时空大数据时代地图学课程的教学改革

邓树林

（南宁师范大学地理科学与规划学院，广西 南宁 530001）

0 引言

地图学是以地图信息传递为主线，研究地图的理论、制图、应用的综合性学科[1，2]。地图是人类对空间认知的图形化表达，作为一种地理空间信息的载体[3]。但地图在不同历史时期，其信息源、主题、载体、形式、内容、制作方法以及应用方式具有差异性，其全方位价值也会不一样。自20世纪50年代末、60年代初以来的现代地图学，是以时空数据为对象的信息化时代地图学，时空数据处理与表达是其核心。当今，随着天地空海一体的传感器网技术、“互联网＋”、人工智能和智能计算等技术的高速发展的“大数据时代”的到来，地图学具有明显的大数据科学的特征，是以往任何时期都无法比拟的：地图的实时动态性、主题针对性、载体多样化、内容复合性、制作方法现代化、表现形式个性化、应用泛在化等特征，地图学理论、技术和应用体系产生了巨大变化。地图数据从单一到多源，不再局限于传统的测绘数据，更多的地理数据来源于互联网等，具有体量海量化、来源多样化、类型繁杂化、价值低密化、真伪难辨等特征[4]。随着新地图认知理论的不断发展，地图学与地理信息科学结合得更加紧密。

地图学课程是一门既年轻又古老的学科[5]，地图学在地球科学专业人才培养中处于重要地位，其理论性与实践性强，知识点多。地图学课程是地理信息科学、土地资源管理等地学相关专业的基础课和必修课，在每个专业的课程体系中均具有承上启下的重要作用，是不可替代的一门课程[6，7]。其为以后学习后续相关课程（如3S技术等）打下坚实的专业基础的同时，地图学课程还是地学及其相关专业学生必须掌握的基本技能[8]。它既包括理论教学，又包括实践教学，对学生的能力、知识和素质的培养都具有深远的意义。对今后探求地图内在规律、地球空间信息科学有关的问题的能力至关重要[9]。

当前地图学课程重点关注理论知识教学，对于新兴地图数据获取、应用实践等教学内容相对较少，学生思维滞后、知识体系缺乏系统认识，导致理论知识与实践环节脱节[10]。随着数字制图技术的发展和深入应用，以手工制图为主的传统地图学教学内容急需调整，以满足时空大数据时代学科发展的需求[11]。时空大数据时代地图学教学内容和教学模式如何调整是亟待解决的关键问题。

因此，适应时空大数据时代要求、专业高水平复合型制图人才的培养，则迫切需要对当前地图学课程教学目标、教学内容、教学模式进行改进和调整。本文以南宁师范大学地学相关专业的地图学课程教学为例，探讨如何在时空大数据时代背景下进行地图学教学改革，提出针对性的教学改革措施，以期提高地图学课程的教学水平与质量。

1 地图学在时空大数据时代的新变化

（1）地图学的时空观，深刻影响着地图学研究的认识论和方法论。时空大数据成为地图学的大规模海量数据源，地图学可以更加科学的描述和表达事物或现象的运动变化规律。如新冠肺炎疫情专题地图的制作，春季人流量实时动态地图制作等。从地图学发展历程来看，反映了地图学数据（信息）源由少到多、单源到多源、简单到复杂的趋势，进一步推动了制图数据处理方法与技术的不断发展。

（2）随着时空大数据时代的开始，地图学的科学范式随即进入数据密集型计算范式，以时空大数据计算为特征。“时空大数据计算”，除了多源异构时空大数据融合外，还体现在时空大数据可视化等的理论、方法和技术变化，以及时空大数据的多尺度自动变换、分析挖掘与知识发现等，最终实现最大化的时空大数据价值。

（3）时空大数据开放、动态、多模式、综合的感知世界和传输时空信息。同时，整个感知认知活动，融入了天空地海一体的智能传感器网技术、互联网技术、人工智能技术以及新兴计算技术等，这必将成为时空大数据时代地图学理论的基础研究任务。

