研究性教學在“GIS原理與應用”中的探索

蔡先華，張 遠

(東南大學 交通學院，江蘇 南京 211189)

在研究型大學中，采用研究性教學法培養(yǎng)大學生的研究能力和創(chuàng)新精神已成為共識[1]。高校普遍開展了大學生科研訓練計劃(Student Research Training Program，SRTP)，SRTP注重吸納學生利用課余時間參與科研，是一種以研究為基礎(chǔ)的研究性教學模式。學生參加教師的科研項目，教師指導學生進行科學研究，達到培養(yǎng)學生研究能力的目的[2]。課堂內(nèi)外研究性教學法是另一種研究性教學方法，課堂是研究性教學的重要環(huán)節(jié)，可以更好地培養(yǎng)學生的自學能力、創(chuàng)新精神和研究能力，提高學生的探究意識，學會科學研究方法。本文對將研究性課堂教學法應用于“GIS原理與應用”課程教學中進行探討，在對科學研究方法和研究性教學方法分析的基礎(chǔ)上，對課程教學進行精心策劃與組織安排，使學生在研究性學習中更好地掌握課程涉及的基本原理，了解知識的形成過程，掌握科學研究的基本方法，培養(yǎng)學生的探究精神和科學研究能力。

1 研究性教學分析

高校中研究性教學主要是通過組織大學生參加各種研究與創(chuàng)新活動，激發(fā)學生的研究與創(chuàng)新潛力[3]。目前一般采取項目化的運作模式，即高校通過設(shè)立創(chuàng)新基金對學生自主申報的研究項目給予資金支持，鼓勵學生在導師指導下獨立開展項目研究。研究課題一般分為3類：由學生自己設(shè)計的課題；企業(yè)界需求的研究課題；教師的教學、科研、生產(chǎn)、管理等不同領(lǐng)域中基礎(chǔ)性、應用型和開發(fā)型的研究內(nèi)容，經(jīng)過細化轉(zhuǎn)化為本科生能夠完成的研究課題。研究性教學旨在通過支持學生開展項目研究，發(fā)掘?qū)W生的研究興趣，訓練學生的研究能力。該計劃更加注重學生參與研究的全過程，并在研究過程中學習，為學有余力的學生提供直接參與科學研究的機會，引導學生進入學科前沿，了解學科的發(fā)展動態(tài)[4]。

通過大學生科研訓練計劃，能夠形成對課堂教學的有效補充與擴展，為創(chuàng)新人才的成長提供更加多元的選擇。課堂教學仍然是高等學校教學的主要陣地，大部分教學工作都是通過課程完成的，研究性課堂內(nèi)外教學在課程教學中具有非常重要的意義。

2 課堂內(nèi)外研究性教學方法

課堂教學在大學生的培養(yǎng)計劃中占有最大的比重，在課程教學中，講課老師普遍重視學生的課程教學基本目標的實現(xiàn)，培養(yǎng)學生掌握理論技術(shù)與方法，使學生能通過考試，完成課程教學[5]。應該說這僅僅是課堂教學的基本要求，教師更應該在課程教學中，注重培養(yǎng)學生的學習積極性、創(chuàng)新精神和研究能力。研究性教學是以學生為主體，教學重點在于培養(yǎng)學生學習運用知識、提出和解決問題的能力[6]。

在課程教學中引入研究性的教學方法將會更好地發(fā)揮課程教學主陣地的作用，通過研究性教學更有利于學生掌握理論技術(shù)，在完成日常課程教學的同時，提高學生的研究能力，培養(yǎng)研究學習興趣。

如何進行課堂內(nèi)外研究性教學，必須對科學研究方法、課程內(nèi)容做深入的分析，針對不同的課程建立科學的研究性教學方法。研究方法是指在研究中發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新事物，或提出新理論、新觀點，揭示事物內(nèi)在規(guī)律的工具和手段。這是運用智慧進行科學思維的技巧，一般包括文獻調(diào)查法、觀察法、思辨法、行為研究法、歷史研究法、概念分析法、比較研究法等。研究方法是人們在從事科學研究過程中不斷總結(jié)、提煉出來的，在課程教學中可以對這些方法加以改進，靈活運用于課程教學中。

2.1 文獻綜述研究性教學法

文獻綜述是對某一領(lǐng)域、某一專業(yè)或某一方面的問題或研究專題進行資料搜集，對其研究現(xiàn)狀(包括主要學術(shù)觀點、前人研究成果和研究水平、爭論焦點、存在的問題及可能的原因等)、新水平、新動態(tài)、新技術(shù)和新發(fā)現(xiàn)、發(fā)展前景等內(nèi)容進行綜合分析、歸納整理和評論，并提出自己的見解和研究思路而寫成的一種綜合性介紹和闡述的一種學術(shù)論文[7]。這個過程有助于培養(yǎng)學生收集、檢索、評估和有效利用信息的能力，達到培養(yǎng)學生自學能力和具有獨立開展科研工作的能力的目的[8]。

