GIS 专业空间数据库原理课程教学设计研究

王 婷 郭春蕾 邢 欢

（沈阳城市建设学院 辽宁沈阳 110167）

一、课程背景

经过多年教学及研究，针对众多研究成型的空间数据模型、空间数据库操作、空间数据查询等方面的技术交流教学，重点关注高校课堂中对空间数据库理论、技术及应用如何更好地进行传播和实践，目前与空间数据库联系紧密的专业单位机构日益增多，GIS 方向人才逐年激增，对于GIS 长远发展提供了强大的支撑。

根据各高校人才培养方案的设定，学科背景存在差异，数据库类课程教学内容及方案方法不尽相同，各高校开设的该课程主要讲授数据库技术与应用、数据库原理、空间数据库技术等，单从开设课程的命名上能够看出侧重点的区别，有些高校侧重理论教授，有些高校侧重实践结合。数据库中必要的要素数据，同时也是GIS 系统中涉及的调查采集、编辑处理、管理查询、成果输出等多个生产环节的组成基础。

二、教学目标

空间数据库原理是一门涉及多领域、多方向的课程，课程内容包括综合性的知识和内容，包含数据模型、数据库设计等内容的关系型数据库的基础理论和知识体系，又包含依据GIS 建立的空间数据模型、空间索引、数据结构等内容。

现代测绘科学技术研究方向发展为空间数据数字化应用与服务，空间数据处理、存储及应用依托于空间数据库技术实现，因此，高校测绘相关专业学习空间数据库类课程尤为重要，通过该课程的学习能够使学生理解空间数据库涉及的基本理论，掌握基本的空间数据库处理方法、技术，空间数据库相关软件的使用，注重培养学生利用数据库及空间数据库技术对空间数据采集处理、储存应用及管理服务等应用能力。本门课程的设置旨在促进学生融入GIS 行业，奠定地理空间数据处理入库、管理、开发等工作基础。

三、现状问题

（一）课程体系设计传统

经调查，我国部分高校的测绘工程专业的人才培养方案中，与空间数据库相关联的课程中，空间数据库原理或空间数据库的相近课程大多数没有开设，一般开设了传统的数据库类课程，同时此类课程由于涉及更多的计算机知识，多数是由计算机专业的教师讲授，内容主要涵盖数据库概述、基础数据模型、SQL 语言、数据库安全维护及数据库设计等基础结构性内容。对于GIS 方向的课程，此类数据库课程涉的计算机理论的知识，仅能够作为空间数据库相关课程的先导性基础内容，专业特征欠缺贴合，不足以实现空间数据库技术在GIS 领域能力培养的目标。

（二）知识面域复杂

空间数据库知识结构融合传统数据库的理论内容，包含关系数据库、数据结构等内容，同时包含空间数据涉及的GIS原理与技术，包含计算机基础编程内容，课程的理论结构比较复杂，课程知识点多且分散，章节独立关联少，因此在教学过程中教学结构连贯衔接的把握存在难度，教学主线较难把控，导致学生在学习课程知识点时缺乏记忆连贯性，因此教师在教学过程中应重点思考教学主线串联。

（三）欠缺课程间的衔接

面对测绘工程专业学生的未来发展，针对GIS 专业的测绘人员既是空间数据库系统及其数据的使用者，同时也是空间数据库系统及其数据的建设者和管理者，因此，空间数据库设计与应用同等重要，都应为教学的重点内容。空间数据库设计内容和环节与传统数据库设计是一致的，包括需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库实施、数据库运行与管理等环节，空间数据库的规范化建设与设计以传统数据库理论作为基础。空间数据库所运用的SQL 语言，其学习和运用也是地理信息系统训练重要的应用工具。类似于这样的环节重视度较低，相关课程之间的衔接不够完善。