2 目前地图学教学中存在的主要问题

根据目前地图学课程的基本特点和结合本校地图学教学的现状，分析地图学课程教学中所存在的若干问题：

（1）理论体系较庞大，基本概念多，比较抽象，但学时有限，教学任务繁重。地图学课程的基本课时为64学时，其中理论授课44学时，实践操作20学时。相对实践课时较少，容易出现追赶教学进度的情况，导致影响教学效果和教学质量。另一方面，目前教学方法仍以教师授课方式为主，在整个教学过程中不能较好发挥学生的主观能动性，学生容易倦怠，难以取得较好的教学效果。此外，授课专业班级较多，专业基础及专业要求差异性较大，授课内容和授课方式不能根据专业需求进行灵活的快速调整。

（2）实践操作性较强，但是往往在教学过程中注重理论而忽视实践，实践教学的模式相对单一。在掌握基本理论后，还需熟悉并掌握地图制图方法、制图软件的基本操作、主要的地图应用。同时，实践教学往往安排在地图学课程的后半段，而且多以手绘地图以及软件操作为主，实践教学采用的数据相对单一，制图技术及应用与现实市场需求脱节，无法从时空大数据的数据获取到数据制图最后到地图应用相结合，不利于从根本上提高学生的动手与实践能力，也不利于学生创新能力的提高。

（3）多学科融合交叉，知识更新快，但学校相关配套的软、硬件设施比较落后。地图学是一门交叉学科，包括计算机图形学、地理信息科学、测绘学、自然地理学、统计学、人工智能、区域分析等。尤其，随着时空大数据时代的快速发展，地图学的基础理论、数据获取方式、制图技术、应用范畴已经发生了巨变。但是，在实际教学过程中，理论教学多以简单理论讲解为主，缺乏与多学科交叉融合，融会贯通（如与3S技术的结合，从数据获取，到数据分析、数据制图，最后到地图应用，让学生真正把握地图学的知识体系）。实践教学主要以纸质地图等传统的地图为主，缺乏现代设备和前沿技术方法支撑或辅助，如高性能图形工作站、3D打印机、专业制图软件等，导致学生缺乏利用现代化设备和软件系统完成地图实践活动的机会。

3 时空大数据时代地图学教学内容调整

在时空大数据时代，随着地图学课程信息源、主题、载体、形式、内容、制作方法以及应用方式等课程内容的不断变化，地图学教学内容同样面临着前所未有的机遇和挑战。为适应时空大数据时代地图学发展的新需求，当前地图学的教学内容应该从地图学方法论、地图数据多源实时动态化、地图主题针对化且内容复合化、地图表现形式多样化与个性化、地图制作现代化与地图服务广泛化等方面进行优化调整，从而完善与拓展传统地图学的教学内容。让学生真正掌握时空大数据的“提取数据→分析挖掘→发现知识→设计或选择知识表达方式并可视化”整个过程。

（1）地图学的时空观和方法论。包括人类活动在内的任何事物和现象的运动变化有空间和时间性，时空大数据是由包括人类活动在内的任何事物和现象的运动变化所产生的。其都具有时间、空间、属性、多源异构、多维动态等特征，同时也有空间参照与时间参照。万事万物的时空特征作为地图学主要研究对象，展现了地理实体的时空维度。在时间维，可进行时间序列延拓，从而科学表达过去、现在与未来；在空间维，能科学表达地球表层、海洋、月球表面、网络空间等。要让学生具有地图学的时空观，才能更好地描述和表达万事万物的时空特征。

（2）多源（元）异构时空大数据融合，是时空大数据时代给地图学带来的新问题[12]。来自国内外不同行业、不同部门的时空大数据具有多类型、多时态、多分辨率、多尺度、多语义、多参考系等特性，集成的时空大数据不连续、不一致问题突出，给地图制图增加了难度。因此，对不同时间、不同类型、不同尺度、不同语义和不同参考系统的时空大数据的复杂关系和相互转换规律进行科学表达、描述和分析[13]，解决多源（元）异构时空大数据的融合，已成为时空大数据时代地图学亟待解决的科学问题。因此在地图学教学过程中应不断更新地图数据源获取方法，数据融合技术，及时介绍多源异构时空大数据源的产生特点、获取方式及融合方法，以增强内容的现势性。

（3）时空大数据分析挖掘与知识发现，为时空大数据的核心与本质。其中，时空大数据统计分析要比普通专题地图制图数据处理要更复杂，普通专题地图的数据处理模型方法已经较成熟[14]，而时空大数据的统计分析设计一系列科学技术问题，如需要大数据的清洗、数据融合，以及统计计算是在大数据分布式存储驱动下进行的[15]。用时空大数据思维去发现其潜在价值，挖掘传统方法发现不了的新知识、新规律和新模式，必将开启地图学的重大时代转型。因此，在地图学教学过程中让学生了解与掌握时空大数据分析挖掘与知识发现的方法非常关键。

