大数据时代高校信息类专业中的空间统计教育与探索

贾燕 江畅 李文梅 苗立志

摘要：文章阐述大数据时代背景下我国高校信息类专业空间统计课程教学中存在的问题，如何结合当前流行且有效的多种教学手段开展新型混合教学模式改革，介绍新型混合式教学改革的方法与案例，探讨大数据时代对统计学等专业课程教学的影响，以期为进一步完善该课程的教学和推广工作提供一定的理论基础和科学参考。

关键词：大数据时代;信息类专业;教学改革;空间统计学;信息科学

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2022）13-00-03

统计学是一门运用数理统计与概率论原理及方法，结合应用实际研究数字资料并整理、推断与分析的学科[1]。统计、分析具有空间分布特征的数据的方法被称为空间统计学[2]。空间统计学从70年代兴起[2]，它反映了国内外气候学、地理学、社会学、人类学和经济学等多个领域专家对统计学这一方法的研究与应用。美國国家研究委员会提交的政府工作报告曾列举了27个未来发展的重要科学研究方向，其中第17项就是空间统计学[1]。空间统计学在信息科学乃至人文地理、城乡规划等专业的本科和研究生人才培养中都具有较为重要的地位，其探索人文现象或自然规律的空间结构与空间变异，具有较强的实践性。

随着电子信息类专业的发展，空间统计学迅速普及。特别是在信息爆炸的大数据时代，计算机在统计学中的应用更加促进了多种变量分析方法在信息研究中的应用，空间统计学为通信、地理信息等学科的发展提供了十分重要的理论基础和技术支持[3]。虽然空间统计学可简单理解为在空间数据上的应用，但作为一门发展较快的综合性交叉学科，它有自己的科学理论体系，是一种非常紧密的、面向多个学科的交叉融合，而非简单理论知识的叠加或堆砌。因此，如何结合学生的学习背景及专业方向，围绕培养目标和教学大纲，充分结合知识模块，优化课程的教学方式及内容，特别是借用不同教学平台和技术，优化调整教学方式，进而培养跨信息学、地理学和数理学等交叉学科的具有大科学基础理论知识和素养的复合型人才是非常紧迫的问题。

1 空间统计教学的目的和改革思路

在大数据时代背景下，空间统计教学的目的和要求也有所变化。空间统计课程的学习要求学生能够正确、深刻地理解空间统计学的基本思维，掌握空间统计学的基本原理和方法，同时具备使用编程语言进行空间统计分析的基本动手实践能力，能够应用空间统计学定量研究空间地理信息，以解决空间问题。因此，空间统计混合式教学改革需要结合时代背景和资源配置，因地制宜地展开，针对本专业的历史发展、学生和授课教师的专业背景以及教学对象基础理论储备差异等情况，采取最适宜、最有效的改革模式[4-6]。

改革可以从以下几个方面着手。一是教学中存在的问题。利用调查问卷及文献调查等方法，从多个方面，特别是基于前期教学研究基础，分析当前教学中存在的问题和成因。二是分析多种教学手段特点。充分结合当前教学存在的问题及知识模块，有目的地选择几种常见的教学手段，分析其特点及教学中的应用情况。三是混合应用多种教学手段。结合教学大纲及课程内容，特别是基于知识模块，采取多种教学手段，开展多元化混合式教学。

其中，教学手段包含以下几种。一是微课：以视频为主要载体，对某个知识点（重点、难点和疑点等）展开的精彩教学活动。二是翻转课堂：将翻转课堂的理念应用到教学中，助力学生的个性化教育发展。三是以问题为基础的学习方法（Problem-Based Learning method，PBL）：选择开展以PBL为主导的学习方法，设计相关知识学习案例，把学生作为教学的主体，从而提高学生的思维创造能力和综合素质[7-9]。与此同时，综合空间统计学教学大纲及知识模块，结合学生专业背景及就业去向，按照不同模块的特点，有效采取上述多种教学手段，有目的地开展多元化、多手段、多层面教学，调动学生的积极性和主动性，提升课堂学习效果。

