基于CDR 準(zhǔn)則的計量地理學(xué)課程教學(xué)模式優(yōu)化設(shè)計

劉殿鋒，孔雪松，趙 翔，江 平，劉耀林

（武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 地理信息系統(tǒng)教育部重點實驗室 數(shù)字制圖與國土信息應(yīng)用工程自然資源部重點實驗室，湖北 武漢 430079）

從20 世紀(jì)60 年代的計量革命以來，在信息技術(shù)和地理信息科學(xué)發(fā)展的雙重推動下，計量地理學(xué)在理論、方法和應(yīng)用體系等方面取得了長足發(fā)展。計量地理學(xué)是以一系列數(shù)學(xué)、物理學(xué)方法為核心，以現(xiàn)代計算技術(shù)為基礎(chǔ)，以地理學(xué)經(jīng)典問題為研究對象的一門學(xué)科。作為地理學(xué)方法論的重要支撐學(xué)科，計量地理學(xué)著重強調(diào)采用一系列模型和方法揭示地理學(xué)一般性的規(guī)律，尋找地理學(xué)理論的一般范式[1-2]。

現(xiàn)代地理學(xué)的綜合化、智能化及大數(shù)據(jù)化的發(fā)展趨勢，推動著計量地理學(xué)方法體系的不斷更新和完善，對計量地理學(xué)教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)[3]。我校地理科學(xué)基地班堅持以基礎(chǔ)科學(xué)研究為人才培養(yǎng)服務(wù)的思路，強調(diào)對學(xué)生課堂知識學(xué)習(xí)拓展能力和實踐創(chuàng)新能力的綜合培養(yǎng)，要求在計量地理學(xué)等主干課程上開展個性化教學(xué)[4]。為了適應(yīng)計量地理學(xué)發(fā)展新趨勢和基地班建設(shè)需求，開展教學(xué)模式優(yōu)化研究勢在必行[5]。

1 計量地理學(xué)發(fā)展趨勢與教學(xué)困境

1.1 發(fā)展趨勢

計量地理學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用、數(shù)理規(guī)劃模型應(yīng)用、地理信息系統(tǒng)（geographical information system，GIS）拓展和地理計算四個階段[2-7]。統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用階段主要采用因子分析、回歸分析等傳統(tǒng)統(tǒng)計分析方法解決地理問題。數(shù)理規(guī)劃階段則促進了規(guī)劃方法、決策方法、網(wǎng)絡(luò)分析方法，以及數(shù)學(xué)物理方法、模糊數(shù)學(xué)方法、分形幾何學(xué)方法、非線性分析方法等一系列現(xiàn)代方法的應(yīng)用，解決多因素、復(fù)雜結(jié)構(gòu)和動態(tài)特征等復(fù)雜地理問題的能力顯著提升。地理信息系統(tǒng)革命借助GIS 的空間顯式化平臺，實現(xiàn)了傳統(tǒng)計量地理學(xué)方法的空間化拓展，并為計量地理學(xué)方法引入了空間依賴性、空間異質(zhì)性等一系列空間理論。20 世紀(jì)90 年代至今，計量地理學(xué)進入地理計算時代，時空數(shù)據(jù)挖掘、空間優(yōu)化決策、時空模擬預(yù)測以及人工智能等全新應(yīng)用模型不斷被納入學(xué)科方法體系之中，高性能計算、云計算等嶄新計算模式的引入更有效提升了計量地理方法的計算效率。

從上述發(fā)展歷程看，計量地理學(xué)方法呈現(xiàn)出體系復(fù)雜化和應(yīng)用綜合化兩大趨勢[8-9]。依托信息技術(shù)的快速發(fā)展，計量地理學(xué)方法體系日益龐大，融合了傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)方法、物理學(xué)方法、經(jīng)濟學(xué)方法、數(shù)理與規(guī)劃模型、地理信息方法、時空優(yōu)化決策以及人工智能方法等多類型方法模型。同時，計量地理學(xué)方法的應(yīng)用方向也日益拓展，所解決的地理問題呈現(xiàn)出多維化、非線性化、動態(tài)化和時空決策化等顯著特征。

