楊元維 高賢君

摘要：地理信息科學專業(yè)中計算思維模式的培養(yǎng)越來越受到廣大高校教師的關注?！禬ebGIS開發(fā)與應用》是一門綜合性和實踐性較強的課程，對于學生思維能力、理解能力、實踐能力、創(chuàng)新能力以及其綜合素質(zhì)等方面起著至關重要的作用。對基于計算思維能力培養(yǎng)的WebGIS開發(fā)與應用教學進行研究和分析，設計以計算思維模式為主線的課程教學目標及內(nèi)容，分析計算思維在本課程中的應用及效果評價。

關鍵詞：計算思維；WebGIS；實踐教學；Web編程；空間分析

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）28-0100-02

Teaching Thinking of Oriented Computational Thinking of Web Program Design Course

YANG Yuan-wei， GAO Xian-jun

（1.School of Geosciences， Yangtze University， Wuhan 430100， China）

Abstract： In recent years， the cultivation of Computational Thinking Mode in geographic information science is attracting more and more attention from university teachers. WebGIS Development and Application is a comprehensive and practical course， which plays an important role in students' thinking ability， understanding ability， practical ability， innovative ability and comprehensive quality. This paper studies and analyzes the WebGIS development and application teaching based on the cultivation of Computational Thinking ability， designs the teaching objectives and contents with the computational thinking mode as the main line， and analyzes the application and effect evaluation of the computational thinking mode in this course.

Key words： Computational thinking； WebGIS； practice teaching； Web programming； Spatial Analysis

WebGIS（網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)，Web Geographic Information Science）是指在Web環(huán)境下既能實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的檢索、查詢、制圖輸出、編輯及空間分析等GIS基本功能，又能提供地理信息服務發(fā)布、共享和交流協(xié)作等高級功能的GIS系統(tǒng)[1]。其通常作為地理信息科學專業(yè)的基礎必修課，其先修課程包括《計算方法》、《C#程序設計》、《網(wǎng)絡編程（Java）》和《地理信息信息原理》等課程，是一門理論與實踐緊密結(jié)合且應用廣泛的課程。該課程有益于培養(yǎng)學生的WebGIS工程項目設計與實現(xiàn)能力。

由于《WebGIS開發(fā)與應用》課程涉及的知識面相對較廣，在講授該課程時分為兩個部分。第一部分是Web基礎知識，此部分授課目的是使學生能夠迅速掌握Web開發(fā)的基本要領，如面向?qū)ο蟪绦蛟O計、HTML、CSS、JavaScript、Ajax以及JSP、ASP.NET前端開發(fā)方面的內(nèi)容，通過此部分內(nèi)容的學習使學生掌握必要的Web前端開發(fā)知識，為后續(xù)學習做準備；第二部分是WebGIS開發(fā)及應用，具體包括WMTS、WMS、WFS、WCS等多源數(shù)據(jù)加載、圖形繪制及編輯、標注、動態(tài)投影、空間分析等GIS功能，該部分將以目前WebGIS最盛行的開源開發(fā)包OpenLayers3作為開發(fā)庫進行講解，此部分授課目的是使學生掌握基于Web環(huán)境的GIS基本開發(fā)能力。該課程總課時為48學時，其中課堂講解部分為32學時，實踐部分為16學時。由于該課程學時少、內(nèi)容多，且知識點關聯(lián)度低，講授該課程有一定的難度，如何讓學生全面理解、掌握及實踐本課程是亟待解決的問題。為解決上述問題，以計算思維的方式講授該課程，以構(gòu)建學生計算思維為主導的教學方式提升學生對WebGIS開發(fā)的知識理解能力和實踐能力，不著眼于傳統(tǒng)計算機編程課程中對算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及語法，而更注重于學生計算機編程思維模式的培養(yǎng)。

1 計算思維模式的課程教學體系建設

計算思維（Computational Thinking）是借助計算機科學的基本原理和核心概念去解決問題、設計程序和理解人們的日?；顒?，是計算機類相關課程不可或缺的基礎思維模式[1]。計算思維主要特點是采用啟發(fā)式推理方式對問題進行建模求解，換言之，不確定情況下的規(guī)劃、學習和調(diào)度[2-3]。近些年，許多高校將培養(yǎng)學生的計算思維能力作為計算機基礎教學的核心任務。實際上，在地理信息科學專業(yè)的培養(yǎng)方案也期望融入計算思維培養(yǎng)，然而部分教師和學生對計算思維綜合理解程度仍然不深[4-5]，因此需對本課程進行大力改革，將計算思維的啟發(fā)式思想融入教學中，提高學生的計算機編程類課程的關聯(lián)度和耦合度。

