郭庆胜,蔡忠亮
(武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079)
“GIS工程设计”的实验教学模式研究
郭庆胜,蔡忠亮
(武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079)
摘要：“GIS工程设计”的教学目的是培养学生GIS设计的综合能力，因此,该课程的实践教学很重要。本文提出将“GIS工程设计”的实践教学体系分为基础实验和综合设计两部分，研究实践教学安排，改善实习的考核体系和辅助教学方法，形成一套高效的实践教学模式。
关键词：实验教学；GIS工程；基础实验；教学模式
地理信息系统(GeographicInformationSystem，GIS)专业是一个综合性的多学科交叉的实践型学科，在教学过程中考虑面向工程和面向应用是非常必要的[1-2]。在“GIS工程设计”课程教学过程中，不仅要培养学生使用GIS软件构建一个GIS应用系统的能力，还要重视培养学生的GIS软件设计与开发能力。因此，在“GIS工程设计”课程中设计科学的实验内容，探讨符合学科特点的教学方法，建立有效的实验教学模式是非常必要的。
“GIS工程设计”是武汉大学地理信息系统专业课程体系中一门重要的专业必修课程，旨在培养学生设计GIS的综合能力。该课程也是一门涉及多门学科的综合性课程，在学习这门课程之前, 学生需要学习相关基础课程, 具备一定的背景知识和扎实的理论基础。具体来说, 这些课程主要包括: 地理信息系统原理、地图学、计算机图形学、计算机程序设计、数据结构、数据库原理等[3-4]。
“GIS工程设计”也是一门实践性很强的课程，除了在课堂上用一些案例辅助教学外，还要充分利用基础实验和综合设计等实践手段。基础实验教学作为该课程关键的教学实践环节之一,能够加强学生对课程知识点的理解和掌握。在学生具备一定的GIS设计与开发的基础知识之后，就可以进行应用型的GIS开发综合性设计。通过综合性、设计性、研究性的GIS设计与开发的训练，能有效地培养学生的专业性思维方式，提高学生分析专业问题和解决专业问题的能力，促使学生养成良好的专业科学素养。在GIS专业的实验教学方面,很多学者探讨了开放式实验教学方法[5]，重点研究了GIS软件设计中实验教学的实验内容[6-11]，并分析了教师队伍的建设方法[12]。在教学过程中总结出一种比较有效的“1(基础)+1(综合)+D(多元环境)”的实验教学模式，该模式可以提高学生的自主学习和动手能力，避免扼杀GIS专业学生的主动性和创新性。
1实验环境的选择
实验教学重在培养学生实际解决专业问题的能力，GIS工程与计算机软件密切相关，因此在实验教学中应当特别注意选择所使用的开发平台、程序语言和软件开发方式。所依据的重要原则是：学生的实验环境尽量与当前GIS产业发展的需要相适应，面向国家发展需要[1-2]，面向GIS工程。
.NET平台是由一组用于建立Web服务应用程序和Windows桌面应用程序的软件组件构成，包括.NET框架和.NET开发工具。.NET平台有很多优点：支持多种语言的互操作，可跨多种操作平台，具有很高的安全性，支持HTTP、XML等各种网络标准和协议。如今，多数地理信息系统的开发均基于COM技术，而.NET平台对COM技术有很好的支持。同时，该平台自身的优越性也决定了其在开发地理信息系统中的广泛使用。C#是从C和C++语言演化而来，是Microsoft专门为使用.NET平台而创建的。其语法比较简单，但是功能非常强大，相比其他语言具有很多优点，学生学习入门也比较快。
ArcGISEngine(简称AE)是用于构建定制应用的一个完整的嵌入式的GIS组件库。利用ArcGISEngine对GIS进行开发可以满足用户的需求,所设计的应用程序具有直观、便捷等特点。利用这种技术, 可以极大地缩短系统的开发周期, 提高开发效率。可见，这种基于组件式的GIS二次开发具有广阔的应用前景。
基础实验和综合设计均是在.NET平台下利用ArcGISEngine组件库进行GIS软件设计与开发。考虑到学生学习该课程时所掌握的计算机基础知识，学生依据自己对计算机程序语言的熟悉程度选择VC，C#，VB或C++等，这样就增加任课老师的教学工作量和讲课的难度。实验平台选择的多元化有利于学生根据自己的知识结构选择最节省的计算机语言学习时间，把主要精力投入GIS工程设计中。
“GIS工程设计”教学与有些课程是紧密关联的，在GIS专业的教学计划安排上就应当考虑这个问题，同时也应当在该课程开设之前让学生们明白这种关系。就知道要学好“GIS工程设计”必须先掌握哪些基础知识。其次，主讲老师在课程的教学过程中也容易调整教学内容和分配教学时间，以便学生能顺利理解和掌握该课程的学习内容。“GIS工程设计”课程的前期核心课程包括：计算机编程语言(VC，VB，C#或C++等)、地理信息系统基本原理、GIS软件应用(ARCGIS)。由于该课程的课时有限，因此需要学生在上该课程之前复习这些前期课程，特别是需要熟悉计算机编程语言。
