工程教育驱动下GIS开放实验模式探讨与实践

冯少茹，黄木易，解华明，杨婉清

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥230601)

地理信息系统（Geographic Information System, GIS）是以地球表面与空间地理分布有关的数据为数据源，通过计算机平台综合处理和分析这些地理数据的空间信息系统[1]。近年来，数字地球以GIS作为的重要技术支撑和中心学科，GIS在各个工程应用领域广泛利用。随着信息化浪潮的不断推进，社会各相关行业对地理信息技术人才的需求日益增强，迫切需要大量综合型、创新型、实战型GIS工程技术应用人才。我国加入《华盛顿协议》之后，我们国家的工程教育迈入了新的里程碑[2]。当前我国大力推进高等教育改革的重中之重是加强工程教育理念、培养具有全球视野的国际型工程应用人才。高校工程应用型人才的培养面临着改革与创新[3]。GIS工程技术人才的能力培养涉及很多方面，高校作为工程技术人才的培养基地，实验教学的作用非常关键[4]。我国高校传统实验教学模式一直存在着实验内容比较单一、教学环境封闭、过度依赖实验教师讲解操作、实验项目脱离实际工程应用、依懒理论课程体系、学生实验态度怠慢等问题，并且同时存在实验项目不能调动学生的学习激情及学习动力，学生的工程实践能力和综合创新能力很难培养等问题。我校GIS课程实验教学也存在着诸如此类的境况，近年来，在工程教育理念的驱动下，我校GIS实验课程勇于探索、深化改革，以学生为中心，以培养满足社会需要的高素质综合型工程技术应用人才作为培养目标。GIS实验教学向着实验项目丰富、实验教学开放、能有效调动学生学习热情、能大力提高学生的工程应用技能为最终目的的开放实验教学模式转变，构建了包括实验室开放平台、开放实验项目、开放实验评价体系等一系列内容丰富、行之有效的开放实验教学模式，并取得了一定的成效。

1 GIS开放实验教学的必要性

20 世纪中期，美国教育进行物理实验教学改革，提出了开放实验的教学模式[5]。开放式实验教学是相对于封闭式的教学实验环境来定义的，将固定不动的封闭教学实验环境变化成高效的全方位不断变换的开放实验环境，称为开放式教学[6]。上世纪80年代，我们国家开始进行实验室开放方面的理性探索，取得了较丰富的研究成果，成果主要集中在实验室如何开放、制定什么样的开放政策、采取什么样的措施等研究方向。在研究如何把学生作为教学主体，使实验开放在教学模式上发生根本改变这方面还很薄弱[7]。工程教育要求实验教学更注重学生工程实践能力的培养。开放实验教学为学生提供了激励主动思索的学习方式和激发积极性的教学环境，由学生自主选择具有较强工程实践性和创新性的实验项目，能与最新动态的社会工程实践项目紧密结合，真正体现了以学生为主体的工程教育的教学理念[8]。目前，GIS技术工程应用领域范围越来越广泛，如市政给排水管网、煤气管网、自然灾害监测、交通运输管理、区域性工程的自动监测等，包含多个工程领域、多种工程项目的统筹管理与控制。我校作为地方土建类院校，开设GIS 课程的专业大多具有明显的工程性质。在工程教育背景下，开放实验教学模式的实施势在必行，可以为社会输出合格的高素质GIS技术工程应用型人才提供有利的保障。

2 GIS开放实验现状分析

2013年以来，我校划拨地信实验中心各项经费共300 余万元，已经具有开放实验的平台基础。目前地理信息实验中心的主要软、硬件配置如表1 所示，另外还配置 SQL Server、AutoCAD2018、Mat Lab、以及一些数据库、遥感、多媒体、编程语言和SPSS统计软件等。

表1 地信实验中心主要软、硬件配置

我校地理信息实验中心2013 年上半年提出开设GIS 开放实验项目，取得了一些成绩的同时也存在不少问题，主要有可供选择的开放性实验项目数量偏少；专业特色鲜明的工程实验项目较少；教师较少机会接触工程实践；实验老师要兼顾教学与科研，承担着艰巨的任务，开设开放实验项目的积极性不高；实验室使用存在矛盾等。面临这些问题，我校GIS 课程与时俱进，一直在努力探索适合我校发展的开放实验教学方式。

