大数据时代地理信息科学专业学生美学素养的培养

庞小平 阮 晴 马晨燕 翁 敏 黄丽娜 任 福 徐轶姝

1 武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉，430079 2 武汉大学地理信息系统教育部重点实验室，湖北 武汉，430079 3 自然资源部数字制图与国土信息应用重点实验室，湖北 武汉，430079 4 武汉大学中国南极测绘研究中心，湖北 武汉，430079

地理信息科学是近20年来兴起的一门集地理学、计算机、遥感技术和地图学于一体的交叉学科，主要培养具备地理信息系统与地图学、遥感技术方面的基础理论、基本知识、基本技能的高级专门人才［1］。在学生的专业素养培养中，除了数学素养、地理思维、空间思维的培养外，美学素养也是一种重要的专业素质［2，3］。在本科教学与实践中要加强艺术教育与美学教育，以提高学生认识美、感觉美、评价美、鉴赏美、享受美、表达美、创造美的意识和能力［4］。地图之美和时空大数据可视化之美都是地理信息世界科学性和艺术性的统一［5］，因此，须从大数据时代地理信息科学专业新特征入手［6-8］，厘清地图美学在现代地图学科体系中的地位及其在地理信息认知、传输和视觉感受过程中的功效，在课程设置中注重美学素养的培养，提升学生对地图美的感知和创造能力。

1 大数据时代地理信息科学专业新特征

大数据时代，地理信息科学专业面临的挑战体现为专业教学内容的4个转向：

1）从“数据精度”到“数据广度”和“数据深度”的转向。GIS 数据采集和处理的过程，从一味追求数据精准度到逐渐注重数据的空间覆盖面和时间完整性。

2）从“大模型”到“小模型”的转向。GIS 空间分析方式从基于样本数据的复杂多模型耦合逐渐转变为基于全样本数据的简单分析模型。

3）从“因果探究”到“相关分析”的转向。GIS 空间分析思维从探究线性或非线性的因果关系转换到分析“正负强弱”的相关关系，内容更加凸显复杂系统中的联系和量化预测。

4）从“表达、重构客观世界”到“探索、分析和洞察客观世界”的转向。大数据地图可视化集成了地图制图、数据可视化、图像分析、数据分析与挖掘、可视化分析等，尽管都依托地图语言的表述，但其价值导向发生了变化，更注重挖掘有助于辅助决策的洞察力。

这种变化导致GIS 传统教学内容已无法涵盖不断涌现的大数据类型。有更多技术方法可供学生选择，但他们也不得不承受网状、碎片化知识结构导致的缺乏深度思考能力带来的问题。大数据时代，随着各类自媒体的发展，快速、有效、共享和经济的学习方式使学生更容易沉浸在知识的海洋中，欠缺探究、认知和操作时空大数据的相关专业素养和实践能力，未形成GIS 专业多学科交叉创新的思维模式，缺少人文气息的塑造机遇。而培养学生的美学素养则是唤起其心灵深处内驱力和激发学习热情的有效途径。

2 现代地图学学科体系与哲学美学

地图学的根本矛盾是人们对客观存在的认识与从地图上获得的对客观存在的认识之间所表现的差异。这个矛盾正是地图哲学问题的反映，它影响着地图学的发展。现代地图学学科体系的三大主体（理论地图学、地图制图学、应用地图学）都离不开三大理论支柱（信息论、控制论、系统论）的研究。该研究本身即属于哲学范畴，因而地图哲学贯穿了地图学的整个学科体系。美学作为一门独立的科学，则是近代的产物。在18世纪资产阶级哲学和科学蓬勃发展的时期，美学在德国古典哲学中作为一个特殊部分开始确立起来。鲍姆加登在1750年第一次使用“美学”这个术语（其含义是研究感觉和感情的理论），并把美学看作哲学体系的一个组成部分。随后，康德、黑格尔等赋予美学更进一步的系统的理论形态，美学在其哲学体系中占有重要地位。美学思想是人类审美实践和艺术实践发展到一定历史阶段的产物，是对人类审美实践和艺术实践的哲学概括。

