何占軍,吳 亮,陳占龍,陶留鋒

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.武昌理工學(xué)院 人工智能學(xué)院，湖北 武漢 430223)

地理空間信息科學(xué)(Geographic Information Sciences, GIS)是一門涉及測量學(xué)、地理學(xué)、地圖學(xué)、遙感科學(xué)等多領(lǐng)域的基礎(chǔ)性學(xué)科。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，地理信息科學(xué)的內(nèi)涵越來越豐富，應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛。鑒于地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，我國很多高校都開設(shè)了地理信息科學(xué)的相關(guān)專業(yè)(如：地理信息系統(tǒng)、空間分析等)，包括諸如城市管理、土地資源管理等文科類專業(yè)。然而，不同專業(yè)背景下地理信息科學(xué)授課的側(cè)重點(diǎn)會有所不同。對地理信息工程專業(yè)來說，授課內(nèi)容主要側(cè)重GIS軟件的開發(fā)和應(yīng)用，而對于偏文科的專業(yè)來說，地理信息科學(xué)更多強(qiáng)調(diào)地理信息處理方法在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。正是由于地理信息科學(xué)的廣泛應(yīng)用與大力普及，地理信息領(lǐng)域的入門門檻顯得越來越低，并由此引發(fā)了“GIS究竟是地理信息科學(xué)還是地理信息系統(tǒng)？”的廣泛討論。另一方面，隨著國務(wù)院《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》的頒布，推進(jìn)科技創(chuàng)新、推動科技強(qiáng)國是每個學(xué)科均值得深入考慮的問題。對于地理信息科學(xué)領(lǐng)域而言，對學(xué)生培養(yǎng)不能只是簡單停留在地理信息處理工具應(yīng)用層面，更需要夯實(shí)地理信息處理理論方法的科學(xué)基礎(chǔ)。如何培養(yǎng)一批“寬口徑、厚基礎(chǔ)、高素質(zhì)”的地理信息創(chuàng)新型人才，是高校課程建設(shè)需要深入考慮的問題之一。

實(shí)質(zhì)上，地理空間信息科學(xué)的核心在于空間分析[1-3]，地理信息系統(tǒng)與普通信息管理系統(tǒng)的最大區(qū)別也在于其擁有強(qiáng)大的空間分析功能。空間分析主要目標(biāo)在于探索空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特征、分布模式、關(guān)聯(lián)關(guān)系及演化特征，在闡述土地功能、人地關(guān)系等方面均起著重要作用[4]。作為地理信息科學(xué)領(lǐng)域中的核心課程，“空間統(tǒng)計(jì)分析”有著較為完備的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和廣泛的應(yīng)用前景?！翱臻g統(tǒng)計(jì)分析”課程的開設(shè)不僅有助于提升學(xué)生的空間思維能力，而且對學(xué)生深入了解掌握空間分析的理論方法模型有著重要的指導(dǎo)意義，同時也是地理信息科學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的必備的基礎(chǔ)工作之一。為此，本文主要以地理信息科學(xué)領(lǐng)域核心課程“空間統(tǒng)計(jì)分析”為例，結(jié)合在教學(xué)過程中遇到的主要問題，思考新時代背景下地理信息學(xué)科建設(shè)中的新問題、新需求，并探索相關(guān)課程的建設(shè)。

1 “空間統(tǒng)計(jì)分析”的教學(xué)現(xiàn)狀分析

“空間統(tǒng)計(jì)分析”是地理信息科學(xué)的核心內(nèi)容，也是難點(diǎn)內(nèi)容之一。國外空間統(tǒng)計(jì)分析領(lǐng)域的研究主要是借助空間統(tǒng)計(jì)學(xué)，嘗試借助嚴(yán)密的數(shù)理推斷來對空間模式、空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索，代表性工作有地理加權(quán)回歸、空間濾波等方法。相對于國外，國內(nèi)“空間統(tǒng)計(jì)分析”的教學(xué)相對滯后，主要存在以下問題：

