奚 旭，杜景龍，張委偉

（蘇州科技大學 地理科學與測繪工程學院，江蘇 蘇州 215009）

在當前信息化時代，地理信息科學（Geographic Information Science）專業(yè)，即GIS 專業(yè)，是深度對接人工智能、智慧城市、大數(shù)據(jù)及元宇宙等新發(fā)展概念的緊密專業(yè)。上述方向需要依托程序設(shè)計與開發(fā)、數(shù)據(jù)分析與挖掘、建模及可視化等基礎(chǔ)工作，因此，社會對高校地理信息科學專業(yè)的學生在GIS 開發(fā)方面有了更高的要求。

GIS 開發(fā)課程是對所有地理信息專業(yè)所要學習的編程類課程的統(tǒng)稱，主要包括基礎(chǔ)編程語言（C 語言、Python、Java、C#等）、基于ArcGIS Engine 的二次開發(fā)、WebGIS 開發(fā)（JavaScrript、HTML、CSS 等）、后端開發(fā)（Java）及科學數(shù)據(jù)處理（R 語言、Python、Matlab 等）。要成為一名優(yōu)秀的GIS 從業(yè)人員，應(yīng)掌握GIS 的基礎(chǔ)理論、掌握1～3 門GIS 的專業(yè)軟件（ArcGIS、ENVI 等），以及學會使用至少一種計算機編程語言進行GIS 開發(fā)。根據(jù)作者及團隊的多年教學經(jīng)驗，地理信息科學專業(yè)的學生在大學期間基本都能較好地掌握GIS 理論課程和專業(yè)軟件的使用，這是因為以地理信息系統(tǒng)概論為代表的GIS 專業(yè)課程與ArcGIS 等專業(yè)軟件在理論與功能上形成了相互支持與驗證。通過對ArcGIS 軟件的練習，不僅能夠熟練掌握軟件，也能加深對地理信息科學理論與方法的理解。ArcGIS 軟件雖然能實現(xiàn)一些基礎(chǔ)性地理數(shù)據(jù)處理與空間分析功能，但應(yīng)用到其他領(lǐng)域或平臺時，一些特定的功能需要結(jié)合實際情況使用，這就需要GIS 開發(fā)來實現(xiàn)。由于GIS 開發(fā)基本都是基于ArcObjects 構(gòu)建的，初學者一般都從基于C#的ArcGIS Engine開始學起，在掌握了C#語言和Arc Engine 的開發(fā)思路之后，將會很容易進一步過渡到WebGIS 和移動端GIS的開發(fā)上。在以往的教學經(jīng)歷中，很多學生不僅連進階階段的WebGIS 和移動GIS 掌握的不理想，而且較為基礎(chǔ)的Arc Engine 二次開發(fā)也難以達到可獨立開發(fā)應(yīng)用的地步。因此，地理信息科學專業(yè)畢業(yè)的學生真正從事GIS 開發(fā)工作的人數(shù)較少，難以適應(yīng)或滿足社會高質(zhì)量發(fā)展的需求。在當前數(shù)字經(jīng)濟引領(lǐng)的時代發(fā)展潮流下，GIS 開發(fā)工作充滿了機遇與挑戰(zhàn)，社會迫切需要可從事中高端GIS 開發(fā)的新鮮“血液”，這對高校教師在GIS 開發(fā)課程教育方面提出了更高的要求。

本研究在調(diào)查分析學生在學習GIS 開發(fā)課程存在問題的基礎(chǔ)上，從教學方式和實踐創(chuàng)新方面積極探索該課程的教學策略，以期學生能更好地掌握該類課程。

一、學生視角下GIS 開發(fā)類課程學習的學習難點

本教學團隊分別在GIS 組件式開發(fā)、Java Web 開發(fā)及Web GIS 等課程的期末考試卷上，以題目的形式調(diào)研學生對該類課程學習存在的困難和問題。經(jīng)過整理，多數(shù)學生主要存在以下幾點問題。