从哲学角度看符号，按照索绪尔对语言符号的分析，地图符号是一个包含两项要素的心理实体：①经过综合抽象的制图对象的概念，称为所指。②符号的视觉形象，称为能指，形象不一定是实际的物质形象，也可以是一种能被感知的心理印迹，即心象（表象）［9］。在地图信息传递中，地图符号的功能实际上表现在两个方面：①是制图者表达思想的手段；②是用图者直接认识的对象。思维科学的研究证明，人的思维活动与符号有着密切关系，思维活动就是符号的操作活动，体现为意义符号单元的扩充、分解、组合、再生等过程。语言是最基本的符号，也是思维活动中使用最多的“内部语言”。地图符号这种形象符号同样是思维活动的工具，只是在不同的思维方式中使用的符号形式和抽象方式不同而已。在抽象思维中，语言等抽象符号是主要工具，在形象思维中，形象符号就是主要工具，形象思维的符号操作主要是形象的分析、综合、归纳、演绎以及形象的类比和推测等［10，11］。

地图哲学研究内容较广泛，归纳起来主要有：

1）本体论方面。探讨地图学的概念、特征、研究对象、特点、学科体系、职能等属性问题及地图学与其他学科的关系、与哲学的关系，地图学史及其发展的规律性和阶段性等问题。

2）认识论方面。探讨地图信息的认知规律，地图学表现客观世界的本质规律和特征，地图创作过程中的科学思维活动规律，地图知识的积累、传输和存储规律，地图教育的结构与改革，地图人才的开发等。

3）方法论方面。从方法论视角探讨地图学发展规律，诸如地图学研究中的比较与分类、想象与抽象、分析与综合、地图语言系统与符号系统、模拟与模型化、系统方法与数学方法等思维规律。

4）矛盾论方面。探讨诸如地图信息的可量测性与模糊性、地图内容的层次性与不可分性、地图设计的科学性与艺术性、地图数学基础的严密性内容表示的概括性、地图综合的取与舍、地图的形象与抽象、地图革命的继承与创新等地图学中一系列问题的对立统一规律。

5）社会论方面。探讨地图学在整个社会和科学体系中的地位、作用与影响，地图学与整个社会和科学体系的关系，地图学家的哲学思想和研究成果的现实意义及社会价值等地图社会学问题。

3 地图美学增强了地理信息认知、传输和视觉感受的功效

地图美学作为地图哲学的一个部分，主要研究地图美的本质、特征与形态，地图语言的特点与形式美的统一，地图的审美风格、意境和心理过程，地图美的创造及制图者的美学修养等［12，13］。其哲学功能在探究制图数据的本质、辅助制图数据的筛选和处理、指导制图数据的表达以及增强地理信息认知、传输和视觉感受的功效等地图创作过程中发挥了重要作用。

空间认知论、信息传输论、数据形态分析理论、地图感受论和美学理论是地图可视化设计的重要理论依据［14］。地图可视化设计主要包括地图认知功能设计、信息传输功效设计和视觉效果设计3个主要方面。地图美的形态理论和地图的形式美法则在地图设计中的合理应用可有效增强地图认知、信息传输和视觉感受的功效，并确保地图科学性与艺术性的有机统一。

制图者对制图对象的认知，通过思维组织信息以地图语言表达出来；用图者通过对地图的视觉感受和思维，把地图符号与其表示的对象联系起来，形成对制图对象的认识。对客观世界认知的科学性、系统性和逻辑性是地图认知的根本。在地图设计中，需依据地图信息论和地图模型论的思想，结合地图哲学美学原理提升地图的认知功效。地图的认知功能设计主要包括数据形态分析、数据处理与转化、制图模型的建立等过程，地图美的形态——科学美、技术美、功能美也通过该过程实现［15］。对原始数据进行数据形态分析能够使制图者更好地理解数据所要表达的内容，方便制图者进行数据学习，为进一步科学合理地处理制图数据和设计制图模型打下坚实基础，这是地图的科学美、技术美所要求的。数据的处理与转化是连接原始数据与可制图数据的桥梁，合理的处理方式能使制图数据更具科学性和可读性，这是地图的技术美和功能美所要求的。制图模型的建立使得地图，尤其是地图集，在编排方式上更加具有科学性和逻辑性，大大增强了地图的实用性，这是地图的科学美、功能美所要求的。

