面向地理科学专业的地理信息技术实践教学体系的改革与实践

吴红波，张瑞君

(1.陕西理工大学 地理科学系，陕西 汉中 723000； 2.西北大学 陕西省地表系统与环境承载力重点实验室，陕西 西安 710127)

地理信息科学是集成地图学、测量学、地理模型、遥感技术、环境资源、社会学、全球定位系统等一体的综合性学科，阐述人地关系、生地关系、社地关系和天地人机关系的机理过程与科学问题[1]。地理信息系统(Geographical Information System，GIS)概念自20世纪60年代在加拿大提出后，GIS空间分析技术得以飞速发展，社会对GIS类技术人才的需求较为迫切。21世纪初，互联网+、物联网、人工智能、虚拟可视、移动互联、云计算、大数据等技术飞速发展和应用[2]，使我国地理信息产业步入高速发展期，迅速促进地理信息技术的推广与普及。GIS应用系统软件的日趋成熟[3]，使GIS市场在数据服务、系统软件服务、传感网服务、地学知识服务上呈现多元化需求[4]。因此，在“新工科”和“卓越工程师教育培养计划”建设背景下[5]，地理信息技术的内涵、应用领域、表达形式、发展方向需要重新思考[6]，培养适应时代发展需求的GIS技术人才已成为地理信息技术课程教学改革的当务之急[7]。

随着知识经济和高新科技的飞速发展，地理信息技术类的毕业生所需要的GIS知识的数量和学科融合程度也在不断增大[8]；以地理信息系统(GIS)、遥感(Remote Sensing，RS)、全球定位系统(Global Positioning System，GPS)为核心的地理信息技术实践课程，具有较强专业性、实践性、技术性和创新性。地理信息产业市场需求及复合型人才培养，必须依托于师范、工科、农业、林业、地质、海洋等领域发展，不能脱离行业应用的特色。从办学层次来看，在我国GIS教育主要以本科和研究生培养为主[9]，高等职业技术教育培养偏少[10]。目前，各个培养院校在本科层次教学质量、师资力量和办学条件存在差异，核心课程体系课程设置也不相同[11]，学生的GIS实践水平良莠不齐，与地理信息产业发展趋势及用人单位需求不相符。地理信息技术类课程教学内容侧重点的差异、课程教学内容的滞后，与社会应用脱节，导致GIS实践技能与其他学科的创新能力不足[12]，因此，地理信息技术实践教学应适应社会市场需求和地理信息技术发展趋势。为适应提升实践课程教学质量和服务学生个性化发展，以陕西理工大学地理科学专业为例，结合2015—2017年间地理信息技术实践课程的教学体系优化、教学内容设计和教学模式改进，探讨模块化和案例式教学方法引入地理信息技术实践课程学习、学科竞赛与学生创新能力培养，旨在为地方高校地理科学专业的内涵建设强化和转型升级提供实践参考。

1 地理信息技术实践教学现状

1.1 师资结构不合理，生源质量较差

陕西理工大学地理科学专业自2008年开办以来，致力于地理师范类人才培养，本科办学时间短，GIS教学水平有限。目前，2名专任教师负责GIS课程教学，分别负责GIS理论基础和实践课程教学，GIS基础知识掌握较弱，教师GIS实践经验不足，对于GIS二次开发和地理信息技术动态前沿授课未引起足够重视。面对高考人数扩招和生源质量持续下降，我校地理科学专业本科生多为高考调剂志愿生源，文理兼招，学生对GIS的认知水平较低，惧怕实验技能操作偏多的实践课程。

1.2 实践教学与技术应用脱节，人才培养缺乏特色

地理科学专业课程包括公共必修课、专业基础课、专业课程等3个层次课程体系。然而，在教学环节中注重地理学基础理论学习，忽视地理信息技术技能培养。作为实践性、技术性、综合性较强的GIS实践课程，授课内容过于陈旧、前沿技术应用匮乏、GIS工程与实践教学脱节，难以保证实践教学质量和应用水平。在GIS相关实践课程教学过程中，将学生培养成单纯的数据采集与处理、二次开发、专题制图的人才，而缺乏某一领域的深入研究[13]。即使大部分学生掌握了GIS软件基本操作和初级二次开发能力，但是忽略学生发展的实际环境，未能有效利用行业或者区位优势资源，缺乏特色实践专题训练。

