劉桂萍 陳川 楊焱青 展新忠

摘要：地理信息系統(tǒng)是一門(mén)實(shí)踐應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)占有重要地位。文章以新疆大學(xué)在資源勘查專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)地理信息系統(tǒng)課程為例，結(jié)合該專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，提出以ArcGIS軟件為平臺(tái)，建立適合該專(zhuān)業(yè)學(xué)生的地理信息系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并探討了立體化教學(xué)、案例教學(xué)、推進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研”結(jié)合和鼓勵(lì)學(xué)生參加地質(zhì)類(lèi)技能競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法和手段，對(duì)提升課程教學(xué)效能具有一定的參考值。

關(guān)鍵詞：資源勘查工程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法；地理信息系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）11-0077-03

目前地理信息系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)GIS）在地質(zhì)礦產(chǎn)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用日益廣泛和深入，特別是GIS發(fā)展到空間數(shù)據(jù)庫(kù)階段，地質(zhì)礦產(chǎn)信息在GIS平臺(tái)上集成已成為必然要求，大量相關(guān)行業(yè)規(guī)范出臺(tái)，都預(yù)示著新一輪應(yīng)用高潮的到來(lái)[1]，作為地質(zhì)礦產(chǎn)相關(guān)行業(yè)的資源勘查工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，掌握這門(mén)技術(shù)及相關(guān)理論也已成為必然要求。資源勘查專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)GIS課程，可以使GIS優(yōu)勢(shì)應(yīng)用在地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)礦產(chǎn)預(yù)測(cè)、地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘查評(píng)價(jià)等方面，以更好地服務(wù)于社會(huì)[2]。但地理信息系統(tǒng)是一門(mén)理論性和實(shí)踐都很強(qiáng)的學(xué)科，要求學(xué)生在掌握基本理論與方法的同時(shí)，必須加強(qiáng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐[3]。文章以ArcGIS10軟件為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)我院資源勘查工程專(zhuān)業(yè)的GIS課程安排、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段等進(jìn)行了探討。

一、教學(xué)目標(biāo)和課程安排

非GIS專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)GIS課程以具體應(yīng)用為目的，倡導(dǎo)將所學(xué)GIS技術(shù)盡可能地服務(wù)于所學(xué)專(zhuān)業(yè)[4]，課程教學(xué)目標(biāo)為：讓學(xué)生了解并掌握GIS的基本原理和方法，學(xué)會(huì)利用GIS對(duì)地質(zhì)礦產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、輸入、管理、存儲(chǔ)、處理、分析、顯示和輸出，更好地將GIS服務(wù)于礦產(chǎn)資源勘查領(lǐng)域。該門(mén)課程的教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃和實(shí)習(xí)大綱必須根據(jù)該專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)制定，確定合理的課時(shí)、學(xué)分、授課方式、實(shí)驗(yàn)比例等，要根據(jù)專(zhuān)業(yè)需要對(duì)授課內(nèi)容進(jìn)行必要的調(diào)整、刪改、精簡(jiǎn)或者拓寬應(yīng)用，合理地分配理論課和實(shí)驗(yàn)課之間的課時(shí)[5]。教學(xué)采取理論和實(shí)踐并重的教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)要以課程中的相關(guān)內(nèi)容為主線(xiàn)，時(shí)間安排要與課堂教學(xué)穿插進(jìn)行，目的是使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)課堂教學(xué)中GIS的相關(guān)理論知識(shí)和內(nèi)容的學(xué)習(xí)，并熟悉主流GIS工具軟件的使用與操作等[6-8]?；谝陨弦蟛⒔Y(jié)合本專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，我院資源勘查工程專(zhuān)業(yè)的GIS課程安排在三年級(jí)上半學(xué)期開(kāi)設(shè)，一方面考慮到這個(gè)階段的學(xué)生已有了一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)，具備理解和掌握運(yùn)用GIS技術(shù)處理本專(zhuān)業(yè)應(yīng)用問(wèn)題的一定能力；另一方面，是因?yàn)檫@個(gè)階段的學(xué)生完成了基礎(chǔ)課和部分專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)，有充裕的時(shí)間熟悉和掌握GIS的實(shí)際操作。從教學(xué)計(jì)劃安排來(lái)看，課程總計(jì)為54學(xué)時(shí)，理論授課30學(xué)時(shí)，上機(jī)實(shí)驗(yàn)24學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)比近1∶1，這也體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)在該課程教學(xué)中的重要地位。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