1.2 教學(xué)困境

計量地理學(xué)的兩大發(fā)展方向形成了地理問題復(fù)雜多維性與計量方法體系龐雜性的N×N 對應(yīng)關(guān)系，對計量方法適用性提出了巨大挑戰(zhàn)，進而導(dǎo)致了當(dāng)前計量地理學(xué)教學(xué)過程中的三類典型問題，即系統(tǒng)化的計量思維支撐不足、分類化的計量方法認知薄弱和模式化的創(chuàng)新應(yīng)用缺失。

1.2.1 系統(tǒng)化的計量思維不足

根據(jù)建構(gòu)主義教學(xué)原理，教師指導(dǎo)下的學(xué)生自主學(xué)習(xí)是有效開展教學(xué)活動的關(guān)鍵，既強調(diào)學(xué)習(xí)者的主體作用，又不能忽視教師的指導(dǎo)作用。因此，在知識建構(gòu)過程中，教師需要幫助學(xué)生掌握系統(tǒng)化的思維方式。當(dāng)前計量地理學(xué)教學(xué)注重計量方法原理與流程的講解，強調(diào)面向應(yīng)用的模型構(gòu)建與實踐應(yīng)用，這有助于學(xué)生深入掌握具體的計量方法。但計量地理學(xué)方法體系龐雜，若教學(xué)過程過多強調(diào)對具體方法知識點及其應(yīng)用的講解[10]，存在只見樹木不見森林的不足，學(xué)生難以對方法體系形成一體化的認知。從建構(gòu)主義教學(xué)視角出發(fā)，現(xiàn)有計量地理學(xué)碎片化的章節(jié)式教學(xué)缺少對基本知識點框架結(jié)構(gòu)以及方法體系要素組成的講解，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以形成一種系統(tǒng)化的思維模式，對計量地理學(xué)方法體系的整體與局部均了解不足，難以通過具體方法與知識點學(xué)習(xí)達到見微知著的效果。

1.2.2 分類化的計量方法認知薄弱

計量地理學(xué)的本質(zhì)在于為解決地理學(xué)問題和尋找地理學(xué)一般性法則提供方法支持。地理學(xué)作為綜合性學(xué)科，所包含的問題復(fù)雜多樣，進而催生了龐雜的計量地理學(xué)方法體系。分類化的計量方法認知強調(diào)以解決實際問題為導(dǎo)向，根據(jù)典型問題進行方法歸類，提煉方法公因式形成統(tǒng)一的應(yīng)用框架，為具體方法應(yīng)用提供指導(dǎo)。但是，當(dāng)前計量地理學(xué)教學(xué)基本以方法個體為中心，對面向同類問題的不同方法之間的橫向比較不足，更缺少對同類方法應(yīng)用框架的提煉，這在很大程度上難以培養(yǎng)學(xué)生在實踐過程中科學(xué)選擇方法的能力[11]。

1.2.3 模式化的創(chuàng)新應(yīng)用欠缺

計量地理學(xué)的發(fā)展就是一個方法不斷創(chuàng)新的過程。例如在計量地理學(xué)的第一發(fā)展階段，傳統(tǒng)回歸分析是揭示地理系統(tǒng)要素關(guān)系的重要方法，但隨著空間理論的完善和發(fā)展，學(xué)者們在其基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出了空間回歸分析、地理加權(quán)回歸分析等適用于地理空間規(guī)律的系列方法。與計量地理學(xué)發(fā)展特征相對應(yīng)，創(chuàng)新思維與創(chuàng)新應(yīng)用也應(yīng)該是計量地理學(xué)教學(xué)的重點任務(wù)之一[12]。通過創(chuàng)新思維的良好訓(xùn)練，學(xué)生應(yīng)該具備靈活應(yīng)用和改進相關(guān)計量方法求解地理問題的能力。當(dāng)前的計量地理學(xué)教學(xué)缺少啟發(fā)式思維，尤其缺少對創(chuàng)新模式的探討，一定程度上影響了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 CDR 準(zhǔn)則及計量地理學(xué)教學(xué)模式優(yōu)化