1)經(jīng)典“空間統(tǒng)計(jì)分析”的教材尚比較缺乏。國內(nèi)“空間統(tǒng)計(jì)分析”的內(nèi)容大多包含于地理信息系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)分析等基礎(chǔ)性教材中。現(xiàn)行主流的“空間統(tǒng)計(jì)分析”教材大多側(cè)重于地統(tǒng)計(jì)方法，或是基于國外教材的中文翻譯版本[5-6]，由此導(dǎo)致“空間統(tǒng)計(jì)分析”教學(xué)的困難。另一方面，由于地理信息處理軟件(如：MapGIS, ArcGIS 等)的快速發(fā)展，且這些軟件中包含比較完備的基礎(chǔ)性“空間統(tǒng)計(jì)分析”功能，使得大部分涉及“空間統(tǒng)計(jì)分析”的實(shí)際應(yīng)用問題可借助相關(guān)軟件輔助完成。鑒于以上原因，空間分析的教學(xué)多數(shù)側(cè)重于“空間統(tǒng)計(jì)分析”方法可以解決哪些問題，但對這些方法背后的科學(xué)基礎(chǔ)重視度卻不夠。

2)“空間統(tǒng)計(jì)分析”教學(xué)內(nèi)容缺乏整體性和層次感。實(shí)際上，國內(nèi)一部分高校也開設(shè)了“空間統(tǒng)計(jì)分析”的課程，以作為地理信息系統(tǒng)、基礎(chǔ)空間分析的進(jìn)階課程。然而，“空間統(tǒng)計(jì)分析”模型通常與數(shù)學(xué)模型密切相關(guān)，考慮到學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和課堂教學(xué)效果，“空間統(tǒng)計(jì)分析”教學(xué)中大多仍側(cè)重基礎(chǔ)的“空間統(tǒng)計(jì)分析”方法，如：空間回歸方法、地理加權(quán)回歸等。實(shí)際上，“空間統(tǒng)計(jì)分析”的學(xué)術(shù)流派眾多，同時涵蓋空間聚類模式發(fā)現(xiàn)、空間異常模式探測等空間挖掘理論方法。相對于“空間統(tǒng)計(jì)分析”的豐富內(nèi)涵，基礎(chǔ)“空間統(tǒng)計(jì)分析”課程教學(xué)內(nèi)容往往顯得缺乏整體性和層次性。

3)“空間統(tǒng)計(jì)分析”教學(xué)內(nèi)容缺乏吸引力。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)的興起，人工智能技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度來看，人工智能的相關(guān)理論方法更容易受到學(xué)生“青睞”。與日益火熱的智能化方法相比，傳統(tǒng)的“空間統(tǒng)計(jì)分析”方法顯得有些枯燥乏味，難以引起學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因之一在于，現(xiàn)有“空間統(tǒng)計(jì)分析”教學(xué)過程中，并未建立“空間統(tǒng)計(jì)分析”模型與當(dāng)前主流人工智能計(jì)算模型之間的聯(lián)系，而更多的是將兩者視為獨(dú)立的學(xué)科。

鑒于“空間統(tǒng)計(jì)分析”教學(xué)過程中存在的以上問題，我們必須認(rèn)真思考以下兩個問題：(1)在教學(xué)內(nèi)容上，“空間統(tǒng)計(jì)分析”課程的內(nèi)容應(yīng)該做出哪些改進(jìn)？(2)在教學(xué)思路或教學(xué)方法層面，授課老師又該做出何種調(diào)整或做哪些嘗試？

2 “空間統(tǒng)計(jì)分析”課程建設(shè)思考

針對當(dāng)前“空間統(tǒng)計(jì)分析”教學(xué)中存在的若干問題，筆者認(rèn)為，可以嘗試從教學(xué)思路轉(zhuǎn)變、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)方法改革等幾個方面著手，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生興趣、夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)、提升學(xué)生創(chuàng)新能力等目標(biāo)[7-8]。