為了使學(xué)生更好地掌握書(shū)本知識(shí)和課堂講授內(nèi)容，鍛煉學(xué)生的實(shí)際操作能力，應(yīng)選擇與本專(zhuān)業(yè)相關(guān)的GIS實(shí)驗(yàn)配套教材，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)除與教學(xué)內(nèi)容同步外，還應(yīng)與學(xué)生專(zhuān)業(yè)背景緊密結(jié)合，最好是以學(xué)生所學(xué)專(zhuān)業(yè)問(wèn)題為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)[9]，基于以上考慮，我院選取《ArcGIS軟件基礎(chǔ)》為實(shí)驗(yàn)教學(xué)參考書(shū)，并自編了《ArcGIS上機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》，該指導(dǎo)書(shū)結(jié)合本專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，以ArcGIS10軟件為平臺(tái)，選取教師科研項(xiàng)目中的典型地質(zhì)數(shù)據(jù)——新疆巴里坤黑眼泉煤礦北部礦區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)案例數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括軟件介紹、圖像配準(zhǔn)和矢量化、GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、空間分析、空間可視化、地圖制圖及排版等。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系設(shè)計(jì)

對(duì)于資源勘查工程的學(xué)生而言，只有將圖像配準(zhǔn)和矢量化、GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、空間分析、空間可視化、地圖制圖及排版等主要內(nèi)容具體應(yīng)用在本學(xué)科，才能真正理解和掌握這門(mén)課的理論知識(shí)和應(yīng)用方法，因而，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系具有極大的意義。實(shí)踐分兩個(gè)部分：（1）GIS基礎(chǔ)操作練習(xí)。主要熟悉GIS工具軟件的使用和操作。（2）GIS應(yīng)用練習(xí)。主要是指利用空間數(shù)據(jù)編輯、空間查詢(xún)、空間分析等理論，采用給定的數(shù)據(jù)來(lái)分析實(shí)際案例，達(dá)到理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的統(tǒng)一。本課程實(shí)驗(yàn)以新疆巴里坤黑眼泉煤礦北部礦區(qū)為例，設(shè)計(jì)了教學(xué)內(nèi)容體系。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)如下：

第一，圖像配準(zhǔn)和矢量化，主要目的是讓學(xué)生掌握?qǐng)D像校正和矢量化方法。將給定JPG格式的新疆巴里坤黑眼泉煤礦北部礦區(qū)地質(zhì)圖，使用ArcGIS影像配準(zhǔn)工具，定義坐標(biāo)系進(jìn)行圖像地理配準(zhǔn)，并在給定的點(diǎn)、線(xiàn)、面要素類(lèi)基礎(chǔ)上對(duì)已配準(zhǔn)的地質(zhì)圖進(jìn)行矢量化，將新疆巴里坤黑眼泉煤礦北部礦區(qū)地質(zhì)圖中的地層（面要素）、巖漿巖（面要素）、斷層（線(xiàn)要素）及鉆孔點(diǎn)（點(diǎn)要素）勾繪出來(lái)，并輸入相應(yīng)的屬性。

第二，GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，主要目的是讓學(xué)生理解空間數(shù)據(jù)庫(kù)概念與設(shè)計(jì)，熟悉GIS中數(shù)據(jù)的處理和管理方式及GeoDatabase數(shù)據(jù)模型，掌握ArcCatalog創(chuàng)建地理數(shù)據(jù)庫(kù)流程，主要內(nèi)容是根據(jù)所提供的資料和數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)和創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)、要素集、要素類(lèi)和屬性表等，如創(chuàng)建新疆巴里坤黑眼泉煤礦北部礦區(qū)地質(zhì)個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)。

第三，空間查詢(xún)，主要目的是讓學(xué)生熟悉和掌握空間數(shù)據(jù)查詢(xún)的理論與方法，主要內(nèi)容是利用前幾次實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行數(shù)據(jù)的空間查詢(xún)、屬性查詢(xún)（SQL查詢(xún)）和聯(lián)合查詢(xún)，如使用空間查詢(xún)功能，查詢(xún)距斷層一定距離范圍內(nèi)的鉆孔信息，并顯示查詢(xún)結(jié)果，使用屬性查詢(xún)（SQL查詢(xún)）功能，可查詢(xún)礦區(qū)內(nèi)某一地層或巖漿巖的信息，顯示查詢(xún)結(jié)果。

第四，空間分析，主要目的是讓學(xué)生理解空間分析的原理，掌握空間分析（緩沖區(qū)分析和疊加分析）的方法。緩沖區(qū)分析主要包括點(diǎn)、線(xiàn)、面的緩沖區(qū)的創(chuàng)建，如創(chuàng)建新疆黑眼泉煤礦北部礦區(qū)內(nèi)斷層緩沖區(qū)；疊加分析，主要針對(duì)點(diǎn)和面、線(xiàn)和面的疊加，如將該礦區(qū)內(nèi)的鉆孔與已建立的斷層緩沖區(qū)進(jìn)行疊加分析，顯示距斷層一定范圍的緩沖區(qū)內(nèi)的鉆孔信息。