計量地理學(xué)方法體系和基本地學(xué)問題維度的擴張必然導(dǎo)致二者之間產(chǎn)生N×N 的對應(yīng)關(guān)系，教學(xué)過程中需要關(guān)注二者關(guān)系的適配性，從而提升對學(xué)生在實踐過程中方法優(yōu)選和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[13]。針對現(xiàn)有趨于固化的教學(xué)模式，基于建構(gòu)主義教學(xué)理論，本研究在分析地理學(xué)與計量方法發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種新的計量地理學(xué)教學(xué)模式——CDR 準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則主要包括建構(gòu)（construction）、解構(gòu)（deconstruction）和重構(gòu)（reconstruction）三個階段，分別針對計量地理學(xué)教學(xué)過程中方法的系統(tǒng)化認知、分類化應(yīng)用及模式化創(chuàng)新三個方面給出一般性的解決方案?；贑DR準(zhǔn)則的計量地理學(xué)教學(xué)模式如圖1 所示。

2.1 計量視角的建構(gòu)

計量視角建構(gòu)的目的在于提出一種計量地理學(xué)方法體系的一般化描述框架，從而有助于培養(yǎng)學(xué)生的模型化思維，促使學(xué)生通過基礎(chǔ)知識點的連接與建構(gòu)實現(xiàn)從碎片化知識點學(xué)習(xí)到結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變。計量視角的構(gòu)建是通過計量地理學(xué)方法體系的要素化描述實現(xiàn)的，即從基本理念、基本模型和數(shù)據(jù)載體三類關(guān)鍵要素出發(fā)，展示計量地理學(xué)方法體系。其中，基本理念部分著重對方法的地學(xué)原理和假設(shè)條件進行梳理，基本模型部分重點關(guān)注對模型的框架和應(yīng)用范圍的介紹，數(shù)據(jù)載體部分則從模型輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)形式兩方面進行描述。

圖1 基于CDR 準(zhǔn)則的計量地理學(xué)教學(xué)模式

具體來說，基本理念部分重點介紹地理學(xué)的基本原理，包括地球表面差異性、人類決策行為差異性和人與環(huán)境相互作用的系統(tǒng)性三類，整合空間依賴性、空間異質(zhì)性、多維多尺度等十幾種基礎(chǔ)原理作為模型假設(shè)條件分析的支撐。如在講解空間回歸方法時，著重強調(diào)空間依賴性理念作為前提條件及其在模型構(gòu)建中發(fā)揮的作用?；灸Ｐ椭饕榻B模型框架及其應(yīng)用范圍，講授同類方法模型框架的一致性和差異性。數(shù)據(jù)載體則主要介紹計量方法涉及的所有數(shù)據(jù)組成和數(shù)據(jù)形式，重點強調(diào)橫截面數(shù)據(jù)、時間序列數(shù)據(jù)、混合橫截面數(shù)據(jù)和平板數(shù)據(jù)與不同模型數(shù)據(jù)需求的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 方法類別的解構(gòu)

該部分主要包括兩個層次，面向地學(xué)問題特征的計量方法體系解構(gòu)和具體模型方法的計量要素解構(gòu)。其核心在于通過解構(gòu)實現(xiàn)計量方法的模塊化學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生有效搭建知識結(jié)構(gòu)。計量地理學(xué)方法體系解構(gòu)主要面向地理問題的類別特征，根據(jù)從非空間到空間、從靜態(tài)到動態(tài)、從結(jié)構(gòu)到功能、從分析到?jīng)Q策、從個體到系統(tǒng)、從低效到高效等準(zhǔn)則，對計量地理學(xué)方法進行歸類分析。具體在教學(xué)過程中，可以將計量地理學(xué)方法分為數(shù)據(jù)獲取、格局分析、關(guān)系解釋、預(yù)測模擬、優(yōu)化決策和效率提升六個單元，在各單元內(nèi)部，可將具體方法按照發(fā)展趨勢進行排序。例如，按著從非空間、空間到時空的原則，將回歸分析、空間回歸、地理加權(quán)回歸、時空地理加權(quán)回歸歸類為地理關(guān)系解釋類方法。