針對教學內(nèi)容，教師提出科學技術(shù)問題，可按下述步驟進行文獻綜述研究性教學：

1)搜集查閱相關(guān)文獻資料。通過搜集和查閱相關(guān)文獻資料，學生學會了科技文獻的查閱方法，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源、圖書館提供的各種資源，查找對應問題的相關(guān)文獻資料。

2)閱讀與整理。閱讀與整理是培養(yǎng)學生學習與研究能力非常重要的一種方法。通過閱讀，學生掌握了大量問題的相關(guān)知識，了解問題研究發(fā)展的基本過程。對搜集的資料進一步進行整理，選擇重要文獻資料，為下一步做準備。

3)發(fā)展規(guī)律分析。在文獻資料閱讀整理的基礎(chǔ)上，對重要文獻進行精讀，進而進行分析，可以了解問題研究中具體方法、發(fā)展的過程，發(fā)現(xiàn)問題發(fā)展的規(guī)律和方法。

4)總結(jié)最新技術(shù)方法。最后對問題解決的最新技術(shù)方法進行總結(jié)，并提出自己的見解，提出是否還有進一步研究的必要性與可行性。

5)撰寫文獻綜述，鍛煉科技寫作能力[9]。

2.2 邏輯推理研究性教學法

邏輯是在形象思維和直覺頓悟思維基礎(chǔ)上對客觀世界的進一步抽象，邏輯推理是建立在一定的知識儲備基礎(chǔ)上的。邏輯推理方法是指人們在邏輯思維過程中，根據(jù)現(xiàn)實材料按邏輯思維的規(guī)律、規(guī)則形成概念、作出判斷和進行推理的方法[10]。

邏輯思維能力是處理問題所必須的能力，通過邏輯思維研究性教學可以培養(yǎng)學生正確、合理思考的能力。

在課程教學中，有些問題的解決方法，可以讓學生運用邏輯推理方法進行解決，在掌握技術(shù)方法的同時，提高邏輯思維創(chuàng)新能力。即提高學生對事物進行觀察、比較、分析、綜合、抽象、概括、判斷、推理的能力[11]。

2.3 實驗研究教學法

杜威的實用主義教育思想體系在全球許多國家都產(chǎn)生了深遠影響，其中“做中學”教學法影響著近百年來中國教學的理論與實踐[12]。

實驗研究教學法是一種“做中學”的教學方法，學生在學習概念和原理時，教師給學生實例問題或結(jié)合科研課題，讓學生通過實驗、思考、討論等途徑去主動探究，發(fā)現(xiàn)并掌握相應的原理和技術(shù)[13]。近年來，各類全國性的GIS技能大賽和科技創(chuàng)新大賽，已經(jīng)成為檢驗實踐教學效果的重要平臺[14]。

3 課堂研究性教學法在“GIS原理與應用”課程中的實踐

3.1 “GIS原理與應用”課程教學分析

“GIS原理與應用”課程是一門研究地理信息系統(tǒng)基本理論和技術(shù)應用的課程。本課程是地理信息科學本科專業(yè)中，培養(yǎng)學生理解和掌握地理信息系統(tǒng)基本原理和軟件應用技術(shù)方法的一門必修主干課程，是學習其他專業(yè)課程和從事地理信息系統(tǒng)研究、設(shè)計與開發(fā)的必備基礎(chǔ)[15]。

本課程研究的是地理空間對象的數(shù)字表達與處理，空間分析的基本原理，課程由5大模塊組成：GIS基本概念和地理空間數(shù)學基礎(chǔ)；空間數(shù)據(jù)的組織管理理論與技術(shù)方法；空間數(shù)據(jù)的采集與處理技術(shù)方法；空間分析查詢的理論與技術(shù)方法；GIS的應用。

本課程在培養(yǎng)GIS高級工程技術(shù)人才的全局過程中，起著增強學生對GIS研究工作的適應能力和地理信息應用系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)新能力的作用。課程的教學內(nèi)容可采用研究性課堂教學法進行教學，在教授學生GIS原理、應用技術(shù)的同時，還可以培養(yǎng)學生的探究精神、研究能力。

3.2 研究性教學法應用教學實踐

傳統(tǒng)的教學計劃以使學生掌握GIS的基本理論技術(shù)和方法為主，沒有強調(diào)培養(yǎng)學生的研究與創(chuàng)新能力。在講授的過程中，學生需要花一些時間去背概念和原理，而提高理解和運用的能力比較困難，研究創(chuàng)新能力提高不明顯。近年來，課程組經(jīng)過充分調(diào)研和分析研究，將研究性教學法應用于“GIS原理與應用”課程的課堂教學，以下以3個知識模塊為例，不同的知識模塊采用不同的研究性教學方法。