计算机编程语言是GIS工程中的基本工具，随着计算机技术的发展，编程语言的种类非常多，应当让学生明白：在学习过程中应该注重培养自己快速掌握编程语言的能力，至少应当熟练掌握GIS专业常用的编程语言。为了顾及学生所熟悉的计算机编程语言有所不同，学生在构建GIS软件时可以选择自己熟悉的某一编程语言，也可以用指定的编程语言，在教学过程中主要用VB或C#。
2基础实验内容的设置
基础实验是与课堂理论教学同步且紧密结合的上机操作课，要求学生通过基础实验环节能够掌握地理信息系统工程设计与开发的基础知识。
根据课堂理论教学内容与实验教学内容相结合的原则，对理论知识体系和基础实验内容进行科学分析和整合，确定基础实验的内容和实验教学目标是非常必要的[3]。“GIS工程设计”的基础性实验是强调让学生掌握快速构建一个小型地理信息查询系统框架的方法及其相关基础知识。在实习过程中，考虑到教学课时的限制，需要让学生先快速掌握AE的使用方法，针对他们将要构建的系统而言，主要是掌握使用AE构建一个系统的基本步骤、主要接口的使用方法等。在学生熟悉了所使用的软件开发环境后，就可以依据软件工程的要求进行软件设计与开发。
基础实验内容是每个学生必须掌握的基础知识，“GIS工程设计”课程的基础实验内容如表1所示。
3综合性实验设计
“GIS工程设计”综合性实验基本上涵盖了该课程的主要知识点，学生利用这些基础知识解决GIS工程中的问题是该实习的主要教学目标。在教学过程中采用“问题式学习”教学方法，以问题为中心，与课程内容相联系，学生参与全过程，解决真实的GIS工程设计问题。为此，在实习之前采用基于类似工程或案例的方式进行教学，这是国外许多著名大学所采用的教学方法。 实习要求学生围绕一个适当规模的应用型GIS进行软件设计与开发，根据所学理论知识和方法进行系统分析、设计，并实现(或部分实现) 系统功能。
综合性实验分为两类：课内的实验和课外的实践。课外实践的方式主要是鼓励学生参加老师的GIS工程项目或参加有些组织举行的GIS设计大赛。
表1 基础实验的主要内容
3.1综合性实验的内容选择
由于实践教学环节时间限制，让学生对一个陌生领域GIS系统进行设计与开发不太可行，那样会在熟悉专业知识上消耗学生很多的时间与精力，从而偏离了实践教学的目的。而像面向新生的校园信息查询系统、城市公交查询系统、城市旅游景点查询系统等系统的业务功能简易直观，和学生日常生活联系也比较多，学生对此类系统的开发设计有兴趣和热情，作为待建系统是不错的选择。
综合性实验的初始地图数据由教师提供, 学生需要结合相应的专题由自己通过网络获取相应的专题数据或更新数据。当前网络上获取地图数据的途径很多，例如，天地图、GOOGLE等网站。学生再根据自己系统开发的需要对数据作进一步处理，以此培养学生获取空间数据和集成空间数据的能力。GIS工程的首要任务就是“需求分析”，其中要确定需求的空间数据，以及获取途径。每一组学生需要依据所学的知识，在规定的时间内完成相应的数据获取和处理工作，最后进行空间数据的集成。从大工程观教育理论[2]来看，这样的实习内容可以培养学生的协作精神，让他们形成一种具有专业精神的工程理念，在数据获取和整理的过程中让他们懂得职业操守的重要性。
为了培养学生严格按照软件工程的要求进行GIS软件开发的能力，在综合性实验中每个学生必须完成需求分析报告、系统总体设计书和系统详细设计书的编写，这些文档必须符合相应的标准。学生往往认为，这些报告是没有必要的，他自己一个人就可以完成从需求分析到软件调试的整个过程。但一个大型的GIS工程需要一个团队来完成，这些文档也是软件工程中按照规定需要完成的标准化文档，因此在实验教学过程中强调“大工程观”是非常必要的，“大工程观”是在美国工程教育兴起的“回归工程”浪潮中被提出的，是对工程教育与科学教育进行比较后提出的一个理念[2]。
3.2课外实践的多元化
学生实践能力的培养仅仅依靠基础实验和课堂的综合性实验这两个部分的学习是不够的, 还需要通过参加一些GIS工程项目或科研活动来提高动手能力和创造能力。采用多元化的课外实践活动，让学生从GIS工程项目的不同方面学会解决专业问题，这是一种开放式的实验教学。武汉大学每年都有老师指导的学生自选的科研项目，国家也给大学生提供了有关科研项目的资助；GIS协会或GIS软件公司每年主办的大学生GIS设计与开发比赛，如ARCGIS、MAPGIS、SUPERMAP等的软件设计比赛；每年暑假有GIS企业提供的实习机会；老师提供的有关GIS工程项目的软件开发任务或空间数据库建设任务。当然，学生也可以结合毕业论文或者GIS课程集中实习来进一步提高他们的GIS软件开发能力。
学生在课外学习期间为他们提供必要的学习资料和指导是非常必要的，学校为学生建立了一个教学资源网，其中就设置了教学课件、参考书目、相关软件、实习指导书、相关信息与数据、专业网站、学习园地、专题讨论等栏目区。教学资源网可以为学生提供多种可供选择的学习方式，可以增强教学中的互动性，对学生实践环节起到了辅助和推进作用。在教学资源网上可以提供有关该课程实践环节所需要的资料供学生下载，这些资料可供学生在课内和课外学习，也可以让学生在规定的时间内提交需要讨论的问题，以便老师集中时间进行指导。
4课程实践环节的考核方法
