韋娟 劉乃安 付衛(wèi)紅

摘 要：以空間信息與數(shù)字技術專業(yè)的核心課程地理信息系統(tǒng)的教材建設為例，從專業(yè)培養(yǎng)方案和課程大綱出發(fā)，系統(tǒng)闡述了空間信息技術發(fā)展對教材的要求、人才培養(yǎng)對教材建設的要求、對現(xiàn)有教材的剖析、在教學改革中重構(gòu)新形態(tài)教材等內(nèi)容。在教學和實踐中與信息教育技術融合創(chuàng)新開展課程內(nèi)容建設，將新技術、新方法及科研成果及時融入教學中，采用動態(tài)增改和調(diào)整等多種策略更新教材內(nèi)容，在“教材+線上資源+線下課程+實踐創(chuàng)新”教學與學習資源環(huán)境下，重構(gòu)地理信息新形態(tài)教材的深度、難度及廣度體系。

關鍵詞：地理信息系統(tǒng)；教材建設；新形態(tài)

一、空間信息技術發(fā)展對教材的要求

1．人才培養(yǎng)模式的改革促進教材建設

2004年，武漢大學設立全國第一個“空間信息與數(shù)字技術”專業(yè)并開始招生，標志著空間信息與數(shù)字技術專業(yè)的誕生（被稱為“武大模式”）。2005年西安電子科技大學也適應我國現(xiàn)代化對空間信息領域人才的迫切需要而創(chuàng)設了“空間信息與數(shù)字技術”專業(yè)并開始招生（被稱為“西電模式”）。雖然兩個學校設置的專業(yè)有相同的名字，但學習內(nèi)容卻相去甚遠，所以給予不同的“模式”稱號。西安電子科技大學的空間信息與數(shù)字技術專業(yè)培養(yǎng)方案在通信工程專業(yè)的基礎上進行改制，還是以學校的電子信息為特色進行建設。后面相繼設立該專業(yè)的學校根據(jù)各自的特色，以這兩種模式為本進行專業(yè)培養(yǎng)方案及相關課程的設置。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Sy-stem，GIS）是空間信息與數(shù)字技術專業(yè)“西電模式”的一門核心專業(yè)課和能力支撐課。根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案和課程大綱，學生需通過這門核心課程對空間信息科學有一個基本了解。而地理信息系統(tǒng)是隨著計算機技術的迅速發(fā)展，在原有學科交叉處派生出來的一門新興前沿學科。它是用來處理和分析空間數(shù)據(jù)的一門綜合性信息技術，涉及計算機科學技術、信息和管理學、地學、空間科學及測量學等學科，進行空間數(shù)據(jù)的采集、量測、分析、存儲、管理、顯示、傳播和應用等[1-2]。這對教材的編著提出了較高的要求，既要系統(tǒng)全面地講述地理信息系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、關鍵的技術方法，還需結(jié)合空間信息技術的發(fā)展及應用趨勢進行創(chuàng)新融合。

2．教材內(nèi)容及動態(tài)更新

在高等教育中，教材一直是我國教育改革的重點之一，是教學內(nèi)容和教學思想的主要體現(xiàn)者[3]。地理信息系統(tǒng)教材主要涵蓋的內(nèi)容有：GIS的基本概念和涉及的基礎理論、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)采集與處理、空間分析方法及產(chǎn)品輸出、衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)、3S集成等。與紙質(zhì)版教材配套的還須有講授課件、教學視頻、拓展應用、實驗操作指導等電子教材資源，為學生自主線上學習提供靈活的多樣方式，使學習可以不受時間和空間的限制。當然電子教材內(nèi)容隨著學科前沿及新技術的發(fā)展需不斷進行更新，如隨著時空大數(shù)據(jù)GIS、移動GIS、云原生GIS、區(qū)塊鏈GIS、數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實GIS與視頻GIS、游戲引擎與GIS、三維GIS等新技術的融合發(fā)展，及時推送這些新技術在安全應急、新型智慧城市、智慧機場、智慧園區(qū)、智能交通、國土資源、自然資源、公安時空大數(shù)據(jù)、自然災害風險管理、水利數(shù)字孿生、生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)等不同行業(yè)的應用案例，確保教學內(nèi)容與創(chuàng)新技術發(fā)展同步[4]。

地理信息系統(tǒng)教材強調(diào)系統(tǒng)性、簡明性、可讀性、實用性、科學性與現(xiàn)勢性的結(jié)合，內(nèi)容精煉，簡明易懂，可作為高等院?？臻g信息科學、地理信息系統(tǒng)、地理學、測繪學、資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理、土地管理等相關學科教材，也可作為科學研究、工程規(guī)劃設計等專業(yè)部門科技人員了解空間信息科學的參考資料。

