高校地理信息技术相关课程上机实验教学探索和体会

【摘要】 笔者从2008年起开设了跨专业全校性本科生选修课《地理信息技术与数字地球》、研究生选修课《地理信息技术及其在海岸带管理中的应用》，深刻体会到让不同专业背景与学习层次的学生都能理解地理信息技术的专业知识并学以致用，课堂上机实验至关重要。本论文围绕课程上机实验教学的探索与实践，详细介绍地理信息技术相关课程教学大纲与上机实验方案的设计，以及开放式课程作业的设计与教学效果评估，最后进一步总结了几点心得体会，供同行借鉴与参考。

【关键词】 地理信息技术；GIS；上机实验；高校教学

引言

1998年1月31日，美国副总统戈尔在美国加利福尼亚科学中心发表了题为《数字地球：二十一世纪认识地球的方式 （The Digital Earth：Understanding Our Planet in the 21st Century）》的讲演，提出了“数字地球”（Digital Earth）的概念。戈尔在讲演中指出：我们需要一个“数字地球”，一个可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的、真实地球的三维表示［1］。戈尔关于“数字地球”的这些观点引起了科技界的高度重视与响应。21世纪已进入数字化时代，谷歌地球（Google Earth）、数字城市、电子政府等词汇与理念开始深入人心。2004年8月，地理信息技术与生物技术、纳米技术被美国劳工部并列为三大最具前景的新兴产业［2］。我国在这个世纪初以来，也注重地理信息技术专业人才的培养，各种地理信息技术相关的优秀教材也不断出现［2-4］。

笔者从2008年开始给本科生和研究生讲授地理信息技术课程。其中本科生课《地理信息技术与数字地球》为跨专业全校性选修课，研究生则为全英文教学的海洋事务硕士生选修课《地理信息技术及其在海岸带管理中的应用》。从选修学生的专业背景知识来看，文理工兼具，层次也参差不齐。如何让不同专业的学生能理解地理信息技术相关专业知识，课堂上机实验的设计对于这两门实用性很强的课程尤其重要。本文主要以这两门与地理信息技术相关的课程为例，围绕课程上机实验的设计与探索，谈些体会，以飨读者。

1 知识背景与课程定位

据统计，地球上有超过80%的数据与空间相关，而地理信息技术是空间数据数字化的核心技术之一，是将地球上各种资源信息可视化表达、存贮、分析以方便人类生活、生产的重要技术支撑。地理信息技术是一种强有力的空间信息获取、管理和分析的工具［5］。这里谈及的地理信息技术主要为3“S”，即：地理信息系统（ GIS，Geographical Information System）、遥感（RS，Remote Sensing）、全球定位系统（ GPS，Global Positioning System）。其中，GIS 是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析和显示，并采用模型分析方法，适时提供多种空间和动态信息，为地理研究和决策服务而建立起来的计算机技术系统［6］。RS 与GPS 是两种重要的空间信息采集工具，是GIS重要的数据源。

由以上可知，地理信息技术是与计算机、地理学等学科相关性很强的一门实用型技术，并与我们的日常生活息息相关，如：利用GPS导航定位、利用谷歌或百度上的电子地图进行相关空间查询等。事实上，地理信息技术的应用领域已不再仅仅是地理学，已被应用于卫生、交通、林业、房地产、旅游、农业等各行各业中 ［7-8］。世界最大的GIS软件公司环境系统研究所Environmental Systems Research Institute（ESRI）的创建者、总裁Jack Dangermond说过，GIS的应用仅受限于使用者的想象力。也因为这样，从2008年开课以来，学生选修这门课的积极性较高，不论他们的专业背景是历史、音乐、哲学、英语、或是化学、生物、建筑、机械自动化与计算机等。表1列出了2010－2011年开设的本科生全校性选修课和海洋事务硕士生选修课两门课的选课学生的专业及人数构成情况。

