2012级GIS专业32名学生的18门课程为数据源，利用因子分析法并借助于SPSS对学生成绩进行定量实证分析，文章提取出五个影响学生成绩的潜在因子，并构建学生综合成绩的数学模型，在此基础上利用系统聚类分析法对学生成绩进行分类，客观地评价了各类学生的课程成绩，进而提出我校GIS专业建设的具体措施。

关键词：因子分析；学生成绩；专业建设；课程设置

中图分类号：G647 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）13-0017-05

Abstract： Since the 21st century， geographic information systems （GIS） has developed rapidly and gradually penetrated into multiple departments of the national economy. Therefore， the social needs of GIS professionals are increasing. However， there is still a certain gap between the current skills of GIS graduates and the social needs of GIS professionals， so it is very important to explore the construction of GIS specialty in our university. In this paper， the factor analysis is used to quantitatively analyze students，achievements with SPSS statistical software， aiming to give a comprehensive evaluation of students，achievements. Meanwhile this paper extracts five potential factors and constructs the mathematical model of students，achievements. In addition， the system clustering analysis is used to classify the scores of students in this paper， giving objective evaluations for student achievements. On the basis of the conclusions，this paper puts forward some suggestions on the professional construction of GIS in our university.

Keywords： factor analysis； students，grades； professional construction； design of GIS curriculums

前言

GIS誕生于20世纪60年代，是一门集多种学科于一身的交叉性高新技术学科，其融合了地球科学、计算机科学、测量学、管理学、地质学、环境学、资源学等众多学科[1]，主要进行空间数据的采集、存储、查询、更新、管理、分析、处理、可视化、应用等[2]。半个多世纪以来GIS产业的发展始终处于加速状态，尤其是21世纪以来GIS作为一门新型技术应用于国民生产的很多部门，其涉及面广、渗透性强，在国家信息建设与国家经济发展、社会安定中举足轻重。我国GIS产业兴起于20世纪80年代，作为一种新型的产业迅速崛起，成为我国优先发展的产业之一[3]，其经济效应非常巨大。在当代经济全球化与信息技术日新月异浪潮中，我国对GIS人才的需求越来越大，同时顺应时代的要求也提出了多层次创新型GIS人才的培养目标。而高校是培养创新性科技人才的重要基地。截至目前我国已有100余所大学陆续设立了GIS专业， GIS教育在高校发展迅速，但是高校培养的GIS 人才与社会的需求还是存在不相互吻合的现象[4]，21世纪高校教育应该以可持续发展观

为指导，立足于国际大市场，力求培养的GIS人才具有多元化和市场化的特征，以满足我国经济社会的和谐发展。基于此我们很有必要对高校GIS 专业建设进行深入的研究和探讨。

重庆师范大学是一所省属高等师范类本科院校，该校立足重庆，面向西部，服务全国，建成重庆市GIS应用型人才培养与创新基地、地理信息系统教学示范中心。其中地理系作为老牌专业，师资队伍雄厚，专业实力强，学生就业率高，在西南地区影响力较大。我校GIS专业就是以地理学为依托，融入城乡规划、旅游管理相关理论发展而来，至今已有十多年的历史。多年来借助GIS专业优厚的教师资源，引进现代化的教学设备、教学设施，建成市级GIS特色实验室，GIS专业教育与科研相长，在不断的教学实践中成长，设置了特色的GIS专业课程体系以求能满足不断发展变化的社会的迫切需求。本文应用SPSS统计分析软件对我校GIS专业学生的课程成绩进行分析来透视本专业课程体系设置、教学质量、学生学习掌握等情况，从而对学生的成绩与课程之间的关系进行定量分析，挖掘有效潜在信息，进而提出我校GIS专业建设的具体举措。

一、研究方法与数学模型的构建

（一）因子分析法

因子分析法[5]产生于1904年，由心理学家Chales Spea

rmanti提出，其中心思想是用少数几个因子去描述多个变量之间关系，其中被描述的变量是实际可测的显在变量，而提取出来的公共因子是不可测的潜在变量。其目的是试图用少数公共因子来表达原始大量变量信息，从而更好地揭示事物的本质规律。其数学模型[6]如下为：