二、人才培養(yǎng)對教材建設的要求

教材質(zhì)量是促進教學內(nèi)容改革、提高教學質(zhì)量的重要因素之一，在一定程度上反映編著者的教學和學術水平，教材編寫是對知識和技術的凝練和再加工，對提升教師的業(yè)務綜合能力有著十分重要的作用。教材編寫過程要求編著者在系統(tǒng)總結(jié)地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)和遙感基本理論與實踐的成功經(jīng)驗和方法的基礎上進行編寫。為充分發(fā)揮教材在本科人才培養(yǎng)中的作用，教材編寫的要求有以下幾方面。

（1）目標明確、技術先進。GIS教材編寫以提高學生的空間信息分析能力為出發(fā)點，在內(nèi)容的選取上，充分滿足從事空間相關工作應具有的信息基礎知識及應用技能需求；在章節(jié)的設計上，以潛移默化地影響學生方法能力、社會能力為目標。同時，教材需充分體現(xiàn)“理論與實踐相結(jié)合”的特色，充分運用先進的教學手段，在每一章節(jié)中均應包含實際應用與實踐環(huán)節(jié)，學生通過實際分析和操作熟悉相關知識的復雜工程應用。

（2）課程思政、潤物無聲。GIS教材編寫和課件中要適當融入空間信息知識涉及的歷史、應用和發(fā)展趨勢，以及空間信息科學的思想體系。西安電子科技大學的地理信息系統(tǒng)教材實例力求講好“中國故事”“西電故事”和“西電空間通信人故事”，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力，注重強化學生工程倫理教育，培養(yǎng)學生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當，潛移默化地幫助學生形成正確的價值觀。

（3）精簡理論、突出應用。教材編寫以鍛煉學生“會用空間信息知識解決實際復雜工程問題”為基本點，力求滿足學生學習后續(xù)相關專業(yè)課程及日后從事工作所需要的知識儲備需求。因此，教材更多著墨于與專業(yè)相關的各種實際工程案例的分析解決上，此也為GIS教材的特色之一，即循序漸進地引導學生一步步完成“用專業(yè)知識”解決實際問題的學習過程。

（4）內(nèi)容新穎、實用性強。GIS教材依據(jù)空間信息與數(shù)字技術專業(yè)學生的需求而編寫，內(nèi)容結(jié)構(gòu)按照學生的專業(yè)學習要求和實踐進行安排。從身邊簡單的問題（如公園選址）引出地理信息知識，以解決問題為導向進行知識展開，導學思路明晰，符合由淺入深的認識過程，學生可以利用教材和電子資源進行自我學習。教材對于地理信息及擴展基本知識點都有較詳細的解釋，并且通過GIS教材和課件及視頻中大量的案例解決，力求強化學習者應用空間信息知識解決實際問題的能力。

（5）學用結(jié)合，服務專業(yè)。GIS教材的各章節(jié)及案例之間要有比較密切的連貫關系，能夠做到前后呼應、溫故知新，增強教材的綜合性和靈活性。

三、現(xiàn)有教材的剖析

在教學實踐中，我們調(diào)研了開設地理信息系統(tǒng)課程的部分相關院校。如貴州大學的資源與環(huán)境工程學院將地理信息系統(tǒng)設置為一個專業(yè)，此專業(yè)及整個學院的教學科研側(cè)重于貴州乃至西南的地質(zhì)地形地貌，還專門成立喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點實驗室，學生的實踐環(huán)節(jié)很具體實用。武漢大學的對應專業(yè)為地理信息科學，屬于理學學科，主要針對長江流域進行實踐研究。西北大學、長安大學主要針對秦嶺山脈、野生動物、朱鹮保護區(qū)等。百花齊放、各有千秋，這就使得各學校的地理信息系統(tǒng)課程的相關教材各有側(cè)重點。

總體來說，國內(nèi)外已出版的地理信息系統(tǒng)教材多是針對地圖學及測繪學專業(yè)學生編寫的，故而這些教材多側(cè)重于對地理信息系統(tǒng)基本理論和基本概念的介紹、地圖的建立及在測繪方面的應用等方面。

作者在從事地理信息系統(tǒng)教學的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的教材需要相當多的前期基礎課程（如地理學、地圖學、測繪學、環(huán)境科學、管理科學等），而我們專業(yè)的學生不具備這些知識，因此使用現(xiàn)有的教材給教學帶來了諸多的不便，教學上需要補充很多的知識點，而學生因教材的不適對課程失去應有的興趣，給后期學習其他課程及科研帶來不必要的麻煩。

因此，教材編寫的目的就是根據(jù)專業(yè)設置及發(fā)展的趨勢，在注重教材內(nèi)容的基礎性和先進性的同時，編寫一本適合培養(yǎng)空間科學技術教學與研究，以最新的GIS技術為基礎，融合衛(wèi)星導航定位、遙感等技術，加強培養(yǎng)學生的思維方式和獲取知識能力，啟發(fā)學生動手能力與創(chuàng)新思想的新形態(tài)教材。