（一）專業(yè)課程繁雜，疲于應(yīng)對考試

專業(yè)涉及到的課程過多，內(nèi)容繁多，疲于應(yīng)對作業(yè)與考試，導致GIS 開發(fā)課程缺少足夠的實踐時間。地理信息科學是一門交叉性非常強的專業(yè)，地理信息科學專業(yè)的定義就是借助計算機技術(shù)對地理空間的實物要素或者現(xiàn)象進行數(shù)字化表征、存儲、建模、模擬與分析等。專業(yè)涉及的范圍非常廣，既涉及到自然地理中的地球圈層、水文、地質(zhì)、大氣和洋流等，也與城鄉(xiāng)規(guī)劃、交通、旅游、美食、碳排放及作物生長等人文地理的課題息息相關(guān)。很多高校將自然地理、人文地理、遙感、測繪和編程類的課程作為專業(yè)必修課，而隨著新時代的發(fā)展需求，很多高校更是將機器學習、深度學習、大數(shù)據(jù)處理等作為限選課。伴隨所學內(nèi)容越來越多，大量課后作業(yè)與考試占據(jù)了大部分時間，導致GIS 開發(fā)課程的學習只停留在理論層面，難以真正掌握。

（二）關(guān)聯(lián)課程眾多，基礎(chǔ)不易打牢

多門課程與GIS 開發(fā)互相關(guān)聯(lián)，且很多關(guān)聯(lián)課程都是GIS 開發(fā)的基礎(chǔ)課程，掌握程度的深淺容易決定GIS開發(fā)能力的上限。學習GIS 開發(fā)不僅僅是要求掌握一門編程語言，還要對計算機、數(shù)據(jù)、網(wǎng)頁及軟件的構(gòu)建體系有較深的理解，因此還要系統(tǒng)學習數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、前后端的框架和數(shù)據(jù)庫等相關(guān)內(nèi)容。這些課程通常邏輯性很強，特有的專業(yè)名詞很多，很多學生在廣度和深度上難以兼顧，導致前期學習的基礎(chǔ)沒有打牢靠，在后面學習GIS開發(fā)時困難重重。此外，國內(nèi)大部分地理信息科學專業(yè)的學生，都要先從C 語言或者C++開始打編程基礎(chǔ)，然后開始學習C# 和ArcGIS Engine、基于Python 或者Matlab 的地理數(shù)據(jù)處理，后續(xù)進階階段還需要學習Java進行后端編程、JavaScript 的前端開發(fā)及至少一門框架（如Vue、Angular 或者React 等）。雖然不同編程語言在語句和寫法上非常相似，但都有自己的邏輯特色，尤其是學習到中后期時，高深的語法各不相同。很多學生在依次接觸不同語言時，前期語法的相似性容易迷惑學習狀態(tài)，而導致后面高深的語法理解困難。除了語法，不同的開發(fā)工具，如二次開發(fā)里面的ArcGIS Engine、Web 開發(fā)里面的網(wǎng)頁工具等都有很多很多的接口，雖然關(guān)聯(lián)，功能卻各不相同，繁雜的知識體系和專業(yè)名詞容易打擊學生的學習積極性，從而使創(chuàng)造性很強的GIS 開發(fā)課淪為應(yīng)試教育課。

（三）學習方式不當，缺少足夠?qū)嵺`

理論上的專業(yè)知識充分理解，但仍然無法獨立開發(fā)一個簡單的項目。很多學生在課堂上聽講很認真，在課前預(yù)習和課后復(fù)習都做了充足工作，為了考試刷了很多題目。甚至為了加強理解，課后會從網(wǎng)絡(luò)上找相關(guān)教學資源進行自主學習。在這種學習模式下，會在期末考試得到卷面高分，但仍然無法進行開發(fā)工作，就是因此缺少足夠的代碼實踐量。本科生剛經(jīng)歷了高考，充分的刷題是一種行之有效的學習方式，這種定勢的學習模式對學習GIS 開發(fā)帶來了負面影響。因為GIS 開發(fā)是一門必須大量代碼實踐才能學好的課程，要求理論結(jié)合實際，并學以致用，只有自己動手編程才能真正掌握開發(fā)。在編寫代碼嘗試運行的過程中，可以真正理解書本中的知識點，某個函數(shù)、方法或者接口的實現(xiàn)效果是怎么樣的。此外，寫代碼實踐的過程中，會接觸到各種各樣的錯誤，調(diào)試的過程也是試錯的過程，是課堂或課本上難以傳授的經(jīng)驗知識，可以為以后的GIS 開發(fā)之路積累豐富的經(jīng)驗。

