研究性教学在“GIS原理与应用”中的探索

蔡先华，张 远

(东南大学 交通学院，江苏 南京 211189)

在研究型大学中，采用研究性教学法培养大学生的研究能力和创新精神已成为共识[1]。高校普遍开展了大学生科研训练计划(Student Research Training Program，SRTP)，SRTP注重吸纳学生利用课余时间参与科研，是一种以研究为基础的研究性教学模式。学生参加教师的科研项目，教师指导学生进行科学研究，达到培养学生研究能力的目的[2]。课堂内外研究性教学法是另一种研究性教学方法，课堂是研究性教学的重要环节，可以更好地培养学生的自学能力、创新精神和研究能力，提高学生的探究意识，学会科学研究方法。本文对将研究性课堂教学法应用于“GIS原理与应用”课程教学中进行探讨，在对科学研究方法和研究性教学方法分析的基础上，对课程教学进行精心策划与组织安排，使学生在研究性学习中更好地掌握课程涉及的基本原理，了解知识的形成过程，掌握科学研究的基本方法，培养学生的探究精神和科学研究能力。

1 研究性教学分析

高校中研究性教学主要是通过组织大学生参加各种研究与创新活动，激发学生的研究与创新潜力[3]。目前一般采取项目化的运作模式，即高校通过设立创新基金对学生自主申报的研究项目给予资金支持，鼓励学生在导师指导下独立开展项目研究。研究课题一般分为3类：由学生自己设计的课题；企业界需求的研究课题；教师的教学、科研、生产、管理等不同领域中基础性、应用型和开发型的研究内容，经过细化转化为本科生能够完成的研究课题。研究性教学旨在通过支持学生开展项目研究，发掘学生的研究兴趣，训练学生的研究能力。该计划更加注重学生参与研究的全过程，并在研究过程中学习，为学有余力的学生提供直接参与科学研究的机会，引导学生进入学科前沿，了解学科的发展动态[4]。

通过大学生科研训练计划，能够形成对课堂教学的有效补充与扩展，为创新人才的成长提供更加多元的选择。课堂教学仍然是高等学校教学的主要阵地，大部分教学工作都是通过课程完成的，研究性课堂内外教学在课程教学中具有非常重要的意义。

2 课堂内外研究性教学方法

课堂教学在大学生的培养计划中占有最大的比重，在课程教学中，讲课老师普遍重视学生的课程教学基本目标的实现，培养学生掌握理论技术与方法，使学生能通过考试，完成课程教学[5]。应该说这仅仅是课堂教学的基本要求，教师更应该在课程教学中，注重培养学生的学习积极性、创新精神和研究能力。研究性教学是以学生为主体，教学重点在于培养学生学习运用知识、提出和解决问题的能力[6]。

在课程教学中引入研究性的教学方法将会更好地发挥课程教学主阵地的作用，通过研究性教学更有利于学生掌握理论技术，在完成日常课程教学的同时，提高学生的研究能力，培养研究学习兴趣。

如何进行课堂内外研究性教学，必须对科学研究方法、课程内容做深入的分析，针对不同的课程建立科学的研究性教学方法。研究方法是指在研究中发现新现象、新事物，或提出新理论、新观点，揭示事物内在规律的工具和手段。这是运用智慧进行科学思维的技巧，一般包括文献调查法、观察法、思辨法、行为研究法、历史研究法、概念分析法、比较研究法等。研究方法是人们在从事科学研究过程中不断总结、提炼出来的，在课程教学中可以对这些方法加以改进，灵活运用于课程教学中。

2.1 文献综述研究性教学法

文献综述是对某一领域、某一专业或某一方面的问题或研究专题进行资料搜集，对其研究现状(包括主要学术观点、前人研究成果和研究水平、争论焦点、存在的问题及可能的原因等)、新水平、新动态、新技术和新发现、发展前景等内容进行综合分析、归纳整理和评论，并提出自己的见解和研究思路而写成的一种综合性介绍和阐述的一种学术论文[7]。这个过程有助于培养学生收集、检索、评估和有效利用信息的能力，达到培养学生自学能力和具有独立开展科研工作的能力的目的[8]。

