地理信息科学一流本科专业核心课程体系设计与实践

亢孟军，任 福，苏世亮，王明军，应 申

(武汉大学资源与环境科学学院,湖北 武汉 430079)

2019年4月,教育部决定全面实施“六卓越一拔尖”计划2.0,启动一流本科专业建设“双万计划”,即在2019—2021年,建设10 000个左右国家级一流本科专业点和10 000个左右省级一流本科专业点[1]。 “双万计划”是在2015年国务院颁布《关于印发统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案的通知》[2]后,为统筹大学科学研究和本科教育关系而实施的建设方案。一流本科专业的建设内涵包括:一流的培养目标、师资力量、教育平台、课程体系、质量保障,造就一流的学生发展[3]。其中课程体系是培养目标指导下的、本科专业教育的实质内容,其合理性和先进性决定了一流专业建设的成效和人才培养的质量[4]。

国内各高校地理信息科学专业建设各有特色,皆有其发展历史及学科基础。因此要参考众多高校建设经验,设计适合自身特点的课程体系[5],必须厘清专业和学科的关系。专业是指根据科学分类和社会职业分工而设立的培养人才的专业类别。在我国,高校现有专业结构是社会分工、学科知识和教育结构共同作用的结果[6]。其中,社会分工是专业存在的基础,学科知识是专业的内核,教育结构是专业的表现形式,三者缺一不可,共同构成高校人才培养的基本单位[7]。专业的主要构成要素包括专业培养目标、课程体系和专业人员,高校是实施专业教育的主要机构。

学科是科学知识体系的分类,一个学科是独立的一个科学知识体系[8]。构成一个学科的基本三要素包括:独特的研究对象或领域、特有的理论体系和知识系统、开展学科研究的方法论。学科是开展专业教育的基础,离开了学科知识体系,专业就丢失了其存在的合理性依据。一个学科可以支撑多个专业,而在不同学科之间也可以设立跨学科专业。因此,专业课程体系本质上是高校学科所能提供、输出的最有竞争力的知识结构体系。

课程体系是人才培养模式的载体,是指同一专业不同课程门类按照门类顺序排列,是教学内容和进程的总和。课程体系是育人活动的指导思想,是培养方案实施的具体化和依托。课程体系主要由特定的课程观、课程目标、课程内容、课程结构和课程活动方式组成。课程体系包含通识类课程和专业核心课程。其中,专业核心课程体系是高校根据人才培养目标,将核心知识领域的内容组成专业核心课程,并适当增加本校研究或应用的特色内容[9]。专业核心课程体系的设置,决定了专业人才培养的效果和质量,也决定了是否能够完成为社会输送专业人才和为学科研究提供后备力量的责任。

全国开设地理信息科学专业高校约200所[10],一流专业核心课程体系及其设计原则对其他高校具有重要的参考借鉴意义[11]。武汉大学地理信息科学专业于2019年获批国家级一流本科专业点,刚好介于武汉大学2018版和2023版本科培养方案调整之间,近3年的建设也为新的专业核心课程体系设计提供了诸多经验。本文在分析国内3所著名高校地理信息科学专业核心课程体系的基础上,以武汉大学为例,针对专业核心课程体系的设计原则、思路和实践细节进行分析,以期为其他高校提供参考。

1 国内一流大学地理信息科学专业核心课程体系

国内一流高校GIS专业的培养目标,以及服务于该目标的核心课程体系设置,对其他高校具有重要借鉴和指导意义。根据软科2022年GIS专业排名,本文对比分析了北京大学、南京大学、北京师范大学3所高校,将专业核心课程分为11个类别,包括数学类、物理类、化学类、信息技术类、地理学基础类、测绘类、遥感类、GIS基础类、地图学类、空间智能计算类和前沿领域类;通过对比分析课程学分占比,量化分析3高校课程体系的特点。

1.1 北京大学

北京大学GIS专业[12]由地球与空间科学学院空间信息科学与技术系和北大遥感与地理信息系统研究所(系所合一管理)负责建设,遥感学科的支撑使其具备了强大的遥感基因。该专业以培养高水平创新型空间信息科学与技术人才为宗旨,重视培养学生扎实而广博的空间信息科学基本知识、基本理论和基本技能,掌握计算机网络、应用程序设计与开发技术,能胜任地理信息系统开发和应用以及遥感数据获取、处理与应用。北京大学GIS课程比例模块如图1所示,课程体系包含大量信息技术、GIS和遥感基础理论课程。该专业非常注重数理知识和信息技术能力的培养,特别是数学方面,开设了高阶的离散数学和计算数学课程。这与北京大学学生的知识基础是密切相关的,但也适用于其他相同层次的学校。同时面对人工智能技术发展,其鼓励跨学院选修机器学习、人工智能等课程,也凸显了其在GIS与ICT融合方向的培养趋势选择。