針對同一類別的模型方法，可以進行計量三要素解構(gòu)，即梳理模型的基本理念、模型框架和數(shù)據(jù)載體特征，為方法橫向?qū)Ρ纫约胺椒▌?chuàng)新模式構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。例如，對空間滯后回歸分析方法進行要素解構(gòu)，可以講解其基本理念為空間依賴性與傳統(tǒng)回歸模型的整合，其模型框架是在傳統(tǒng)回歸分析所包含的自變量、因變量和回歸殘差項三部分基礎(chǔ)上拓展了能夠表達空間依賴性的空間關(guān)聯(lián)項，數(shù)據(jù)載體則多以橫截面數(shù)據(jù)為主，并且需要對因變量數(shù)據(jù)進行空間自相關(guān)性分析。

2.3 創(chuàng)新模式的重構(gòu)

對方法的實踐應(yīng)用是計量地理學(xué)教學(xué)的落腳點，而面向不同地理學(xué)問題的方法創(chuàng)新應(yīng)用則是核心教學(xué)任務(wù)之一。依托計量視角建構(gòu)和方法類別解構(gòu)，本研究建立了一種計量地理學(xué)方法創(chuàng)新模式。該模式以建構(gòu)主義原理為基礎(chǔ)，通過分析模型假設(shè)條件以及同類別模型發(fā)展歷程，總結(jié)模型中基本理念與框架的結(jié)合方式，形成一種 “理念+模型” 的組合式創(chuàng)新理念。

同樣以關(guān)系解釋模塊的模型為例。通過梳理可知，傳統(tǒng)回歸分析的基本理念之一（或假設(shè)條件）為樣本獨立分布，空間回歸基本理念則打破了樣本獨立假設(shè)并融入了空間關(guān)聯(lián)性，地理加權(quán)回歸分析更是在打破樣本獨立和空間同質(zhì)性假設(shè)的同時，引入了空間關(guān)聯(lián)性和空間異質(zhì)性理念。相應(yīng)地，在理念指導(dǎo)下的回歸模型產(chǎn)生了一系列變化，空間回歸增加了空間關(guān)聯(lián)項，而地理加權(quán)回歸則增加了空間異質(zhì)回歸參數(shù)（空間關(guān)聯(lián)項隱含在空間異質(zhì)回歸參數(shù)求解過程中）。在教學(xué)過程中，應(yīng)著重突出上述 “理念+模型” 的組合創(chuàng)新模式，引導(dǎo)學(xué)生打破原有假設(shè)條件，進行模型創(chuàng)新構(gòu)建和應(yīng)用。例如，可以引導(dǎo)學(xué)生思考如何引入空間異向性、尺度依賴性等進行回歸分析模型創(chuàng)新，從而更好地解決實際問題。

3 結(jié)語

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)方法的逐步引入，計量地理學(xué)方法體系呈現(xiàn)出復(fù)雜化、智能化和高性能化的發(fā)展趨勢。與之相應(yīng)地，計量地理學(xué)的教學(xué)重點也需要逐漸從點狀的方法個體認知向網(wǎng)狀的方法體系認知轉(zhuǎn)變。新的教學(xué)模式需要有效給出計量地理學(xué)復(fù)雜方法體系的框架描述，培養(yǎng)學(xué)生面向地理問題的系統(tǒng)化方法認知和模式化方法創(chuàng)新能力，使學(xué)生掌握計量方法與地理問題的靈活適配技術(shù)。

（1）系統(tǒng)化方法認知能力提升在于培養(yǎng)學(xué)生的知識建構(gòu)和方法解析能力。針對復(fù)雜的計量地理學(xué)方法體系，教學(xué)過程中應(yīng)重點強調(diào)方法模塊化與要素化講解，從建構(gòu)主義原理出發(fā)，促進學(xué)習(xí)過程從碎片化知識點學(xué)習(xí)到結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變。

（2）模式化方法創(chuàng)新能力培養(yǎng)在于使學(xué)生掌握計量方法的創(chuàng)新思路。從計量方法基本原理出發(fā)，重點講解不同方法的假設(shè)條件，結(jié)合地理學(xué)基本原理介紹方法的演進歷程，培養(yǎng)學(xué)生 “理念—模型” 的方法創(chuàng)新模式。