2.1 教學(xué)思路改變

現(xiàn)階段，“空間統(tǒng)計(jì)分析”課程大多開設(shè)于測繪地理信息相關(guān)專業(yè)，如地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)、地理空間信息工程等專業(yè)。課程內(nèi)容設(shè)置與地理信息系統(tǒng)課程內(nèi)容一脈相承。在教學(xué)思路上，授課教師更多是從測繪地理信息科學(xué)應(yīng)用的角度出發(fā)，重點(diǎn)講授如何基于空間分析領(lǐng)域中的經(jīng)典理論方法來解決對應(yīng)的實(shí)際問題，卻未能強(qiáng)調(diào)方法背后的科學(xué)依據(jù)與數(shù)理基礎(chǔ)。為讓學(xué)生能更深入理解并掌握空間分析方法，助力學(xué)生夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)，筆者建議做好以下幾點(diǎn)思維轉(zhuǎn)換：

1)夯實(shí)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，提倡“過程式”教學(xué)?！翱臻g統(tǒng)計(jì)分析”實(shí)質(zhì)是一門對高等數(shù)學(xué)(如：微積分、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等)要求頗高的專業(yè)課，忽略“空間統(tǒng)計(jì)分析”模型中的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與計(jì)算過程就會使得學(xué)生難以深入理解對應(yīng)分析模型的意義。為此，教學(xué)過程中需要加強(qiáng)相關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容的講授。例如，厘清空間統(tǒng)計(jì)量與采樣理論、中心極限定理、正態(tài)分布、學(xué)生分布、冪律分布等核心概念的關(guān)系。另一方面，提倡“過程式”教學(xué)，即老師在授課過程中要對核心算法的數(shù)學(xué)原理與計(jì)算過程進(jìn)行詳細(xì)解釋，鼓勵學(xué)生通過編程的方式對算法過程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并與主流軟件分析結(jié)果進(jìn)行對比印證，從而加深學(xué)生對空間分析模型算法的理解。

2)引入人工智能算法，推進(jìn)跨學(xué)科交叉融合。實(shí)質(zhì)上，機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等很多學(xué)習(xí)模型是對數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化。例如，經(jīng)典的梯度下降算法是基于優(yōu)化算法求解方程的極值問題?！翱臻g統(tǒng)計(jì)分析”方法與人工智能領(lǐng)域中的方法并不是相互獨(dú)立，而是在很多方面有著共同之處。例如，空間點(diǎn)模式重建方法實(shí)質(zhì)是基于多個空間統(tǒng)計(jì)量的極值優(yōu)化問題[9]。為此，需要鼓勵并積極擁抱人工智能領(lǐng)域中的新理論、新方法，探索其與“空間統(tǒng)計(jì)分析”模型之間的相似性和關(guān)聯(lián)性，從而更好地推進(jìn)跨學(xué)科的交叉與融合。

3)密切聯(lián)系行業(yè)前沿，注重創(chuàng)新思維培養(yǎng)。當(dāng)前，國內(nèi)外諸多學(xué)者嘗試綜合使用空間統(tǒng)計(jì)分析、人工智能等理論方法，從海量、多源、異構(gòu)的地理空間數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)新的時空模式或知識性規(guī)律[10-12]。在此過程中，學(xué)者們也發(fā)展了一些新的空間分析模型。然而，受限于教材編著與出版的時間，這些新的理論方法與模型成果并未編入市面流行的教材。為此，需要密切聯(lián)系城市計(jì)算、地理大數(shù)據(jù)等熱點(diǎn)領(lǐng)域中的需求與最新研究成果，在授課中引入最新的空間分析模型，著重培養(yǎng)學(xué)生的空間思維意識，并進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考跨領(lǐng)域方法融合創(chuàng)新的新方式。

