《空间信息应用实践》课程改革分析

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　　摘要：ArcGIS地理信息系统平台是行业内最具代表性的GIS软件平台，对该软件的学习与实践是3S技术相关本科专业教学工作中的重点。本文以本校《空间信息应用实践》课程的教学方法与手段为例，基于个人教学经历与经验，探讨了如何对ArcGIS软件进行有效的本科教学指导。
　　关键词：ArcGIS；空间信息；教学改革
　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）23-0079-02
　　一、引言
　　3S技术包括GIS（地理信息系统）、RS（遥感）和GPS（全球定位系统），是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。进入21世纪后，在3S技术全球高速发展的大背景下，河南工业大学信息科学与工程学院空间信息与数字技术本科专业自2012年开始招生，在专业设置中遵循武大模式，并基于区域及学校特点逐渐走出了一条特色发展道路。目前本专业已经毕业的3届本科生主要分为考研深造、进入北京超图等相关专业公司、考取相关专业公务员、自主创业等多种职业发展方式，且绝大多数毕业生均继续从事3S相关工作，学生工作单位和深造院校均对本专业毕业生给予较高评价。《空间信息应用实践》课程是本专业大三上期开设的一门课程设计，课程属性为专业必修课，课时两周，开课时间一般为学期末最后两周，该课程的先修课程为《空间分析》《空间信息与数字技术导论》《GIS原理与技术》，通过对这几门课程的学习，使学生了解专业基础知识，掌握一定的基于地学数据的基础空间分析方法，对各类专业软件的模块构成有所了解，为《空间信息应用实践》课程的深入学习及实验操作打下基础。
　　二、《空间信息应用实践》课程教学目的与基本内容
　　本课程属于课程设计，全部教学过程均在专业机房完成，选择本专业核心软件ArcGIS作为主要学习对象，经过多方比对，选用汤国安等编著的《ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程（第二版）》作为核心教材，该教材以ArcGIS 10空间分析功能为基础，通过原理介绍、软件操作及典型实例应用，使学生做到即学即用，通过本课程实践，使学生灵活运用ArcGIS专业软件解决诸多常见的实际问题，达到举一反三的效果，进而提高实践应用能力。通过本课程的教学，使学生了解基于ArcGIS的空间分析研究的各个方面内容，掌握基本的空间数据转换与处理、空间数据的可视化表达、矢量数据空间分析、栅格数据空间分析、三维分析、地统计分析、水文分析、空间分析建模等理论及数据处理方法，为后续课程的学习及将来从事相关领域的工作奠定必要的理论及软件操作基础。该课程可用于空间信息与数字技术专业中各类复杂工程问题的分析和处理，主要通过课堂讲授、课程实验和课程设计等培养学生掌握解决空间信息与数字技术专业领域复杂工程问题所需的基本理论、分析和实现方法。在课程理论知识讲授环节，使学生初步掌握解决空间信息与数字技术专业所需的基本理论及分析计算方法；在实际复杂空间信息与数字技术专业工程实践中，通过多个贴近实际的课程实验，培养学生如何应用栅格/矢量/三维数据空间分析方法等手段分析工程实践的复杂特征，从而根据实际需求，选择合适的空间分析方法设计出符合要求的数据提取及分析模型，并能评价所设计模型的优劣。在实验教学环节，以培养学生解决复杂工程问题的能力为目的，围绕课程目标安排实验项目，设计实验内容，利用空间信息与数字技术专业软件ArcGIS进行实验操作并对实验结果进行评估。
　　三、《空间信息应用实践》课程教学改革思路
