《GIS与灾害评价》课程的教学设计

邓荣鑫，赵东保，许德合，王小东

（华北水利水电大学测绘与地理信息学院，河南郑州 450046）

随着信息技术的发展以及人们对地理信息系统认识的加深，各国在经济社会发展中也越来越重视地理信息产业的发展[1]。地理信息系统（GIS）行业的快速发展，需要高校的地理信息科学专业教育适时地适应市场需求，更新人才培养模式，培养具有扎实的基础理论知识、良好的实践能力的高素质应用型人才[2]。根据地理信息科学专业培养的目标，我校地理信息科学专业的课程设置在基础理论课程学习之外，也开设了很多注重应用和实践的课程，《GIS与灾害评价》就是一门将理论与应用相结合的专业选修课程。

1 课程总体设计

《GIS与灾害评价》是该校地理信息科学专业针对大四本科生开设的专业选修课程。鉴于该阶段学生已经有了较为充分的专业知识学习和积累，该课程的目的是能够将学生的理论知识系统化和专业知识应用化。因此，该课程以应用GIS方法进行灾害评价为目的，以GIS空间数据处理流程为主线，交叉地理学、遥感（RS）、全球定位系统（GPS）、地图学等专业基础知识，结合实际案例分析，使学生能够提升对GIS理论的理解层次，并能够运用GIS方法进行灾害评价等方面的实际应用，提高学生该本专业的专业认知和动手能力。为达到以上目的，该课程首先侧重于技术方法，以GIS技术方法和处理过程为主线，介绍所需要的GIS功能及其基础理论；同时侧重于应用和实践，以运用GIS进行灾害评价为中心，讲述如何进行问题分析、如何设计技术流程并最终如何实现灾害评价；在教学方法上，该课程实行融合式、探究式和交互式等教学方法，融合式教学体现在课程讲述过程中综合其他相关课程知识，引导学生形成专业知识体系；探究式教学方法体现在以问题导向为中心，引导学生分析问题和解决问题；交互式教学方法体现在组织课堂讨论的形式展开对相关问题的探讨。

2 课程理论设计

GIS可简单地定义为用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统[3]。其中，空间数据是GIS的处理对象，空间分析是其核心。GIS基本理论是GIS课程的关键所在[4]，而具有应用技能水平则需要系统的学习地学、计算机、GIS等相关课程[5-6]。鉴于大四学生已有相应的理论基础，该课程理论部分的讲授从应用的角度，以空间数据为对象，以GIS空间数据技术处理流程的顺序，设计基本理论、数据获取、数据处理、数据分析和数据表达等环节（如图1所示）。在GIS概念的讲授中，通过融合式的教学方式，从地理学的角度理解GIS的应用目的，从地理信息的角度展示GIS的独特特征，从信息系统的角度分析GIS的数据处理过程；在空间数据获取部分的讲授中，指出空间数据即为GIS处理的对象，从应用的角度讲解GIS空间数据类型和获取方法、不同数据类型和格式间的转换方法以及空间数据的组织方式，其中遥感技术是获取GIS空间数据的重要手段；在地理空间部分的讲授中，强调空间数据区别于普通数据的根本是具有地理坐标，空间数据间的复合基础是地图投影，主要讲解常用的地图投影参数、地图投影的转换方法；在空间分析部分的讲授中，强调空间分析是GIS的核心，是GIS理论部分的重点，从灾害评价的角度，利用小型案例讲解GIS的叠加分析、缓冲分析、DEM分析、统计分析等空间分析方法；在数据表达部分的讲授中，强调地图（以及系统设计）是GIS的“脸面”，地图可视化是GIS数据处理和分析结果的展示，结合地图学的内容讲解地图制图设计过程，并通过系统设计和开发重现地理数据的获取、处理、分析、管理和制图的全过程。

在理论课程的设计中，既注重了课程的整体性，展现了GIS空间数据处理的一般过程，融合了该专业其他课程相关知识，搭建了GIS相关理论框架，又将每个部分的知识点与应用结合，加深了学生对于理论知识的认识，增加了GIS理论认知的深度。

图1 课程理论教学体系

3 课程案例设计

结合学校和学院特色，从农业干旱、地质灾害、森林火灾、城市热岛等方面进行案例分析，剖析GIS灾害分析和评价的一般思路，并综合运用3S（GIS、RS和GPS）技术讲解GIS灾害分析和评价的一般过程，重点培养学生分析问题和解决问题的能力，能够让学生掌握GIS灾害分析和评价的具体方法。该文以地质灾害评价为例，分析该部分内容的授课方法。

