袁小華 王令群 王振華 張書臺(tái) 張?zhí)祢?/p>

摘要：基于開源技術(shù)的地理信息系統(tǒng)（GIS）開發(fā)能力，是“空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)”（空間專業(yè)）本科學(xué)生的重要就業(yè)能力。文章以培養(yǎng)空間專業(yè)學(xué)生開源GIS編程基礎(chǔ)為目標(biāo)，利用該專業(yè)Java課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)基于Java的開源GIS編程教學(xué)進(jìn)行了初步探索，其中設(shè)計(jì)的教學(xué)案例、任務(wù)和項(xiàng)目，搭建的開源實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，以及采用的過程化考核，可為相關(guān)教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：Java程序設(shè)計(jì);開源GIS編程;實(shí)踐教學(xué);教學(xué)探索

中圖分類號(hào)：G642.41? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）40-0269-04

一、引言

本科計(jì)算機(jī)大類下的空間專業(yè)培養(yǎng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和空間信息技術(shù)復(fù)合人才。隨著GIS行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，GIS開發(fā)能力已成為空間專業(yè)畢業(yè)學(xué)生的重要就業(yè)能力，這需要空間專業(yè)有效開展開源GIS編程的教學(xué)。針對(duì)面向培養(yǎng)目標(biāo)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)，文獻(xiàn)[1]探討了Java教學(xué)中如何面向?qū)I(yè)需求調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，文獻(xiàn)[2]建議在Java理論教學(xué)中設(shè)計(jì)貫穿全課程的GIS開發(fā)實(shí)例，并提出了B/S架構(gòu)下基于AWT、Applet和Servlet技術(shù)的GIS編程教學(xué)方案，為空間專業(yè)開展GIS編程教學(xué)提供了方向。

目前，數(shù)據(jù)開源、工具開源和平臺(tái)開源逐漸成為GIS行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)[3，4];與B/S架構(gòu)下的GIS開發(fā)相比，C/S架構(gòu)下可實(shí)現(xiàn)更多GIS應(yīng)用功能[5]，涉及更多方法和技術(shù);在開源GIS開發(fā)中，以GeoServer和GeoTools為主的開發(fā)平臺(tái)性能穩(wěn)定，功能豐富，已占據(jù)主流地位[6，7];相比于其他語(yǔ)言，Java為開源軟件的開發(fā)提供完美支持[8];我?？臻g專業(yè)的Java相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)充足。綜合考慮各因素，在本?？臻g專業(yè)的Java課程中，基于GeoServer和GeoTools的開源實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，我們對(duì)如何開展C/S架構(gòu)下的GIS編程實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了初步探索，內(nèi)容包括根據(jù)行業(yè)需求設(shè)定教學(xué)目標(biāo)，確定以實(shí)踐為主的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，搭建開源實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，設(shè)計(jì)和實(shí)施相關(guān)教學(xué)案例、實(shí)踐任務(wù)和項(xiàng)目，并對(duì)各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行過程化考核。本文介紹了相關(guān)探索結(jié)果。

二、教學(xué)過程

（一）教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容

針對(duì)行業(yè)的開源GIS開發(fā)人才需求，我們將本專業(yè)的GIS編程教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為：通過理論和實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的開源GIS編程基礎(chǔ)，從而為進(jìn)入行業(yè)早做準(zhǔn)備。該教學(xué)目標(biāo)決定了本專業(yè)GIS編程教學(xué)：內(nèi)容應(yīng)以相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)和主流開源GIS技術(shù)為主，形式應(yīng)以實(shí)踐教學(xué)為主，實(shí)踐平臺(tái)須采用主流開源軟件搭建，須以Java課程為主要支撐課程，考核方式應(yīng)以檢查實(shí)踐任務(wù)和項(xiàng)目的完成情況為主。本專業(yè)的“Java程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”和“Java課程設(shè)計(jì)”為配套課程，相繼在大二下期和其后的小學(xué)期內(nèi)開設(shè)，兩課共含52個(gè)實(shí)踐學(xué)時(shí)，此外，在“Java程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的后期，學(xué)生也已掌握了Java的GUI編程和數(shù)據(jù)庫(kù)連接編程基礎(chǔ)，因此在本專業(yè)Java課程中開展以實(shí)踐為主的GIS編程教學(xué)，具備有利條件。依據(jù)課程目標(biāo)和相關(guān)，我們?cè)O(shè)定了四項(xiàng)GIS編程教學(xué)內(nèi)容，前三項(xiàng)安排在“Java程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的后3周，第四項(xiàng)安排在“Java課程設(shè)計(jì)”中。各教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)任務(wù)是：教學(xué)內(nèi)容1介紹GIS系統(tǒng)開發(fā)的理論基礎(chǔ);教學(xué)內(nèi)容2和3對(duì)空間數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布等進(jìn)行實(shí)踐;教學(xué)內(nèi)容4是對(duì)GIS編程（C/S模式）的綜合實(shí)踐，是教學(xué)重點(diǎn)。各教學(xué)內(nèi)容的具體設(shè)計(jì)見下表1。

