基于地学专题应用的GIS软件教学模式研究

基于地学专题应用的ＧＩＳ软件教学模式研究1 引言地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)是本世纪60年代发展起来的一门融计算机技术、测绘学、遥感、应用数学、信息科学、地球科学于一身的综合和集成的信息技术[1]，是对地理空间信息数据进行采集、输入、管理、编辑、查询、分析、模拟和显示，为地学研究和决策服务而建立起来的计算机技术系统。

它以高效的数据管理能力、空间分析、多要素综合分析和动态监测能力，广泛应用于城市土地管理、城市规划、环境监测、防灾减灾、工程建设、房地产开发、商业等各个领域。

自1998年7月教育部批准新设GIS本科专业后，国内具有一定教学和研究基础的各高校都纷纷响应，积极创办GIS专业。

GIS作为该专业的一门重要专业基础课程，教学内容紧凑，理论知识集成度高，实践操作性强，集中体现在空间数据采集与数据库建立、软件系统操作、系统建立和维护、面向特定领域的分析应用和GIS软件开发技术等软件教学方面，单靠课堂教学和自主学习，学生在有限的课时内很难掌握，不可能实现既定教学目标。

软件教学是该课程极其重要的教学环节，通过软件教学不仅要加深理解和应用GIS 课程的基本概念理论知识，而且要锻炼学生的动手能力和创新精神，培养学生应用GIS技术解决专业实际问题的技能，达到高校创新型专业技术人才的培养目标要求[2-4]。

国外一些高校在课程教学中已经率先开始使用专题应用的课程教学方法，并已取得了一些进展[5]。

在该教学方法中，突出学生“在专题应用情境中思考，在实践中学习”的教学环境和学习过程，强调培养学生的专业应用技能和创造力培养。

目前国内高校中也开始尝试这种新型教学模式，在课程教学中引入面向专题应用的教学实践环节[6]。

本文以基于地学专题应用的GIS课程软件教学模式构建为背景，将GIS课程软件实验实践教学与GIS专业软件强大的地学空间分析功能模块联系起来，把课程软件教学实验实践环节以“地学专题应用”的形式引入课堂教学之中，取得了良好的教学效果，是非计算机类专业软件教学模式和创新型专业技术人才培养的有益尝试与探索。

2 基于地学专题应用的GIS软件教学模式组织传统的课程软件教学的重心和注意力主要集中在所授课程的基础知识、基本理论和方法的理解和掌握上，在制订一套相同的教学计划下，学生按部就班地遵循固定的专业课程设置计划和教学大纲学习，这种统一化和标准化的理想状态与学生实际具体学习专业软件的状况不符。

基于地学专题应用的课程软件教学模式则是建立在同课程的实际专业软件应用紧密结合，要求专业软件操作技能较高的前提上，学生对来自工程中的实际应用问题进行深入分析，学习运用专业技能知识解决实际专业问题的方法与技巧。

教学原则是培养学生“在专业软件实践应用中学习”，给学生创造更多的专业软件技能实践学习锻炼机会。

基于地学专题应用的GIS课程软件教学思路和组织实施教学的基本环节如下所述。

2.1 建立地学专题设计小组首要教学环节是建立GIS软件地学专题应用学习小组，作为课程软件实验实践教学的基本组织和实施单位。

在软件教学开始时，每5～7名学生组成一个学习小组，软件教学完成后，各小组集体完成一个GIS地学专题应用软件项目设计，并提交代码与软件报告。

2.2 教师地学专题方向指导软件教学的地学专题讲授部分可以采用教师地学专题应用科研项目讲座、学生课堂专题讨论、GIS地学专题应用小项目模拟招标等多种形式，强调指导教师与学生的直接交流和深入辅导。