表1 选课学生专业及人数构成

由表1可见，两门选修课，无论是本科生还是研究生的课程，选课学生的专业背景五花八门，这给教学与上机实验带来了一定的挑战。但无论是全校性本科生选修课，或是全英文授课研究生选修课，本课程的定位都是一致的，即结合自身的课题研究成果，如GIS在流域与海岸带管理中的应用等，介绍地理信息技术的基本功能及其应用，让学生了解地理信息技术、数字 地球与人类生产生活紧密相关，并初步掌握地理信息技术常用软件的基本操作。

2 课程设计与上机实验教学方案

围绕上述课程开设的定位，进行了课程的整体安排与上机实验教学的设计。表2为全校性本科生选修课《地理信息技术与数字地球》课程的整体设计。由表2可见，涉及到GIS、RS软件实际操作与课程作业的第4、7和8讲，占整个课程课时（36课时）的近60%（22课时），这是出于该课程实用性较强，需有足够时间保证上机的考虑。

表2 全校性本科生选修课《地理信息技术与数字地球》之课程设计

基于同样的思路，开展了海洋事务研究生选修课的课程设计，详见表3。由表3可见，有关ArcGIS软件学习的时间占用了20个学时，并进一步设计了两个有关GIS软件的课程实践（作业），目的是保证学生有充分的时间上机练习及完成课程作业。

表3 海洋事务研究生选修课《地理信息技术及其在海岸带管理中的应用》之课程设计

在保证让学生在课堂上有时间能自己动手操作软件的前提下，基于课程的定位，为了让学生掌握一些基本的软件功能，进一步设计一些能使不同专业背景的学生都能感兴趣的上机内容。表4进一步给出了本科生选修课《地理信息技术与数字地球》第4讲（表3）的上机实验设计。需要强调的是，本科生教学所涉及到的GIS软件为MapInfo和ArcView两个较易上手，界面友好同时对机房的硬件要求不高的桌面式GIS软件，主要的参考教材是《地理信息系统导论》（第一版）［3］。

表4 《地理信息技术与数字地球》之第4讲上机实验设计

通过上机操作，学生基本上掌握了空间数据采集（数字化）与编辑、属性数据输入与管理以及专题地图制作等基本的GIS软件操作，从课程难度上也较适合于这些跨专业（文理工兼具）的本科生。

对于海洋事务研究生选修课《地理信息技术及其在海岸带管理中的应用》，表3所列的第2－10讲“ArcGIS软件学习”的上机内容进一步展开如表5所示。需要说明的是，由于是研究生课程及上机条件的改善，学习的GIS软件为ArcGIS，主要的教材是《地理信息系统导论》（第三版）［2］。该教材有中文导读，其它内容包括上机说明都是英文，是现有较适合作为GIS英文教学的教材。在实际授课中，针对每一讲，采用“概念与原理介绍”与“上机实践”两部分相结合的形式，有效地保证了学生的上机时间。

表5 《地理信息技术及其在海岸带管理中的应用》第2－10讲之上机实验模式设计

由表5可见，尽量课时有限，但基于研究生具有一定的自学能力的考虑，通过这样的上机实验设计，学生较为系统地掌握了GIS软件的基本功能如空间数据采集、编辑、制图、简单的缓冲区分析、空间叠置等空间分析，并学到了一些高级的空

间分析，如地形分析、水文分析等以及GIS模拟。

3 期末课程作业设计与课程教学效果评估

对于这两门实践性较强的选修课，如果在期末用闭卷考的形式，仅是要求学生掌握地理信息技术相关的原理、概念，则有悖于课程的定位。取而代之的是，通过结合实际情况的开放式课程作业的设计，来考核学生对课程掌握的情况，从学生提交的作品来评估教学效果。

对于全校性本科生选修课《地理信息技术与数字地球》，通过2个期末作业来评估学生课程的表现。课程作业1是“数字化厦门大学本部地图”。通过采集身边的空间数据并进行制图表达，让学生进一步掌握MapInfo的空间数据采集，属性数据录入，数据编辑以及制图等基本操作。学生较好地完成了作业，并建立了不同的空间图层，如道路、林地、建筑用地、湖泊、草地等图层（见图1A）。课程作业2是专题地图制作“中国人口分布图”，通过该作业，评估学生应用ArcView进行专题地图制作的能力。图1是这两个课程作业的学生作品。