针对教学内容，教师提出科学技术问题，可按下述步骤进行文献综述研究性教学：

1)搜集查阅相关文献资料。通过搜集和查阅相关文献资料，学生学会了科技文献的查阅方法，充分利用网络资源、图书馆提供的各种资源，查找对应问题的相关文献资料。

2)阅读与整理。阅读与整理是培养学生学习与研究能力非常重要的一种方法。通过阅读，学生掌握了大量问题的相关知识，了解问题研究发展的基本过程。对搜集的资料进一步进行整理，选择重要文献资料，为下一步做准备。

3)发展规律分析。在文献资料阅读整理的基础上，对重要文献进行精读，进而进行分析，可以了解问题研究中具体方法、发展的过程，发现问题发展的规律和方法。

4)总结最新技术方法。最后对问题解决的最新技术方法进行总结，并提出自己的见解，提出是否还有进一步研究的必要性与可行性。

5)撰写文献综述，锻炼科技写作能力[9]。

2.2 逻辑推理研究性教学法

逻辑是在形象思维和直觉顿悟思维基础上对客观世界的进一步抽象，逻辑推理是建立在一定的知识储备基础上的。逻辑推理方法是指人们在逻辑思维过程中，根据现实材料按逻辑思维的规律、规则形成概念、作出判断和进行推理的方法[10]。

逻辑思维能力是处理问题所必须的能力，通过逻辑思维研究性教学可以培养学生正确、合理思考的能力。

在课程教学中，有些问题的解决方法，可以让学生运用逻辑推理方法进行解决，在掌握技术方法的同时，提高逻辑思维创新能力。即提高学生对事物进行观察、比较、分析、综合、抽象、概括、判断、推理的能力[11]。

2.3 实验研究教学法

杜威的实用主义教育思想体系在全球许多国家都产生了深远影响，其中“做中学”教学法影响着近百年来中国教学的理论与实践[12]。

实验研究教学法是一种“做中学”的教学方法，学生在学习概念和原理时，教师给学生实例问题或结合科研课题，让学生通过实验、思考、讨论等途径去主动探究，发现并掌握相应的原理和技术[13]。近年来，各类全国性的GIS技能大赛和科技创新大赛，已经成为检验实践教学效果的重要平台[14]。

3 课堂研究性教学法在“GIS原理与应用”课程中的实践

3.1 “GIS原理与应用”课程教学分析

“GIS原理与应用”课程是一门研究地理信息系统基本理论和技术应用的课程。本课程是地理信息科学本科专业中，培养学生理解和掌握地理信息系统基本原理和软件应用技术方法的一门必修主干课程，是学习其他专业课程和从事地理信息系统研究、设计与开发的必备基础[15]。

本课程研究的是地理空间对象的数字表达与处理，空间分析的基本原理，课程由5大模块组成：GIS基本概念和地理空间数学基础；空间数据的组织管理理论与技术方法；空间数据的采集与处理技术方法；空间分析查询的理论与技术方法；GIS的应用。

本课程在培养GIS高级工程技术人才的全局过程中，起着增强学生对GIS研究工作的适应能力和地理信息应用系统产品开发创新能力的作用。课程的教学内容可采用研究性课堂教学法进行教学，在教授学生GIS原理、应用技术的同时，还可以培养学生的探究精神、研究能力。

3.2 研究性教学法应用教学实践

传统的教学计划以使学生掌握GIS的基本理论技术和方法为主，没有强调培养学生的研究与创新能力。在讲授的过程中，学生需要花一些时间去背概念和原理，而提高理解和运用的能力比较困难，研究创新能力提高不明显。近年来，课程组经过充分调研和分析研究，将研究性教学法应用于“GIS原理与应用”课程的课堂教学，以下以3个知识模块为例，不同的知识模块采用不同的研究性教学方法。

