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GIS教育实践能力培养问题的初步探讨

时间:2013-4-10 10:47:48 点击:

  核心提示:摘 要 GIS的学科特点决定了GIS教育的特点。本文针对GIS教育的课程特点及学科发展需求,对GIS人才素质要求进行深入的剖析,探讨了GIS实践教学的不同阶段特点,重点对不同实践教学环节的内容及特点进行分析,并结合多年的GIS教学经验,指出了各个环节实施的核心和重点内容。 关键词:GIS教育;实践...
1 引言
地理信息系统(GIS)是由计算机硬件、软件和方法等组成的计算机信息系统,能实现对对空间相关数据进行采集、管理、处理、分析、建模和显示,以解决各类复杂的规划和决策问题。GIS的物理外壳是计算机化的技术系统[1],计算机技术的发展直接关系着GIS技术水平的发展。GIS的操作对象是空间对象[1],因此,GIS和测绘学、地理学等空间科学学科有着密不可分的联系。GIS的这些特点决定了GIS教育的特点。首先,GIS教育中涉及到计算机科学、地理学、测绘学、遥感与摄影测量学、环境科学、城市科学、信息科学及管理科学等多门学科课程,GIS教学中要注意各门学科间融合和过渡。更重要的是,GIS是理论、技术与应用三者结合的学科,因此,相应的GIS教育要注意课程的理论性与实践性的结合,紧密结合GIS前沿性的知识和具体的科研项目,让学生能够及时了解学科的发展趋势和现状,提高和激发学生的专业学习热情,培养学生独立自主思维能力和动手能力。GIS实践教学环节在整个教育过程中占有重要的位置,其目的是让学生通过各种实践学习手段,建立自主思考和解决具体GIS技术问题的能力,为以后的研究和工作打下坚实的技术基础。
GIS实践教育内容主要包括空间数据获取与编辑、空间数据分析操作和系统开发等三个部分。三个部分内容相互之间是渐进的关系,学生必须首先熟悉空间数据获取和编辑,充分了解GIS数据源及数据操作,才能进一步学习空间分析操作。在前两个阶段实践的基础上,进一步地利用组件库及编程平台进行一些系统开发实践。本文重点结合本科教育及研究生教育过程中不同环节的特点,对这三个部分的实践要求进行分析和探讨。
2 GIS人才素质要求
GIS人才的特有素质要求是由GIS学科自身的特点决定的。GIS学科是由地理学、制图学、测量学、遥感学、环境科学及计算机科学基础上集成和发展而来的边缘学科,其最大的特点是多学科相关性。虽然空间分析为GIS的核心和独有的内容,但空间数据的获取及输出等基本环节是GIS中重要和基础的内容,这部分内容和测量学和制图学等学科直接相关。在很长的一个阶段里,GIS的发展主要取决于各学科技术水平的发展,这说明了GIS的技术特性。现阶段由于各领域技术的发展,GIS的发展已经由技术驱动转变到理论驱动阶段,但是,技术仍然是GIS的基础和发展的动力。GIS学科的技术性和理论性双重特性决定了GIS人才必须同时具有过硬的技术水平及较深的理论水平。
从GIS 概念上来说,GIS是一个基于数据库管理系统( DBMS )的分析和管理空间对象的信息系统,以地理空间数据为操作对象是地理信息系统与其它信息系统的根本区别。空间数据是GIS的操作对象,也是GIS中非常重要的组成部分。要深入理解和掌握GIS,必须熟悉空间数据的种类和获取手段,这些都需要学生亲自动手实践,在实践环节中真正掌握和了解空间数据的获取和处理流程。
GIS空间分析是GIS所独有的功能,也是理论的核心部分。掌握空间分析的第一个阶段是要求学生在学习了相关的概念及理论后,在平台软件上利用现成的工具实现相关的空间分析操作。这就要求学生能够在实际的软件平台上独立完成相关的操作,把这一部分内容和空间数据部分有机联系起来,完成一个简单的分析任务。第二阶段是在熟悉了相关原理后,自己动手开发一个空间分析应用软件,可以基于某个平台软件的平台上,也可以从底层开发。开发任务需要学生对整个数据的结构及操作流程原理非常熟悉,且必需要熟悉某个编程平台。所开发的系统集成GIS中所有的基本功能,如数据输入、数据库管理、空间分析和专题图输出等。