1.3 GIS工程思维较弱，创新能力培养不足

在地理信息技术实践环节中[14]，采用传统的“课堂-上机-考试”教学模式，而缺乏相应的专业知识和系统构思能力，忽视创新思维的培养。学生对某一应用目标的实现或专题信息提取，认为按照原有的体系模型做即可，不能融会贯通的解决实际问题，思维经常局限于实践课程基本内容和操作。因此，需要把握地理信息技术课程知识体系的递进关系、内在关联、难易程度，从课程设计、教学内容、教学模式上强化GIS工程实践和系统性思维。

2 教学改革内容与设计

2.1 优化实践课程体系，强化实践教学内容

地理信息技术课程体系主要由理论基础、技术系统、应用方法组成(见图1)。针对传统课堂讲授效果不佳、实践内容陈旧、教学体系跟不上地理信息产业发展需求、技术更新等问题，根据对地理信息技术课程教学的深度和侧重点的把握，适当调整GIS课程体系结构，采用案例式、模块化教学和“以赛促学”模式应用于GIS实践课、GPS实践课、RS实践课。为了强化GIS方法、应用案例和GIS前沿动态，课程学习不仅引入模块化和案例式教学模式，也通过特色专题任务训练和上机考试题库模拟，突出针对性、专业性、关联性较强的实践环节，并结合GIS前沿技术、理论与方法进行深度讲解。根据用人单位意见反馈和毕业生岗位职责要求，GIS实践教学中的地理信息类软件，以ArcGIS、ArcGIS Pro、MapGIS、SuperMap等软件为主，兼顾遥感、GPS数据处理、制图软件学习，重点强化学生的GIS实践水平和创新能力。

图1 地理信息技术实践课程体系

2.2 教学方法灵活应用，课程考核体系多元化

为克服以课堂板书和多媒体演示为主的传统授课思维的僵化，以利于学生系统性地掌握知识，强化学生实践应用及创新能力培养，地理信息技术实践环节引入模块化、案例式混合教学进行授课。GIS、RS和GPS实践教学内容及教学模式设计见表1。

课程考核综合成绩由上机成绩(权重为70%)、实验报告和作业成绩(权重为20%)、平时成绩(权重为10%)3部分求和。此外，社会调查报告、大学生科创成果、假期见习、GIS二次开发软件等作品，均可加权计入课程考核成绩。

2.3 突出实践教学内容，强化实践水平

根据“GPS原理与应用”“GIS空间分析”“专题地图制图”“遥感数字图像处理”“现代测量技术”和“GIS二次开发”等课程教学目标与实践要求，构建了地理科学专业的地理信息技术的主要实践内容及考核指标(见表2)。按照学生掌握模块数量和实践能力，采用优秀、良好、中等和较差等级评估体系，考察在校本科生的GIS实践内容掌握程度，针对突出问题和较多难点反馈，动态调整授课内容，逐步提升地理信息技术实践教学质量和学生实践水平。

2.4 强化专题模块训练，以赛促学

根据地理科学专业培养计划和课程设置要求，地理信息技术课程实践环节既有遥感应用、GIS基础实验、土壤、水文、气象学等关联性较强的实验设计，也有基础性、验证型、综合型和创新性实验。本科生可以根据计算机特长、编程能力、研究兴趣和就业方向，组建创新活动项目小组，参与专题任务学习和GIS类学科竞赛活动(见表3)。对于GIS、遥感、测量实践内容感兴趣的同学，授课老师可安排难易适中的科研实验、数据处理与分析、社会调查任务，进一步深化学生自学能力、专业应用能力、独立创新能力的培养。

表1 地理信息技术实践教学实践与设计

表2 GIS、RS和GPS实践内容模块要求

表3 地理信息技术实践专题任务内容与技能要求

续表3

以赛促学是将模块化教学内容、专题任务训练融入到实践课程教学体系中[15]，把GIS前沿知识、工程经验、教学理念带到实践课堂，是日常教学活动的一种升华[16]。随着师资力量、教学科研基础条件及教学交流的不断提升，学校已连续3年举办校级GIS应用技能选拔大赛，鼓励本科生参与大学生课外科技创新大赛、全国GIS技能大赛等活动，鼓励学生参加企业见习、GIS类培训、自主申报大学生科技创新基金、撰写地理信息类相关学术论文，拓宽视野和综合学术素质，培养学生解决实际问题的能力。

