蒲海霞　武榮偉　李鈺　蔡進(jìn)

摘 要：城市轉(zhuǎn)型期城市空間結(jié)構(gòu)改變，社會(huì)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變、居民行為與需求多樣化、智慧城市應(yīng)用而生。地理信息系統(tǒng)作為支撐智慧城市基本數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)建模與空間決策的最重要的技術(shù)支撐，收到學(xué)界與業(yè)界的廣泛關(guān)注。對(duì)于未來(lái)參與智慧城市建設(shè)的當(dāng)代大學(xué)生，需對(duì)地理信息系統(tǒng)的基本理論、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論、數(shù)據(jù)模塊化理論進(jìn)行熟練掌握與理解。在實(shí)踐操作過(guò)程中，需熟練掌握基本的ARCGIS操作軟件、熟悉二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，掌握數(shù)據(jù)分采集與分析軟件，如C++、C#、Python、SPSS、STATA。如何將定量分析與定性分析結(jié)合，最后為智慧城市區(qū)域建設(shè)與底層建設(shè)提供技術(shù)支持。通過(guò)地理信息系統(tǒng)教學(xué)課程改革建立一支強(qiáng)大科研與實(shí)踐隊(duì)伍。

關(guān)鍵詞：智慧城市 高校 地理信息系統(tǒng) 學(xué)科交叉 教學(xué)改革

1 地理信息系統(tǒng)教學(xué)改革背景

地理信息系統(tǒng)（Geographic information system， GIS）集數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析、制圖與可視化等為一體的多功能平臺(tái)與空間信息科學(xué)，主要應(yīng)用于城市規(guī)劃、土地資源評(píng)價(jià)、測(cè)繪、國(guó)土空間規(guī)劃、區(qū)域發(fā)展等領(lǐng)域的研究。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)顯示[1]。截止2016年，我國(guó)城鎮(zhèn)人口已達(dá)到了7.9億，預(yù)計(jì)2030年，城鎮(zhèn)人口將會(huì)增加到9億，我國(guó)正處于城市轉(zhuǎn)型與社會(huì)結(jié)構(gòu)改變的關(guān)鍵時(shí)期。

快速增長(zhǎng)的人口對(duì)生態(tài)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境、城市環(huán)境、城市管理、社會(huì)治理、公共服務(wù)等帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)[2]。與此同時(shí)，國(guó)家、不同政府部門(mén)對(duì)復(fù)雜城市、復(fù)雜社會(huì)與復(fù)雜居民群體的管理與治理面臨巨大的考驗(yàn)。城市治理不再是單一維度下的政府職能最大化，更需要結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)公共服務(wù)設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)交通復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)度、對(duì)資源生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)。智慧城市是在數(shù)字城市的基礎(chǔ)框架上構(gòu)建起來(lái)的，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬數(shù)字世界融合，將城市的每個(gè)模塊以及模塊之間的連續(xù)進(jìn)行數(shù)字化存儲(chǔ)，為政府、企業(yè)、市民需求與應(yīng)用提供服務(wù)[3]。

地理信息系統(tǒng)和智慧城市密切相關(guān)，地理信息系統(tǒng)可以作為智慧城市建設(shè)中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集者、存儲(chǔ)者和分析者，并可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊合、切割與重組。如在城市人口數(shù)據(jù)建模方面，地理信息系統(tǒng)可以分析不同區(qū)域人口密度的空間分布特征、聚集性和離散性，對(duì)不同區(qū)域數(shù)據(jù)人口數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮與整合，最后存入到智慧城市模型中，用于政府公共服務(wù)資源配置的決策方案中。

智慧城市這一概念自2008年提出以來(lái)，全國(guó)各地加速布局并進(jìn)行實(shí)踐落地，先后形成概念導(dǎo)入期（2008-2012 年）、試點(diǎn)探索期（2012-2016年）、統(tǒng)籌推進(jìn)期（2016-2020年）等重要發(fā)展期，正邁入集成融合發(fā)展的新時(shí)期[4]。

