空间数据库课程体系的问题与对策

沈 石，程昌秀, ，杨 春

1. 北京师范大学 地理科学学部，北京 100875；

2. 教育部 地理信息科学专业虚拟教研室，江苏 南京 210023；

3. 苍穹数码技术股份有限公司，北京 100081

0 引 言

在数据时代背景下，越来越多的组织机构（团队）针对各自主营业务，逐步建立起各类数据库，服务于科学研究、政府决策、企业管理的需求。随着信息和通信技术的飞速发展，地理空间数据存储量和处理复杂度日益增加[1]，地理信息系统（GIS）对海量空间数据组织和管理的要求不断提高，直接推动了空间数据库理论、方法与技术的快速发展[2]。空间数据库理论与方法作为地理信息科学的核心问题之一，一直是GIS领域的重要研究方向；同时空间数据库管理系统作为组织和管理地理空间数据的关键技术，已经成为支撑各类地理信息应用的重要数据平台[3-4]。

空间数据库既是地理信息科学的基础技术和方法，也是地图学与地理信息系统、测绘工程和土地管理等专业的核心课程之一，兼具学科交叉性强、教学内容综合性高、课程开设历史短和新技术发展快等特点。鉴于空间数据组织与管理技术的重要性，国内各院校相继将空间数据库从地理信息系统原理课程中独立出来[5]，作为地理信息系统、地理信息科学、测绘工程，计算机工程和土地管理等专业的核心课程之一[6-7]。空间数据库课程的基本目标是掌握空间数据库理论知识和专业技能，为相关专业学生日后开展科学研究或技术开发等工作奠定基础。空间数据库涉及地理学、测绘学和计算机科学等诸多学科领域[8]，学科交叉性决定了课程内容具有较高的综合性和复杂性。加之开设历史相对较短以及不断涌现的前沿技术[7]，空间数据库课程在教学内容的选择、理论与实践的配合、实验平台选择和实验设计、与其他专业课程的衔接，以及传统基础理论与快速发展新技术之间的衔接等方面存在系列问题。为解决以上问题并完善空间数据库课程体系，应从学科发展和培养学生双重视角，进行空间数据库课程体系的顶层设计，增强地理特色的实验案例，完善与其他专业课程的衔接性和连续性，强化空间查询语句编写与解决问题的能力。让学生建立完整的空间数据库专业理论知识体系，理解空间数据库与数据库、地理信息系统、地理学的关系，增强学科归属感，提高学习兴趣和效果。进而使学生更好地掌握空间数据库基本技能，提高解决地理科学或工程问题的能力，最终达到专业人才的培养目标。

1 空间数据库课程体系存在的关键问题

1.1 地理学科背景弱，缺乏学科归属感

空间数据库具有显著的计算机学科特点，对学生的计算机系统和网络知识，以及编程能力要求较高。部分院校甚至直接采用计算机专业通用数据库课程或由计算机专业的教师讲授。以通用数据库知识为主的课程体系，缺少地理信息科学特有理论、方法和技术的讲授，最终导致课程的学科定位和作用不明晰，学生的专业归属感较低。

1.2 课程系统性不足、衔接性差、缺乏顶层设计和统一规划

空间数据库课程内容体系缺乏顶层设计和统一规划。国内外多所高校针对空间数据库课程内容建设已经做了很多有益的尝试和探索，从空间数据库的基础理论知识[5]、应用与开发[3,6]、设计与构建[9]等不同侧面设计了各具特色的课程内容。但是，由于各高校专业背景和学生培养目标的差异，通常由任课教师依据专业背景设计教学大纲，组织课程内容，选择软件平台。这导致了空间数据库课程在内容、教材教参、实践平台和课程衔接等方面因校而异，因实验软件而异，因教师背景而异[10]。空间数据库课程内容呈现出体系繁多，差异较大，缺乏系统性的特点，不利于课程的横向交流与纵向发展，急需从空间数据库基础理论和地理信息科学学科背景出发，设计与规划一套完备的、系统的、理论与实践相结合的空间数据库课程内容体系。

此外，空间数据库与其他专业课程衔接性较差。空间数据库课程的综合性较强，涉及的理论知识范围广。课程内容不可避免地与数据库原理、地理信息系统原理和空间分析等课程存在交叉。这一现象在采用ArcSDE和GeoDatabase作为实践平台的课程体系中尤为突出。如果忽视课程与其他专业课程的联系、孤立设计教学内容，会导致课程内容重复度高，理论知识无法聚焦，实验案例缺乏独特性[11]。因此确定空间数据库课程内容与边界是课程体系首要解决的难题。

1.3 实验设计与理论内容脱节，实验平台开放度较低

空间数据库实验设计依赖于实践平台的选择，造成理论知识与实验设计之间脱节严重。鉴于ArcGIS系列软件平台在国内GIS相关专业教学中的长期主导地位，导致许多空间数据库实验教学中采用ArcSDE、Geodatabase等寄生式空间数据库作为实验平台[11-13]。但是，寄生式空间数据库在具体概念、实现细节及覆盖范围上与融合式数据库存在较大差异[4]，且本身也不涉及空间索引、空间查询优化等空间数据库内部机制[14-15]，导致学生无法真正理解空间数据库的底层设计理论和逻辑，容易造成理论与实践的冲突和矛盾。因此需要根据不同培养背景和实践平台设计实验案例。