第五，空間可視化分析，主要目的是讓學(xué)生熟悉ArcScene，掌握應(yīng)用鉆孔數(shù)據(jù)建立地質(zhì)體三位可視化模型的流程和方法，主要內(nèi)容是使用礦區(qū)內(nèi)鉆孔點(diǎn)，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)所記錄的巖性信息，分別選擇某巖性層的上下表面點(diǎn)并根據(jù)上下表面點(diǎn)生成TIN，使用ExtrudeBetween工具生成體數(shù)據(jù)，然后使用Merge工具對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，最后使用Intersect3D工具進(jìn)行剖面分析，并使用CutFill工具進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算等。

第六，地質(zhì)圖的制作與地圖排版，主要目的是讓學(xué)生掌握ArcMap制圖技術(shù)，并完成地質(zhì)圖的繪制。主要內(nèi)容是在學(xué)生完成前幾次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，使用學(xué)生的數(shù)據(jù)成果，學(xué)習(xí)地層、巖漿巖、斷層、鉆孔等圖層的符號(hào)化和設(shè)色方法，完成設(shè)置紙張大小后，加圖名、指北針、比例尺、坐標(biāo)網(wǎng)格和圖例等一系列整飾過(guò)程，最后輸出圖片文件（JPG格式或PDF格式）。從多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，實(shí)驗(yàn)在安排上要注重各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容前后聯(lián)系，前一次實(shí)驗(yàn)的成果應(yīng)是后一次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，并最終形成一個(gè)整體，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系設(shè)計(jì)見(jiàn)下表：

四、探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段的改革

1.使用高效的立體化教學(xué)。實(shí)踐教學(xué)講解宜采用多媒體進(jìn)行，主要用于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、要點(diǎn)、難點(diǎn)的講解，課件應(yīng)條理清晰、利于更新；另外，上機(jī)實(shí)驗(yàn)應(yīng)廣泛采用網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代教育技術(shù)，在網(wǎng)上公布所有教學(xué)資源，包括相關(guān)實(shí)驗(yàn)課件、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，充分體現(xiàn)“互動(dòng)教學(xué)”的特點(diǎn)；課堂上實(shí)行以學(xué)生自行操作ArcGIS軟件為主，教師指導(dǎo)為輔的互動(dòng)模式，充分讓師生之間及時(shí)反饋教學(xué)信息，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

2.實(shí)行案例教學(xué)法，提高教學(xué)效果。資源勘查工程專(zhuān)業(yè)的GIS教學(xué)宜采用案例教學(xué)模式，在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)盡量運(yùn)用形象的實(shí)例來(lái)說(shuō)明與專(zhuān)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，如多元信息的成礦預(yù)測(cè)中，可運(yùn)用GIS的空間分析技術(shù)綜合評(píng)價(jià)和圈定成礦有利區(qū)，其中緩沖區(qū)分析可用來(lái)統(tǒng)計(jì)斷層或褶皺軸兩側(cè)不同寬度范圍內(nèi)礦床或礦（化）點(diǎn)的分布情況，這些GIS在資源勘查領(lǐng)域的應(yīng)用比比皆是，通過(guò)案例教學(xué)，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，同時(shí)也使其熟悉用GIS解決實(shí)際問(wèn)題的流程和空間分析的基本方法和特點(diǎn)，從而提高學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力。