（4）由于地图数据源多源异构化，地图可视化形式也日新月异，电子地图已经逐步取代传统纸质地图，可视化显示维度已从二维显示转变为以时空大数据为支撑的多维实时动态显示，此外，如全息位置地图、时空大数据地图等新的可视化图种出现[16]。因此，地图的可视化教学应成为地图教学的重要内容之一，使学生了解并学会设计地图可视化的多样性。

（5）时空大数据时代的地图已经不仅仅用于表达静态地理环境特征等特定领域，而是前所未有的实时动态全民位置地图新时代。人们的衣食住行时空与地图息息相关，如逛街购物、外卖配送、实时路线导航、共享单车等。整个地图信息传输过程，地图空间认知贯穿始终，即从制图者、地图信息、地图、地图使用者、使用地图的效果之间相互联系、相互作用。而当前地图学教学和实践内容中仍主要以传统地形图教学为主，较少进行课堂理论知识与实际应用出口的衔接，与时俱进。因此，案例学习中应补充和更新地图在不同领域最新应用，体现学科课程的现实价值意义。

4 时空大数据时代地图学模式探索

作为一门理论实践性很强的专业基础与必修课，地图学教学过程中应注重培养学生理论联系实践，同时多项目化教学，竞赛促进教学等方式，激发学生自主学习、勤于动手的动力。本文结合南宁师范大学学生具体情况，探索时空大数据时代地图学教学改革模式。

4.1 地图理论的实验教学

地图学的理论知识体系非常庞大，需要通过实践，才能真正掌握。特别是时空大数据时代的地图学，需要掌握新的理论，新的技术方法。实验教学包括多源数据获取、数据分析挖掘、知识发现以及地图应用等。在理论教学过程中，可随堂进行试验教学的穿插，让学生尽快在实践中真正理解理论知识点。

4.2 地图多源数据获取的任务教学

在数据获取实验教学中，基于原有数字化地图、野外实测成图、传统摄影测量与遥感观测等地图数据获取方式教学，新增无人机低空摄影测量、三维激光扫描测量、互联网上爬取的大数据等的教学。因为学时有限，需要掌握的额外理论知识和技能较多，需要分无人机小组、三维激光小组、Python小组，分任务完成数据获取并经验分享等多种形式，充分发挥学生的主观能动性，实现多源数据获取方式的实验教学。

4.3 分析挖掘与知识发现的演示教学

大数据分析挖掘教学：根据获取的不同数据，让学生掌握采用不同处理软件实现数据的清洗与分析，如ARCGIS软件、MATLAB软件的使用。这可通过软件的演示，让学生基本掌握软件的使用，学会大数据的简单分析与挖掘。知识发现教学：根据分析的数据，让学生学会看图说话，同时所做的图不仅要规范更要美观。可通过推荐及带领学生多阅读相关好文献，学习人家的作图技巧、分析结果的方法等。通过教师的相关教学演示，让学生学会举一反三。

4.4 地图应用的案例教学

地图学课程中的案例教学源于生活，是衔接理论和应用的途径，可有助于掌握理论知识，理解理论联系实际的作用。根据不同部门不同行业需求，进行项目化教学，让学生学会制作不同类型的专题地图、动态地图等。让每位学生选择一个主题，实现从数据获取，到数据分析与挖掘、知识发现，最后到地图应用的全过程，作为最后课程的作业。

5 结语

随着时空大数据时代到来，地图学迎来了新的机遇与挑战。因此，地图学需紧跟科学技术发展前沿，调整和更新教学内容和教学模式，以适应时空大数据时代的发展，让地图学能站在新的起点向更高水平发展。在时空大数据时代的背景下，基于移动互联网技术、智能传感器网技术、新兴计算技术、人工智能技术等新信息化技术，就本校地图学教学实际情况，总结教学中的，探讨时空大数据时代地图学教学内容和模式应做出的调整与建议，让学生真正掌握时空大数据的“提取数据→分析挖掘→发现知识→设计或选择知识表达方式并可视化”整个过程，以期为地图学理论与实践教学改革提供参考。