商业化空间数据库产品成熟但封闭，不利于课程实践内容的普及和推广。尽管商业化空间数据库产品（如Oracle Spatial）具备完整的数据库功能，且涉及空间索引、空间查询优化等空间数据库的内部机制。但这些产品没有严格按照空间数据库标准去实现，而是提供与标准兼容的接口函数，导致现有空间数据库产品各具特色、各有不同。这增加了课程体系建设的难度，也是目前空间数据库课程内容体系繁杂的原因之一。学生只能学习到某种商业数据库软件操作过程或应用程序接口开发，无法深入理解空间数据库的理论和方法[16]，不仅增加学习成本和难度，而且导致学生对某一种商业软件的依赖，不利于培养学生自主创新能力。商业化空间数据库产品由于知识产权的约束，往往价格高昂，极大地增加了空间数据库课程的实践门槛和成本，不利于课程和技术推广普及

1.4 传统理论与前沿技术脱节

随着信息技术的不断发展，地理空间数据库技术不断推陈出新。目前针对不同应用需求，空间数据库技术表现出传统与创新共存，呈现百花齐放、百家争鸣的局面。如何与时俱进开展（空间）数据库教学，如何既吸收传统空间数据理论之精华，又注入空间数据库创新技术之活力，培养出时代所需的相关人才，是新时代空间数据库教学面临的新问题。

2 解决方法与对策

针对以上空间数据库课程体系中存在的关键问题，本文采用自下而上和自上而下相结合的方式重构空间数据库的理论知识、课程内容和实验案例体系。自下而上的方法即以长期空间数据库的科研成果为基础，通过系统梳理空间数据库领域的国内外标准、产品和研究成果，形成系统的、完备的课程理论内容体系，实现科研反哺教学。自上而下的方法即在地理学和地理信息科学的学科背景下，通过设计地理特色的实验案例，加强空间数据库理论技术与学科知识之间的联系，提高学生开展实验的沉浸感。系统而完备的课程内容体系和具有地理特色的实验案例体系共同组成了技术、理论与实践相融合的实用的空间数据库课程体系。

2.1 空间数据库课程内容体系梳理与重构

通过梳理不同技术方法的特点与时代局限性，以国际和国内的空间数据库标准为抓手，凝练多种空间数据库产品的共性理论、方法和技术，构建较为系统且完备的空间数据库理论和课程内容体系（图1）。形成了以基础理论-课程内容-知识要点为架构，由面到点，从抽象概念到具体实现的多层级课程体系结构。

图1 空间数据库理论与课程内容体系Fig.1 Spatial database theory and curriculum system

空间数据库课程体系架构共分为3层。第一层即课程体系的理论基础层（图1内环）。这一部分将空间数据库的共性理论，总结归纳为9大部分，分别是体系结构、数据模型、关系运算、结构化查询语言（Structured Query Language，SQL）、查询优化、索引、并发控制、设计实现和新型空间数据库（Spatial Database，SDB），形成了9章对应的空间数据库理论课程内容。第二层即课程体系的课程内容层（图1中间环）。该层结合基础理论和地理空间数据的特殊需求，拓展具有地理信息专业特色的关键课程内容。第三层即课程体系的知识要点层（图1外环），反映了空间数据库具体实现的关键操作。该层针对性地给出了地理空间数据组织与管理过程中需要掌握的关键知识点。在具体教学实践中，以课程体系为主干，合理设计具体的授课内容，做到有的放矢。如体系结构章节分别介绍空间数据引擎、对象关系这两类主要的空间数据库体系结构，并着重从数据模型理论、技术标准、实现方式、应用平台和典型软件等方面入手阐述这两类空间数据库体系的异同。

空间数据库课程内容体系的优点在于，理论系统梳理了国内外空间数据库产品、标准及相关研究成果，并归纳分类、分析比较和提炼演绎，使学生全面、系统、客观地理解空间数据库的产生、现状以及相关标准和产品情况[4]。不局限于某个标准或产品为单一主线介绍空间数据库的理论和方法，而是阐述了空间数据库中万变不离其宗的空间数据模型、拓扑分析、查询处理与并发控制机制等共性理论[4]。课程体系着重强调空间数据模型、9交模型、空间填充曲线、空间索引等关键基础理论知识，并引入空间直方图、空间查询优化等深入空间数据库内核的理论方法[4,17]，梳理并突出了地理信息科学在空间数据库理论方面的重要科学成果与贡献，培养学生专业素养和学科归属感。

2.2 地理特色实验案例体系设计

空间数据库实验案例的设计既要考虑到地理学科背景又要结合课程内容体系。基于站点观测、遥感影像和规划图件等多种地理数据源，本文设计构建了教学-应用跨领域、多尺度的地理特色实验案例体系（图2）。