為從“Java課程設(shè)計(jì)”中騰出實(shí)踐課時(shí)，該課程中原有的三類實(shí)踐項(xiàng)目?jī)H保留GUI編程實(shí)踐部分，其余的WWW與Web Service網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)踐，以及數(shù)據(jù)庫(kù)連接實(shí)踐，因分別會(huì)在“網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)訓(xùn)”課程（大三小學(xué)期，64課時(shí)）和“數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)踐”課程（與“Java課程設(shè)計(jì)”同期且同課時(shí)）中重點(diǎn)開設(shè)，所以都不再保留。

（二）教學(xué)模式與教學(xué)方法

依據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生基礎(chǔ)而采取合適的教學(xué)模式與教學(xué)方法，可提高教學(xué)效率[9-11]。GIS編程教學(xué)以實(shí)踐教學(xué)為主，在其中我們針對(duì)具體教學(xué)內(nèi)容，分別采用了案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)法[6]、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法[10]和項(xiàng)目教學(xué)法[10，11]。具體為：在教學(xué)內(nèi)容1中，基于案例介紹基于Java的開源GIS開發(fā)流程、主流GIS服務(wù)器和GIS開發(fā)插件;在教學(xué)內(nèi)容2中，先示范開源數(shù)據(jù)庫(kù)中空間數(shù)據(jù)的建立和管理，然后讓學(xué)生完成相關(guān)實(shí)踐任務(wù);在教學(xué)內(nèi)容3中，先結(jié)合案例介紹基于開源GIS服務(wù)器和開源插件的空間數(shù)據(jù)管理和訪問方法，并分析關(guān)鍵代碼，然后讓學(xué)生完成相關(guān)的實(shí)踐任務(wù)，為小學(xué)期中的GIS編程綜合實(shí)踐做準(zhǔn)備;在教學(xué)內(nèi)容4中，學(xué)生以分組形式完成開源GIS編程綜合實(shí)踐項(xiàng)目。

（三）案例、任務(wù)與項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在GIS編程教學(xué)的案例、任務(wù)和項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，我們注意了案例的整體性、任務(wù)的目的性和項(xiàng)目的設(shè)計(jì)性[9]。具體為：案例1是對(duì)我國(guó)陸界的展示，在教學(xué)內(nèi)容1和3中使用。其中：在教學(xué)內(nèi)容1中著重演示我國(guó)陸界空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和發(fā)布;在教學(xué)內(nèi)容3中著重演示陸界空間數(shù)據(jù)展示中對(duì)開源GIS插件的依賴管理，以及本地和GIS服務(wù)器空間數(shù)據(jù)的訪問和展示過程。任務(wù)1是空間數(shù)據(jù)庫(kù)建立實(shí)踐。該任務(wù)要求學(xué)生在應(yīng)用開源數(shù)據(jù)庫(kù)的空間數(shù)據(jù)擴(kuò)展功能，對(duì)點(diǎn)、線和面空間數(shù)據(jù)進(jìn)行生成和管理。任務(wù)2是空間數(shù)據(jù)訪問實(shí)踐。教師在演示案例1中GIS服務(wù)器的空間數(shù)據(jù)管理和發(fā)布，以及開源GIS插件的空間數(shù)據(jù)訪問后，該任務(wù)要求學(xué)生搭建實(shí)踐平臺(tái)，并完成對(duì)本地和GIS服務(wù)器空間數(shù)據(jù)的訪問。項(xiàng)目1是C/S架構(gòu)下的GIS編程綜合實(shí)踐。該項(xiàng)目要求學(xué)生以分組形式，選定一個(gè)空間數(shù)據(jù)專題，進(jìn)行GIS開發(fā)的功能設(shè)計(jì)、空間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備、GIS服務(wù)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與發(fā)布，以及在C/S架構(gòu)下的空間數(shù)據(jù)訪問實(shí)現(xiàn)。