2 地理信息系統(tǒng)課程現(xiàn)狀

目前所在高校為西部高校-重慶工商大學(xué)，其地理信息系統(tǒng)課程開(kāi)設(shè)主要是依托于重慶市一流專(zhuān)業(yè)《人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃》而開(kāi)設(shè)的必修課，其中包括理論學(xué)時(shí)16課時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)32學(xué)時(shí)。對(duì)于理論課程的講解主要包括地理信息系統(tǒng)的基本概念與構(gòu)成，地理信息系統(tǒng)的發(fā)展概況，空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型（矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)），柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，地圖投影與轉(zhuǎn)換，數(shù)字信息模型，數(shù)字高程模型，矢量、柵格數(shù)據(jù)的疊合分析，緩沖區(qū)分析[5]。這基本上是對(duì)地理信息系統(tǒng)最基本的認(rèn)識(shí)，只能進(jìn)行最基本的空間分析和圖形轉(zhuǎn)換，而對(duì)最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法、大數(shù)據(jù)挖掘、云計(jì)算、web建模等的學(xué)習(xí)較少，未能為智慧城市的底層開(kāi)發(fā)和平臺(tái)建設(shè)提供理論和技術(shù)支撐。在實(shí)驗(yàn)課的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括地圖的矢量化，屬性數(shù)據(jù)錄入，地圖校正與配準(zhǔn)，柵格數(shù)據(jù)的重分類(lèi)，坡度與坡向分析，數(shù)據(jù)疊合分析與緩沖區(qū)分析。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置上，數(shù)據(jù)的操作實(shí)驗(yàn)是隔斷式的單項(xiàng)操作，各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)沒(méi)有相互緊密聯(lián)系。因此，實(shí)驗(yàn)課程的系統(tǒng)性、合理性、過(guò)渡性與連貫性還需加強(qiáng)。在后期實(shí)驗(yàn)課的設(shè)置上，需設(shè)置一整套的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)方法，讓學(xué)生掌握和熟悉從現(xiàn)實(shí)世界到虛擬世界的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與建模，深入理解數(shù)據(jù)重分類(lèi)的意義和目的，將智慧城市的理念與空間分析相結(jié)合，自我反思和促進(jìn)學(xué)習(xí)的積極性，促使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)到主動(dòng)學(xué)習(xí)，提升主動(dòng)探索的學(xué)習(xí)精神。另外，對(duì)實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容設(shè)置的深度和難度還需進(jìn)一步加強(qiáng)，如適當(dāng)引入時(shí)空地理加權(quán)空間計(jì)算、OLS回歸分析，時(shí)間與空間可達(dá)性等，通過(guò)現(xiàn)實(shí)案例，讓學(xué)生更加理解智慧城市不僅僅是空間可視化分析，更是大數(shù)據(jù)運(yùn)算與模式挖掘。

3 地理信息系統(tǒng)教學(xué)改革措施

3.1 加強(qiáng)課程內(nèi)容建設(shè)，凸顯時(shí)代特色

在教學(xué)內(nèi)容上，拓展學(xué)生的知識(shí)面和對(duì)數(shù)據(jù)模型的學(xué)習(xí)，如加入概念模型、邏輯模型，物理模型、場(chǎng)模型、網(wǎng)絡(luò)模型、多維數(shù)據(jù)模型、對(duì)象模型、面向?qū)ο蠹夹g(shù)的抽象模型。在數(shù)學(xué)模型的講授中，將地理數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)生活中的鐵路、公路、航線相結(jié)合。將場(chǎng)模型與大氣污染、地表溫度、土壤適度、地形高度以及水域流速與方向相結(jié)合。在時(shí)空模型的講授中，將出租車(chē)數(shù)據(jù)、手機(jī)信令數(shù)據(jù)、居民時(shí)空行為GPS跟蹤數(shù)據(jù)融入到時(shí)空模型案例的講授中，滲透時(shí)空GIS、時(shí)空棱柱研究、多維數(shù)據(jù)的表達(dá)研究[6]。從宏觀來(lái)看，城市化與城市空間轉(zhuǎn)型，城市公共服務(wù)設(shè)施如交通路網(wǎng)、醫(yī)療、學(xué)校、地下空間管網(wǎng)布局具有多路徑及復(fù)雜性，不同數(shù)學(xué)模型的引入能將顯示世界的復(fù)雜性呈現(xiàn)在智慧城市的可視化子模塊中。