《WebGIS開發(fā)與應用》課程具有綜合性與實踐性較強等特點，不同于其他GIS專業(yè)課程，由于Web和GIS技術的快速發(fā)展，通常造成教材無法及時滿足教學的需要，以往機械的教學方式已無法滿足學生掌握WebGIS開發(fā)及實踐能力的需要[6-7]。培養(yǎng)學生計算機編程設計類課程思維模式至關重要，能夠讓學生建立自身的計算思維模式，計算思維相比于機械重復的固定編程語言教學模式，具有更強的目標性、自主性以及趣味性[8]，運用面向計算思維模式的WebGIS開發(fā)與應用設計教學，實現(xiàn)對具有關聯(lián)性編程理念、思想、方法的理解與掌握，以此起到觸類旁通的效果。

2 計算思維模式在WebGIS開發(fā)與應用課程教學設計

2.1教學目標的設立

在開展學習本課程前，學生已完成計算機編程類若干先修課程的學習，通過《C#程序設計》的學到C#中面向?qū)ο蟮念悺⒔涌?、命名空間、委托與事件等方面內(nèi)容。基于此，在確立本專業(yè)《WebGIS程序設計》課程教學目標時，應充分考慮當前授課對象、先修課程及學習能力，重點培養(yǎng)學生面向計算思維WebGIS開發(fā)編程設計能力，并據(jù)此設計本課程面向計算思維的教學目標。

由于先修課程《C#程序設計》涉及相對較少計算思維培養(yǎng)方面，造成學生學習的編程相關知識相對比較零散，缺乏整體性和側(cè)重性。因此，在制定《WebGIS程序設計》課程教學目標時，充分挖掘計算思維在計算機編程課程中的核心作用，利用思維模式的培養(yǎng)代替編程語言的培養(yǎng)模式。實際上，在本課程教學過程中，計算思維能力不僅僅作為一種核心能力來培養(yǎng)，同時也是教學中的核心內(nèi)容?！禬ebGIS程序設計》課程教學中以理論教學與實踐教學相結(jié)合，教學目標主要為計算機思維的培養(yǎng)，教學主要內(nèi)容為程序設計思維的引導與構(gòu)建，并在課上進行適當?shù)陌咐绦蛘{(diào)試演示，并結(jié)合上機實踐增加學生學習本課程的計算思維實踐能力的培養(yǎng)，在上機實踐中，為學生準備若干上機編程測試題，并將其作為實踐訓練，并將完成編程測試完成較好的同學的作品作為范本，并提供其在講臺上匯報、講解其編程作品的機會。

2.2教學內(nèi)容的設計

在GIS學科中，本課程屬于理論與實踐并重型課程。運用理論與實踐結(jié)合的方式，具體地，結(jié)合每一章節(jié)所需完成的知識目標和技能目標，將本課程的教學模塊分為兩個部分：分別是Web基礎編程和WebGIS開發(fā)與應用。教學內(nèi)容安排及教學目標如表 1所示。

JS基礎編程（2學時） 能夠擴展至網(wǎng)頁編程領域，靜態(tài)頁面運行原理、設計方法及基于事件驅(qū)動的JavaScript運行，并對輕量級組件JQuery以一定了解，對目前廣泛使用的數(shù)據(jù)獲取方式Ajax進行掌握。 WebGIS開發(fā)與應用 多源數(shù)據(jù)加載（4學時）

空間分析（2學時） 實現(xiàn)Web編程設計的WebGIS化轉(zhuǎn)移，能夠利用加載OGC標準的常用數(shù)據(jù)類型，如WMS、WMTS、WFS、WCS等。能夠?qū)崿F(xiàn)基于Web圖形繪制及編輯。并掌握基于Web空間分析原理及方法。 ]

從表 1中可以看出，將教學內(nèi)容分為理論和實踐教學兩個部分，其課時安排為32：16學時。平均來講，每周4學時的理論課和2學時的實踐課。在第一部分Web基礎編程中，由于學生之前并未開設相應的Web基礎課程，因此，首先安排6個學時的Web基礎知識，分別是HTML+CSS+Javascript，通過該部分知識的學習，使學生迅速掌握網(wǎng)頁前端開發(fā)的基本要領，并借助實踐課程實現(xiàn)對該部分知識的鞏固。由于在WebGIS開發(fā)與工程應用中，有大量讀取GML、KML、Geojson等類型格式數(shù)據(jù)的需求，而這些格式數(shù)據(jù)的讀取方式多為Ajax異步形式，因此，在Web基礎課程部分，新增Ajax內(nèi)容的學習，而在Ajax中需要大量使用輕量級JQuery組件，因此在講授Ajax內(nèi)容之前，需對JQuery進行簡要講解。

