范冬林，藍貴文，李景文，徐 勇，姜建武，竇世卿

（1.桂林理工大學 測繪地理信息學院，廣西 桂林 541004）

泛在測繪被定義為用戶在任何地點、任何時間，認知環(huán)境與人產生關系時使用和構建地圖的活動和能力[1]。泛在測繪服務于近乎實時定位的大眾行業(yè)，時空位置信息是這類應用的數(shù)據(jù)基礎，除了專業(yè)的測繪數(shù)據(jù)，一些非專業(yè)的包含空間位置的眾包數(shù)據(jù)也逐步成為測繪行業(yè)應用的重要數(shù)據(jù)來源。隨著泛在測繪的發(fā)展，時空數(shù)據(jù)的采集，存儲、處理和管理等不斷深化，數(shù)據(jù)的維度不斷增加，數(shù)據(jù)的體系和管理模式也不斷的變化[2-3]。針對傳統(tǒng)測繪時空數(shù)據(jù)管理的思維和技術已經不再適用，更多開放開源的數(shù)據(jù)工具被廣泛應用到各個行業(yè)以滿足泛在測繪的時空數(shù)據(jù)處理要求[4]。

空間數(shù)據(jù)庫課程是一門綜合性課程，知識內容是計算機科學與技術、軟件工程、地理信息原理3個方向的交叉綜合，既包括計算機中關系數(shù)據(jù)庫理論內容，又包括軟件工程中的數(shù)據(jù)庫設計、集成等，還涉及地理學中的空間數(shù)據(jù)模型、空間索引等[5]。課程內容繁雜，學生難以有效掌握知識點，形成舉一反三的效果。特別是對于地理信息科學專業(yè)學生，該課程的前置課程少，需要在有限課時情況下掌握多門課程的內容，被學生認為是最難的專業(yè)課之一。隨著泛在測繪在大眾服務行業(yè)的發(fā)展，社會對地理信息科學專業(yè)學生的時空數(shù)據(jù)技術應用能力提出了更高的要求，需要具備快速時空數(shù)據(jù)響應能力的應用型高級人才。針對這一變化趨勢，迫切需要進行空間數(shù)據(jù)庫的教學改革，培養(yǎng)滿足泛在測繪需求的地理信息科學專業(yè)人才。本文探討了課程團隊所在學?？臻g數(shù)據(jù)庫課程建設現(xiàn)狀，并對其中存在的一些問題進行了總結；結合泛在測繪背景下對于空間數(shù)據(jù)人才的社會需求，對空間數(shù)據(jù)庫課程中的教學內容、教學組織方式、教學方法進行了改革，以期解決空間數(shù)據(jù)庫課程教學中存在的問題，實現(xiàn)新工科驅動下高級應用型人才的培養(yǎng)目標，滿足泛在測繪背景下社會和行業(yè)對地理信息科學專業(yè)人才的需求。

1 空間數(shù)據(jù)庫課程教學存在的問題

1.1 課程內容不適應社會發(fā)展需求

空間數(shù)據(jù)庫課程較為典型的理論課程教材為謝昆青等譯著的《空間數(shù)據(jù)庫》，崔鐵軍編著的《地理空間數(shù)據(jù)庫原理》，吳信才編著的《空間數(shù)據(jù)庫》等。這類教材具有明顯的專業(yè)學科背景，要么需要學生具備專業(yè)學科知識，要么對實踐條件有一定要求。這些教材的內容組織相差較大，在組織理論教學時，需要進行合理的取舍與重組，以適應學科發(fā)展和行業(yè)需求。以課程團隊所在高校為例，從2017年以來共進行2 次理論教學知識內容的重組與優(yōu)化。另外，實踐知識受限于專業(yè)軟件，無法實現(xiàn)泛在性。傳統(tǒng)的實踐教學基于GIS 基礎軟件，雖然在某些方面突出了課程間的承接性，但無法為泛在應用的快速響應提供服務。學生在實踐知識完成后仍然無法快速解決現(xiàn)實問題。事實上，隨著空間數(shù)據(jù)庫的發(fā)展，基于空間數(shù)據(jù)庫實踐知識既可以脫離GIS 特定軟件獨立存在，也可以配合GIS 軟件以共同處理空間數(shù)據(jù)，如PostgreSQL 的POSTGIS插件，而傳統(tǒng)的課程內容和實踐軟件無法滿足社會對空間數(shù)據(jù)庫建設快速響應的人才需求。