轉(zhuǎn)型期社會(huì)制度、社會(huì)結(jié)構(gòu)改變。從微觀來(lái)看，居民日常行為復(fù)雜化與多樣化，家庭活動(dòng)模式也發(fā)生了較為徹底的內(nèi)在改變，居民需求越發(fā)多元化，與此同時(shí)，更需要智慧城市的多層級(jí)響應(yīng)，如總體響應(yīng)、分層次與分人群需求響應(yīng)等。因此，在地理信息系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中，強(qiáng)調(diào)居民行為的微觀轉(zhuǎn)變與行為的多情境轉(zhuǎn)變，日?；顒?dòng)的時(shí)空路徑圖可視化分等，這對(duì)智慧城市模擬居民購(gòu)物、消費(fèi)、飲食、交通出行行為有重大的實(shí)踐意義，通過(guò)居民行為的微觀模擬，對(duì)城市交通網(wǎng)絡(luò)、公共服務(wù)配置、居民出行決策、城市規(guī)劃有一定的指導(dǎo)意義[7]。通過(guò)數(shù)據(jù)模型學(xué)習(xí)與實(shí)際案例的匹配延伸，讓學(xué)生更加能了解地理信息系統(tǒng)的功能及與智慧城市建設(shè)的聯(lián)系，也能激發(fā)學(xué)生對(duì)地理信息系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)的熱情與自學(xué)能力。

3.2 基于多學(xué)科交叉的地理信息系統(tǒng)教學(xué)案例升級(jí)

事實(shí)上，地理信息系統(tǒng)是一門(mén)集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析為一體的空間數(shù)據(jù)技術(shù)，更是一門(mén)數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)決策的分析工具，與當(dāng)前的智慧城市建設(shè)緊密結(jié)合，才能彰顯其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算與分析決策能力。智慧城市包括的模塊眾多，如城市用水管理模塊，可以細(xì)致到街道用水、社區(qū)用水、家庭用水，城市用電與天然氣也是同一的設(shè)計(jì)模式。在城市用電、用水、用氣的設(shè)置中，需要對(duì)電流、水流、氣流的實(shí)時(shí)流量進(jìn)行檢測(cè)，還需檢測(cè)家庭結(jié)構(gòu)、家庭人口。為了達(dá)到精細(xì)化的流量傳輸與測(cè)度，居民日常行為的用電、用水、用氣模式、家庭互助下的節(jié)能模式是重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。這些需要利用社會(huì)學(xué)與時(shí)間地理學(xué)的理論支撐去分析家庭內(nèi)部的生活秩序與能量使用秩序[8]。

城市治理的公共安全模塊，需要考慮城市范圍、社區(qū)范圍與家庭范圍，如何對(duì)城市人流量、車(chē)流量、空氣質(zhì)量等進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如何對(duì)社區(qū)網(wǎng)絡(luò)、社區(qū)安全出入口、社區(qū)人口環(huán)境、社區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)、如何對(duì)不同類(lèi)型社區(qū)的居民的活動(dòng)出行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不僅需要地理信息系統(tǒng)的可視化技術(shù)，更需要生態(tài)學(xué)、社會(huì)學(xué)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、環(huán)境科學(xué)、遙感科學(xué)等其他學(xué)科的支撐與融合。因此，地理信息系統(tǒng)的講授過(guò)程中，需融入環(huán)境科學(xué)、遙感、人工智能等的課程群的建設(shè)。制訂一套完整的教學(xué)質(zhì)量評(píng)估體系，對(duì)不同講授模塊進(jìn)行學(xué)生打分，包括理解度、感興趣度，與智慧城市建設(shè)的關(guān)聯(lián)度，最后對(duì)評(píng)分結(jié)果進(jìn)行循環(huán)優(yōu)化，提升教學(xué)質(zhì)量。