X=AF+ε，其中X是原始变量，F是公共因子，A因子载荷矩阵，ε称为特殊因子，代表原始变量中不能被解释的部分，其一个重要特征是均值是零。

（二）数据的获取与参数的选取

本文应用因子分析法对重庆师范大学2012级GIS专业32名本科生的22门课程进行了计算分析与评价。在课程的选择上本文根据培养方案中课程的重要性和课程本身的属性进行了一定的取舍：从培养方案来看，GIS专业在借鉴国内外兄弟院校在人才培养和课程设置的基础上制定了自己的培养方案，该方案将课程分为四大类，分别是公共课、专业基础课、专业核心进课、专业选修课以及独立实践部分。其中公共课主要培养学生基本的知识素养，是培养全能型创新性人才的重要环节。专业基础课是学习专业核心课的基础，专业核心课是本专业的核心课程。独立实践部分是通过实习实践培养学生的专业认知、实践动手能力与创新能力的；从课程本身的内容归属来看，我校GIS课程可分为三类：地理学类课程、数学与计算机类课程、地理信息系统类课程。最后选取具有代表性的课程，分别是：

公共课：大学英语I（X1）、大学英语II（X2）、计算机文化基础II（C语言）（X3）、毛泽东思想和中国特色社会主义理论体系概论（X4）、马克思主义基本原理（X5）；

专业课：地图学（X11）、测量学（X12）、GIS原理（X13）、遥感原理（X14）、数据结构（X15）、GPS原理与应用（X16）、计算机原理（X17）、专题地图设计（X18）、数据库原理与应用（X19）、面向对象程序设计（X20）、遥感软件应用工程（X21）、GIS软件应用工程（X22）；

专业基础课：人文地理学（X6）、经济地理学（X7）、高等数学III（1）（X8）、高等数学III（2）（X9）、高等数学III（3）（X10）。

（三）数学模型构建

本文在因子分析的基础上构建了变量综合得分函数[7]，其是以各潜在因子的方差贡献率为权重并利用其线性组合而形成。目的是用以挖掘课程设置中存在的问题、评价本科教学质量、监测学生课程学习等，从而为我校GIS专业课程设置的改进以及专业建设提供重要建设性意见。综合得分，其计算公式为：

F=■？姿iFi

二、成績的计算与分析对专业建设的实证研究

本文以我校2012级GIS专业32名学生的22门课程为数据源，然后利用以上数学模型，并借助于SPSS19.0进行计算与分析，其计算过程如下：

（一）适宜性分析

首先本文对原始数据进行了KMO和巴特利特球形检验，结果如表1，KMO值为0.664大于最低标准0.5，说明变量之间的偏相关性较强，变量选取合理。同时Bartlett 的球形度检验P=0.000<0.05，说明可以执行因子分析。

表1 KMO和Bartlett检验

（二）因子的提取

由表2可知：（1）第一成份特征值大，方差贡献率为48.2%，这说明22门课程的目标有一致性，是培养具有多方面多层次知识与能力的通才型人才。（2）本文第6个主成份特征值小于1，对变量的解释不足；加之前五个主成分累积方差贡献率75.990>70%，符合公因子选取标准，所以本文提取了5个主成分。

（三）公因子命名、解释与归类汇总

为了更好地挖掘潜在影响因子，探究各公因子的实际意义，本文计算出旋转后各因子的载荷如表3，经归纳、权衡与综合，结果为：

1. 对于第一主成分而言，高等数学Ⅲ（1），高等数学Ⅲ（2），高等数学Ⅲ（3），计算机文化基础II，计算机原理等课程的载荷比较大，而这些课程是反映学生的数学能力与计算机基础理论能力，因此第一主成分因子命名为：数学与计算机基础类因子。这些课程是属于公共课即通识类课程，是学好GIS的重要基础。

