大数据智能时代地理信息科学专业人才培养方案的提质与实践

陈 杰,邓 敏,刘启亮,石 岩,刘慧敏

(中南大学地球科学与信息物理学院,湖南 长沙 410083)

地理信息科学专业已成为广泛涵盖测绘、地理、计算机等多学科跨领域知识的综合性、创新性、实践性的新型专业[1]。相关高校均致力于将地理信息科学专业打造成本校的特色专业。如武汉大学提出“综合交叉,理工并举”的培养特色[2];南京大学强调不断探索拔尖创新人才的培养模式[3]。

近年来,对地观测、传感器、物联感知等技术的发展,使获取对地-对人观测的海量时空数据变得越来越便捷[4]。地理信息科学专业人才培养应该主动适应新时代技术与产业变革的需求[5-6]。在大数据人工智能的时代背景下[7],有针对性地提升人才培养方案的质量,是有关地理信息科学专业给国家与行业培养和输送高层次人才的重要议题。

近年来,笔者所在学校地理信息科学在学校理工融合、厚理强工指导思想下不断发展,面向服务资源环境监测、地学应用、智慧城市建设等国家重大需求,以地理大数据、空间智能前沿研究支撑高水平教学,逐渐形成具有特色的人才培养模式。本文主要探讨地理信息科学在大数据智能时代如何提高人才培养方案质量,并分享实践经验。

1 高质量人才培养方案制订的主要原则

我国地理信息行业已经由劳动密集型向知识密集型与技术密集型转化。高质量的人才培养方案需要直接瞄准国家的重大需求、行业的技术发展、学科的基础前沿,从而使得培养的专业人才满足现代化社会的发展需要。

(1)对接国家重大需求。地理信息数据在推动高质量发展中具有基础性和先行性作用。笔者所在学校地理信息科学专业始终坚持人才培养紧密对接国家战略,广泛调研智慧城市、应急管理、可持续发展、环境保护等国家重大需求中的地理信息科学问题与关键技术。如对地理信息赋能国家重大需求涉及的基础理论、关键技术方法进行梳理,开设物联网与智慧城市课程,让学生掌握智慧城市建设的主要内涵、关键技术与应用场景[8]。

(2)面向行业发展趋势。地理信息科学专业的人才培养应当密切关注行业发展的趋势。笔者所在学校地理信息科学专业针对人才培养方案,多次深入企事业单位调研,了解用人单位的业务性质与人才需求动向,并邀请企业校外导师参与人才培养方案编制。如在人才培养过程中主动调整教学内容与实践环节,让学生及时了解地理信息关联行业的时空大数据采集、管理、分析,以及知识图谱构建、服务等相关技术[9]。

(3)紧跟学科发展前沿。基于海量、多源、异构的地理大数据,分析与预测现实规律的问题已变得愈来愈综合[10]。笔者所在学校一直坚持将最新学科前沿理论、技术与方法引入地理信息科学专业人才培养过程中。如相继开设地理智能与机器学习、人工智能数学基础等课程,让学生了解人工智能的基本概念、数学基础、理论方法、前沿技术及其应用。

(4)体现地方发展特色。笔者所在学校地理信息科学专业在人才培养过程中,紧扣湖南省战略性新兴技术与产业的发展,在将先进信息技术手段与创新人才培养深度融合的同时,以当地优势特色为支撑推进专业建设与改革,不断优化课程及教学内容。如地理信息服务、GIS工程等课程,结合湖南自然资源智慧平台建设应用实例,向学生介绍地理信息技术在全省自然资源治理体系和治理能力中的作用,使学生理解如何利用地理信息服务湖南省“三高四新”战略[11]。

(5)发挥学校专业优势。高校在开办地理信息科学专业时应继承其历史沿革并考虑专业结构。笔者所在学校地理信息科学专业结合学校在测绘、地质、环境、交通等理工学科的优势,在人才培养过程中注重不同学科领域的基本理论、技术方法的有机融合。如向学生传授地学三维建模、空气污染物浓度预测模拟、交通流时空分析等多学科交叉理论及技术应用知识,指导学生开展深部资源三维可视化预测、重金属污染动力学模拟与三维预测等综合实践。

2 GIS人才培养方案提质的思路

笔者所在学校地理信息科学专业的人才培养始终朝着国家-行业-学科发展需求与趋势的方向优化,保障学生具备扎实的理论基础和先进的专业技能。

(1)构建“基础理论-数据管理-计算技术-分析方法-工程应用”的课程分块管理体系,优化课程内容和衔接关系。为系统培养学生的地理思维、计算思维、工程思维,优化构建“基础理论-数据管理-计算技术-分析方法-工程应用”五大专业课程模块,如图1所示。

a. 在基础理论模块,依照《地理科学类教学质量国家标准》中的地理信息科学专业核心课程建议,开设了地球科学概论、地理信息系统原理与应用、地图学概论、遥感原理与应用、自然地理、人文地理、空间统计基础、人工智能数学基础等课程,让学生掌握地理、测绘、遥感、数学、人工智能等学科的基本知识和基本方法。

b. 在数据管理模块,由测量学基础为引导,开设了卫星导航定位技术应用、空间数据采集与管理、摄影测量学、泛在地理信息感知及应用、激光点云数据处理概论、地图制图与可视化、空间数据库原理与技术等课程,系统性培养学生获取、管理、处理、可视化地理空间大数据的能力。