3.推進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研”結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。一方面，鼓勵(lì)學(xué)生參加教師的科研項(xiàng)目，通過(guò)參與科研活動(dòng)，大大鞏固學(xué)生的理論知識(shí)，同時(shí)打破了學(xué)習(xí)知識(shí)全部來(lái)源于課堂教學(xué)的局面，科研活動(dòng)本身具有的創(chuàng)新屬性，可培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合能力，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力；另一方面，學(xué)校應(yīng)努力尋找企事業(yè)地礦單位需要的實(shí)際課題，由教師和有關(guān)科技人員合作承擔(dān)，讓學(xué)生參與有專(zhuān)題性、技術(shù)性的實(shí)踐。如在新疆地礦局的大力支持下，新疆第一區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)、新疆地質(zhì)一大隊(duì)、新疆地質(zhì)三大隊(duì)、新疆地質(zhì)六大隊(duì)、新疆地質(zhì)九大隊(duì)在科研和生產(chǎn)項(xiàng)目上都與我院有合作，這樣，既密切了學(xué)校與企事業(yè)單位的聯(lián)系，在一定程度上也解決了企事業(yè)單位的某些實(shí)際問(wèn)題，也使學(xué)生受到實(shí)實(shí)在在的訓(xùn)練，能夠?yàn)閷?lái)順利走上工作崗位打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.鼓勵(lì)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽，提高學(xué)生綜合技能。學(xué)科競(jìng)賽不僅能提升學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，還能提升學(xué)生的交流表達(dá)能力、與人合作能力、解決問(wèn)題能力、改革創(chuàng)新能力、自我創(chuàng)新能力、自我學(xué)習(xí)能力，使得大學(xué)生的綜合素質(zhì)和綜合能力得到全面提升。如由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和中國(guó)地學(xué)協(xié)會(huì)地質(zhì)教育研究分會(huì)發(fā)起的“全國(guó)大學(xué)生地質(zhì)技能競(jìng)賽”，已成功舉辦了4屆并取得良好的效果，該競(jìng)賽分為“地質(zhì)技能綜合應(yīng)用”、“野外地質(zhì)技能”“地質(zhì)標(biāo)本鑒定”和“地學(xué)知識(shí)”4個(gè)競(jìng)賽環(huán)節(jié)，其中在“地質(zhì)技能綜合應(yīng)用”這個(gè)環(huán)節(jié)中，需要學(xué)生運(yùn)用GIS軟件，完成競(jìng)賽圖區(qū)中地質(zhì)圖成圖并在已完成的地質(zhì)圖內(nèi)布置一條圖切剖面，最后根據(jù)該區(qū)內(nèi)出露的地層和提供的地層表數(shù)據(jù)，按提供的標(biāo)準(zhǔn)格式及規(guī)定比例尺繪制競(jìng)賽圖區(qū)綜合地層柱狀圖等，旨在考察學(xué)生運(yùn)用GIS理論和技術(shù)解決競(jìng)賽中相關(guān)的地質(zhì)問(wèn)題和按規(guī)范制作相應(yīng)圖件的綜合分析和解決問(wèn)題的能力。因此，鼓勵(lì)資源勘查工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生參加這類(lèi)地質(zhì)技能競(jìng)賽，不但能夠激勵(lì)他們學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，還能推動(dòng)地質(zhì)類(lèi)院校地理信息系統(tǒng)的課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和方法的改革，從而提高地學(xué)專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

五、結(jié)語(yǔ)

總之，GIS課程教學(xué)是一門(mén)理論性、實(shí)踐性、應(yīng)用操作性都很強(qiáng)的課程，規(guī)范和完善資源勘查工程專(zhuān)業(yè)的GIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與體系，探索行之有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段，不但有助于學(xué)生掌握GIS的基礎(chǔ)知識(shí)，使GIS與其專(zhuān)業(yè)背景知識(shí)融合為一體，還有助于學(xué)生切身體會(huì)到GIS在礦產(chǎn)資源勘查的作用，掌握應(yīng)用GIS技術(shù)來(lái)解決專(zhuān)業(yè)相關(guān)問(wèn)題的方法，順應(yīng)了礦產(chǎn)資源勘查發(fā)展的總體趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王莉.GIS在礦產(chǎn)資源勘查開(kāi)發(fā)的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景展望[J].中國(guó)礦業(yè)，2008，17（7）：90-92.

[2]王菁菁，王錫亮，張志華.地理信息系統(tǒng)在礦產(chǎn)資源勘查領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].技術(shù)與創(chuàng)新管理，2009，30（2）：247-249.

[3]董建軍.基于ArcGIS的地理信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].教育教學(xué)論壇，2015，（12）：253-254.

[4]王世界.非地理信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)GIS課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索[J].測(cè)繪與空間地理信息，2013，36（8）：55-57.

[5]施冬.資源勘查工程專(zhuān)業(yè)GIS課程教學(xué)探討[J].挑戰(zhàn)與機(jī)遇·2010高校GIS論壇論文集，2010：44-47.

[6]陳正江.關(guān)于“地理信息系統(tǒng)”課的實(shí)踐教學(xué)[J].高等理科教育，2002，4（44）：69-71.

[7]柯麗娜.基于ArcGIS的地理信息系統(tǒng)軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式初探[J].地理空間信息，2012，10（6）：55-56.

[8]尚穎娟.“地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)與實(shí)踐[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào).2007，32（5）：171-174.

[9]盛世華.“地理信息系統(tǒng)”課程教育的實(shí)踐與思考[J].測(cè)繪通報(bào)，2000，（6）：40-42.