2. 人文地理学，地图学，遥感原理，GIS原理，专题地图设计，经济地理学等课程在第二主成分上的载荷比较大，而这些是地理学、地图学以及地理信息系统的专业理论课，反映学生的地学基础和GIS 理论掌握程度的学科，因此第二主成分因子命名为：地学类与GIS 专业理论类因子。我校GIS 是以地理学为依托发展而来，地理类教师资源、实验室以及教学设备雄厚，这为GIS专业的发展强大的基础支撑作用。

3. 第三主成分上载荷最大的因子为大学英语类课程，这些课程是学好GIS的语言基础。21世纪是经济全球化与信息共享的时代，英语是一种国际语言，GIS作为信息技术的一部分更新换代的周期越来越短，我国GIS人才必须得了解国际地理信息系统发展的最新动态，并在最新成果基础上不断创新，从而扩大GIS的研究与应用领域。所以第三主成分为英语基础能力类因子。

4. 面向对象程序设计，数据结构，遥感软件应用工程，数据库原理与应用，GPS原理与应用，GPS原理与应用等课程在第四主成份上载荷较大。这些是GIS 开发与应用类课程，是专业主干课程。这些课程的合理设置以及正确实施是专业建设的重中之重。因此我们必须得不断地在教学实践中完善这些课程的教学并实时考察学生的掌握与应用情况，培养学生相应知识与技能，从而提高专业的人才培养的质量。

5. 在第五主成分GIS软件应用工程所占的载荷最大，其是GIS专业的专业核心课程，要求每一个同学都必修掌握该软件的功能并能够应用到实际中，因此第五主成分可以归纳为GIS技术核心类因子。

（四）综合得分与实证分析

首先利用因子得分系数，构建公因子得分公式，如下：

然后利用上述提到的数学模型计算变量的综合得分，其公式为：

S=0.635×F1+0.122×F2+0.1×F3+0.082×F4+0.061×F5

经计算，结果如表4。

本文在得到综合成绩的基础上进行了系统聚类分析，其结果如表5所示，学生可划分为6类。每类学生各有特点与优势，不同类之间存在较大差异。结合图1经深入分析与探讨总结如下：第一类学生：相对来说专业理论较强，地理学知识和专业理论基础知识扎实，英语能力水平较弱，专业开发与应用课程较差，即实践动手能力较弱。第二类学生：约占总人数的6%，人数较少。专业开发与应用方面较强，英语能力强优势突出，但数学与计算机基础较差。第三类学生：人数较多，占到三分之一，综合实力较强，各类课程成绩均比较优秀，其中数学与计算机基础类课程优势尤为突出。此类学生基础优秀适合培养为通才型人才，可往多方面发展。其可继续深造，往研究型方向发展。第四类学生：专业理论优秀，其他类型课程成绩较差，适合学习理论性的知识。该类学生占到学生总人数的6%。第五类学生：该类学生占到学生总人数的34%，专业（包括地理学与地理信息系统基础理论）理论扎实，专业开发与应用能力方面优势突出，好多同学表现出了对软件开发与应用方面的特长，但英语成绩处于中下水平相对较差，计算机数学类基础类一般，可见这类学生基础弱，但动手能力强，因此该类学生适合发展为开发类人才或者GIS应用领域的应用类人才。这类学生应加强理论课程以及基础课程的学习，为创新性人才的培养作充足的准备。第六类学生：该类仅有一名学生，其专业基础理论与专业应用方面较强，但公共基础课程如数学、计算机、英语课成绩较差，需加强通识类课程的学习，从而提高学生基本的知识素养。