2 基于“智能PBL”的空间统计教学案例分析

空间统计学教改的具体实施内容主要是围绕当前空间统计学中存在的问题展开，充分借用多种教学手段，探索新型混合式教学。首先是综合前期研究基础，特别是教学过程中接触、了解到的实际问题，系统分析并汇总当前教学中存在的问题，主要从以下几个方面开展：一是结合当前地理信息科学专业本身的学科特点和学科背景，特别是学科发展情况;二是结合当前地理信息专业教师队伍的组成及研究背景，以及教学科研情况;三是基于空间统计学中的教学大纲及知识模块特点，充分考虑理论和实践课的教学特点，以选择最佳教学手段;四是充分结合本专业学生的学习背景及就业去向特点，从学生能力和素质的培养方面着手，调整教学模块及教学手段。

综上所述，可以得出以下几点结论。一是现代科技的快速发展引起了分析方法和理论的变革，传统空间的数据统计和分析方法备受挑战。同时，得益于计算机性能和相关算法的不断提升，空间统计学的发展迈向了时空大数据时代[1-3]。二是地理信息科学教师队伍的组成和研究背景多样，其中具有数理专业背景的授课教师较少。三是学生就业去向普遍是一些通信、地理信息、图像搜索、智能语义等与智能大数据相关的公司。因此，除了结合目前一些广泛应用的教学手段，包括如微课、翻转课堂等多元化教学和学习之外，还要把最新的、前沿的一些智能科技手段融入传统授课方式中，让现代技术点亮传统课堂，其相互融合、优势互补可激发并进一步促进学生的学习积极性和创造力，培养学生课堂学习的主人翁意识和态度。

采用PBL学习方法并融入空间统计学授课中，除了较少学时的基本理论教学，其他相关内容均可通过PBL方法学习，激发同学们利用空间统计学工具解决实际应用中各种问题的兴趣。其中，需要解决的关键问题也是教学难题，即问题和案例的设计。如何根据整个空间统计学课程的基本知识模块，基于交叉学科的特点、地理信息类的专业背景设计适当的问题和案例，让学生基于案例探究问题并解决问题，是教学改革模式探索中需要解决的关键问题。

结合当代科学技术发展前沿，融入智能化技术元素，提出“智能PBL”教改方式，即是采用最先进的智能化技术算法来分析和集成知识子模块的理论知识，形成基于知识图谱的智能语义问题案例库[10]。其中，知识图谱的构建基于单元知识模块中的重点和难点等知识点提炼关键词，并以此为中心形成单元模块化的知识网络，进而串联空间统计学整个知识体系。除此之外，智能问题库可实现智能对话的功能，根据提问对象提出的关键词，自动搜索匹配相关的问题与答案。在理论、实践教学中，以学习小组为单位，就文献汇报及智能PBL问题库展开学习和交流，进而以理论学习推动实践操作，再通过实践操作激发实际应用能力，层层递进，全面推进对空间统计交叉知识体系的学习[11]。

3 混合式教改模式特点和建议

基于混合模式的空间统计学改革集中体现了从多角度运用各种教学方式和资源来讲授空间统计理论，并解释空间数据特点和探索空间规律。混合教学实践具有一定的难度和深度，并结合现代科学技术方法，才能使学生提高自身运用理论知识解决实际问题的能力，并切实提高教学效果，其中需要注意下面几点。

3.1 以专业特色为导向，结合学科背景和就业方向优化教学内容和教学模式

结合学生们不同程度的知识储备，相应地调整和补充数理统计方面的理论知识，有助于促进学生理解该门课程的知识，提高认知和系统把握学科发展方向的能力。不仅限于此，还针对不同的就业方向和学生的兴趣需求调整教学方案和内容，以满足同学们对实际应用的需要，同时激发学生的学习积极性。

3.2 身份互换，使学生成为课堂的主角

为了使学生增强主角意识并提供一个良性竞争的环境。教师可充分利用网络资源，开设网上学习课程，让学生互相监督。同时，教师与学生们要积极互动，交流课程的学习心得，共享教育资源。