2.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

教師是教學(xué)過程的主導(dǎo)者，肩負(fù)著教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和改革的任務(wù)。為提升“空間統(tǒng)計(jì)分析”課程的教學(xué)效果，筆者對“空間統(tǒng)計(jì)分析”的課程內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。主體課程可以劃分為五大模塊，分別為“空間統(tǒng)計(jì)分析”的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、基礎(chǔ)分析方法、高級分析方法、智能化分析方法與應(yīng)用案例，具體內(nèi)容如表1所示。其中，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)模塊主要介紹空間數(shù)據(jù)的特征與描述方法，包括空間投影與坐標(biāo)系等基礎(chǔ)性知識、空間自相關(guān)特征、非平穩(wěn)特征、尺度特征以及分形理論等；數(shù)學(xué)基礎(chǔ)模塊著重介紹“空間統(tǒng)計(jì)分析”相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，包括數(shù)據(jù)的分布形態(tài)描述方法(如：正態(tài)分布、學(xué)生分布、冪律分布等)與各統(tǒng)計(jì)量的構(gòu)建，著重闡述不同統(tǒng)計(jì)量的含義、原理、功能與應(yīng)用場景；基礎(chǔ)“空間統(tǒng)計(jì)分析”主要涵蓋空間分析中常見的空間統(tǒng)計(jì)量，如點(diǎn)密度描述、空間熱點(diǎn)探測、空間點(diǎn)模式判別(如：K函數(shù)、L函數(shù))、空間插值、空間回歸分析等；高級“空間統(tǒng)計(jì)分析”方法主要介紹空間數(shù)據(jù)挖掘中的典型方法，包括基于空間統(tǒng)計(jì)方法的聚類模式發(fā)現(xiàn)、異常模式探測及關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘等[13]；智能化空間分析方法則主要介紹當(dāng)前基于人工智能方法(如：計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理等)在地理大數(shù)據(jù)挖掘中的應(yīng)用，如基于城市設(shè)施數(shù)據(jù)的城市功能區(qū)挖掘等。以上五大模塊所設(shè)內(nèi)容層層遞進(jìn)，既詳細(xì)介紹“空間統(tǒng)計(jì)分析”的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時也較好串聯(lián)傳統(tǒng)空間分析、空間模式統(tǒng)計(jì)挖掘與空間智能挖掘方法等多個領(lǐng)域的主要內(nèi)容，從而使得學(xué)生對空間分析有更全面的認(rèn)識，也必將更好激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在授課過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合地圖學(xué)、地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)與公共衛(wèi)生等領(lǐng)域的具體案例，做到理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)有所用，學(xué)用相長。

表1 “空間統(tǒng)計(jì)分析”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.3 教學(xué)方法改革

在教學(xué)實(shí)施階段，需要打破傳統(tǒng)教學(xué)過程中“老師單向講授、學(xué)生被動吸收”的教學(xué)困境，充分激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和自主探索的熱情，鼓勵并引導(dǎo)學(xué)生對前沿領(lǐng)域的理論方法進(jìn)行自主學(xué)習(xí)探索，最終建立“老師積極引導(dǎo)，師生互相促進(jìn)”的良好教學(xué)氛圍。為此，需要設(shè)計(jì)并嘗試新的教學(xué)方法，建議從以下幾個方面進(jìn)行嘗試。