3 构建工程型GIS开放实验教学模式

在工程教育理念的指导下，构建适应新形势下GIS 工程教育要求的开放实验教学模式，如图1所示。

图1 工程理念驱动下GIS开放实验模式设计流程

3.1 开放实验角色定位与开放形式

在开放实验教学过程中，教师不再控制整个课堂，而只是协助学生完成教学任务。学生自己制定实验内容、实验项目、实验流程、实验方案等，让学生去认知构建，变成开放实验教学的主角。开放实验的开放性表现在若干个方向，比如说实验室、实验教学服务、实验设备仪器、实验过程等方面，每学期地理信息实验中心通过实验教学系统发出开放实验的通告及要求，学生可以通过自己账户申请加入，也可以中途加入；实验对象的开放，包括对全校范围内相关专业各年级学生的开放。

3.2 开放实验项目

开放实验项目的构建一方面要加强GIS基础实验课程的学习，夯实基础、增加后劲；另一方面更要通过GIS 工程相关项目的增强训练，提高学生的工程应用技能。地理信息实验中心将开放实验项目内容实行模块化整合，分为工程基础型、工程综合型和技能竞赛型。

3.2.1 工程基础型实验

基础性实验主要是指GIS课程的专业实验及基本应用技能，通过构建目标锁定基础性比较强的实验项目来渐渐提高学生的GIS 应用技能基础，比如地图编辑处理、投影变换、各类插值方法、坡度提取与坡向提取等。目前我们学校最主要的GIS学习软件是ArcGIS、MapGIS，通过针对学生的基础性项目训练，结合GIS主要的工程应用方向，使学生能够熟练地使用这些软件，掌握这些常用软件基本使用原理，掌握各种工具的操作方法，做到能够独立、快速的使用软件。具体实验项目内容如表2所示。

表2 基础性开放实验项目表

3.2.2 工程综合型实验项目

综合型实验是在训练型实验基础上的提高。我校开设GIS 课程的专业较多，工程综合型开放实验项目要结合各专业的特色和工程应用方向，以工程实际为背景，对实验实施内容进行策划、分解，使工程实践成果与开放实验教学紧密结合，主要开放实验项目如表3所示。

表3 工程设计综合型开放实验项目

如何利用GIS空间分析功能来处理相关的工程问题，我们模拟了工程实例，利用相关空间信息应用专业知识来解决问题。综合型实验将工程项目分成多个阶段，以项目组的形式来实施，人员分别进入不同的项目组。把工程案例项目分成若干个主项或子任务，主项再分各专业任务，每个主项设置一个负责人，把任务分发到相对应的项目组，每组完成指定的主项任务，如果任务有难度不能按时完成，可以持续细化组内任务。如基于GIS 市政工程管网信息系统设计与管理，可以针对工程管理、供水管网输入编辑、查询管理、管网维护、事故处理、运行调度、管网设计等方面内容来进行分组分任务管理。

3.2.3 技能竞赛型自主开放实验项目

学生自主开放实验是指学生可以自己主动决定整个实验过程，自主决定可以使用哪些实验资源，自主决定设计哪些实验内容，对开放实验的时间、内容、过程具有绝对的操纵权等，是一种比较创新的实验教学模式[9]。GIS 技能竞赛可以激发学生深入学习GIS技术、拓宽学生思维，增强软件操作技能，使学生就业实践实力得到提升。技能竞赛的比赛项目具有目标清楚、时间安排阶段性强、软件竞技模块训练明确等特点，非常适合作为自主开放实验项目来针对学生进行专项训练。我校大力支持学生参加各类、各级别国家级省级相关大赛，如GIS技能竞赛、GIS 软件开发、高校GIS 大赛、学校内部GIS 专业操作类竞赛和开放实验训练项目[10]。根据“全国大学生GIS 大赛”的内容，将其转化成地理设计、软件开发应用、工程开发应用、三维建模与设计、制图设计等一系列自主开放实验项目。

3.3 开放实验管理信息平台

开放实验管理信息平台建设具有重要的使用价值，是开放实验项目能否成功运行的关键因素之一。学生想了解开放实验的基本信息主要通过开放实验信息平台，比如实验项目相关的实验资源有哪些，实验项目的内容包括哪些方面，开放实验室的运行机制，目标实验项目的考核评价要求等[11]。学生用户可以登录信息平台进行查阅开放实验教学大纲、实验室开放时间、实验室仪器设备资源。开放实验管理信息平台应设专门技术人员负责管理，内容实时更新，在平台上按时公开实验信息。教师可以登录信息平台设置开放实验项目的选课条件、时间段的选择、实验预习内容、开放的对象等等。通过信息平台提高了实验项目的运行效率，使开放实验的管理非常便捷。