3.3 与时俱进的考核方式

考虑到空间统计学特有的理论与实践性较强的特点，考核方式不应仅设定为传统的闭卷考试，可结合总结汇报的开放式考查和上机实验。通过小组总结汇报的形式检验学生们对空间统计学的概念和理论知识的掌握程度，特别是对学科前沿的了解程度。通过上机实验考试，则可把握学生们的综合分析能力和运用理论知识解决实际问题的能力。

3.4 知识模块的划分和相应教学手段的选择

结合当前教学中存在的问题，紧扣教学大纲和知识模块进行分类。充分结合当前空间统计学知识模块，基于所涉及内容划分，如纯理论模块、“理论+实践”模块、纯实践模块等。特别针对纯理论模块中偏向不同背景的模块，如数学模块、统计模块、计算机模块和地理信息模块等，选择不同的教学手段，从而达到最佳的教学效果。同时，充分增强学生的学习积极性。

3.5 多手段开展教学

虽然是一门基础学科，但是基于交叉学科的特点，特别是多个较为分散但又有紧密联系的知识模块，是可以利用多种教学手段授课的。比如翻转课堂、微课、PBL等，特别是文章中应用的“智能PBL”教学模式，可以有效提高学生的课堂主观能动性和参与度。课下的文献资料查阅和汇总为更深入地理解授课知识点提供了有利的途径，从而提高学生的学习能力及效果。

3.6 教学和科研齐头并进

目前空间统计学的师资力量较为薄弱，电子信息相关专业的授课教师较少有数理统计专业背景。因此，鼓励专任教师从事与空间统计学相关的科学研究，真真正正把理论研究运用到实际中，从科研中获取新鲜营养再反哺于教学。只有这样，专业任课教师才能准确把握统计学发展的前沿理论知识和动态，将知识带入课堂，提高教育教学质量。

4 结语

大数据时代，特别是海量的时空地理大数据给传统统计学带来了新的机遇和挑战，同时也形成对通信、计算机、地理信息和统计学等交叉领域中富有经验的高层次人才的需求。大数据时代，空间统计学的重要性不言而喻。文章分析空间统计学课程在信息类专业中的混合教学模式改革方法，通过结合教学大纲及内容，特别是围绕不同知识模块应用，并基于当前教学中存在的问题和不同教学手段特点，结合前沿科学技术，开展新型混合式教学，如“智能PBL”教学法。通过空间统计学的学习，学生能够在理解空间统计基本方法与原理的基础上，掌握空间数据的统计和分析方法，空间数据规律的挖掘和探索思路，使学生具有空间信息定量研究的基本能力，并运用到实际中。同时，要求学生具有采用编程语言解决地理要素总体估计与空间分布预测问题的能力。作为一门典型的交叉学科，空间统计学融入了多学科的知识和思维，可以用多种教学手段开展教学，从而提高教学效果。该课程教育改革的模式和思路也可以用于其他类似的交叉学科。

未来须进一步结合教学大纲及知识子模块，进一步在课堂中应用多种教学模式。基于课程知识模块，围绕电子信息等专业的特色设计问答和案例，提高和发挥智能在信息类专业课堂教学中的作用，让学生积极参与学习并汇报，深入理解知识模块及不同知识背景的联系，进一步提高教学质量和效果，为培养跨信息科学、地理科学、数理学等交叉学科的具有大科学基本理论知识和综合素养的复合型人才打下基础。

参考文献：

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[11] 赵永.空间数据统计分析的思想起源与应用演化[J].地理研究，2018，37（10）：2058-2074.

作者简介：贾燕（1986—），女，河南郑州人，博士，讲师，研究方向：电子信息理论与应用。

江畅（1978—），女，四川德阳人，博士，副教授，研究方向：地理信息系统与应用。

李文梅（1984—），女，山东聊城人，博士，副教授，研究方向：地理信息系统与应用。

苗立志（1981—），男，山东临沂人，博士，副教授，系本文通讯作者，研究方向：地理空間人工智能。