　　ArcGIS是一个专业级极强的商业软件，具有非常多不同的数据处理功能，在教学过程中，笔者选择将教材每章最后的“实例与练习”作为核心讲授及实践内容，全部教材一共包括27个实例练习：某地区地块的拓扑关系建立；某市区几何网络的建立；上海市行政区划图制作；市区择房分析；最短路径问题分析与应用；学校选址；寻找最佳路径；熊猫分布密度制图；GDP区域分布图的生成与对比；山顶点的提取；地形指标提取；地形特征信息提取；表面创建及景观图制作；污染物在蓄水层中的可视化；模拟场景飞行；爆炸影响分析；克里金方法内插生成高程曲面；利用水文分析方法提取山脊、山谷线；地形鞍部的提取；沟谷网络的提取及沟壑密度的计算；明暗等高线制作建模；提取坡向变率建模；数据编辑与更新；寻找最短路径；土壤稳定性评估；找出某种珍贵药材的生长区域；城市建筑日照分析。这些实验基本包括了ArcGIS常用的空间分析功能，学生在完成这些实验的同时，也是对本专业若干核心知识深入理解的过程。经过连续5年的教学历练，笔者认为最好的本科教学方式是让学生产生浓厚的学习兴趣，提高学生的自主学习动力及能力，笔者在该门课程的教学实践过程中也逐渐摸索到一种比较有效的教学方法，主要分为三部分内容。
　　第一，前置课程铺垫。本课程在大三上半学年学期末开课，作为课程设计这种实验类课程，集中的实验实践很有必要，经过比对，这种连续两周的高强度实践模式能够强化学生对软件的理解，使学生能够充分认识ArcGIS的庞大功能，而每周只上2到4个课时的课内实验教学方式非常依赖于学生的复习与预习，效果欠佳。由于时间有限，本课程实践教学过程中大部分都是实验内容，实验原理等专业理论知识的教授无法展开讲，在实际教学中，本课程主要依赖于大三上半学年学期初开课的《空间分析》课程，该课程也由笔者讲授，该课程从空间分析的理论、方法和应用三个方面分别介绍空间分析的相关内容，在此基础上提高学生对GIS本质的了解，并使学生深入理解GIS与相关学科、相关技术的内在关系。
　　第二，课程教授方式。传统的课程设计类课程，多为教师布置一个或者多个综合类题目，学生根据相关教材自主学习与实验，教师扮演的多为纯指导者的角色。但结合实际情况，笔者认为，首先，ArcGIS的海量功能会使大多数同学无从入手；另外，目前不少学生在实践类课程中存在懒惰、厌学等消极情绪，本课程教材中的27个综合性实验如果放任由学生自主学习并实践，2周的时间基本无法完成。为使学生尽可能地学好ArcGIS，笔者在实际教学中，先将每个实验亲自做一遍，并在实验过程中讲解若干核心实验原理及专业知识基础理论，学生通过投影仪和教师讲解内容理解实验，然后学生自主实验，教师在实验室中巡视实验情况，并不断回答学生碰到的各种问题。这种教学方式先拉低了各个实验的操作难度，使学生能够轻松地做出实验结果，产生一定的满足感，使其有兴趣继续后续实验。
　　第三，课程考核方式。本课程的最终成绩由实验平时表现、实验成绩和课程设计报告成绩组合而成，各部分所占比例如下：（1）实验平时表现（占20%）：根据学生考勤、课堂提问、课堂讨论等情况给出评定成绩。（2）实验成绩（占40%）：根据学生在实验过程中的表现情况给出评定成绩。包括学生对实验内容的理解、操作正确与否、实验结果正确与否等。具体考核方法为在第2周的某天选择若干前期做过的实验内容，对每位学生进行实验现场考核，提出实验原理、操作步骤、參数设置等不同问题，根据学生回答问题情况酌情打分。（3）课程设计报告成绩（占40%）：根据结课后学生上交课程设计报告的撰写情况给出评定成绩。包括报告格式、实现步骤、实验结果等，课程设计报告内容为最后一次上课时布置的综合大实验，该实验抽取27个已完成实验中的若干实验方法及原理，基于新的数据和不同实验参数，要求学生做出综合性实验结果并撰写课程设计报告。以上课程考核方式综合考评了学生的纪律性、动手能力、专业知识理解、语言表达能力、写作能力等，最终成绩比较准确的体现了每个学生在课程设计过程中的综合表现。
　　经过以上教学方法的不断完善，《空间信息应用实践》这门课程的教学效果逐年提高，评教结果优秀，学生对该门课程表现出了极高的自主学习兴趣，学生在课堂上及课下与笔者存在大量的沟通，不断请教ArcGIS软件操作的若干问题，一些平时学习成绩较差的学生也在实践操作中对本专业产生了浓厚的学习兴趣，这也达到了笔者提高学生学习兴趣的初衷。
　　参考文献：
　　[1]汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程（第二版）[M].科学出版社，2012.
　　[2]段金龙，周颜，李卫东，张学海.《空间分析》课程改革探讨[J].教育教学论坛，2018，（3）：123-124.
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