3 教学效果与学科竞赛情况分析

3.1 课堂效果及成绩考核反馈

地理科学2013级43人(2个班级)、2014级110人(4个班级)和2015级60人(2个班级)地理信息技术实践课程教学中，采用模块化、案例式、多媒体、板书课堂授课模式授课课时比重见图2，其中模块化、案例式的授课课时分别占到35.0%、30.0%，多媒体占到25%，板书课堂达到10%，这表明模块化和案例式教学更容易受到学生的喜爱。本科生参加GIS类学科竞赛、模块化任务专题、参加教师科研项目的本科生人数比重见图3，分别占到调查学生人数的37.0%、19.0%和15.0%；其中，参与大学生课外科技创新活动的学生人数比重为12.0%，学生对课程基础实验、实习、企业见习和其他实践形式的积极性较低，仅为5%、5%和7%。

以“GIS空间分析技术”和“遥感数字图像处理”主干实践课程为例，分析地理科学2013级、2014级和2015级本科生GIS、RS实践能力和操作掌握程度。与地理2013级“GIS空间分析技术”和“遥感数字图像处理”课程考核成绩区间分布相比(见图2和图3)，地理2014级、2015级学生的课程考核成绩良好(成绩区间80～89分)和优秀(成绩区间90～100分)的学生比重持续增加，这表明学生自主学习兴趣有所增强，大多数学生能够独立操作和使用主流的GIS、遥感图像处理类软件。此外，模块化专题任务和案例式讲授方式能帮助学生加深实验原理和操作过程的理解，激发学生学习兴趣和动手能力，促进GIS和遥感图像处理技能的熟练掌握和灵活应用。

图2 “GIS空间分析技术”课程考核成绩区间

图3 “遥感数字图像处理”课程考核成绩区间

3.2 GIS类学科竞赛情况

2015—2017年期间本科生在北京超图公司的“SuperMap杯全国高校GIS大赛”、ESRI公司“ESRI杯中国大学生GIS软件开发竞赛”、中地数码集团的“全国高校GIS技能大赛”、“挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛、大学生创新创业训练计划项目等各类别学科竞赛中获国家级奖励13项，其中三等奖及以上6项(见表4)。2015—2017级本科生在各类别GIS类学科竞赛的获奖人数持续增加，已累积达到72人次，占到地理科学在校本科生总人数的33.8%。而且，国家级GIS类学科竞赛获奖学生人数和项数的增加，表明通过参加GIS类学科竞赛活动和培训，使学生的团队协作、学术能力和实践能力得到强化，激发了学生的创新意识和自信心，对地理信息技术课程实践教学质量的提升起到推进作用。

表4 2015—2017年本科生在GIS类学科竞赛的获奖情况 项/人次

4 结束语

目前，我国地理信息产业市场对人才数量和质量的需求日益增加。正确认识学生的工程实践能力和创新能力内涵建设，成为地方院校地理科学专业GIS类实践课程改革和教学质量提升的当务之急。在面临就业压力大、实践教学水平较弱、课堂体系僵化的背景下，我校地理科学2013级、2014级和2015级的地理信息技术实践课程体系从课程优化、教学内容组织与设计、教学方法和课程考核体系方面进行改革，制定有效的专题任务训练，主要表现在：1)结合秦巴地区相关自然地理、人文、旅游资源的区位优势，引导学生自主创新，使实践环节和内容具有较好的完整性和一致性。2)为强化学生创新实践能力和个性化思维，地理信息技术实践课程从GIS、RS和GPS实践教学环节进行了模块化、案例式教学模式讲授，模块化和案例式的课堂讲授学时比重，分别占到35.0%、30.0%；而且，考核成绩良好(成绩区间80～89分)和优秀(成绩区间90～100分)的学生人数比重持续增加。3)地理信息技术类专题任务学习和学科竞赛活动的内容，紧密联系地理信息技术的前沿动态、应用案例和工程实践，构建具有区域特色的实践教学创新训练，很大程度上激发学生的学习积极性和自信心，提升GIS、RS和GPS实践操作水平和学科融合应用能力。因此，在地理信息技术实践课程体系优化和教学改革的基础上，进一步探索GIS工程思维和创新人才培养，适应当今社会GIS技术发展和创新能力要求的复合技能型人才，具有重要的现实意义和借鉴价值。