另一方面,GIS人才的素质要求是由GIS人才市场需求决定的。根据对我校学生的毕业情况的粗略统计,从已毕业学生的就业情况及学生自身倾向的工作来看,大部分学生毕业后(约占5成)会选择GIS程序员的工作,从事开发方面的工作;还有一部分(约占4成)从事GIS领域内的管理销售等与GIS相关的工作,这里面包括了GIS专业中的高级专业研究工作(包括高校教师研究及各大研究所中从事理论研究的工作)、测绘行业工作、空间数据方面的工作、相关GIS培训及技术支持等;最后大约有1成人的工作彻底和GIS无关。市场需求决定人才培养方向,这是市场经济大环境中教育的准则。显然,从上面的比例不难看出市场需要量最大的是具有扎实理论基础的技术型GIS人才。这类人才最大的特点是要熟悉计算机技术,重点是软件编程技术。同时,技术型人才要有数理化基础,掌握一定的地理知识及空间数据的获取技术。而熟悉空间数据的处理及计算机相关技术都需要在实践教育中来实现。
总而言之,由于GIS学科自身的特点以及GIS人才市场的需求,要求学生综合掌握地理学、测量学及计算机学等学科的基本理论及技术,在实践中了解和掌握GIS的内涵及关键技术。一名优秀的GIS专业人才不仅要有深厚的学科理论知识,更重要的是要有扎实的技术水平和动手能力,能够独立完成某项GIS工程任务。  
3 实践能力的培养模式
GIS的学科特点决定了GIS教育中实践教学的重要性。如何实现实践能力的培养,用什么方式才能更好的培养具有强动手能力的GIS人才?如何解决理论学习和时间学习的时间安排上的矛盾?这是每个GIS教育工作者都必须思考的问题。
在传统的教学方式中,对理论学习的重视程度往往高于实践能力的培养。每个学生首先从类似GIS概论的课程开始接触GIS概念,了解GIS的基本框架。后期,GIS专业的学生还有空间分析等延伸课程,加深GIS的理论学习。实践部分主要拘泥于集中实习方式,忽略了课间实习的重要性。要加强实践环节的教育,应该利用不同的模式,从不同环节来实现学生实践能力的培养。
首先是相关课程讲授期间的课间配套实习环节。这一环节往往被忽视,即使有课间实习,但通常欠缺针对性及完整性。GIS的相关课程内容很广,除了GIS基础理论课程外,还包括了测量学、空间数据库原理、计算机图形学等相关的课程。课堂教学使学生对新的概念有了一定印象后,应该及时安排课间实习来强化概念的理解,让学生真正理解和掌握相关的理论。课间实习关键的是时间上的及时性及内容的安排的针对性,大部分的课程可以考虑配套三分之一左右(部分课程甚至可以考虑二分之一)的课间实习,内容上要有针对性,根据每个章节的内容来由目的的安排实习内容。课间实践环节还有一种容易被忽视的方式,就是指引学生有目的的自学。现在学生大多数都有自己的电脑,具备在课余时间自学软件的硬件条件。但大多数学生苦于没方向,不知道该怎么学。教师可以根据每一章节的内容布置一些有针对性的操作性较强的任务让学生在课余时间独立完成,这种方式接近真正项目实现中的模式,可以大大提高学生的独立思考和动手能力。在实习内容的安排上,除了有针对性,还有注意内容的新鲜性,可以在条件允许的情况下,将教师的科研成果融入实习内容中,让学生体会真实项目的要求,提高和激发学生的专业热情,培养学生创新思维能力。
另一个重要的环节是集中实习。现在大多数的实践环节体现在集中实习上,这个环节也是目前占用时间最长的实践教学。要发挥好集中实习的作用,首先要从实习方式上做文章。现有的集中实习还是传统的实习模式,由教师提前准备好内容,做好详尽的实习指导书,学生只需要按照指导书的指导按部就班就能得到很好的成绩。这种教育方式还停留在中学阶段的“灌鸭式”教育方式,大多数学生不会自己去思考,永远等着老师给的答案,碰到问题了,第一反应也是找老师帮忙。这样培养出来的学生根本谈不上自己动手,每年的毕业设计中我们都会碰到这样的学生。
要改变这样的现况,可以参考国外的教学方式,在学生学习了一定的理论知识和在课间实习中掌握了一定的基本技能的基础上,以布置任务的方式完成集中实习。实习任务可以有根据实习的内容来安排多个主题,对于任务量比较大,具有综合性的任务可以考虑让多个学生协同完成。这样不仅锻炼了学生独立思考和独立解决问题的能力,同时还培养了学生的团队精神。主题最好每组不同,可以让学生共同决定主题,主题可以是偏重编程的技术型,也可以是偏重理论的研究型,充分调动学生的研究兴趣。与其同时,还要注意改变原有的考核方式。传统的考核方式主要是笔试或者上机考试,存在运气和偶然成分,还要担心抄袭的问题。如果可以根据学生最后交的成果来决定成绩,不光可以真正评价学生的真实能力,还可避免抄袭。