图1 北京大学课程模块比例

北京大学地理信息科学专业课程体系简洁明了,其鲜明的课程特色不是通过繁杂的模块学分约束,而是通过课程设置引导。其培养方案中鼓励学生跨院选课的引导思路,给予学生更多的选择自由,也给予教师更多的施展空间。同时,因与北京大学遥感所合办此专业,其课程体系中遥感课程内容丰富;注重充分利用其他学院的师资,鼓励学生选修跨院的机器学习、人工智能和模式识别类课程。毕业要求修满142学分。

1.2 北京师范大学

北京师范大学GIS专业[13]由其地理科学学部(简称地学部)建设。地学部起源于京师大学堂师范馆史地类,1928年正式成立地理系,是全国少数成立较早的地理系之一,发展历史悠久。2016年11月,由地理学与遥感科学学院、资源学院、灾害风险科学研究院、地表过程与资源生态国家重点实验室、遥感科学国家重点实验室共同组建成立北京师范大学地理科学学部。地学部以地理学为主体,同时建设测绘科学与技术、安全科学与工程等相关学科。

北京师范大学GIS专业是在传统地理学科基础上建立起来的。该专业培养具备GIS基本理论,掌握地理信息系统、遥感数据及卫星导航与定位数据的获取与处理、计算机软件设计及空间信息应用的基础理论和技术方法,能在有关部门从事地理信息系统、遥感及卫星导航与定位系统的研究、教学、应用软件与系统开发的未来精英人才,毕业要求修满155学分。

该专业注重地理学基础的培养,同时在遥感分析、地学分析等方面课程丰富,信息技术类相对弱化,北京师范大学的课程体系体现了其传统地理学的深厚底蕴。北京师范大学也是3所高校内唯一开设化学基础课的高校,这是作为其开设的气象与气候学、土壤地理学等传统课程的基础。北京师范大学GIS课程比例模块如图2所示。

图2 北京师范大学课程模块比例

相比其他高校,北京师范大学的GIS培养强调传统地理学知识,特别是自然地理学方向,结合了其在气象学、灾害学方面的优势;同时注重遥感类知识的培养,主要是用于开展地学分析,满足对大范围地理数据的快速获取需求;对学生的数学知识要求也较高,学生综合知识培养全面。

1.3 南京大学

南京大学地理信息科学专业[14]创建于1957年,是当时国内综合性大学中唯一培养地图编制和地图学研究人才的专业。1955年由李海晨教授主持筹备建立地图学专业,并于1957年正式招生(本科五年制)。

该专业以培养具有宽厚基础、实践能力强的高素质的地理学创新人才为目标,按照“专业教育与素质教育相结合、知识传授与能力培养相结合、教学与科研相结合”的教育理念,强调学生的地理学基础理论、数理化、计算机、外语等基础知识和基本能力培养,在使其掌握各专业技能的基础上,加强有关高科技的手段和方法的教学训练,并使学生了解本学科发展的动态和前沿,具有宽厚的基础、较强的实践基础、较高的科学素养和创新精神,旨在培养高层次、高质量的基础研究和应用人才,适应国家人才需要和科学发展需要的复合型优秀人才。毕业要求修满150学分。

南京大学GIS课程比例模块如图3所示。其课程体系体现了很好的均衡性,地理学、GIS基础、信息技术类课程相对均衡。同时,该专业非常重视地图学知识教育,开设了大量地图学类课程,这是区别于前两所学校的鲜明特色,与南京大学悠久的制图学传统和学科基础是密不可分的。同时,南京大学还开设了大量涉及土地资源管理和规划的课程。南京大学GIS培养的人才知识相对平衡,是国内非常具有代表性GIS专业培养方案。

图3 南京大学课程模块比例

1.4 3所大学专业核心课程对比

3所大学的GIS专业各有特色,是基于其服务领域、培养目标和学科基础共同影响的结果,分析其特点如下:

(1)数学知识都得到足够的重视。3所高校都至少开设了高等数学、线性代数、数理统计和概率论3门基础数学,北京大学额外增加了计算数学和离散数学;3所高校对物理都有最低要求,而对化学理解不一致(见表1)。

表1 3所大学的课程体系学分结构对比 学分

(2)北京大学和南京大学对信息技术类的培养要求很高,基本都开设了将近10门课,涉及计算机基础、数据结构、高级GIS程序设计。同时,北京大学课程很好地与当前ICT技术发展相结合,增加了物联网、大数据分析和人工智能类课程。

(3)地理学课程的比重差距比较大。北京大学地空院GIS专业的支撑学科是地质、地球物理等学科,而地理学科主要在城市与环境科学学院建设,故整体上地理学课程基本按照最低要求设置。而北京师范大学和南京大学地理学课程比重非常高,学分达到30分,基本涵盖地理学的各个方面,很好地体现了各校GIS专业的学科传承和特色。遥感类课程比重相对差异不大。北京大学因其与遥感所合办而比重高,北京师范大学因其地理分析对数据需求而高,南京大学相对弱化。