3.4 开放实验教学质量评价体系

为了保障开放实验教学的质量，需要建立教学质量评价体系[12]。教学活动的开设是由教师和学生两个主体共同完成的。GIS开放实验教学质量评价体系首先包括开放实验教学的成效评价，教学成效评价包含的很多方面，有的展现为有形的成效，比如相关论文发表、GIS 大赛获奖、发明使用专利等；有的展现为无形的成效，比如学生工程应用技能的提高、考研考中率的增高、就业率的提升等。每年学校应进行开放实验成效统计，并给予教师和学生适当的奖励，这样能有效地调动教师和学生加入开放实验的热情。另外开放实验教学质量评价体系还包括开放实验项目成绩评价，构成部分提前设置占总成绩的百分比，比如说实验过程表现占总成绩的40%，工程实践能力占总成绩的40%，实验阶段性成果评价占总成绩的20%。实际操作和比例设置可以根据专业方向弹性变化。

4 开放实验教学模式的实施

4.1 规范开放实验平台使用制度

开放实验平台提供教师与学生交流空间，有专门的实验技术人员负责管理网络更新和技术指导。开放实验平台管理对于开放实验教学能否顺利开展至关重要，因此要规范实验平台使用制度，制定关于如何管理开放实验室、如何管理仪器设备并提高它在一定时间内的使用次数、如何管理学生申报实验项目并预约实验项目等配套制度，比如《实验室开放管理制度》主要规定了实验室开放的实验场所、开放时间、开放仪器数目类型等内容；《实验室开放申报制度》是规定学生如何申报适合自己的实验项目、适合自己的时间及申报条件等相关内容；《开放实验指导教师守则》主要对实验指导老师实验准备、教学管理、监督学生及课后批改报告等内容做出规定。目前我校地理信息实验中心的开放式管理模式处在探索阶段。

4.2 工程开放实验项目实施

在开放实验信息平台公布实验项目内容和开放时间时，学生根据自己的爱好和兴趣进行选择。我校GIS 开放实验项目是分阶段分层次实施的，由于学生存在着个体上的差异，专业知识基础和实践应用能力存在差异，每一阶段的实验项目对应相应水平的学生群体，但不以年级、专业为标准，准许学生越过不同的年级、不同的学科专业选择实验项目。第一层次是在基础薄弱或零基础的学生中开展，主要开设GIS基础性实验项目；第二层次是吸收通过基础训练考核的同学参加工程综合型项目或竞赛类项目，实施计划安排如表4所示。如基于GIS的垃圾处理厂或发电厂选址分析，首先学生在基础实验中掌握基础数据处理、编辑、空间分析、空间建模、距离制图、密度制图、三维分析等工具的操作；然后再结合垃圾处理厂或发电厂的工程特点来进行工程综合型实验项目的各种操作。如果实验项目专业性较强，可根据项目的服务专业及工程特点做出适当调整。

表4 工程开放实验项目学期实施计划

4.3 实施效果分析

2013 年以来，学生参与发表文章16 篇，申请应用型专利8项，获得校级优秀毕业设计16人。2018年全校各相关专业有十几支组别参加比赛，每组3-4 人不等。累计取得了2 项国家级一等奖，10 项国家级二等奖。最近几年，在校期间参加过开放实验项目的学生就业率、考研率得到了提高，由2013 年的74%和55%增至2018 年的94%和85%。每届毕业生对开放实验教学的满意分值由2013年的72分增加到2018 年的85 分；通过专业辅导员和用人单位获得参与开放实验的毕业生信息，单位满意度从2013 年的68 分增加到2018 年的83 分。数据表明，随着开放工程实验项目种类与数量逐年上升，参与的学生数量、就业率、实验教育教学满意度、考研率、用人单位满意度也在逐年上升。开放实验教学模式对于提升学生勇于创新技能、毕业生素质、人才成效以及实践应用能力，均具有明显的积极作用。

5 结 语

开放实验教学是高校实现工程教育实践教学的重要手段。在GIS开放实验教学的改革和探索过程中，对我校开放实验教学现状与存在的问题进行分析，探讨了工程基础性、工程综合性和学科竞赛类实验项目相结合的开放实验内容，构建了开放实验管理信息平台与教学质量评价体系，并分析了实施效果。实施工程型开放实验教学模式使GIS相关专业的学生工程实践能力得到提升，学生解决工程实际问题应用能力大大提高。