（四）地學結(jié)合較差，創(chuàng)新意識薄弱

很多學生在接觸大量編程課程之后，反而學習目標越來越模糊，難以與地理學接壤，不能根據(jù)實際需求進行創(chuàng)新性工作。GIS 開發(fā)是結(jié)合各行業(yè)的實際需求，進行軟件開發(fā)的創(chuàng)新性工作。隨著信息技術(shù)與社會發(fā)展的日新月異，涌現(xiàn)出了很多新理念與新需求，立足于地理信息科學的理論知識體系，以編程開發(fā)為實現(xiàn)手段，進行創(chuàng)新性研發(fā)工作是GIS 開發(fā)的重要基礎(chǔ)。地理信息科學專業(yè)的學生，在學習內(nèi)容和未來工作方面與計算機專業(yè)確實存在很多交集，但地理信息科學是建立在空間數(shù)據(jù)之上的交叉學科，需要將可見的物理世界與不可見性的空間現(xiàn)象通過計算機模擬的方式進行定量表征、可視化分析與深層規(guī)律挖掘。因此，地理信息科學專業(yè)的學生不僅需要打好編程基礎(chǔ)，也需要對地理學及地理信息科學的基本知識和理論知識體系有較深理解，從而在學習GIS 開發(fā)的過程中能與地理現(xiàn)象緊密結(jié)合。

二、學習—思維—應(yīng)用—探索鏈式教學對策

在有限師資力量基礎(chǔ)上，針對同學們的學習難點，從學習—思維—應(yīng)用—探索等鏈式步驟下提出相應(yīng)的教學對策，并逐步應(yīng)用于教學工作中。具體包括以下幾點。

（一）翻轉(zhuǎn)教學課堂，以教學促學習

根據(jù)美國學者Edgar Dale 提出的“學習金字塔”（圖1）理論，傳統(tǒng)的教學模式，即老師在課堂上講，學生在下面聽講，是效果最低的教學方式。在GIS 開發(fā)課程領(lǐng)域，代碼演示與視頻講解等方式都屬于學習金字塔里面的被動學習部分，在較長時間的學習內(nèi)容留存率不足30%，學習效果較差。本教學團隊以學習金字塔為理論教學指導，在相關(guān)課程開始之初成立3～4 人為單位的學習小組，通過小組討論、小組項目實踐及小組成員輪流上臺講學的方式翻轉(zhuǎn)教學課堂。目前，在小組討論和小組項目實踐部分已取得較為良好的效果，主要體現(xiàn)在小組成員在彼此討論過程中能加強對知識盲點的理解；在課后作業(yè)中，通過團體協(xié)作可高效率完成GIS 開發(fā)任務(wù)，模式與實際社會生產(chǎn)項目的執(zhí)行過程相似，增強了學生的實際動手能力與團隊協(xié)作能力。在翻轉(zhuǎn)課堂方面，有“教學”任務(wù)的學生做了充足工作，通過預(yù)習與備課工作，加強了對知識點的理解與記憶，也提升了個人演講能力。但受限于知識面與講解經(jīng)驗，聽課學生的知識獲得感較低，教師作為聽眾在恰當?shù)臅r機進行點評與講解十分重要。通過課堂翻轉(zhuǎn)，能夠有效地提升學生的學習積極性，在打好編程基礎(chǔ)方面非常有效。

