结合开放实验培养GIS专业学生创新思维能力的探索与实践

王永锋 靖娟利

摘  要 为了充分调动学生的学习积极性，体现以学生为主体的教学理念，桂林理工大学GIS专业逐步开展基础型、综合型和创新型开放实验，结合具体实例探讨如何利用开放实验巩固学生理论知识，培养学生的实践能力和创新思维能力。

关键词 开放实验;创新思维能力;ArcGIS;MapGIS;GIS专业

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）18-0117-03

1 前言

高等教育中的实验教学是素质教育与创新教育的良好载体、措施和手段，对于培养学生的创新精神和探究能力具有不可替代的作用[1]。开放实验教学模式是一种探索性、自主性的教学模式[2]，能够充分体现以人为本的教学思想，具有调动学生自主学习的积极性，顯著提升学生的实践能力和创新能力等特点。为了满足社会对创新型人才的需求，近年来，桂林理工大学GIS专业实验教学改革中逐步引入开放实验教学模式，充分利用学生的课余时间，根据学生的特点，设计满足不同层次的开放实验项目，让学生自主选题并在教师指导下自主完成，在实验过程中激发学生自主学习兴趣，培养学生的实践动手能力和创新思维能力，提升学生个性发展空间，增强学生在就业中的竞争能力。

2 开放实验内容的设计

开放实验是课堂实验教学环节的延续和补充。对于GIS专业学生而言，利用常用专业软件（如MAPGIS、ArcGIS、ENVI等）进行空间数据的获取、处理、分析，是实践能力培养的重要组成部分。开放实验在设计过程中与GIS专业竞赛或科研项目紧密结合，为后续参加专业竞赛储备人才，同时可以培养学生的科研素质。为了满足不同层次学生的需求，设计了基础实验项目、综合实验项目和创新实验项目。

基础实验项目  基础实验项目的设计可以针对具体某一门专业课程内容，通过开放实验使学生对课堂学习的单一实验知识点之间的相互关系进行梳理，达到进一步巩固课程理论知识的目的。如在教学GIS原理课程时，课堂上设计的实验项目主要基于MapGIS或ArcGIS软件平台，内容包括：空间数据的获取与编辑，主要完成数据采集、拓扑编辑、属性编辑等内容;空间数据处理，包括误差纠正（矢量数据）、地理配准（栅格数据）、投影变换、裁剪与拼接、格式转换等内容;空间数据入库，包括建立空间数据库，导入空间数据;空间数据分析，包括矢量数据的缓冲、叠加分析，栅格数据叠加分析等环节。

在GIS原理课程课堂实验环节的基础上，教师设计开放实验项目：建立漓江流域土地利用数据库，并统计流域两侧200米范围内的耕地面积，分析不同高程范围内耕地的数量。实验要求数据采集在MapGIS软件中完成，数据建库及分析环节在ArcGIS软件中完成，并提交数据处理报告和结果专题图。

上述开放实验内容设计结合地方特色，并充分体现了GIS原理中学生需要掌握的主要实践技能。首先，学生巩固了基于MapGIS软件的栅格数据地理配准、分层矢量化、构建拓扑关系、属性编辑、数据导出等环节;其次，进一步熟悉基于ArcGIS软件构建地理数据库、缓冲区分析、叠加分析、统计分析等技能。通过上述开放实验项目的实施，学生对GIS原理需要掌握的知识点有了更深入和系统的理解，巩固了课堂理论知识，增强了实践动手能力，更加熟悉软件的基本功能，同时培养了自主获取SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）90米分辨率的DEM数据的技能。

综合实验项目  综合实验项目对学生的专业基础知识及实践技能有更高的要求。实验内容在设计过程中紧密结合GIS专业竞赛的相关题目，不仅能够拓宽学生的知识面，培养学生的实践能力和创新能力，还可以为专业竞赛储备人才。如第六届全国大学生GIS技能大赛分上午和下午两套试题，试题内容结合日常生活，要求学生根据专业知识在规定时间以团队形式现场完成。以上午试题为例，讨论综合性开放实验对学生实践及创新能力的培养。

1）试题内容：某广场举行一场大型活动，当天来观看演出的人员会很多，小明作为此次活动的信息员，将为广场周边的住户提供一个在家观看活动的建议，并根据统计的微博签到数据，分析活动周边的人数。

2）已知数据：广场周围的遥感影像图四幅（TIF格式）、研究区域范围（SHP格式）、活动范围数据（SHP格式）、微博签到表（XLS格式）。

3）要求：遥感影像去除黑边并进行镶嵌（40分）;矢量化图中指定区域的建筑物，根据提供的信息添加属性值，数字为楼高（20分）;根据提供的微博签到表，可视化广场周围的微博签到点数据（20分）;统计建筑物内微博签到点有多少（10分）;根据时间可视化微博签到点数据，时间间隔为一小时（10分）。

4）数据提交：结果数据;详细数据处理报告，应包括解题思路、解题过程说明（尽可能附图说明）和结果等内容。

根据试题相关已知信息，选择ArcGIS软件作为数据处理平台，下文分析学生应该具备的专业基础知识及能够培养的能力。要求一：重点考查学生对多幅遥感影像的拼接和裁剪方法，同时考查数据采集能力;学生应该熟练掌握新建数据层、数据采集的方法，熟练运用ArcToolbox工具箱中的Mosaic、Clip或Extract by mask工具。要求二：重点考查学生数据采集、属性编辑能力，这一步的关键是新建属性字段，属性信息录入方法。要求三：考查学生对表格数据的导入及可视化方法，学生应该熟悉具有空间参考的XLS格式数据可以通过Display X Y Data工具导入ArcGIS软件并进行可视化，并且可以通过Export Data工具导出为SHP格式。要求四：考查学生对要素的查询、统计分析的掌握程度，可以使用Select by location工具进行查询，或是用ArcToolbox工具箱中Intersect工具进行叠加分析。要求五：考查学生对属性信息的查询、重编码及根据属性字段对要素的可视化，这一步首先需要对微博签到点要素层属性表进行重新分类编码，将从活动开始到结束每间隔一个小时的所有签到点归为一类，并赋相应的属性编码，然后根据新属性项进行分类可视化。