1)文獻綜述研究法教學實踐：“空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”。 地理現(xiàn)象的組織、表達和存儲是GIS最核心和根本內(nèi)容，空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)反映了空間認知與地理對象建模的過程。首先通過信息素養(yǎng)教育，指導學生有效利用圖書資料、網(wǎng)絡(luò)資源以及文獻數(shù)據(jù)庫等途徑查閱相關(guān)科技文獻，獲取與“空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”相關(guān)的文獻資料。其次通過閱讀摘要、查閱相關(guān)引用等方法較為全面的認識所研究的問題，按描述類型和時間順序等方式整理搜集的資料，理清對“空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”研究發(fā)展的基本過程，即空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是GIS以地理空間認知為橋梁，對現(xiàn)實地理世界進行逐步抽象，得到不同抽象層次的空間概念，從而實現(xiàn)對地理系統(tǒng)的模擬。根據(jù)前面問題的認識和研究思路，還需進一步補充搜集部分高引用或前期遺漏的重點文獻，選擇重要的文獻資料整理匯總。然后，在文獻匯總的基礎(chǔ)上進行精讀，了解到地理空間的抽象需要建立開放式的、觀點統(tǒng)一的地理空間認知模型，目前較有代表性的研究包括OGC的九層次地理抽象、ISO的概念抽象，以及常見的三層次地理抽象等。對空間數(shù)據(jù)模型的研究從概念模型的提出、邏輯模型的建立以及物理模型的實現(xiàn)和發(fā)展角度，可溯源到具體空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))的產(chǎn)生、演化和推廣整個過程，使學生對于空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不僅知其然，還能知其所以然。最后，針對空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究的最新研究熱點和科研成果，如全空間信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型、時空數(shù)據(jù)模型、三維數(shù)據(jù)模型等空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分析各自的提出背景、結(jié)構(gòu)特征、適用范圍和優(yōu)缺點等，討論是否還有進一步研究的必要性與可行性。根據(jù)以上研究的過程，撰寫研究綜述，鍛煉科技寫作能力。

由此，通過文獻綜述研究對“空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”有了較為深入的了解，從原理、產(chǎn)生、演化、發(fā)展、應用等各角度完整理解了這一基礎(chǔ)性的重要概念，為后續(xù)的專業(yè)課學習打下堅實的理論基礎(chǔ)，并通過研究過程和論文寫作的實踐有效培養(yǎng)科研創(chuàng)新能力。

2)邏輯推理研究法教學實踐：“地球表面的模型”。 如何表述地球的形狀是地理空間數(shù)學基礎(chǔ)的重要部分，GIS處理的是地球表層有關(guān)地理要素的數(shù)據(jù)，其空間位置是以地球表面上的空間基準作為參照，如何建立空間基準首先必須確定描述地球表面的模型。人們可以感受到地球自然表面是一不規(guī)則的表面，難以用一個簡潔的數(shù)學表達式描述。如何使地球表面變得規(guī)則？人們可能想到平坦的水面，海洋表面是一個比陸地表面規(guī)則很多的曲面，用海水面表達地球表面會比自然表面規(guī)則得很多。所以產(chǎn)生了大地水準面。進一步分析，大地水準面仍然不能用簡潔的數(shù)學表達式描述，于是，想到了用與大地水準面接近的地球橢球面表示，這個橢球面可以用簡潔的數(shù)學表達式描述。進一步研究，還可以用適用于特定場合的特定數(shù)學模型表示地球表面。

由此，通過進行觀察、分析、抽象、概括、推理等邏輯分析方法，得到了4種地球表面幾何模型，進而可以完全理解地球表面幾何模型概念及應用。

3)實驗研究法教學實踐：“要素選擇原理”。 要素選擇是GIS中最常用的操作，只要打開軟件就會用到這個功能。其實現(xiàn)的基本思想是求解點與點、線和面之間的距離關(guān)系。如求解點與曲線之間的關(guān)系，實質(zhì)上是求點到曲線的距離。如果在一個數(shù)據(jù)集中有大量的線(這種情況很常見)，這個求解由于要求解曲線上到每條直線的距離，計算量非常龐大。為了減少計算時間，提高求解的效率，通常在要素選擇中采用近似求解算法，可以大大提高計算效率。如果再采用索引技術(shù)，計算量可以成幾何級數(shù)的減少。運用實驗研究教學法，讓學生編寫精確與近似距離計算程序，學生可以很好地理解要素選擇中采用的相關(guān)技術(shù)方法，并可以靈活掌握空間數(shù)據(jù)的基本索引方法。

4 結(jié)束語

課堂是研究性教學的重要環(huán)節(jié)，可以更好地培養(yǎng)學生的學習興趣、創(chuàng)新精神和研究能力，提高學生的探究意識，學會科學研究方法。本文提出3種研究性課堂教學方法，并應用于“GIS原理與應用”課程教學中實踐中，不同的教學內(nèi)容采用不同的研究性教學法，通過對課程教學進行精心策劃與組織安排，可使學生在研究性學習中更好地掌握課程涉及的基本原理，了解知識的形成過程，掌握科學研究的基本方法，培養(yǎng)學生的探究精神和科學研究能力。