3.1 提出问题

某区域是滑坡易发区，滑坡的发生能够掩埋房屋，摧毁建筑，堵塞河道，给人民的生命和财产造成巨大的损失。对区域滑坡发生风险进行科学评价，对于防灾减灾具有重要的意义。

3.2 思路分析

如何进行滑坡灾害风险评价呢？需要有合理的评价体系；如何建立评价体系？需要有科学的评价因子；如何选择评价因子？需要掌握引起滑坡发生的诱发因素；如何能够利用GIS技术完成区域滑坡灾害风险评价？首先需要将滑坡发生的诱发因素转化为空间数据，通过空间数据处理建立地理数据库，其次构建滑坡灾害风险评价指标体系，并利用空间分析方法基于评价模型实现滑坡灾害易发性评价，最后利用地图制图方法完成区域滑坡灾害易发性评价专题图。因此，在问题分析过程中，从根本上要掌握滑坡发生的机理和过程，建立滑坡易发性的评价体系，然后再利用GIS技术，明确相关数据的获取、处理、分析和输出方法，最终完成目标。

3.3 技术流程

技术流程如图2所示。

图2 滑坡灾害易发性评价技术流程

3.4 具体方法

（1）数据获取方法：利用地图数字化方法获取地层岩性和地质构造数据；利用DEM分析方法获取坡度、坡向、高程和斜坡结构等数据；利用空间插值方法降雨数据；利用遥感信息提取方法获取道路数据。（2）数据处理方法：建立统一坐标系统，统一数据格式，建立滑坡灾害风险评价因子地理数据库。（3）数据分析方法：基于指标评价体系，利用缓冲区分析、重分类等方法建立各因素评价等级；基于评价模型（可通过层次分析法等模型建立），利用地图代数方法完成滑坡灾害易发性分析。（4）数据输出方法：基于网格法完成专题制图。

3.5 扩展思考

考虑评价单元和数据获取等方面因素，空间分析是基于栅格数据完成，能否利用矢量数据来完成分析？为便于学生比较思考，后续的实验课程会设计一个基于矢量数据分析的灾害分析案例——森林火灾风险评估，并让学生分析解题思路，完成风险评价，并比较两个案例的异同点，总结类似评价方法的一般思路和过程。通过相关案例分析，引导学生主动思考，激发其学习兴趣，培养学生思考分析问题的能力和动手能力。

4 课程考核设计

该课程侧重于技术应用和实践，为避免僵硬的理论考查模式，该课程设计了多样灵活的考核模式：（1）实验考核：通过设计实验内容，让学生独立分析问题和解决问题，侧重于考核学生对问题的分析和方法的比较，以及实践动手能力；（2）小组讨论：根据学生人数分成若干小组，每组按兴趣确立一个GIS灾害评价相关的题目，通过查阅资料获取相关研究动态和分析方法，并安排2个学时用作组织汇报，锻炼学生合作能力、自学能力以及科研汇报能力；（3）课程报告：给出一个灾害评价需求并提供相关原始数据，学生自行设计研究方案，完成相关灾害的GIS评价，并提交研究报告。通过合理调整综合成绩构成 （例如：10%平时成绩+20%实验成绩+20%小组讨论成绩+50%课程报告成绩），能较好地反映学生对知识的掌握情况，以及在分析问题和解决问题等方面的能力，并使学生能够注重提高实践中的动手和解决问题的能力。

5 结语

基于以上融合式的知识贯串、探究式的问题分析、交互式的课堂讨论和灵活的课程考核等教学模式，通过课堂气氛、课堂讨论、学生提问和课程报告等方面的反馈可以发现，学生的学习目标更加明确、理论知识更加清晰、学习更加主动积极，学生分析问题和思考问题的能力得到了较好的开发，实际动手能力取得了较大的提高，该课程所采用的教学方法和方式深受学生的好评，取得了良好的教学效果。

在该课程的实施过程中，也存在着一些问题，如主要讲解了GIS灾害评价的一般方法，对于相关方面的前沿问题和技术方法，虽然在学生讨论部分有所涉及，但并没有能够实践实施，相关内容需要进一步深化，今后应注意将GIS灾害评价的前沿问题和方法引入到课程教学中，这对教师的科研能力也提出了较高的要求。