三、结论与展望

本文选取了2012级GIS专业所有学生18门代表性课程为数据源，应用因子分析法挖掘影响学生成绩的潜在因子，通过计算、分析与综合，本文提取了5个公因子并命名为：数学与计算机基础类因子，地学类与GIS专业理论类因子，英语基础能力类因子，GIS 开发与应用类因子，GIS核心技术类因子。在此基础上本文还构建变量的综合得分函数计算出了学生的综合成绩，然后应用系统聚类分析法将学生成绩分为6类。并对各类学生成绩进行深入分析，挖掘学生在不同能力上的差别，客观了解学生对各类知识能力的掌握与应用情况，挖掘学生的个体差异以及发展潜力，在此基础上及时有效的进行针对性的教学与指导。同时通过对各类学生的成绩分析也可反映专业课程体系的落实情况，总的来说第二、四类学生共占到学生总人数的约72%，这部分学生是教学的主体，是衡量专业课程设置与设施效果的重要依据。结果显示，这部分学生成绩良好，能够达到培养方案的要求。但是这两类学生存在内部差异，表现出对不同类课程学习能力上的差异，即存在各类课程成绩不均衡的现象。第二类学生擅长于数学与计算机基础类课程的学习。而第四类学生专业理论扎实，专业开发与应用能力方面优势突出，但英语成绩相对较差，计算机与数学基础类成绩一般。总体上学生专业理论类课程优秀，专业应用实践类课程还有一定的上升空间，需要进一步强化， 以期能培养出满足社会需要的GIS 人才，加快我校GIS专业建设的步伐。鉴于以上研究结果，本文提出如下专业建设方面的建议：

1. 结合社会对GIS人才的实际需求，通过与用人单位合作调整授课课程内容与形式，正确把握人才培养的方向，进一步提高人才培养的质量。利用生产实践指导教学，依据用人单位的实际需要，培养学生理论与实践相结合的思想，提高学生的实践动手操作能力与创新能力，从而实现本专业人才培养与社会需求相适应的目标。

2. 科研与教学相互促进。教学质量是专业建设的一大重要任务，GIS专业依托重庆市地理信息重点实验室与优质的GIS教师团队，以教学促进科研，以科研反哺教学，将两者有机结合起来。教师可从教学实践中挖掘科研课题，也可将科研成就应用于日常教学，这对提高教学质量意义重大。学生可参与教师的科研项目，进而有机会将课堂上学习的内容应用到专业实践中，也可将专业理论应用于实践之中，这使得学生可以在导师的指导下不断地提高专业技能和创新能力。

3. 通识类课程与专业类课程相互渗透互相融合：2012级GIS 专业第二、四类学生共占到学生总人数的约72%，该类学生成绩是衡量专业课程设置与设施效果的重要依据。那么第二类学生擅长于通识类课程的学习，而第四类学生在专业课程的学习方面表现出一定的优势，可见学生在学习过程中存在不同类课程的偏向。然而通识类课程是学好专业课的重要基础，是培养通才型人才的必要环节，因此应重视通识类课程的学习，将通识类课程的学习贯穿于专业教育之中，这样才能适应通才教育的新要求培养出有一定的专业特长与技能又德智体美兼备的全能型人才，也为学生创新能力的培养奠定良好的基础。

4. 深入开展本科生导师制。我校GIS 专业实行的是小班制教学，每一届学生人数控制在30人左右，这有利于导师制的全面深入开展。因此教师应对各类学生差别对待，针对各自具体情况因材施教，发挥教师的个人影响力，引导学生形成正确的三观以及对专业的认识，同时要培养学生对专业学习的兴趣，激发学生学习的积极性，培养学生成为适应社会所需要的人才。对此我院GIS 专业应该继续深入的开展本科生导师制，鼓励学生根據自身的特点制定各自的培养计划，注重特长培养，加强个性化教学，进而指导学生的学习与就业。

参考文献：

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[3]李大军，程朋根，赵宝贵.GIS专业建议的探讨[J].理工高教研究，2003，22（2）：10-11.

[4]原立峰，马明栋，张海涛，等.GIS专业人才培养模式与课程体系建设研究[J].高等理科教育，2010，89（1）：41-44.

[5]武松，潘发明，等.统计分析大全[M].北京：清华大学出版社，2015.

[6]田宏，于晓秋.因子分析与聚类分析在学生成绩综合评价中的应用[J].2009，68（3）：9-10.

[7]刘访华，余瑞君.基于因子分析的学生成绩评价对提高本科教学质量的启示[J].2013，4：14-24.