图1 本科生课程作业（A-作业1；B-作业2）

由图1可见，学生基本掌握了对周边地理事物进行数字化与制图表达的能力。通过这样的开放式的课程作业设计，联系身边的地理现象，让学生学以致用（如厦大校园地图制作），极大地激发了他们学习这门课程的自主性和积极性。

对于海洋事务研究生选修课《地理信息技术及其在海岸带管理中的应用》，同样采用课程作业来评估学生对课程的掌握情况。作业1是有关创建GIS数据库及地理制图。其中的制图包括普通地图与专题地制作。通过开放式分组（按学生所在国家）作业的完成，让学生掌握从网上获取各种相关空间数据的数据采集方式，并进一步编辑与地理制图。作业2是利用GIS的空间分析功能并与模型结合估算流域尺度的水土流失量并表达其空间分异性（基于课题研究成果）。该作业涉及到表5中的第6、7、8、10讲的内容，可让学生进一步巩固相关知识并通过GIS项目练习对GIS的空间分析与地理表达有进一步的认识。图2和图3分别是来自美国与喀麦隆的两位学生完成的两个作品。

图2 研究生课程作业1之学生作品

图3 研究生课程作业2之学生作品

从图2－3可以看出，学生较好地掌握了地理信息技术的相关知识与软件技能。值得强调的是，图2作业是本科专业是生物学的美国学生自己从网上下载相关空间数据图层，包括行政边界、河流、道路、人口等并完成制图的，来自韩国、喀麦隆等地的学生也完成了他们各自国家专题地图制作，篇幅所限，这里无法一一列出他们的作品。显然，通过这样的课程作业设计会使他们产生能用所学的东西制作自己国家地图的自豪感和成就感，学以致用。课后来自不同国家、学习层次不同的学生的普遍反映是该课程的实用性强，能学到一些“超出预期”的东西。

4 教学心得与体会

通过三年多的跨专业本科生、研究生地理信息技术相关课程的教学实践与探索，总结如下教学心得与体会：

4.1 联系实际并明确“学以致用”的课程定位。通过课题研究的成果展示并联系身边有关空间数据的事例，让学生了解地理信息技术是解决研究问题并与日常生活紧密相关的常用工具，有效地减少了跨专业学生对这个从未曾接触的软件工具的陌生感。进一步地从实用性的角度进行课程、上机实验设和课程作业设计，让学生掌握地理信息技术常用软件的基本操作。

4.2 “概念与原理介绍”与“上机实践”两部分相结合的授课形式对于地理信息技术这种实用型技术的教学是有效的。有关地理信息技术的原理与概念介绍很晦涩难懂，在简要地对重点概念与原理介绍之后，通过给学生有具体操作步骤的上机练习，完成特定任务，在课堂上有成就感，这很重要。课程设计上要保证学生有较多的上机时间。

4.3 课程评估宜采用开放式的课程作业的形式，让学生提交作品，而非闭卷考试。通过进一步的上机操作、复习相关内容并完成作品，可以进一步巩固学生对这一实用型技术的基本功能的掌握。

参考文献

［1］ Core A. The Digital Earth：Understanding our planet in the 21th Century. Given at the California Science Center，Los Angeles，California，on January 31，1998

［2］ Chang K S著，陈健飞译. 地理信息系统导论（第三版）. 科学出版社，2006

［3］ Chang K S著，陈健飞译. 地理信息系统导论（第一版）. 科学出版社，2003

［4］ 汤国安，杨昕. ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程. 科学出版社，2006.

［5］ 黄金良，洪华生，张珞平，张玉珍. 地理信息技术在海岸带资源环境管理中的应用，台湾海峡，2003，22（1）：79-84

［6］ 黄杏元，马劲松，汤勤. 地理信息系统概论. 北京：高等教育出版社，2001

［7］ 陈慈颖. 地理信息系统在中学地理教育当中的应用. 福建地理，2002，17（3）：54-58

［8］ Longley P A，Goodchild M F，Maguire D J，Rhind D W.著. 张晶，刘瑜，张洁，田原译. 地理信息系统与科学，机械工业出版社，2007