c. 在计算技术模块,以数据结构与算法课程为基础,围绕地理与遥感数据的处理与计算开设了科学计算与Python语言、遥感数字图像处理、GIS图形算法基础、GIS算法设计、地理智能与机器学习等课程,强化学生掌握科学计算、智能分析等大数据计算的有力工具。

d. 在分析方法模块,开设了空间分析、时空大数据概论、遥感地学分析、区域分析方法、数字高程模型、三维空间信息建模等课程,培养学生具备分析地理时空大数据的能力,利用遥感影像进行地理空间信息分析的能力和进行地表与地下三维空间信息建模的能力。

e. 在工程应用模块,开设了面向对象程序设计、地理信息服务、网络地理信息系统、GIS工程、GIS应用开发、移动GIS设计与开发、物联网与智慧城市等课程,要求学生能够熟练掌握地理信息工程设计与系统开发、空间信息技术应用等方面的技能,具备良好的地理信息系统工程设计、软件开发、服务应用及项目管理能力。

课程体系在经过优化构建之后,学生在毕业设计、就业或升学方面都取得了更为广泛的成效。如2022届本科毕业论文选题就包含人类活动视角下的城市设施关联模式挖掘及可视化分析、面向城市土地利用推断的自适应加权多视角子空间聚类方法、场景相似度量下的城市污染建模迁移研究等涉及地理时空大数据、人工智能、三维地学建模等诸多领域的前沿主题。此外,学生的就业与升学也涵盖了自然资源、交通水利、国土规划、测绘遥感、IT、互联网等多个行业方向。

(2)紧跟大数据智能时代的学科专业发展要求,修订完善专业课程体系。人工智能技术快速进步给地理空间问题研究与应用的智能化发展和融合创新带来了新机遇和新挑战[12]。地理信息科学专业的人才培养应该要求学生掌握时空大数据的处理与分析能力,支撑自然资源调查监测、国土空间规划、智慧城市建设与运行、突发事件监测预警及灾后恢复辅助决策等应用。为此,笔者所在学校地理信息科学专业紧跟大数据智能时代的学科专业建设要求,针对性地进行课程修订,如图2所示。

如新增人工智能数学基础课程,提升学生在大数据分析与地理空间智能方面的知识水平与实践技能;面向当前泛在测绘、群智感知等地理信息获取技术与制图模式的新发展,增设泛在地理信息智能感知及应用课程;新增空间数据采集与管理课程,向学生介绍空间数据采集与管理的基本原理、处理方法和过程;为让学生具备时空大数据分析的计算基础,并增强为地理信息各行业领域提供支撑与服务的能力,分别增设GIS算法设计、地理智能与机器学习、GIS应用开发、地理信息服务等课程,根据当前智慧城市建设的技术要求,将原来的智慧城市导论改为物联网与智慧城市。

(3)融合跨多学科的领域知识,实现“理论基础-计算分析-工程开发”多层次综合交叉。笔者所在学校地理信息科学专业在发展过程中与测绘科学与技术、地质工程与地质资源学科关联密切[13],在人才培养上兼顾工科与理科的特点来培养高水平地理信息技术人才的综合素养与能力。考虑到国家需求与行业趋势对信息技术有较高要求的特点[14-15],开设了跨地理、遥感、测绘、地质、计算机、大数据、人工智能等学科的课程(如图3所示),有助于学生具备系统性的专业知识及跨学科背景的批判思维和综合思维,并学会利用计算机工具解决地理信息领域中的问题。如该专业的师生在第一届中国地球科学大数据挖掘与人工智能挑战赛中,综合运用地理学、地质学、数学、大数据、人工智能等多学科领域交叉知识,从150个参赛队伍中脱颖而出,荣获全国一等奖。近5年,该专业的学生在老师指导下开展了近70余项大学生创新项目,充分体现了学生对不同领域知识的掌握能力。

图3 “跨领域知识融合”与“多层次综合交叉”相衔接

3 结论与展望

专业人才培养工作是高校的根本任务,体现了专业人才培养目标和专业人才培养的要求,是高质量人才培养的重要基础。笔者所在学校地理信息科学专业人才培养坚持以国家-行业-学科发展需求为导向,以适应大数据与人工智能时代对人才的能力需求为驱动力,积极探索人才培养质量的提升举措,并在课程设置、课程教学内容、教学模式、实践教学等方面不断探索积累高质量人才培养经验,取得了一系列成效。目前,已将空间分析建成为国家一流课程,地理信息系统原理与应用建成为湖南省一流本科课程,地图学概论、空间统计基础、遥感原理与应用等建成为笔者所在学校金课,先后编写《空间分析》《空间数据可视化》《GIS工程与应用》《遥感原理与应用》等专业核心课程教材12部。此外,还鼓励学生积极参与相关学科竞赛,检验学生的解决问题的能力及教学过程的效果与质量。近年来,笔者所在学校连续获得全国大学生GIS应用技能大赛、全国高等学校大学生测绘科技论文大赛、全国地球科学大数据挖掘与人工智能挑战赛最高奖。今后学校将继续思考互联网+、大数据、人工智能等对专业人才培养重点的新要求,进一步完善培养方案、优化资源配置、改革教学方式、提升实践平台,多层次全方位创造条件为国家和社会培养有知识、会思考、懂交叉、能创新的新型地理信息科技人才。