在第二部分WebGIS開發(fā)與應用中，主要包括多源數(shù)據(jù)加載、圖形繪制及編輯、標注、動態(tài)投影及空間分析等內(nèi)容的講解。首先對OGC組織支持的幾類常見的地圖服務類型如WMS、WMTS、WFS、WCS等，以此滿足目前WebGIS主流地圖服務商提供的數(shù)據(jù)服務類型。對數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)渲染、地圖圖層切換及移除等功能進行實踐講解，然后在客戶端瀏覽器上進行圖形（點、多義線、矩形、圓、多邊形等）繪制，在講解時重點闡述如何在客戶端瀏覽器上展現(xiàn)這些要素，并根據(jù)符號化演示渲染這些要素，其次講解如何利用OpenLayers中的Format來解析數(shù)據(jù)中的格式，從而獲取數(shù)據(jù)中的地理空間信息。對于標注和動態(tài)投影的講解相對簡略，如標注中的圖片標注、popup標注等類型進行講解，對動態(tài)投影的講解可以簡略一些，原因是本專業(yè)先修課程中有《地圖學》等課程中已有詳細的講解。對最后一部分基于Web環(huán)境下的空間分析的內(nèi)容需重點講解，如對各種形狀的緩沖區(qū)分析、最短路徑分析、流向分析等內(nèi)容進行講解及實際操作演示，在上機課中配套出相應的題目供學生練習。

在本課程實踐教學方面，將綜合驗證實驗、綜合實驗以及設計性實驗等方式完成實踐教學，積極促進理論知識和方法的理解與運用，使學生在積極動手編程中培養(yǎng)計算思維能力。

2.3教學效果評價

本課程教學的最終目的是分析解決WebGIS工程項目中的開發(fā)應用問題，運用計算思維來對問題進行抽象、分析、構(gòu)建問題模型，對問題從宏觀到微觀層面把握，以此對項目進行總體

設計、詳細設計、編程實現(xiàn)以及測試。計算思維在WebGIS工程項目設計與實施階段均有體現(xiàn)，算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)計算思維的靈魂，而編程語言是實現(xiàn)計算思維的載體。對于算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的原理、步驟及方法的學習，具有較多相似之處，編程語言的學習亦是如此。對于解決問題的思路、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計以及編程實現(xiàn)是WebGIS工程項目中問題有效解決的主要手段及過程。應對此過程進行重點講解與考查，避免知識點的孤立與分散，促進學生聚焦本課程所需掌握的WebGIS開發(fā)與應用重點知識。

在對本課程教學效果評價方面，評價規(guī)則具體地根據(jù)學生的平時出勤、提問交流、實踐編程、課后作業(yè)的情況以及期末考試卷面成績來進行綜合評定?？紤]到本課程是一門GIS類編程設計課程，對實踐能力培養(yǎng)尤其重要，因此，筆者在布置實踐作業(yè)方面，應盡量減少書面部分，增加實踐上機部分，多以編程設計成果進行評價與考核。

3 結(jié)論

本文針對面向計算思維的WebGIS開發(fā)與應用課程的教學目標、內(nèi)容、方法、考核及評價方式等方面進行了有益的探索，取得了較為良好的教學效果，學生的學習興趣和動手能力得到了大大提高。推廣計算思維計算機編程課程中發(fā)揮的功效，更好地滿足學生的就業(yè)市場對復合型、應用型人才的需求。

參考文獻：

[1] 孟令奎， 史文中， 張鵬林. 網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)原理與技術[M]. 科學出版社， 2010.

[2] 李曉明， 蔣宗禮， 王志英，等. 積極研究和推進計算思維能力的培養(yǎng)[J]. 計算機教育， 2012， No.161（5）：1-1.

[3] 王節(jié). 高職學生計算思維現(xiàn)狀及發(fā)展對策的研究與實踐[D]. 重慶師范大學， 2015.

[4] 郭喜鳳， 武仁杰， 米海英. 計算思維能力培養(yǎng)模式探索[J]. 河北北方學院學報（社會科學版）， 2012， 28（5）：115-116.

[5] 楊孜茁， 方志軍， 黃勃. 《Web程序設計》課程建設策略研究[J]. 軟件導刊（教育技術）， 2017， 16（1）：18-20.

[6] 劉遠剛， 何貞銘， 蔡永香，等. 《WebGIS原理與方法》教學改革與探索[J]. 長江大學學報（自科版）， 2011， 08（6）：133-134..

[7] 張佐幫， 周廷剛， 陳杰，等. 云環(huán)境下WebGIS教學改革的研究初探[J]. 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息， 2018（1）：58-61.

[8] 葛明珠. 基于計算思維的協(xié)作學習模式在中學信息技術課程中的實踐與研究[D]. 陜西師范大學， 2014.

【通聯(lián)編輯：王力】