基于項(xiàng)目式教學(xué)法的GIS軟件應(yīng)用教學(xué)與實(shí)踐

陳 偉， 高若晨， 孫文彬， 孫 灝， 趙恒謙

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.北京師范大學(xué)國有資產(chǎn)處，北京 100875）

0 引 言

GIS軟件應(yīng)用是一門教授地理信息系統(tǒng)軟件應(yīng)用的應(yīng)用型課程，在地理信息科學(xué)、測繪工程、遙感科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)中普遍開設(shè)，著眼于強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐動手操作能力，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力［1-2］。隨著社會對熟練掌握地理信息數(shù)據(jù)分析技術(shù)能力的人才需求日漸增多，GIS軟件應(yīng)用在地理信息類和測繪類專業(yè)教學(xué)中的重要性也日漸凸顯［3-4］。

目前國內(nèi)主要高校針對GIS軟件應(yīng)用的教學(xué)教材雖然較多，也涵蓋了目前主流的GIS軟件如ArcGIS、SuperMap等，但是主要還是以“灌輸式”教學(xué)為主，即以教師為主導(dǎo)，學(xué)生被動接受，其教學(xué)法主要為“教師講解功能-學(xué)生操作軟件-得出結(jié)果”［5-6］。在此過程中，學(xué)生被動地根據(jù)實(shí)習(xí)指導(dǎo)書的要求進(jìn)行操作，缺少主觀上的思考。在這種教學(xué)方法中，教師講解注重每一個(gè)知識點(diǎn)，將教學(xué)內(nèi)容分割開來，難以解決實(shí)際工程問題，且容易使學(xué)生失去興趣。此外，將學(xué)生作為“嬰兒”般進(jìn)行“喂養(yǎng)”式傳授知識，很難幫助學(xué)生主動構(gòu)建知識體系。教師在教授課程中軟件操作的實(shí)例是孤立的，也是有限的，因而即便學(xué)生完美地完成了課程實(shí)驗(yàn)的操作，但是當(dāng)遇到新的空間問題時(shí)，大部分學(xué)生還是很難將新的空間問題與所學(xué)的GIS軟件操作聯(lián)系起來［7-9］。因此對GIS軟件應(yīng)用的教學(xué)提出了新的要求，亟須引入新的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析空間問題與解決空間問題的能力，更好地適應(yīng)行業(yè)需求與未來深造的需求。

由于“灌輸式”教學(xué)存在著被動式教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高而導(dǎo)致學(xué)生分析與解決空間問題能力不足，難以解決實(shí)際的工程與科研問題，因此針對GIS軟件應(yīng)用課程，將“項(xiàng)目式”教學(xué)引入GIS軟件應(yīng)用教學(xué)中，改進(jìn)課程實(shí)踐的體系與方法，以此提升學(xué)生分析問題與解決問題的能力，提高學(xué)生動手能力，使其更好地適應(yīng)未來行業(yè)與研究生深造的需求。

1 項(xiàng)目式教學(xué)法設(shè)計(jì)

1.1 項(xiàng)目式教學(xué)方法內(nèi)涵

應(yīng)用型人才是高等教育進(jìn)入大眾化之后社會對高校人才培養(yǎng)的迫切需求［10-11］。應(yīng)用型人才即要求培養(yǎng)的學(xué)生具備解決實(shí)際問題的能力。筆者在承擔(dān)GIS軟件應(yīng)用課程后發(fā)現(xiàn)本科生在GIS軟件應(yīng)用中普遍有以下兩個(gè)問題：①不知軟件應(yīng)用在何處，即便教師在課程上列舉了GIS如何解決國土、環(huán)境、交通等方面的案例，但學(xué)生受限于其經(jīng)歷難以理解；②普遍缺少解決問題的能力，遇到空間問題并不知道如何利用已學(xué)的GIS知識進(jìn)行解決。

為了解決以上所遇到的兩個(gè)問題，在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行了革新，采用項(xiàng)目式教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)［12-13］。項(xiàng)目式教學(xué)法是以學(xué)生為主體、基于項(xiàng)目的一種教學(xué)方法。在項(xiàng)目式教學(xué)法中，學(xué)生不再是被動的知識接受者，而是知識與能力的主構(gòu)建者，教師承擔(dān)的作用也不再是灌輸者，而是在學(xué)生構(gòu)建知識與能力體系過程中的引導(dǎo)者［14］。教師在教學(xué)過程中需要做的是篩選與學(xué)習(xí)。工程實(shí)踐相關(guān)的實(shí)際問題（項(xiàng)目），引導(dǎo)學(xué)生在“做中學(xué)、研中學(xué)”，通過討論、分析與操作改變角色，變被動學(xué)習(xí)為主動解決問題。在此過程中，學(xué)生一方面可以通過教師設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)項(xiàng)目與自己提出的應(yīng)用項(xiàng)目理解GIS軟件在各行業(yè)中應(yīng)用，另一方面也鍛煉了其解決實(shí)際空間問題的能力。