圖1 學習金字塔

（二）借助開源平臺，學習編程思維

開源平臺是自學編程的重要資源，也是學生提升GIS 開發(fā)能力的重要工具。以全球最大的開發(fā)者社區(qū)GitHub 為例，目前已經(jīng)超過4 000 萬人在線進行交流與學習。平臺會根據(jù)所學習的語言和開發(fā)方向的不同，建立對應(yīng)的開放社區(qū)，來自全球的開發(fā)人員、科研人員、教學專家乃至某編程語言的創(chuàng)始人會針對不同階段的學習者提供學習建議、學習教程及練習項目。當出現(xiàn)自己難以解決的難題或遇到瓶頸，幾乎都能通過社區(qū)交流找到解決路徑。本教學團隊注重編程的寫作思維，在課后作業(yè)中常以開源平臺中的高分項目作為學生必要的學習資料，要求學生閱讀高分項目代碼并對關(guān)鍵步驟寫注釋，最后復(fù)現(xiàn)代碼，從而能夠快速吸收優(yōu)秀的開發(fā)經(jīng)驗。借助開源平臺，部分學生激發(fā)了開發(fā)工作的學習熱情，掌握了當前的前沿技術(shù)，本教學團隊的學生在相關(guān)背景下，近年來參加“美國大學生數(shù)學建模大賽”“全國高校GIS 技能大賽”“GIS 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”等比賽中獲得靈感與技術(shù)突破，并獲得良好的成績。

（三）參與生產(chǎn)項目，提升技術(shù)實戰(zhàn)

根據(jù)實際需求進行開發(fā)能夠很快提升學生的實際GIS 開發(fā)能力。學院非常重視校企合作，目前本單位分別與蘇州市測繪院有限公司、蘇州市數(shù)字城市工程研究中心有限公司等20 余家企業(yè)建立了產(chǎn)學研實踐基地。依托相關(guān)平臺，本教學團隊每年都會選拔部分地理信息科學專業(yè)的學生參與到學院及教師承接的社會生產(chǎn)項目中，如“智慧環(huán)保系統(tǒng)”“智慧水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)”“測繪數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”等。通過校企合作的模式，學生有機會得到鍛煉，也為企業(yè)儲備了人才，部分優(yōu)秀學生也在實習過程中獲得了理想中的就業(yè)崗位。目前，校企合作項目受限于項目類型與數(shù)量，互惠互利的局限性等，合作方式不穩(wěn)定。學院正積極拓寬實踐渠道，深化企業(yè)合作模式，在獲得一定經(jīng)費和項目支持下，將給予學生更多的實踐機會。

（四）增設(shè)開源課程，深度融合GIS

商用GIS 軟件為使用者解決空間分析、決策、二次開發(fā)提供了便捷，但涉及商業(yè)機密，不會公布底層代碼與軟件架構(gòu)，導致學生在學習GIS 開發(fā)的過程中對理論知識掌握不扎實，不僅難以與地學深度結(jié)合，也不容易出原創(chuàng)性的科研成果。為了培養(yǎng)創(chuàng)新性人才，本教學團隊面向開源GIS 積極探索新的地理信息科學專業(yè)培養(yǎng)方案，增設(shè)開源GIS 課程。目前，不同方向的開源GIS 軟件平臺很多，見表1，統(tǒng)計了一些比較常見的開源GIS平臺，在第二列中加粗的部分是適合本教學團隊的教學開源GIS 平臺。目前，開源GIS 沒有系統(tǒng)的教材及資源，且一下子增設(shè)太多課程不切實際。本教學團隊在嚴格把關(guān)教材的基礎(chǔ)上，循序漸進增設(shè)GIS 開源課程，但仍需更多的實驗論證與師資力量投入。

表1 GIS 開源平臺

三、結(jié)束語

當前社會飛速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出新的技術(shù)與發(fā)展理念，地理信息科學專業(yè)的學生需要學好GIS 開發(fā)類課程，才能更好地勝任創(chuàng)新性工作，從而融入到新時代的技術(shù)浪潮中。繁重的專業(yè)課程、應(yīng)試式的學習及缺少足夠?qū)嵺`等成為大部分學生難以真正掌握該類課程的主要因素，本教學團隊從教學方式、科學平臺、項目實踐及教學改革等方面提出了教學對策，能夠為學生打好編程基礎(chǔ)、了解GIS 底層架構(gòu)、掌握優(yōu)秀開發(fā)思維及提升實際開發(fā)能力等提供途徑。目前，部分方案經(jīng)過實踐已取得良好效果，后續(xù)將進一步完善并用于實際教學，以期進一步提升地理信息科學專業(yè)學生的GIS 開發(fā)能力。