（四）理论与实践脱节

理论论述繁多且系统，部分内容非常抽象，学生认知感不强，同时对于复杂的抽象的概念和句式生疏。例如空间数据库学习中的空间数据模型、空间数据索引、空间数据查询等关键内容包含的基本概念和原理须分类记忆且不易理解，而且常用教材及参考资料对论述部分的阐述或繁杂或抽象，学生对于该部分的内容理解和学习较为困难，从而影响学生的学习兴趣。因此空间数据库需要一定的实践、练习与训练，实践操作能够使学生更好地理解及掌握空间数据库原理及技术的结合。但目前的教学安排理论教学较为偏重，实践操作缺乏，理论与实践存在脱节现象。

另外在实践软件上，一般商用软件（如ArcGIS）存在封装原理与算法，空间数据库操作过程及实现过程课足以完整实现及表达，但很难去探究其建立的原理及结果实现的具体过程。

（五）计算机基础能力提升局限

测绘专业学生偏重技术操作及实现，从人才培养计划及传统的人才需求考虑，专业方面涉猎课程较广泛，且包含大量的实践运用课程，整体计算机基础能力偏低。此外，无人机测绘、三维激光扫描、倾斜摄影等新技术的不断涌现，使得测绘工程专业新领域课程不断增加，涉及计算机方面的应用更加深入和频繁，传统理论课程作为基础引领虽必不可少，但结合计算机基础理论的专业课程的深入系统学习存在一定的局限性。

四、空间数据库教学设计与优化

（一）优化原则

在有限的学时里，空间数据库课程须对多方面的教学知识内容进行优化。根据精简教学内容的原则，适当取舍，根据教学安排划分教学内容重难点和理解性知识点：课堂讲授重难点内容，且随堂或课后开展实践性练习，加深对重点内容的掌握与理解；理解性知识点以学生自学和拓展了解的方式设置。课程整体的设计涉及几个方面的优化：

1.凸显核心

精简教学环节及内容，由于课程内容涉及知识面广且原理概念繁杂抽象，在教学过程中，精选重点章节及内容，精简教学环节。

2.把握重点和难点

地理信息系统原理是一门专业必修课程，同时是GIS 专业方向的先导课程，虽在课程中设计了空间数据相关的结构性内容，但并未详细阐述空间数据模型、索引及查询等与数据库的关联性，也未涉及计算机算法实现过程。该部分的内容层次要求高，即应设置为教授的重难点。

3.理论与实践呼应原则

空间数据库系统的理论教学应结合实践操作开展，提升理论知识的理解程度，发现问题并解决问题是能够检验学生学习本课程效果的有力证明。

（二）确定教学主线

空间数据库的建库过程本质就是从现实世界到计算机世界的进化过程。因此教学环节设定开展以现实世界—空间数据模型—计算机世界为课程教学主线，通过主线的连通逐步阐述空间数据库的相关理论及实现过程等内容，进而连通计算机世界的表达，重点掌握矢量数据模型、栅格数据模型、网络数据模型等基础结构；而计算机世界主要涉及空间数据的处理、存储、应用操作等。主线设定以连贯清晰、由浅及深、循序渐进为根本思想。

（三）教学手段优化

突出学生为主体，教师是引导，教学设计要着重挖掘能够显现学生学习主体的教学形式和方式，促进学生主动实践，以增强学生自主思考、探究能力为目的。

在教学手段方面以优化传统的教学模式为基础，借鉴及创新教学方法和手段进行课程教学，冲破学生的思维定式。

教学手段优化包括：

1.归纳启发式教学

由于课程理论复杂且抽象，概念紧凑，学生容易产生认知疲乏，知识点记忆混乱。在讲授连续知识点时，采用分类归纳式或启发式教学方式，引导学生主动思考和理解。例如针对空间数据索引的讲授，提出空间索引的目的，促使学生自主思考索引的意义，从而思考空间数据索引的实现意义。同时在讲解的时候，贯穿学生日常能够接触认知的事物，将空间数据库与书进行事物链接，将空间索引与目录进行链接，使学生更加深入地理解索引的概念及建设意义。引入图书、目录的关系和作用，图书包含目录，必备的目录能够便于读者查找，能够使使用者快速定位到查询内容的位置；空间数据库有索引，索引是为了向数据库使用者提供快速定位及查询。