四、在教學改革中重構(gòu)新形態(tài)教材

針對空間信息與數(shù)字技術專業(yè)，地理信息系統(tǒng)課程根據(jù)實際需要，將教學內(nèi)容分為基礎、研討和實踐三個模塊。

基礎模塊：對應學生必須掌握的基本原理、空間分析方法等內(nèi)容，主要通過課堂講授完成，重點是思路和方法。主要對應教材的內(nèi)容有空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)采集與處理、GIS空間分析方法與產(chǎn)品輸出等。這部分內(nèi)容從邏輯上按照系統(tǒng)（基本原理、特點、應用場合、指標）—模塊（原理和分析、指標與分析、設計）—系統(tǒng)（系統(tǒng)模型、設計、實現(xiàn)）來組織。

研討模塊：針對需求和技術復雜性，研討空間分析模型、網(wǎng)絡分析、數(shù)字地形分析、選址、拓建等復雜工程問題。對應教材內(nèi)容中的案例分析、空間數(shù)據(jù)庫設計、空間分析方法的綜合應用分析等。

實踐模塊：包括基礎實驗和綜合實踐兩部分內(nèi)容?；A實驗主要是數(shù)據(jù)庫設計、地理實體分層、查詢、屬性和圖形數(shù)據(jù)連接、遙感圖像的矯正和矢量化等。綜合實踐主要針對實際工程或科研項目，如智慧校園中的某個子模塊進行建模設計與實現(xiàn)，目的是基本能力訓練和綜合能力提升，主要對應教材地理信息系統(tǒng)的開發(fā)與應用、衛(wèi)星導航系統(tǒng)和信息技術及GIS新技術的知識內(nèi)容及綜合應用。

在實際教學中，應以“四個面向”（面向?qū)W生能力培養(yǎng)、面向數(shù)字化及新工科創(chuàng)新應用、面向引領未來創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、面向教師引導與學生多元化自主學習）為內(nèi)容深化教材建設。根據(jù)技術發(fā)展和需求變化，結(jié)合西安電子科技大學電子信息與通信學科優(yōu)勢，引入大數(shù)據(jù)、人工智能、電路設計、FPGA等內(nèi)容，與信息教育技術融合創(chuàng)新開展課程內(nèi)容建設，重構(gòu)地理信息新形態(tài)教材的深度、難度及廣度體系。

（1）內(nèi)容高階化，實踐創(chuàng)新化。以地理信息系統(tǒng)應用技術和應用實例為主線，系統(tǒng)全面地講述地理信息系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、關鍵的技術方法、發(fā)展現(xiàn)狀和動態(tài)，并結(jié)合當前地理信息系統(tǒng)應用熱點，通過應用實例講述開發(fā)方法。

（2）知識體系化，能力結(jié)構(gòu)化。將畢業(yè)要求顯性化為明確的知識體系和能力結(jié)構(gòu)，并將知識圖譜、導學圖和針對性的能力訓練嵌入教材和課堂教學視頻。

（3）資源碎片化，思維系統(tǒng)化?；谝曨l、課件、人物故事、工程案例等數(shù)字化、碎片化資源，實現(xiàn)將設計方法、應用需求等系統(tǒng)化的高階思維正向、反向串起來。

（4）能力訓練化，評價綜合化。紙質(zhì)版教材和數(shù)字化資源實現(xiàn)以“知識、能力、素質(zhì)”為目標的三位一體的人才培養(yǎng)模式，既有實踐訓練，也有思維訓練；既有專業(yè)能力，也有綜合素質(zhì)。

五、結(jié)論

教師在教學過程中采用動態(tài)增改和調(diào)整等多種策略安排教材內(nèi)容，將新技術、新方法及科研成果及時融入教學，在“教材+線上資源+

線下課程+實踐創(chuàng)新”教學與學習資源環(huán)境下，對教學內(nèi)容和教學模式進行創(chuàng)新設計，在課程教學中落實立德樹人的根本任務。

經(jīng)過5年的實踐，基于地理信息系統(tǒng)教材及電子輔助資料，使得教學內(nèi)容與工程實際結(jié)合較緊密，在學習難度較大的情況下，提高了學生學習的興趣和積極性。教學方式和評價方式提高了學生的課堂活躍度、思考的積極性和分析問題解決問題的能力。實踐模塊有效促進了互幫互學，明顯提高了設計能力和團隊協(xié)作與表達能力，增強了學生學習自主性、學習能力、溝通表達、團隊協(xié)作和創(chuàng)新意識。

參考文獻：

[1] 張新長，阮永儉，何顯錦.地理信息教材慕課化改革與教學模式創(chuàng)新研究[J].中國大學教學，2018（8）：80-83.

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[4] 楊樹鋒，陳漢林，程曉敢.新時代《地球科學概論》教材編寫的思考[J].中國大學教學，2022（2/3）：106-109.

[責任編輯：余大品]