1)文献综述研究法教学实践：“空间数据结构”。 地理现象的组织、表达和存储是GIS最核心和根本内容，空间数据结构反映了空间认知与地理对象建模的过程。首先通过信息素养教育，指导学生有效利用图书资料、网络资源以及文献数据库等途径查阅相关科技文献，获取与“空间数据结构”相关的文献资料。其次通过阅读摘要、查阅相关引用等方法较为全面的认识所研究的问题，按描述类型和时间顺序等方式整理搜集的资料，理清对“空间数据结构”研究发展的基本过程，即空间数据结构的产生是GIS以地理空间认知为桥梁，对现实地理世界进行逐步抽象，得到不同抽象层次的空间概念，从而实现对地理系统的模拟。根据前面问题的认识和研究思路，还需进一步补充搜集部分高引用或前期遗漏的重点文献，选择重要的文献资料整理汇总。然后，在文献汇总的基础上进行精读，了解到地理空间的抽象需要建立开放式的、观点统一的地理空间认知模型，目前较有代表性的研究包括OGC的九层次地理抽象、ISO的概念抽象，以及常见的三层次地理抽象等。对空间数据模型的研究从概念模型的提出、逻辑模型的建立以及物理模型的实现和发展角度，可溯源到具体空间数据结构(如矢量数据结构、栅格数据结构)的产生、演化和推广整个过程，使学生对于空间数据结构不仅知其然，还能知其所以然。最后，针对空间数据结构研究的最新研究热点和科研成果，如全空间信息系统数据模型、时空数据模型、三维数据模型等空间数据结构，分析各自的提出背景、结构特征、适用范围和优缺点等，讨论是否还有进一步研究的必要性与可行性。根据以上研究的过程，撰写研究综述，锻炼科技写作能力。

由此，通过文献综述研究对“空间数据结构”有了较为深入的了解，从原理、产生、演化、发展、应用等各角度完整理解了这一基础性的重要概念，为后续的专业课学习打下坚实的理论基础，并通过研究过程和论文写作的实践有效培养科研创新能力。

2)逻辑推理研究法教学实践：“地球表面的模型”。 如何表述地球的形状是地理空间数学基础的重要部分，GIS处理的是地球表层有关地理要素的数据，其空间位置是以地球表面上的空间基准作为参照，如何建立空间基准首先必须确定描述地球表面的模型。人们可以感受到地球自然表面是一不规则的表面，难以用一个简洁的数学表达式描述。如何使地球表面变得规则？人们可能想到平坦的水面，海洋表面是一个比陆地表面规则很多的曲面，用海水面表达地球表面会比自然表面规则得很多。所以产生了大地水准面。进一步分析，大地水准面仍然不能用简洁的数学表达式描述，于是，想到了用与大地水准面接近的地球椭球面表示，这个椭球面可以用简洁的数学表达式描述。进一步研究，还可以用适用于特定场合的特定数学模型表示地球表面。

由此，通过进行观察、分析、抽象、概括、推理等逻辑分析方法，得到了4种地球表面几何模型，进而可以完全理解地球表面几何模型概念及应用。

3)实验研究法教学实践：“要素选择原理”。 要素选择是GIS中最常用的操作，只要打开软件就会用到这个功能。其实现的基本思想是求解点与点、线和面之间的距离关系。如求解点与曲线之间的关系，实质上是求点到曲线的距离。如果在一个数据集中有大量的线(这种情况很常见)，这个求解由于要求解曲线上到每条直线的距离，计算量非常庞大。为了减少计算时间，提高求解的效率，通常在要素选择中采用近似求解算法，可以大大提高计算效率。如果再采用索引技术，计算量可以成几何级数的减少。运用实验研究教学法，让学生编写精确与近似距离计算程序，学生可以很好地理解要素选择中采用的相关技术方法，并可以灵活掌握空间数据的基本索引方法。

4 结束语

课堂是研究性教学的重要环节，可以更好地培养学生的学习兴趣、创新精神和研究能力，提高学生的探究意识，学会科学研究方法。本文提出3种研究性课堂教学方法，并应用于“GIS原理与应用”课程教学中实践中，不同的教学内容采用不同的研究性教学法，通过对课程教学进行精心策划与组织安排，可使学生在研究性学习中更好地掌握课程涉及的基本原理，了解知识的形成过程，掌握科学研究的基本方法，培养学生的探究精神和科学研究能力。