2.理论与实践适当结合

在课堂理论教学的同时，能够进行编写操作的内容，以讲授为例进行讲解；同时利用思考题的形式，让学生进行理解编写，通过讨论的形式，带动课堂，使每一位学生都能够参与思考练习。需要进行实现的内容，为学生提供练习平台及软件，使学生能够实现动手操作。同时课程练习要保证难易程度的合理性和独立操作性，使学生能够独立完成，且要达到思考的高度，实现学生独立思考、独立解决的能力培养。

3.结合工作案例

为激发学生兴趣、提升学生主动思考的能力，通常教材中的案例偏重理论说明，课程教学中可选例方面贴合工作时间里进行说明讲解。例如，在讲解SQL 语言编写时，先以书中例题进行讲解，同时结合校园情况，对学生系统进行梳理，对学生信息、成绩表、选课信息做语句编写；在空间数据范畴，结合地籍调查的过程信息进行说明，同时说明涉及基础SQL 语言编写的部分，举例土地调查信息的建立、查询、修改等过程进行课堂测试，以讨论等方式进行讲授。另外例如讲解空间数据关系时，建立土地确权地块拓扑关系等案例，使学生理解理论知识的实际运用。

4.循序渐进教学模式

合理组织空间数据库内容，并围绕核心环节展开讲授，针对细节必须部分讲解。可以以提问、思考的方式引导学生进入课程，通过实际地理信息的例子让学生理解地理数据模型的概念，并通过现场演示的方式告知学生模型的建立流程，并根据空间数据库构建的体系，逐层分析数据库、数据局、要素类的关系及数据组织管理形式，通过对数据表的属性展示，解释工作中涉及的属性信息、表中每一项的含义表达，同时讲解模型的适用性。

在引导学生进入课程后的教学过程中，以空间数据库建模流程为基础展开学习，逐步学习多种模型的建立及分类，进而实现数据的导入。

对于数据的处理及管理，需要计算机语言的沟通交流，进而带领学生系统的学习SQL 语言及其扩展。SQL 语言是数据库和空间数据库的核心学习部分，在课程教学中，同为重点的要求学生掌握及运用SQL 语言。在常见的应用型软件中，一般具有封装性，故在教学内容中可以分为两步走：第一步，教授学习标准SQL 语言，包括模式、表等结构的创建、查询、修改等句式要求，达到可以运用SQL 语言进行基本编写的要求；第二步，借助可编写平台软件学习基于空间要素的扩展SQL 语言，进而创建SDO_GEOMETRY 数据类型的表、索引、空间数据插入、计算等操作。

结语

空间数据库原理课程在地理信息系统专业具有基础性作用。由于各大高校教学理念的差异性，导致该课程在教学内容、方式方法及教学环节等方面存在诸多差异，整体教学效果有待提升。通过上述的论述，从教学主线、教学内容、教学手段等多个方面，对现有教学模式进行重新梳理与优化。

对于GIS 专业空间数据库原理课程的教学，重在培养学生实际应用的广域度的同时，也应着重注意教学环节设计：（1）进一步夯实与地理信息系统紧密相连的空间数据库中的基础概念。（2）紧跟行业发展步伐，设计课程内容。以成熟的地理信息系统应用案例激发学生兴趣为前提，呼应式传授空间数据库的理论内容。（3）在优化空间数据库课程内容结构的同时，从实践训练方面提高教学质量及教学反馈，提升地理信息系统专业学生的实践能力。

测绘工程专业已进入信息化时代，数字化地理信息已广泛推广应用，行业发展日益较快，技术更新日益增强，空间数据库类课程将在测绘工程专业的人才培养环节中发挥更明显的作用，数据库类课程体系、教学内容、教学方法、实践模式等诸多方面的改革研究亟待研究。因此，在实际教学中可以上述探讨为借鉴，根据学生的实际情况和专业技术发展展开调整。