（四）實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

在GIS編程的實(shí)踐教學(xué)中，我們依據(jù)行業(yè)主流和相互兼容的原則，采用合適的GIS服務(wù)器來定實(shí)踐平臺(tái)的整體架構(gòu)，選擇與GIS服務(wù)器良好兼容的軟件搭建實(shí)踐平臺(tái)。具體為：在開源GIS服務(wù)器中，由于GeoServer擁有：是對(duì)OpenGIS規(guī)范的J2EE實(shí)現(xiàn);允許Java程序通過調(diào)用GeoTools插件中的包，和以WCS、WMS、WFS等地理參考信息模型，對(duì)服務(wù)器上的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查、增、刪和改;支持幾乎全部高級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)和上百種投影;能將空間數(shù)據(jù)輸出為多種圖形格式等突出優(yōu)勢(shì)，因此我們選擇GeoServer（版本2.12.2）作為空間數(shù)據(jù)發(fā)布的服務(wù)器。

配合GeoServer服務(wù)器，我們采用JDK（版本1.8.0.6）作為實(shí)踐平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境;選用Eclipse（版本為Kepler Service Release 1）作為IDE;采用MySQL（版本5.7）管理屬性和點(diǎn)線等空間數(shù)據(jù);在Eclipse中分別加載JDBC插件（具體為mysql-connector-java-5.1.41）支持對(duì)MySQL的訪問，加載GeoTools（版本為18-SNAPSHOT）支持對(duì)GeoServer的訪問，加載Maven（版本4.4）管理程序?qū)eoTools中具體的包的依賴關(guān)系。

下面圖1顯示了GIS教學(xué)平臺(tái)中的軟件與插件的支撐關(guān)系，圖2顯示啟動(dòng)GeoServer服務(wù)后的DOS界面，圖3顯示了在Eclipse中采用JMapFrame訪問并展示服務(wù)器上圖層時(shí)，通過Maven管理的6個(gè)GeoTools依賴包。

（五）考核方式

表1中的GIS編程教學(xué)內(nèi)容前后相關(guān)聯(lián)，其中最后的實(shí)踐項(xiàng)目才是教學(xué)的核心，因此在教學(xué)中我們需要及時(shí)把握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，采用過程化考核方式，由階段有效性來保證教學(xué)整體的有效。具體為：GIS實(shí)踐任務(wù)的考核放在“Java程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”中進(jìn)行，形式是教師檢查學(xué)生提交的任務(wù)結(jié)果并按完成情況評(píng)分，每個(gè)任務(wù)滿分5分，計(jì)入“Java程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的上機(jī)成績(jī)。兩次GIS實(shí)踐任務(wù)的得分，還作為后面項(xiàng)目1中調(diào)整學(xué)生分組和選題的依據(jù)。項(xiàng)目1的考核放在“Java課程設(shè)計(jì)”結(jié)束時(shí)進(jìn)行，形式是對(duì)分組項(xiàng)目（包括一個(gè)Java的GUI項(xiàng)目和項(xiàng)目1，各占總成績(jī)的60%和40%）組織一次集中答辯。各項(xiàng)目組都需要向全班匯報(bào)本組對(duì)項(xiàng)目所進(jìn)行的問題分析、數(shù)據(jù)和功能設(shè)計(jì)、分工協(xié)作、代碼與運(yùn)行等，并回答其他組和教師的提問，其他分組則對(duì)匯報(bào)組所述內(nèi)容逐項(xiàng)評(píng)分，各組評(píng)分的平均分和教師對(duì)答辯組紙質(zhì)報(bào)告的評(píng)分，以9∶1的比例匯總后，成為答辯組組長(zhǎng)的項(xiàng)目得分，組內(nèi)其他成員的項(xiàng)目得分，由其在分組中的排序逐次以5分遞減。