可以配置2名主讲，3名助教来实施地学专题软件应用教学，每位教师可以根据自己的专业方向特长及同学的专题兴趣方向，指导不同的学习小组，完成地学专题应用项目的设计。

2.3 学生多种方式自主学习按照课程教学中学生学习的基本规律，开课前，学习小组在教师的指导下进行项目立项问题分析；课程中，学生通过课堂听讲、作业、资料查阅、文献阅读等方式掌握所需的基本理论和相关地学专题知识，并通过上机实验、相互讨论、教师指导等形式完成地学专题应用任务，以期达到学生在实践中学习的目的，培养同学独立解决实际问题的能力。

2.4 数据资源及实验室开放保证实验室资源和网络资源向学生开放，GIS专业软件运行畅通，尽可能地开放学生实验数据库和课程实习实验数据资源。

2.5 教学效果评价学生在课程结束时提交地学专题应用项目报告和进行项目设计答辩，对其取得的学习和研究的成果进行评估，鼓励同学撰写科技小论文，整理发表。

对有进一步开展研究兴趣的同学，组织他们完善其专题应用开发设计作品，参加全国的GIS高校学生作品大赛。

学习小组同学在专题应用设计时，必须做到和同学及指导教师共同讨论、交流自己的思路想法及分享地学专题应用设计成果，达到学生在专题应用设计中最大限度地锻炼和养成独立分析和解决实际问题的能力，同时锻炼学生的团队精神和专业技术创新意识，使他们认识到科研工作中的创新价值和团结协作的重要性。

3 GIS地学专题应用软件教学案例目前，GIS专业领域软件种类丰富，各有特色。

其中ARCGIS是美国环境系统研究所开发的新一代GIS专业软件，特别适用于地学专业方向GIS项目的应用开发，是目前最流行的地学专业应用研究与空间分析工程处理与分析计算工具[7-8]，在诸多领域表现其卓越的地理空间分析和应用功能，包括空间信息科学计算、地理信息工程模拟仿真、决策支持与专家系统等方面。

根据ARCGIS应用面广、专业性突出、软件功能模块强等特点，我们选择它作为GIS实验实践教学的主要软件。

以ARCGIS为主要教学软件，基于地学专题应用的GIS软件教学案例包含了ARCGIS软件的空间数据采集与转换、地学专题制图、矢量数据分析、栅格数据分析、DEM分析、空间分析、三维立体模拟等基本内容模块，针对ARCGIS 软件的强大的地学专题空间分析功能来实现GIS应用开发与设计，在软件教学实践中，结合教师的科研方向设计了以下软件教学案例专题(如表1)。

表1 基于地学专题应用的GIS软件教学案例专题3.1 空间叠加分析专题应用GIS中的叠加分析是将有关地理专题要素层进行叠加产生一个新的数据层的过程，包括栅格数据的信息复合分析与矢量数据的叠加分析，是GIS中常用的用来提取空间隐含信息的方法之一。

软件教学实践的目的是理解掌握对叠加分析的基本原理和方法，熟练掌握ARCGIS中叠加分析的方法，掌握使用叠加分析方法处理地学问题。

软件教学内容包括对矢量数据和栅格数据的叠加分析两部分。

其中重点对矢量数据进行叠加分析，利用ARCGIS中ANALYSIS TOOLS模块中，可以提供ERASE图层擦除、IDENTITY识别叠加、INTERSECT交集操作、SYMMETRICAL DIFFERENCE对称区别、UNION图层合并、UPDATE修正更新等几种功能。

图1为区域土地定级评价叠加分类结果，图2为区域生态环境质量评价叠加结果。

图1 区域土地定级评价叠加分类结果图2 区域生态环境质量评价叠加结果3.2 缓冲区分析专题应用缓冲区分析是研究点、线、面地理实体，在其周围自动建立一定宽度范围内的缓冲多边形，实现GIS数据在水平方向得以扩展的信息分析方法。