地图的制作和使用过程的实质是信息通过地图传输的过程。在该过程中，制图者对客观世界的认识，通过对地图符号的识别、分析和解译，成为用图者对客观世界的认识。地图信息传输功效设计包括地图信息传输功能设计和传输效率设计两个方面。在地图信息传输功能设计中，需要在地图表达设计过程中根据制图数据的具体形态科学选择最合适的地图表达形式。新的地图表达方式也正在不断产生，这和大数据背景下制图数据的多样性密不可分。地图信息传输效率设计则主要取决于表示方法和地图符号的设计，其关键在于选择合适的符号变量及其组合进行数据的描述和挖掘。地图的表达方式不仅完成了地图的信息传输功能，体现了制图者基于地图美学匠心独运的技术美，还提高了制图数据的传输效率，使读者能更快掌握数据情况，从而提高地图作品的实用性，也就是提高地图作品的功能美。

地图视觉感受效果设计基于地图感受论，结合生理学、心理学与色彩学，从视觉感受角度研究地图符号，从心理过程与美学观点研究地图色彩的选择与组合。地图的艺术美要求地图作品美观大方，能够吸引读者，使读者愿意读图、乐于读图。地图的形式美法则对地图的视觉效果设计过程起到了指导作用。地图是由图形、色彩、注记等图面要素，即地图语言构成的，地图语言是否优美取决于各要素在图面上的排列与分布。地图的形式美法则涵盖了地图图面要素美的安排的形式与规律，以基础理论的形式指导图面要素安排、版面构图等工作，提升了地图的艺术美。

4 学生美学素养提升的课程教学设置

美学素养提升是一个漫长积累与修炼的过程，它不像一般理工类课程，知识点了了分明，课后马上有具体明晰的收获。美的素养是一种感知力，只能培养，无法灌输，浸润在浓郁的人文素养环境中才能熏陶历练出来。以武汉大学为例，其浓厚的人文气息和文理工兼有的综合学科使得美学类课程的学习从数量到质量都能得到确保，并在近几年具有较大提升。

图1为培养学生美学素养的课程体系。在学生培养方案中，通过通识课与专业课的结合、理论课与实践课的结合、大班授课与小班研讨的结合、线上线下的结合、课程教学与竞赛参与的结合等多种方式全面提升学生的美学素养［16，17］。

图1 培养学生美学素养的课程体系Fig.1 Curriculum System for Cultivating Students’Aesthetic Quality

通识课程是素质教育最有效的实现方式，在通识教育中，贯彻“博学与精专相统一的个性化素质教育”，鼓励学生结合自身实际跨学科、跨专业自由选课，充分发展个性，博学多识。目前学校开设的通识课模块“艺术体验与审美鉴赏”中，包括核心与一般通识课程在内，提升美学素养的课程达数十门，如西方美术鉴赏、中外美术鉴赏、美的历程、色彩原理与应用、中华乐教导引、音乐欣赏、装饰艺术基础、视觉艺术与设计、中国美术鉴赏等。要求GIS 专业学生必须在该模块中选修至少两门课程，且以美术设计类课程为首选，以符合GIS 专业以视觉为主导的专业特征，但建议同时选修音乐、影视、文学等相关课程。此外，在大学一年级开设必修通识课程“人文社科经典导引”，由十几位人文学科专家组成强大的教学团队，大班授课，小班研讨，从视觉到声音、从具象到抽象等多方位对美的感知力进行培养；众多艺术类讲座、跨学科讲坛以及名家访谈的举办，使学生浸润在艺术的氛围中，让“美”成为举手投足的优雅，潜移默化的艺术熏陶才是对学生最有力的影响。在无声中，“美”散发出优雅的光辉。