课程实践效果的考查是一个非常重要的环节，作为实践性课程，“GIS工程设计”的考核方法应有别于其他的课程，检验的重点不是理论成绩，而是学生能否理论联系实际，最终提高自己的动手操作和实践能力。传统的考核方式比较单一，过于侧重理论，难以真实反映学生掌握知识和应用所学知识解决实际问题的能力。为此，本课程加大了实践环节的考核力度，实践环节的考核分数占本课程总成绩的45%，期终考试成绩占55%。同时直接与实习有关的教学内容占期终考试内容的50%。
实践环节的总分是100分，其中，按照实习要求完成了基本功能设计与软件开发的学生可以得80分，其它20分用于评价学生的自主学习能力、设计的创新能力和GIS工程的专业素质。自主学习能力主要体现在学生是否依据工程的需要，设计和开发了超出实习要求的功能模块；设计的创新能力主要体现在设计的理念和美学效果上；GIS工程专业素质主要体现在文档的规范程度、协作精神和学习态度等方面。如果学生只是实现了规定的软件功能，而在文档规范程度、设计效果、学习态度、专业精神等方面没有达到基本要求就需要扣分。考核过程中，我们采用了互动式和交流式的考核方法，从而考核学生在他所完成的实验成果中对工程的理解程度，同时还可以发现是否有抄袭他人成果的情况。
课程的课内实习需要强调集体协作，这体现在空间数据获取和集成阶段，因为空间数据采集的工作量比较大，学生需要以分组的形式完成一个完整空间数据库的建立。软件设计书的编写和软件开发任务，每个学生必须独立完成。在课内实习阶段，必须明确每个教学时间单元需要完成的实习任务，否则很难保证完成实习任务，每个实习阶段必须有相应的成果，例如：完成的空间数据库、需求分析报告、总体设计书、详细设计书、开发的软件和实验报告等。因此，要求学生必须有协作精神，必须按时完成实习任务，这部分体现在GIS工程专业素质的考核分数中。
大部分学生的课外实践往往在该课程结束之后，这部分的考核往往无法在该课程中体现，采取的方法是：在地理信息系统课程集中实习中对这部分学生的成绩加分，但是，对于能在该课程结束之前已经完成额外实习任务可以考虑加分的学生，则在他们的平时成绩的自主学习能力考核项目中加分。
5讨论
该课程的实习只是GIS专业整个实践环节的一个阶段，应该从整个专业建设的角度来考量，比如：如何处理与计算机基础课程之间的关系，是否需要考虑整个教学过程中使用一种编程语言，有关GIS工程设计与开发的所有实践课程是否需要一个统一的实习环境(软件平台、编程语言、数字区域)，课外实习应否从“学校模式”向“校企合作模式”转换，至少针对部分学生可以采用这种教学模式。在教师队伍的建设上应该更强调面向工程的教学，任课老师和辅导老师应该双师型，适应GIS产业培养人才的需要。
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[责任编辑：王文福]
A study of experimental teaching pattern for thecourse:The Design of GIS Engineering
GUO Qingsheng，CAI Zhongliang
(SchoolofResourceandEnvironmentScience,WuhanUniversity,Wuhan430079,China)
Abstract：The teaching aim of the course：The Design of GIS Engineering is to train the students’ comprehensive ability of designing GIS, thus the practice teaching of this course is very important. This paper proposes that the practice teaching should consist of basic experiment and comprehensive design in the internship stage of this course.The experimental arrangements are researched,and the examination system and the additional methods of this internship are improved. An effective pattern of practice teaching has been formed.
Key words：practice teaching;GIS engineering;basic experiment;teaching pattern
DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.09.017
收稿日期：2014-07-12
基金项目：湖北省高校教学研究项目和武汉大学教学改革研究项目
作者简介：郭庆胜(1965-)，男，教授，博士生导师.
中图分类号：
文献标识码：A
文章编号：1006-7949(2016)09-0077-04