总体来看，上午的试题内容涉及数据采集和编辑、数据处理、数据查询统计、数据可视化等内容，强调基础知识的综合运用。这套题看似简单，学生要顺利完成，必须具备扎实的专业基础知识，能够熟练运用ArcGIS软件相关模块功能，同时具备分析问题、解决问题的思维能力。通过综合性开放实验的实施，学生对理论知识点有了更深刻的理解，实践能力得到很大提升，对知识点能够灵活运用，达到融会贯通的效果，增强了团队内部的协作能力。

创新实验项目  创新实验项目对培养学生的创新思维能力，进一步提高实践能力，具有重要意义。创新实验项目要求学生不仅具备基本的数据获取、处理、分析技能，更注重学生自主學习和实践能力的培养。创新实验项目可以与大学生创新创业项目结合，也可以与教师的课题相结合。以学生参与大学生创新创业项目“广西NDVI变化及其与气候因子的相关性研究”为例，讨论在完成实验过程中如何培养学生的实践能力及创新能力。

首先，要求学生查阅相关资料，了解国内外研究现状、相关数据及研究方法等内容。查阅文献后，学生应该掌握以下信息。

1）目前，国内外做了哪些方面的研究？存在哪些问题？

2）NDVI代表的是归一化植被指数，常用的NDVI数据有NOAA-AVHRR NDVI、SPOT VEGETATION、TERRA-MODIS NDVI/

EVI、LANDSAT TM/ETM+等。气候因子主要应该包括温度、降雨等，这些数据可以用气象监测站点的监测数据，也可以用其他一些数据产品，如MODIS地表温度产品数据、TRMM降雨数据等。

3）NDVI的变化分析需要长时间序列数据，NDVI变化常用分析方法有趋势分析、变异分析、变化持续性分析等方法，NDVI与气候因子的相关性常用相关系数来衡量。

其次，根据研究区的特点，选择数据并确定研究时间段，制订研究方案。如研究过程中选择的数据源为MODIS NDVI数据、气象数据为监测站点数据，主要用趋势分析法研究NDVI的时空变化特征，运用相关系数分析NDVI与温度和降雨的相关性。在此基础上，学生要重点掌握数据获取、预处理、结果计算等环节，数据处理及计算可以根据自身情况选择ArcGIS或ENVI软件，也可以运用MATLAB软件或IDL语言编程实现。

最后，学生独立撰写项目成果报告，并提炼小论文进行发表。

创新开放实验项目的开设，重点培养学生自主学习的能力、创新思维能力和科学研究能力等，包括文献查阅、数据资料搜集下载和整理、数据的处理和分析、成果的整理等方面的能力。在研究和探索问题过程中培养学生的创新思维能力，提升学生的综合实践能力，激发学生进行科学研究的热情。创新开放实验的有效实施，为学生后续毕业设计的顺利完成奠定基础，有益于学生进一步深造、就业。

3 开放实验的组织

桂林理工大学GIS专业开放实验项目实施环节包括项目选择、数据资料分发、实验过程的管理、实验成果提交及评阅、实验教学反思。开放实验实施过程充分利用学校教育在线平台，教师提供丰富的实验项目及竞赛资源，方便学生选择实验项目、下载实验资料，师生进行互动交流，学生提交实验成果，教师点评实验成果。此外，教师和学生都可以对开放实验的实施效果进行总结反思，教师可以不断优化实验项目，学生可以进一步梳理知识点。

在开放实验实施过程中，学生以小组为单位，组长作为负责人。组长定期召开小组讨论会，充分调动组员的学习积极性，定期向指导教师汇报实验进展情况。学生可以利用实验室自主完成开放实验，或者利用自己的电脑在课余时间完成。实验完成后，学生提交实验项目成果，教师评阅后给定成绩，可以作为课程成绩的加分项或第二课堂的成绩。

4 结语

高素质创新型人才的培养是当前高校教育的重要目标，也是落实科学发展、实现科技强国战略的重要环节[3]。桂林理工大学GIS专业实践教学模式紧跟社会经济发展对专业人才能力、素质的需求，逐步实施开放实验，充分体现以学生为主体的教学理念。实践证明，开放实验教学模式对GIS专业学生培养起到积极的促进作用，能够激发学生自主学习的热情，在实践过程中培养学生分析问题、解决问题的能力，提高学生的实践能力、创新思维能力，全面提升学生的专业综合素质。

参考文献

[1]刘世熙，曹秋娥，马志刚，等.创新实验项目，彰显实验教学示范中心特色[J].实验技术与管理，2012，29（3）：15-17.

[2]宋国利，盖功琪，苏冬妹.开放式实验教学管理模式的研究与实践[J].实验室研究与探索，2010，29（2）：91-93，132.

[3]李永涛，葛智勇，田友伟，等.强化实践教育 培养创新能力[J].实验室研究与探索，2014，33（1）：160-163.