通识课与专业课的有效配合，形成多学科交融贯通的全方位人才培养特色。在开设的专业基础课程中，地图艺术设计课程与专业视觉设计类课程结合，在色彩原理、平面设计的基础上，融合地图色彩、符号特点，强化训练地图的艺术设计能力。地图学实习课程则让学生在地图符号、色彩等设计实践中掌握艺术设计的基本方法，并感受美的体验。地图设计与编制、地图设计与编制课程设计两门专业课程是针对地图专业开设的综合全面的专业理论与实践课程，课程内容包含地图美的形态理论和地图的形式美法则在地图设计中的应用。

新媒体地图学是专业选修课，该课程中有一半课时讲授与新媒体相关的最前沿艺术设计理论，在新媒体特色下将视觉艺术设计与地图结合，了解最新地理信息趋向，体现智能化时代数据与视觉艺术表达相结合的多样可能性。

越来越多毕业设计选题与美有关。很多学生对地图与美结合的选题有着浓厚的兴趣。有的选题研究如何将美术作品的风格地域特色转移到地图上。例如，现代伊拉克与伊朗是过去两河流域及波斯艺术的发源地，海上丝绸之路沿线东西方国家在不同地域的文化背景下发展出了丰富的绘画艺术。将这些艺术风格在地图相应区域进行艺术迁移，形成特殊的地图艺术肌理，如图2 所示。

图2 《海上丝绸之路·艺术唤醒的记忆》Fig.2 Silk Road on the Sea：Memories Awakend by Art

通过通识课程、专业基础课、专业课及实践课程的多层次渐进课程设置，在4年学习中，全方位、多角度地以美学结合专业课程，全面提升学生美学素养。

5 在实践中提升学生创造地图美的能力

提升学生的地图审美情趣，培养学生创造地图美的能力，对学生了解和掌握地理信息科学理论知识与技术方法具有巨大的催化作用。学生必须亲自经历对地图美学的认识、鉴赏、表达、创造过程，才能真切体验到地图美。结合地理信息科学专业的人才培养方案，要提升学生的地图美学素养，需要在教学中深刻融入地图美学实践，通过“学中做”与“做中学”达到应知和应用的目的［18］。根据教学任务和培养目标的不同，具体实践形式可以是案例式、竞赛式、科研式等多种［19］。

1）在基础课程中针对地图美学问题开展案例式教学。在地图与地理信息科学课程体系中，不乏与地图美育相关的基础课程，例如平面构成、色彩构成、地图设计与编绘、地图文化等。这些课程可以帮助学生建立地图制图的美学认知架构。辅以案例式教学，结合时代背景介绍经典地图作品中符号表达的浪漫感性和创意思维模式，或者在地图设计和制作过程应用新兴技术，让学生对地图艺术性和科学性的呈现形态有更直观的认识，认识地图创意表达的思维方式和路径。引导学生针对案例收集相关材料并开展讨论，摆脱呆板的填鸭式授课模式，形成师生间的良好互动，提升学生的美育参与能力和美学思辨能力。

2）鼓励学生参加地图专业技能竞赛，激发其地图美学创造力。专业技能竞赛是培养创新型高素质人才的有效途径之一。组织学生参加相关的专业技能竞赛也是提升美学素养的重要形式。在竞赛中，针对特定主题，在有限时间内完成地图设计或编制任务，是对所学知识深入理解、系统整理和实景运用的过程，能够激发学生的创造激情，使其得到全方位训练。目前，国内外定期举办地图设计和制图技能竞赛，例如国际地图制图学会主办的优秀地图作品竞赛、中国地图出版集团举办的地图创意设计大赛、北京超图举办的SuperMap 杯高校GIS 大赛、China-VIS 艺术可视化学生竞赛等。这些赛事极大地调动了学生进行地图技术创新、艺术设计创作的积极性，并且在竞赛中开拓视野，提升认识美、感受美、鉴赏美、表达美、创造美的意识和能力。

地图竞赛通常需要学生以团队的形式参加，地图专业的学生参加竞赛活动有利于其塑造人格美，锻炼实际动手能力，以及提升表达沟通能力、团队协作能力、逆境应对能力，将地图美提升到精神层次。