实践环节的最后一部分是鼓励学生在课余时间参加各种资格考试、专业比赛以及教师的真实科研项目等。这是最高级别的实践教育,要求学生已经掌握了一定的专业技术技能及开发能力。从历届的毕业生来看,参加过这一实践环节的学生比那些没有参加的学生能力要强得多。如果说在前两个阶段学生还停留在“演习”阶段的话,那么这一阶段就是“实战”阶段。要鼓励学生参加这一环节的“实战”锻炼,就要在时间和方向上引导学生。首先是在时间安排上面,一般参加这类实践活动的时间是大三阶段,教师可以提前引导学生做些准备工作,对于个别能力强的学生可以鼓励在大三前参加。我校现在的大学生科研方式是一个很好的方式。但是,在申请时间上和人数上面还需要作进一步的改革,比如可以考虑浮动的时间机制,即参加的学生不一定是某个特定的年级,应该是除了毕业生都可以申请和参加,这样可以最大程度满足不同阶段和特点学生的需求。另外,就是参加人员方面,要增加数量。大学生科研难度不大,基本达到理论学习要求的学生都可以做到,而且大多数学生都是从这个环节开始接触真实项目,完成这个项目后再去参加其它的真实项目和比赛就更加有把握,因此,尽量让更多的学生来参加大学生科研,可以为学生参加真实项目做铺垫。另一个方面是教师在这类实践活动中所扮演的角色。和上两个阶段不同,这一环节中要求学生独立完成某项任务,教师在其中只能起指引方向的作用,要留给学生足够的空间来发挥他们自己的创新和想象能力。指引方向的“度”要把握好,就是说要分清那些内容是要告诉学生的,那些工作是不能帮学生做的。本科阶段的学生有个很大的特点是思维容易拘泥于实现技术上,接到一个任务总是首先想“如何完成”问题,没有需求分析和总体设计的能力。这个是这个阶段教师要重点培养和指导学生的内容。大多数学校都设有软件工程的课程,可是,在真实项目开发中能根据软件工程思想做的学生很少。教师应该在总体设计阶段和学生一起讨论需求,指引学生根据需求自己设计总体结构和功能框架,让学生能根据需求来独立安排和实现具体的功能。完成总体设计后,教师应尽量少参与项目的开发,让学生独立解决算法设计及开发中碰到的小问题和困难。
3 不同阶段GIS实践教育模式特点分析
从教育阶段来看,现有的GIS教育又可以分为本科、硕士以及博士等三个阶段。不同阶段学生的基础不同,所要求的层次也不同,所以教育模式也不同。
在本科GIS教育阶段,由于学生初次接触GIS,因此,教学重点是基础理论和技能的培养。在学生掌握了基本的理论,逐步让学生在实践教学中培养自己的动手能力。一般的要求为至少熟悉掌握一种编程语言,熟悉空间分析操作,至少掌握一种二次开发方式。这一阶段由于课程非常多,学生的学习重点为各种GIS理论课程及相应的实习。考虑到学生的层次,这一阶段的实践教学易采用教师和学生互动的方式。
在硕士教育阶段,学生已经具备了一定的理论和实践能力,应该在保证学生基本的理论学习的基础上尽可能地让学生接触和参与实际项目的开发。和上个阶段不同,学生具备按照已经设计好的功能框架实现某些功能模块开发的能力。这一阶段和前一个阶段最大的区别在于学生课程学习的时间大大缩短,有更多的时间用于实际项目的准备和开发上。这一阶段的实践模式是让学生在实际项目中学习和掌握软件开发技术。
最后一个是博士教育阶段。在技术要求方面,由于有了相关项目的实践经验,博士研究生可以直接参与项目需求分析,完成项目总体设计及实现关键模块的开发。更为重要的是,博士教育的目的是培养理论型GIS人才,因此对理论深度的要求较高。这一阶段要求学生能够在导师的指导下,确定自己的研究领域,完成一定的理论研究和创新工作。博士阶段的实践教育方式更多的是理论方面的独立思考和创新。
4 结束语
GIS的多学科集成的特点以及GIS人才市场的需求共同决定了实践教学在GIS教育中的地位和重要性。本文从GIS人才素质要求、实践能力培养模式及不同阶段中实践教育的特点三个方面对GIS教育实践能力培养问题进行分析和探讨,强调学生的创造性思维能力及利用GIS专业知识解决实际问题的能力的培养。但是实践环节中具体课程的内容设置及时间安排等细节问题,具体实践环节的教学方式的设计等方面尚需深入。
实践能力的培养是GIS教学中重要的组成部分,要想真正改变传统重理论轻实践的教育模式,需要教师和学生的共同努力,让学生真正在掌握GIS理论的前提下培养自己扎实的动手实践能力,为GIS的高速发展提供有力的人才支持和保证。
参考文献
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作者简介:唐雪华,博士研究生,武汉大学遥感信息工程学院讲师。研究方向为空间关系及空间分析,主要从事GIS基础教学。

作者:唐雪华 来源:(武汉大学遥感信息工程学院 430079)
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