1)加強(qiáng)前沿理論方法引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生開展探索性學(xué)習(xí)。地理信息科學(xué)相關(guān)研究已經(jīng)表明，人類生活超過80%的數(shù)據(jù)與空間位置有關(guān)。正是由于地理空間信息的普遍性，空間分析方法的應(yīng)用領(lǐng)域與場景也越來越廣泛。盡管當(dāng)前主流的空間分析教程較好地涵蓋了經(jīng)典的空間分析方法，但相對于地理信息科學(xué)的快速發(fā)展，這些教材或多或少顯得有些滯后或不完備。為此，需要在教學(xué)中重視與領(lǐng)域最新理論方法、科研成果的相互結(jié)合。在教學(xué)過程中，教師不能局限于市場主流的空間分析教程，要保持學(xué)術(shù)敏感性，結(jié)合地理信息科學(xué)領(lǐng)域的主要需求與最新研究成果，加入對人工智能理論方法及應(yīng)用場景的介紹，結(jié)合典型的智能化空間分析案例(如：城市功能區(qū)挖掘)，解釋人工智能與空間分析方法結(jié)合的可能性、可行性及優(yōu)勢所在，培養(yǎng)學(xué)生在空間分析任務(wù)中應(yīng)用人工智能方法的思維。另一方面，也要鼓勵學(xué)生以自我學(xué)習(xí)的方式對前沿理論方法進(jìn)行探索。如此，既可以提升學(xué)生的主動學(xué)習(xí)熱情，也可以使得學(xué)生對學(xué)科前沿有更好地了解。

2)注重動手實(shí)踐能力，鼓勵參加數(shù)據(jù)科學(xué)競賽。教學(xué)過程中，教師重在思維引導(dǎo)，而學(xué)生則要勤于動手，勇于探索。一方面，教師可以布置若干開放式、探索性的空間分析任務(wù)，鼓勵學(xué)生動手實(shí)踐編程，對現(xiàn)有空間分析功能進(jìn)行補(bǔ)充拓展，例如：多類型設(shè)施的共生模式分析、語義功能提取等。另一方面，國內(nèi)外一些數(shù)據(jù)平臺(如：Kaggle)公開了大量的空間數(shù)據(jù)，并嘗試對某一行業(yè)的具體問題給出合理的解決方案。可以鼓勵學(xué)生積極參加空間數(shù)據(jù)相關(guān)的科學(xué)競賽，一方面有助于學(xué)生更好地了解空間分析的具體行業(yè)應(yīng)用需求，另一方面，也可以使得學(xué)生清楚了解所學(xué)方法的優(yōu)勢和不足，從而鼓勵其在現(xiàn)有方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。同時，鼓勵學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目訓(xùn)練，將學(xué)生的創(chuàng)新性想法運(yùn)用到實(shí)踐生產(chǎn)指導(dǎo)中。在此過程中，學(xué)生必將涉獵更多的相關(guān)知識，從而更好地實(shí)現(xiàn)“以賽促學(xué)”和“學(xué)科融合”[14]。

3)發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)手段，加強(qiáng)師生互動交流。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的交流行為越來越豐富，可作為現(xiàn)實(shí)課堂的有效補(bǔ)充工具。為此，需要充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺(如：藍(lán)墨云等)，借助網(wǎng)絡(luò)平臺搭建學(xué)習(xí)社區(qū)，更好地促進(jìn)老師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的互動交流。在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺中，教師作為引導(dǎo)者，可以發(fā)布任務(wù)或討論話題，并鼓勵學(xué)生對同一任務(wù)進(jìn)行相互評價，以此激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，引導(dǎo)學(xué)生之間的交流與互動。教師可參與學(xué)生們的討論，對學(xué)生觀點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)評或引導(dǎo)，并從中發(fā)掘新穎的、有創(chuàng)新思維的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。

3 結(jié)束語

“空間統(tǒng)計(jì)分析”是地理信息科學(xué)中的核心課程，亦是一門授課難度較大的課程。本文分析了“空間統(tǒng)計(jì)分析”教學(xué)過程中存在的主要問題，并從教學(xué)思路改變、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與教學(xué)方法改革等幾個方面給出教學(xué)研究與課程建設(shè)的若干建議。然而，教學(xué)改革需要結(jié)合實(shí)際效果，在長期的教學(xué)過程中進(jìn)行不斷的優(yōu)化和調(diào)整，也需要相關(guān)老師們的協(xié)同努力才能更加完善。