3）科研教学相结合，提升美学综合创造素养。高等院校人才培养的品质提升和可持续发展离不开科学研究和工程项目的推动。科研和工程项目可以为教学内容提供丰富的素材，为学生了解学科前沿、开阔研创视野提供平台，同时，带动学生参与科研活动，以小课题促进学生探索地图在科学和艺术维度的美学元素，为地图创意注入新的活力，形成创新创造的地图美育文化。武汉大学资源与环境科学学院师生团队完成了多项地图制图课题，并取得了丰硕的成果，这就是产学研结合的典范。学生在校期间参与完成的地图设计和编制项目，在艺术审美、科学内涵以及技术创新等方面，都获得了极高的领域认可和社会评价，体现了学生良好的美学综合创造素养。

6 对数据的洞察和新理解，大数据地图可视化之美

随着“互联网+”时代的到来，大数据正成为地图的重要数据来源。与传统地图相比，大数据地图具有形象、便捷和灵活的特点［20］。相应地，大数据地图可视化具有以下特点：

1）形象直观，从二维到多维。大数据地图可视化运用计算机技术构建三维地图或实景地图，甚至可以增加时间维度，方便人们直观地获取各类相关信息。

2）实时更新，高效便捷。信息技术的飞速发展使得大数据地图的载体不局限于纸质地图，电子地图的兴起使各类信息可以被实时、动态地标注在地图上。

3）表示方法灵活多样。大数据地图可视化方法不仅仅局限于传统的图表方法，如扇形图、饼状图、柱状图等，还包括流向图、桑基图等创新型信息图表。

大数据地图通过对海量地理信息的挖掘、分析和表达，体现客观世界的本质规律和特征，是科学研究的重要成果。从地图的本质来说，其科学美是普遍存在的，和谐、秩序和简单等理性美构成了地图的骨架，而符号、色彩等形式美则是地图的血肉，两者缺一不可。因此，大数据地图不仅需要外在形式上的美感和新颖，还需要内在结构上的充实、高效和简洁，大数据时代地图可视化表达特点如下：

1）美观性。通过图形的设计与构建（包括版式布局、图形形状、色彩和线条等）来传递信息和突出分析结果，并使地图更加具有艺术美感。

2）创新性。大数据地图要想真正做到“美”，还需要具备创新性，可以从一个崭新的视角观察数据，也可以用一种新的风格增强读者对信息的理解和好奇。

3）充实性。大数据地图可视化的最终目标是传递信息，从而使读者获取相应的知识，因此在进行可视化时除了关注数据本身外，还要关注想要传递的信息和应用场景。

4）高效性。地图表达及可视化需要具备一个清晰的目标，获取这些信息应尽可能直截了当，过于冗杂的内容会让读者花费过多的时间寻找目标信息。

5）简洁性。地图往往以简单的色彩、符号和线划来反映现实事物并揭示现实世界的深层规律和特征。

大数据地图可视化包括以下阶段：获取、解析、过滤、挖掘、展现、提炼和交互。每个阶段都需要具备特定水平的技术或艺术才能，而信息可视化需要兼具多项才能。在大数据时代，要实现大数据地图的可视化之美，需要学生掌握多种技术和方法，采用多学科分析方法与数据挖掘方法对基础地理数据和泛在数据进行分析，对不同类别地理要素之间的相互作用和演进规律进行动态、综合和系统的评价，发掘历史，预测未来。对数据进行深度挖掘分析后，可以发现隐藏的内在信息，从而展现地图的科学美。同时，要实现大数据地图的可视化之美，还需要培养学生发现和创造地图美的能力，充分利用设计美感，走出默认风格，追求新颖和独特。成功的大数据地图可视化之美，既在于其艺术设计，也在于其通过对细节的优雅展示，有效激发读图者对数据的洞察和新的理解。

7 结束语

自然界创造了客观世界之美，万物互联和计算技术创造了大数据之美，而地理信息世界和地图之美需要由GIS 开发者和地图设计者在感知、发现、挖掘、表达、享受和鉴赏客观世界和大数据之美的过程中创造。大数据时代的地理信息科学专业具备了新的特征，因此，地理信息科学专业素养的培养必须与时俱进，其中美学素养的培养是提升和强化学生空间思维、数学思维、地理思维的哲学方法和有效手段，是地理信息科学专业学生培养的重要内容。