三、教學(xué)效果

在本院“空間專業(yè)”的兩門Java課程中，我們已實(shí)施了一輪上述GIS編程教學(xué)設(shè)計(jì)，教學(xué)內(nèi)容全部安排在機(jī)房集中完成，課任教師全程指導(dǎo)實(shí)踐任務(wù)和項(xiàng)目。我們發(fā)現(xiàn)：學(xué)生對(duì)GIS編程學(xué)習(xí)積極主動(dòng)，大多能完成實(shí)踐項(xiàng)目和任務(wù)，尤其是在項(xiàng)目1的完成中，各組基本上全天在一起討論、設(shè)計(jì)和編程;此外，學(xué)生還十分重視最后的集中答辯，各分組都能精心準(zhǔn)備PPT和紙質(zhì)報(bào)告，并由組內(nèi)表達(dá)能力較強(qiáng)的同學(xué)進(jìn)行匯報(bào)，從而保證了GIS編程教學(xué)設(shè)計(jì)的完成。下面圖4為案例1中展示的我國(guó)陸界，圖5到圖7是相關(guān)任務(wù)和項(xiàng)目的部分結(jié)果示例。

上面各圖的空間數(shù)據(jù)中，圖4中的來自GADM[12]，圖6及圖7中（b）和（c）中的來自GeoServer[13]，圖7中（a）的來自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心[14]。

四、結(jié)論

在探討如何在“空間專業(yè)”開展基于Java的開源GIS編程教學(xué)中，我們整合了該專業(yè)兩門Java課程中的實(shí)踐課時(shí)，在其中添加了以實(shí)踐為主的開源GIS編程教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)和應(yīng)用了GIS編程的相關(guān)案例、任務(wù)和項(xiàng)目，圍繞GeoServer搭建了開源的教學(xué)平臺(tái)，并對(duì)教學(xué)效果采用了過程化的考核，完成了培養(yǎng)學(xué)生開源GIS編程基礎(chǔ)的教學(xué)目標(biāo)。目前我們對(duì)GIS編程的教學(xué)還限于C/S架構(gòu)下空間數(shù)據(jù)的獲取和展示等基礎(chǔ)部分，在此基礎(chǔ)上，今后教學(xué)中還將繼續(xù)整合“空間專業(yè)”相關(guān)課程的實(shí)踐課時(shí)，以便能進(jìn)一步結(jié)合GeoAPI，添加C/S架構(gòu)下圖層的管理、要素處理和B/S架構(gòu)下空間數(shù)據(jù)展示等更多內(nèi)容，以及將MySQL替換為對(duì)空間坐標(biāo)體系支持更好的PostgreSQL，以加強(qiáng)對(duì)學(xué)生開源GIS編程能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐光義，李繼革，張宏國(guó).以專業(yè)方向?yàn)閷?dǎo)向的JAVA教學(xué)方法探索[J].大學(xué)教育，2014，（14）：117-118.

[2]黎華，張曉盼，龔珍.GIS專業(yè)的Java程序設(shè)計(jì)教學(xué)改革初探[J].測(cè)繪通報(bào)，2017，（4）：145-148.

[3]李曉暉，博客園.GIS項(xiàng)目中數(shù)據(jù)開源、工具開源、開發(fā)開源的解決方案[EB/OL].https：//www.cnblogs.com/naaoveGIS/p/4766728.html.

[4]GISEarth.開源GIS淺談[EB/OL].https：//blog.csdn.net/happyduoduo1/article/category/6287948.

[5]張曉清，代興偉.B/S+C/S混合架構(gòu)的環(huán)境地理信息系統(tǒng)的研究[J].蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，17（4）：5-8.

[6]郭鵬程，李廣宇.基于Geo Server的地學(xué)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2017，（15），142-145.

[7]基于GeoTools的地圖服務(wù)快速發(fā)布系統(tǒng)研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2017，40（7）：137-139，142.

[8]蔡文文，王少華，鐘耳順，胡辰璞，劉曉妮.跨平臺(tái)開源桌面GIS軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控通報(bào)，2017，（1）.

[9]索望，昌燕，何林波.CDIO模式下Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2016，（9）：111-114.

[10]李潔.基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)和項(xiàng)目引領(lǐng)的小組協(xié)作Java教學(xué)模式研究[J].柳州師專學(xué)報(bào)，2015，30（3）：121-123.

[11]王飛雪.基于項(xiàng)目式的《Java程序設(shè)計(jì)》課程改革實(shí)踐[J].電腦與電信，2015，（10）：38-39.

[12]GADM.Download GADM data[EB/Ol].https：//www.gadm.org/download_country_v3.html，2018-4-12.

[13]中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心.雄安新區(qū)[EB/OL].http：//www.resdc.cn/download.aspx？FileID=1066，2018-4-12.

[14]GeoServer.Downloads page[EB/OL].http：//docs.geoserver.org/latest/en/user/_downloads/，2018-4-12.