1.2 GIS軟件應(yīng)用的項(xiàng)目式教學(xué)體系設(shè)計(jì)

針對GIS軟件應(yīng)用教學(xué)特點(diǎn)及學(xué)生基礎(chǔ)（一般在教授地理信息系統(tǒng)原理課程之后，且學(xué)生有一定的GIS基礎(chǔ)）［15］，在GIS軟件應(yīng)用教學(xué)中以ArcGIS Desktop為教學(xué)軟件，對GIS軟件應(yīng)用課程的教學(xué)體系進(jìn)行了改革與重新設(shè)計(jì)：

(1)減少理論學(xué)時(shí)，增加實(shí)踐學(xué)時(shí)。在實(shí)踐中將原本24學(xué)時(shí)的理論學(xué)時(shí)縮減為16學(xué)時(shí)，實(shí)踐學(xué)時(shí)增加至32學(xué)時(shí)，最大限度地延長學(xué)生動手的時(shí)間。

(2)建立4階段項(xiàng)目式教學(xué)模式。分為工具學(xué)習(xí)、簡單項(xiàng)目實(shí)踐、復(fù)雜項(xiàng)目實(shí)踐及小組項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4個(gè)階段。前3個(gè)階段由教師提供題目，最后一個(gè)階段為小組自選題并實(shí)現(xiàn)階段，由淺及深逐步鍛煉學(xué)生動手能力。

(3)可視化建模與代碼強(qiáng)制要求。傳統(tǒng)GIS軟件應(yīng)用中注重一步一步地操作，學(xué)生對操作的整體概念不足。故在教學(xué)實(shí)踐中要求所有項(xiàng)目均需用ArcGIS Model Builder進(jìn)行可視化建模，使得學(xué)生能整體了解項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過程，并可溯源分析。此外，強(qiáng)制要求學(xué)生使用ArcPy軟件實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目，強(qiáng)化了學(xué)生編程能力。

圖1所示為教學(xué)實(shí)踐中探索與總結(jié)的項(xiàng)目式教學(xué)方法。在工具學(xué)習(xí)階段為傳統(tǒng)的教師主導(dǎo)，學(xué)生跟隨方式，主要學(xué)習(xí)簡單的入門工具及建模與代碼化方法。簡單項(xiàng)目實(shí)踐為教師指引，學(xué)生操作，教師將建模方案與具體模型展示給學(xué)生，學(xué)生自主復(fù)現(xiàn)，在此過程中教師并不是一步一步教導(dǎo)，而是將整體模型展示，學(xué)生根據(jù)自己的理解實(shí)現(xiàn)；第3階段為復(fù)雜項(xiàng)目階段，教師立題，學(xué)生實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)階段教師出題，并給出大致的解題思路，學(xué)生來探索解決方法；第4階段為小組項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在此階段完全由學(xué)生主導(dǎo)，教師協(xié)助，學(xué)生根據(jù)自己興趣組隊(duì)，尋找項(xiàng)目立題，并匯報(bào)解決方法，通過解決方案匯報(bào)后查找數(shù)據(jù)、完成項(xiàng)目并匯報(bào)。該體系由淺入深，逐步提高要求，并有建模與代碼的雙重要求，對學(xué)生分析問題與解決問題能力的提升有較好的幫助。

2 項(xiàng)目式教學(xué)法實(shí)踐

2.1 工具學(xué)習(xí)階段

圖1 基于項(xiàng)目式教學(xué)法的GIS軟件應(yīng)用教學(xué)體系設(shè)計(jì)

工具學(xué)習(xí)階段主要是介紹ArcGISDesktop中常用的工具使用方法。由于學(xué)生已經(jīng)有地理信息系統(tǒng)原理先修課程，對ArcGIS的操作已經(jīng)有基礎(chǔ)，因此本課程的重點(diǎn)并不在于工具操作，而在于利用ArcGISModel Builder建模以及利用ArcPy實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的模型。如一個(gè)簡單的空間分析操作問題：有某縣的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)（多景），也有該縣的矢量邊界，如何提出該縣矢量邊界范圍內(nèi)的DEM并進(jìn)行拼接？如圖2所示，根據(jù)已有的源數(shù)據(jù)，可以通過多個(gè)ArcGIS工具（選擇、拼接、裁減）形成前后相接的工作流。這種可視化建模的好處在于使得學(xué)生對空間問題的分析與處理形成直觀的邏輯鏈路，并且由于模型已經(jīng)保存，可以使學(xué)生在操作過程中對結(jié)果錯(cuò)誤能夠溯源與修正。此外，由于ArcGIS所有的工具均可在ArcPy站點(diǎn)包中予以調(diào)用，因此學(xué)生可以將圖2所示的工作流全程以Python代碼的形式實(shí)現(xiàn)。

圖2 工具學(xué)習(xí)方法

2.2 簡單項(xiàng)目實(shí)踐

簡單項(xiàng)目實(shí)踐為教師在教學(xué)實(shí)踐過程中所選取的有實(shí)際意義的簡單案例式的應(yīng)用案例。在此過程中，教師立題，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下逐步操作并完成項(xiàng)目。如一個(gè)簡單的應(yīng)用項(xiàng)目為在售房源選擇問題。某客戶在選擇房源的過程中有以下要求：①在縣城范圍之內(nèi)的住宅；②處于不易積水區(qū)域；③離公園800 m以內(nèi)。目前已有的數(shù)據(jù)集為：①縣城矢量邊界；②易積水區(qū)域矢量區(qū)域圖；③在售房源的矢量數(shù)據(jù)集。