(4)地图学类别课程差异明显。北京大学只有地图学一门课,而南京大学地图学课程丰富。国内GIS专业发源于地图学专业,而地图学专业在1998年专业调整中合并为测绘工程专业。地图学专业在国家建设过程中培养了大量的制图人才,它的取消也反映了专业设立服务于社会分工的特点。当前,地图学与人工智能图像处理领域密切相关,如计算原理、空间脑认知、空间可视化等,均可与人工智能、数字孪生等新技术理论结合,新型泛地图学人才的需求正在增长。

(5)空间智能计算模块是空间分析课程的深化,该类课程传统上包括空间分析和地学统计。从服务全球和国家的视野,以及与大数据分析、人工智能结合而言,空间分析都有必要向空间智能计算方向发展,在课程设计中应突出智能计算方面的方法论,并结合具体的自然地理、人文地理、城市规划等问题,进行原理和技术训练。

2 武汉大学专业核心课程体系设计与实践

1965年Howard Fisher在哈佛大学创建空间分析和可视化的研究中心(Laboratory for Computer Graphics,LCG),研发计算机制图相关软件,随后一系列以解决空间数据处理从模拟转向数字化技术理论的研究,促使地理信息系统的诞生。这一时期,国内高校一批地图制图专业最早开始数字化转型,到1993年教育部在地理科学类下设立地理信息系统与地图学专业,标志地理信息系统专业教育在全国广泛开展。1998年,教育部取消了测绘类下的地图学专业,并入测绘工程专业,并在地理科学类下设立地理信息系统专业,这标志着地理信息系统基本解决了计算机制图相关问题,形成独立完善的理论和方法体系。2012年,教育部取消地理信息系统专业,设立地理信息科学专业[15],标志着GIS逐渐剥离其工科的工程特质,成为一个完整的理学专业。2015年,由武汉大学申请,教育特设了地理空间信息工程专业,反映了国家大型地理信息工程建设对人才的需求。可见,GIS专业从诞生就带有地理学、测绘科学技术和信息技术的基因。地理信息科学专业的设立见表2。

表2 地理信息科学专业的设立

武汉大学GIS专业的前身是1956年我国最早创立的地图制图专业,是武汉测量制图学院的4个创始专业之一,2019年获批国家一流本科专业。本专业一般年招生100人左右,分4个班2个方向,包括地理信息科学方向和数字制图与空间信息工程方向。学院执行大类招生政策,并在入学第3学期结束后分流到具体专业,因此专业核心课程体系由公共基础课、大类平台课、专业必修课和专业选修课4部分组成。在强化数理知识的前提下,专业核心课程被划分为7个模块,包括GIS基础模块、地图学模块、空间智能计算模块、信息技术模块、测绘遥感地理模块和GIS前沿模块,具体组成见表3。

表3 GIS专业课程体系

本专业核心课程体系设置的主要原则如下:①学科支撑。专业依托地图学与地理信息系统、地图制图学与地理信息工程两个重点学科,有深厚的学科积累,特别是在测绘学科支撑下的培养特色。②社会需求。本专业培养的学生主要从事空间分析、信息技术开发、地图设计编制,以及其他方向。近几年,前两者的工作需求明显高于地图设计编制。因此,在保持地图学特色基础上,课程体系增加了空间信息可视化、地图艺术设计、空间认知等课程,提升地图学设计的美学素养和科学原理教育[16],以提升学生能力和竞争力。③师资结构。教师是课程体系的执行者,良好的课程体系设置要考虑现有的师资结构、研究方向;同时也应根据课程体系的实际需要不断补充师资力量,要组织一群能够深刻理解学科的知识体系,并把握学科发展方向的教师团队,更有效地开展专业教学活动。

同时课程体系中还包含其他一些特点:强化空间智能计算教育[17],增加了机器学习基础课程,并扩展了空间智能计算[18]和社会地理计算[19]两门课程,跟当前地理智能的发展趋势呼应;完整的信息技术知识体系,覆盖从基础知识到完整的GIS软件设计流程,并特别针对三维GIS和WebGIS开设课程[20];丰富的GIS前沿知识模块,由GIS研究进展课程统领,讲解最新学科研究成果,同时根据教师各自研究方向开设具体前沿课程。

3 结 论

地理信息科学专业依托于地理学、测绘科学与技术、信息技术等多个学科,相关学科技术理论的发展推动GIS专业不断补充和优化其核心课程体系。同时,针对社会需求的变化,也应适时调整专业培养目标和课程体系,以使培养的人才达到社会需求的标准。本文对比分析了国内3所一流大学GIS专业课程体系,并以武汉大学核心课程体系设计实践为例,得到以下结论:核心课程体系设置基于各高校学科特点和历史传统,虽有大同而却留小异。因此,在本专业课程体系设置时,不应完全复制他校,而应充分利用本校的学科积累,突出特色;应根据学科知识发展和社会需求变化适时调整课程体系,即使课程体系不易调整,也应在原有课程中补充或优化课程内容;数理知识是GIS专业的重要基础,应确保至少开设高等数学、线性代数、数理统计和概率论3门数学课程,在有教学条件和学生能力足够的情况下,应增设相关数学课程。