图2 地理特色的空间数据库实验案例体系Fig.2 Spatial database experimental case system with geographical characteristics

案例体系针对关系数据模型、关系范式和视图等基础概念理论，设计长时间序列孢粉观测数据库实验案例，帮助学生尽快熟悉或回顾数据库相关知识，并强化数据库技术与地理数据、概念和问题的联系，从而顺利融入空间数据库学习过程，减少学习陌生感。为贯穿空间数据模型、拓扑关系、空间数据处理与分析、空间索引和空间查询优化等理论课程内容，设计国家-河流-城市数据库和全球海水表面温度数据库实验案例，引导学生在实践中理解和掌握相关概念和方法，并由浅入深地设计了空间查询的问题案例，加强学生理解地理问题和编写空间结构化查询语言（GSQL）的能力。最后，为让学生体验、实践空间数据库从概念到构建的全流程，设计蓝湖地区基础地理空间数据库实验案例（图3）。通过实验案例，强化学习效果，增强学生专业理解力、实验沉浸感和学科归属感。

图3 蓝湖地区空间数据库实验案例（引自文献[4]）Fig.3 Experimental cases of spatial database of Lanhu area（From literature [4]）

此外，实验案例完全基于开源软件平台。开源空间数据库能够降低教学和使用成本，有助于深入理解理论知识，具有开放源代码和紧跟技术发展新趋势等优点。本文选择开源GIS平台软件QGIS和开源空间数据库PostGIS作为软件平台。软件组合适用范围广（Linux、Windows和Mac OS操作系统均适配），且小巧精悍、功能全面、易操作和理解。并与Oracle Spatial、SQLServer等系列商业空间数据库理论、体系、概念一致，学习成果易移植[2,4]。此外，软件平台也可以与现有的GIS平台如ArcGIS、ArcSDE等兼容，可以从软件角度与地理信息系统原理、空间分析、时空大数据分析等其他课程形成课程链，易于学生学习和掌握相关软件和方法。

实验案例体系的另一个特色是强调学生编写GSQL的能力。结构化查询语言是与数据库交互的核心工具[1-2]。因此对于空间数据库而言，空间结构化查询语言是空间数据库课程及其实践的关键内容之一，也是空间数据库区别于其他专业相关课程的特色所在。掌握GSQL是学生理解和运用空间数据库理论与技术的根本。因此，在实验案例体系中，设计了国家-河流-城市数据库和蓝湖地区基础地理空间数据库两个重要案例，强化学生编写GSQL的能力。同时GSQL编写过程中也融合了地理学问题和空间分析的一些概念，可与相关课程有效衔接，能够摆脱编程实验过程中的枯燥感，进而消除理论知识与应用实践的断档，增强学生专业理解力、实验沉浸感和学科归属感，提高学生理论联系实际能力。

2.3 前沿技术定位与组织

空间数据库是理论和技术发展迅速的学科，课程体系不仅要介绍经典理论的精髓，还要合理组织和引入创新型技术。课程体系设计需要与时俱进，跟踪数据库领域的新思想与新技术，结合信息技术成熟度曲线，对不同时期的数据库技术进行定位（图4），进而梳理相关前沿技术的发展情况和功能定位，让学生了解前沿技术的核心思想、功能、作用，对未来发展趋势有所判断。课程体系通过引入区块链、地理大数据等前沿思想与技术，拓展学生视野，启发创新思维，使学生既吸收传统技术之精华、又注入创新技术之活力，培养出与时代社会需求相接轨的人才，为后续创新奠定基础。

图 4 空间数据库技术成熟度曲线Fig.4 Spatial database technology maturity curve

2.4 教学方法改进

为了提高课程体系的衔接性和保持空间数据库课程的独特性，通过链式教学模式和翻转课堂教学方法，提高授课效果。首先，在课程内容设计上注意与其他相关专业课程沟通，协调教学内容，做到既有联系，又不重复和冲突。同时在课程内容和教学过程中对比分析寄生式空间数据库（如ArcSDE、GeoDatabase）与融合式空间数据库体系结构的区别与联系，强调空间数据库的独特性。其次，以开源软件为基础，构建包容和扩展的实验平台，与其他课程在软件层面形成链式课程。最后，利用翻转课堂教学方法，引导学生深入理解和掌握空间数据库基础知识和前沿技术，以达到举一反三、触类旁通。

3 结 论

结合空间数据库长期科研与日常教学融合实践经验，全面梳理空间数据库核心理论知识，形成完整的课程内容和实验案例体系，提出采用完全开源的软件平台替代现有商业化GIS软件并结合空间数据库搭建教学实践平台，形成系统、完备的空间数据库课程体系。近年来的教学实践表明，科研-教学-应用新型教学方法，能够有效解决空间数据库课程体系建设中存在的关键问题。同时，通过改进教学方法，利用链式教学模式和翻转课堂教学方法能够较好改进空间数据库的课程衔接性和独特性，提高学生学习积极性，增强学生专业理解力、实验沉浸感和学科归属感，达到课程的培养目标。