將問題解析為以下方法步驟：

（1）根據(jù)房源矢量數(shù)據(jù)的屬性信息表，篩選出在售的樓盤，售出的樓盤不在考慮范圍。

（2）選擇在縣城矢量范圍的在售房源，將邊界范圍外的數(shù)據(jù)剔除；

（3）將處于易積水區(qū)域的房源信息剔除；

（4）選擇在公園800 m范圍的緩沖區(qū)內(nèi)的房源。

因此，根據(jù)以上問題的解析，使用選擇、裁剪、擦除、緩沖區(qū)及相交5個(gè)工具即可完成本次項(xiàng)目的需求，如圖3所示，并最終得出在售房源的空間分布圖。

2.3 復(fù)雜項(xiàng)目實(shí)踐

復(fù)雜項(xiàng)目是立足于實(shí)際科研或工程項(xiàng)目的需求，并適當(dāng)簡化要求而設(shè)計(jì)的。在此過程中，教師將以出題者身份出現(xiàn)，僅提供項(xiàng)目思路與數(shù)據(jù)源，而學(xué)生自行解析空間問題，并進(jìn)行問題的解決。在此過程中，教師不再進(jìn)行實(shí)際操作，而是以答疑解惑的形式協(xié)助學(xué)生解決問題。在此過程中，學(xué)生是主體，而教師是配合者。如進(jìn)行區(qū)域開發(fā)時(shí)，需要對整個(gè)地區(qū)土地穩(wěn)定性進(jìn)行評估，土地風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域不適合于開發(fā)，需根據(jù)現(xiàn)有的模型與數(shù)據(jù)進(jìn)行土地穩(wěn)定性專題制圖，為土地開發(fā)和保護(hù)提供決策與支持。已有的數(shù)據(jù)源為：①當(dāng)?shù)谼EM；②坡度與坡向穩(wěn)定性因子；③植被類型穩(wěn)定性因子；④土地利用矢量數(shù)據(jù)；⑤坡度、坡向、土地利用的穩(wěn)定性因子權(quán)重。

圖3 簡單項(xiàng)目實(shí)踐

為了引導(dǎo)學(xué)生更好地完成本項(xiàng)目，在實(shí)際教學(xué)中，僅向?qū)W生提供如圖4所示的項(xiàng)目流程圖，需要學(xué)生根據(jù)所提的要求，解析空間問題，并根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)源進(jìn)行建模與分析（見圖5），并制作專題圖。

圖4 復(fù)雜項(xiàng)目實(shí)踐流程圖

圖5 復(fù)雜項(xiàng)目建模過程

2.4 小組項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目式教學(xué)的初衷是改變原本教學(xué)中以教師為主導(dǎo)、學(xué)生被動授受知識的現(xiàn)狀，將真實(shí)應(yīng)用案例作為一個(gè)個(gè)小項(xiàng)目應(yīng)用到GIS軟件應(yīng)用教學(xué)之中。為了進(jìn)一步激發(fā)與提升學(xué)生自主創(chuàng)造力，在課程實(shí)踐的最后，布置了專門的小組項(xiàng)目。在此項(xiàng)目中，學(xué)生自愿結(jié)成項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)（2或3人1組），尋找項(xiàng)目，提出解決方案，并進(jìn)行匯報(bào)。在此過程中，教師是監(jiān)督者、協(xié)助者，只對項(xiàng)目難度和可行性進(jìn)行總體把關(guān)，確保學(xué)生提出的項(xiàng)目在課程時(shí)間內(nèi)能夠完成。最后，學(xué)生根據(jù)通過的實(shí)施方案查找數(shù)據(jù)、搭建模型、代碼化應(yīng)用案例，并進(jìn)行結(jié)果匯報(bào)。

3 結(jié) 語

當(dāng)前我國地理信息產(chǎn)業(yè)正蓬勃發(fā)展，社會對應(yīng)用型的GIS人才需求旺盛。針對GIS軟件應(yīng)用教學(xué)中出現(xiàn)的實(shí)際問題，以教學(xué)過程中遇到的實(shí)際問題與課程改革方案實(shí)踐為例，對GIS軟件應(yīng)用的課程教學(xué)進(jìn)行了改革與探索，形成了一套項(xiàng)目式教學(xué)方法。該項(xiàng)目式教學(xué)方法以簡化的實(shí)際項(xiàng)目需求為牽引，根據(jù)難度分階段實(shí)施，逐步對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，以提升學(xué)生實(shí)際動手能力。此外，在項(xiàng)目實(shí)踐過程中，強(qiáng)制要求學(xué)生以ArcPy代碼實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目模型，進(jìn)一步提升了學(xué)生編程能力，在實(shí)際教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。