软件教学的目的是理解掌握缓冲区分析的基本原理和方法，熟练掌握ARCGIS缓冲区分析的技术方法，并能够利用缓冲区分析方法解决地学问题。

教学内容包括：点、线、面数据的缓冲区原理验证分析、缓冲区分析的实际地理应用。

ARCGIS中的缓冲区分析是基于栅格数据结构的，主要使用BUFFER WIZARD工具来设置DISTANCE。

通过大气点状污染源的扩散和根据对污染源进行分等定级的地理实际应用例子来进行缓冲区分析是比较典型的设计案例。

图3为大气点污染源缓冲区生成。

图3 大气点污染源缓冲区3.3 网络分析专题应用网络分析是基于地理矢量数据的，主要进行最佳路径选择、地址匹配、资源分配等。

实践教学目的是理解网络分析的基本原理和方法，熟练掌握ARCGIS 软件的网络分析方法并能够解决地理实际问题。

ARCGIS中的UTILITY NETWORK ANALYST模块提供了网络分析的功能。

软件教学内容包括流向分析和追踪分析，使用ARCGIS中寻找救护车最优路线、寻找最邻近的服务站、城市住房选择分析等3个地理实际应用。

图4为出租车服务路线网络分析。

图4 出租车服务路线网络分析3.4 DEM分析专题应用DEM是对地形地貌的一种离散的数字表示，是对地表进行描述的数学方法。

DEM分析是地学领域十分有用的技术手段和方法。

软件教学的目的是理解掌握DEM建立过程的原理方法，在ARCGIS中进行DEM分析的各项技术，并能解决地理专题应用。

教学案例的内容有：INTERPOLATE TO RASTER命令建立采样点数据表面，点、线数据生成TIN，TIN到GRID转换；DEM地理分析：坡度(SLOPE操作)、坡向(ASPECT操作)、平面曲率(CURV ATURE操作)等地表指标的提取；CONTOUR SURFACE提取等高线，HILLSHADE生成地表阴影、通视分析等。

图5为流域DEM提取河网分析。

图5 流域DEM提取河网结果3.5 地学制图专题应用本专题应用案例是对GIS软件应用模块使用的总结和综合，通过对前几个GIS软件空间分析地学专题应用的熟悉和练习，学生自己亲手制作一张地学专题地图。

软件教学的目的是掌握专题地图制图的一般方法和步骤，加深掌握数字化、图形编辑、色彩搭配等制图要领。

软件教学内容步骤包括实验底图专题要素选择、数字化、编辑、专题要素图例符号化、图例编辑修订、地图整饰等。

ARCGIS中的图例编辑器用于地图图例要素的设置修改，LAYOUTS模块中编辑地图的版式、图例位置等专题地图要素。

通过专题地图制作，使学生熟练掌握利用GIS 软件进行地图制作的能力。

图6为青岛经济开发区土地定级效果专题地图。

图6 青岛经济开发区土地定级效果专题图4 结束语在GIS软件教学中充分利用专业软件功能强大的地学专题应用空间分析功能，基于地学专题应用设计的软件教学模式与思路应用于GIS的软件实验与实践教学，教学效果明显，学生的创新型思维和动手能力得到显著增强和提高。

根据软件教学模式实施情况，总结以下几点教学心得与体会：(1) 学生对基于地学专题应用的软件教学这种新的教学模式持欢迎和积极的学习态度，一方面，同学在实际动手操作中理解和掌握了GIS的基本理论知识和软件实际使用技能，激发了学习积极性和热情；同时在实践应用中，加深了对地学专业基本知识和概念的掌握。

(2) 培养了学生的创新型思维，在软件教学过程中，学生能够通过查阅文献资料或设计讨论创新思路来优化自己的地学应用专题设计，这些知识在常规课堂上难以得到。

(3) 通过软件教学中加入专业科研的方式方法，锻炼了学生规范地书写研究报告的能力，为后续课程设计和毕业论文设计工作打下良好的基础，在书写报告的过程中，提高了项目报告文字表达能力，通过项目讲解和测评答辩进一步加深了对地学专题实际应用及软件基本知识的理解和操作。