3.3 強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，加強(qiáng)技能操作

針對(duì)目前地理信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作的單一性，不連續(xù)性與不銜接性，亟待提出一套貫穿性與項(xiàng)目操作性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)流程。首先，厘清實(shí)驗(yàn)操作的主要目的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的來(lái)源，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中用到的地理信息系統(tǒng)模型與方法，將實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c智慧城市建設(shè)相關(guān)聯(lián)。其次，激發(fā)學(xué)生的動(dòng)手能力與主動(dòng)思考的能力，獲取數(shù)據(jù)的能力，引導(dǎo)學(xué)生區(qū)利用Python去抓取網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)，如百度熱力圖數(shù)據(jù)、百度人口遷移數(shù)據(jù)、美團(tuán)等外賣(mài)數(shù)據(jù)、房地產(chǎn)鏈家數(shù)據(jù)等等。將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、存儲(chǔ)，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件SPSS、STATA、R語(yǔ)言進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，發(fā)現(xiàn)區(qū)域現(xiàn)象與微觀人群特征現(xiàn)象，揭示人口遷移規(guī)律、飲食規(guī)律、住房市場(chǎng)狀況[9]。通過(guò)這些數(shù)據(jù)的抓取、分析、結(jié)果與結(jié)論的凝練來(lái)分析現(xiàn)有的城市運(yùn)行模式與城市問(wèn)題，將數(shù)據(jù)分析抓取與智慧城市的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)結(jié)合，將大數(shù)據(jù)的研究結(jié)果與智慧城市的空間決策相結(jié)合，體現(xiàn)地理信息系統(tǒng)對(duì)智慧城市建設(shè)過(guò)程中的有力支撐作用[10]。這對(duì)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性、專(zhuān)業(yè)性、可拓展性有較好的前景，使得地理信息系統(tǒng)能更好的與智慧城市相結(jié)合，也為學(xué)生畢業(yè)后的實(shí)操能力、就業(yè)選擇有較為明顯的促進(jìn)作用。

4 教學(xué)改革的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)教學(xué)模式相比，將智慧城市融入地理信息系統(tǒng)理論課與實(shí)踐課授課，能夠突破傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取模式如矢量化、屬性數(shù)據(jù)的輸入，統(tǒng)計(jì)年鑒的整理輸入，而是借助爬蟲(chóng)抓取工具獲取網(wǎng)上自由開(kāi)放的數(shù)據(jù)源，進(jìn)來(lái)指導(dǎo)智慧城市的建設(shè)。這不僅能讓學(xué)生了解多源數(shù)據(jù)的獲取，提升學(xué)生的思考與動(dòng)手能力。還可以獲取免費(fèi)開(kāi)源的大數(shù)據(jù)，這些大數(shù)據(jù)能揭示地理信息和城市空間的普遍規(guī)律。增加學(xué)生去本專(zhuān)業(yè)的興趣，將地理和大數(shù)據(jù)結(jié)合，為學(xué)生提供了開(kāi)放的學(xué)習(xí)模式，拓展了專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

4.1 整合式理論水平提升

突破傳統(tǒng)的“教與學(xué)”被動(dòng)學(xué)習(xí)狀況，引入智慧城市建設(shè)的模塊化教育理念，將智慧城市建設(shè)過(guò)程中理論建設(shè)框架、技術(shù)研發(fā)框架、多學(xué)科交叉模型框架融入到地理信息系統(tǒng)課程的講授中去，這樣有助于拓展學(xué)生的知識(shí)面，對(duì)理論課學(xué)習(xí)的認(rèn)同感。城市發(fā)展進(jìn)程中居民身體健康問(wèn)題、心理健康問(wèn)題頻繁、社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)增強(qiáng)，重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件如何應(yīng)對(duì)都是現(xiàn)階段應(yīng)當(dāng)解決的重大城市問(wèn)題。理論與問(wèn)題的融入講解將會(huì)對(duì)課程理論體系、課程的要點(diǎn)與難點(diǎn)有更加深入的理解。其次，摒棄傳統(tǒng)的教科書(shū)式教學(xué)，形成組對(duì)組幫扶、以強(qiáng)帶弱的課程學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)。對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行循環(huán)鞏固，從課本理論到智慧城市理論，形成一整套的循環(huán)理論。

4.2 提高學(xué)生的建模能力與運(yùn)算能力

傳統(tǒng)的地理信息主要涉及到了數(shù)據(jù)矢量化、空間分析基本數(shù)據(jù)分析，智慧城市的引入需要學(xué)生較為熟練的掌握數(shù)據(jù)建模能力與大數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。在ARCGIS的實(shí)驗(yàn)操作中，引入ArcGIS Engine二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，熟練掌握C#、C++編程語(yǔ)言。實(shí)驗(yàn)課需要設(shè)置一整套的訓(xùn)練方案，明確實(shí)驗(yàn)課要達(dá)到的目的，如人口數(shù)據(jù)時(shí)空變化展示、人口流動(dòng)的社會(huì)網(wǎng)絡(luò)、空間模型計(jì)算等，在不同的子模塊確定編程方案，需要的類(lèi)庫(kù)等。這些都有助于理解底層開(kāi)發(fā)，智慧城市建模的底層研發(fā)與底層設(shè)計(jì)，易于理解智慧城市的智能化運(yùn)作程序。在智慧城市模塊化繼續(xù)完善的進(jìn)程中，提出可行性研究策略，提升學(xué)生動(dòng)手和動(dòng)腦能力。另外，以實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的模式，對(duì)實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行改革與探索，可以將歷年ESRI公司舉辦的大學(xué)生GIS軟件開(kāi)發(fā)競(jìng)賽賽題引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來(lái)，讓學(xué)生了解原創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)步驟、練習(xí)所學(xué)習(xí)的技能操作，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的探索性學(xué)習(xí)能力。

4.3 培養(yǎng)學(xué)生的核心價(jià)值觀

智慧城市規(guī)劃是國(guó)家規(guī)劃體系的重要組成部分，也是國(guó)土空間規(guī)劃體系的有機(jī)組成部分，更是國(guó)家的長(zhǎng)期戰(zhàn)略。讓學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中關(guān)注民生民情，低收入群體、殘?bào)w人群體、社會(huì)治理與城市治理狀態(tài)、城市公共服務(wù)資源供給與居民需求，樹(shù)立學(xué)生正確的核心價(jià)值觀與主動(dòng)加入智慧城市治理的情懷。從宏觀與微觀層面了解城市居民生活狀態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生的奉獻(xiàn)精神與積極參與的精神。在學(xué)校層面，培養(yǎng)出一批掌握信息技術(shù)、掌握科學(xué)研究的理論邏輯、具備正確的核心價(jià)值觀的人才隊(duì)伍，服務(wù)與智慧城市規(guī)劃、社區(qū)生活圈規(guī)劃、空間規(guī)劃與治理。

5 結(jié)語(yǔ)

智慧城市這一概念自2008年提出以來(lái)，全國(guó)各地加速布局并進(jìn)行實(shí)踐落地，先后形成概念導(dǎo)入期（2008-2012 年）、試點(diǎn)探索期（2012-2016年）、統(tǒng)籌推進(jìn)期（2016-2020年）等重要發(fā)展期，正邁入集成融合發(fā)展的新時(shí)期?；趥鹘y(tǒng)地理信息系統(tǒng)授課過(guò)程中的“教科書(shū)”式教學(xué)模式，引入智慧城市視角下的地理信息系統(tǒng)授課模式與實(shí)驗(yàn)拓展模式。從地理信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析到現(xiàn)實(shí)世界與地理信息大數(shù)據(jù)的結(jié)合，深入學(xué)習(xí)智慧城市的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)模塊解析，基礎(chǔ)城市數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)、社區(qū)居民行為數(shù)據(jù)的調(diào)查與采集模式，理解地理信息理論基礎(chǔ)在智慧城市建設(shè)過(guò)程中的應(yīng)用理論。在實(shí)驗(yàn)課程方面，設(shè)置項(xiàng)目式的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練模式，讓學(xué)生從數(shù)據(jù)采集、輸入、計(jì)算、建模等實(shí)踐環(huán)節(jié)，理解地理信息系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，也為學(xué)生參加到智慧城市建設(shè)打下牢固的基礎(chǔ)。

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