1.2 課程體系銜接性不高

空間數(shù)據(jù)庫課程涉及理論和實踐部分。由于課程教材選擇和課時安排等原因，在實際教學過程中，往往偏重理論教學而減少實踐教學。目前選用的理論教材很少具有配套的實踐，使得理論教材和實踐教材配套性缺失。雖然擴大了主講教師在設計實踐內容的自主性，但存在較大的隨意性。特別是針對空間數(shù)據(jù)庫索引和空間數(shù)據(jù)模型等章節(jié)知識內容，能夠設計成為實踐案例的試驗項目要么數(shù)量有限，要么結構簡單。實踐教學過程中無法完全匹配理論教學的知識點，理論教學和實踐教學內容銜接性不強，使得學生在實踐過程中由于無法探究理論教學知識點的具體過程，而只能進行感性理解。同時，教學知識點之間的內容銜接有待加強，空間數(shù)據(jù)庫涉及眾多學科內容，知識點之間的銜接性不高，主要體現(xiàn)在教學主線難以把握，不能突出專業(yè)性和泛在測繪的應用性[6]；實踐教學知識點之間的銜接性不高，無法為空間數(shù)據(jù)庫設計與建設的最終目的服務，阻礙了學生綜合能力的提升等。

1.3 實踐教、學、考模式不科學

空間數(shù)據(jù)庫是一門實踐性較強的課程，實踐內容的教學效果直接決定了該課程的教學效果[7]。實踐教學模型通常容易陷入以教師為中心的傳統(tǒng)教學模式。在前期，教師進行實踐演示，后期學生依靠實驗指導書，按照既定的數(shù)據(jù)和步驟得到預期的實習結果。在這種教學模式中，學生缺乏主動思考，更多的是按照教師設定的流程完成任務，屬于被動吸收知識。實踐的效果基本依靠學生的記憶能力，不利于學生創(chuàng)新意識和實踐能力的培養(yǎng)?？臻g數(shù)據(jù)庫實踐學時的安排決定了其實驗多數(shù)以簡單的驗證性實驗為主，設計性、綜合性實驗較少，無法有效培養(yǎng)學生的團隊合作能力、組織協(xié)調能力等。另一方面，對于實踐教學效果的考核僅作為課程平時成績的一部分，無法與實踐內容的重要性相匹配。雖然在期末試卷中可以部分體現(xiàn)實踐內容知識點，但同樣會陷入到以記憶為主的考核方式，不能實現(xiàn)對學生更深、更廣的知識考核，使得學生對實踐內容不重視，只按部就班進行操作，在遇到真實空間數(shù)據(jù)庫建庫需求時，無法將理論聯(lián)系實際，以解決現(xiàn)實問題。

2 空間數(shù)據(jù)庫課程改革與效果

為解決空間數(shù)據(jù)庫教學上述存在的問題，課程團隊從2018 年開始從教學內容、教學方式，學習模式，考核方法等方面進行改革。

2.1 打造課程知識立方體

針對課程內容不適應社會發(fā)展需求的問題，在教學理論環(huán)節(jié)，通過整合多個教材內容，同時結合教師的工程實踐經驗以及社會發(fā)展需求，進行課程內容知識點抽取，形成課程內容知識點資源池。針對知識點資源池，按照“知識-類別-難度”3個維度，開展空間數(shù)據(jù)庫課程知識內容重構，第1 維度為知識維度，涵蓋課程知識點資源池；第2 維度以第1 維度為基礎進行劃分，形成理論、實踐、和應用3個方面；第3維度為難度維度，分為基礎、進階和挑戰(zhàn)3個階梯。通過實踐知識點重構，形成實踐課程知識立方體，完整覆蓋不同層級的學生學習面，使得學生通過自我挑戰(zhàn)可以完成不同難度知識點學習?？臻g數(shù)據(jù)庫課程內容立方體如圖1 所示。以數(shù)據(jù)組織與管理為例，將空間數(shù)據(jù)劃分為柵格和矢量，矢量進一步劃分為具有幾何維度的集合（點、線、面、體），這些內容作為知識維度講授；同時，引導思考不同的應用場景下數(shù)據(jù)組織與管理，如不同坐標體系下數(shù)據(jù)組織與管理，不同數(shù)據(jù)量級（國家、省、市、區(qū)）下數(shù)據(jù)分區(qū)、分塊、分層思維下的數(shù)據(jù)組織與管理；不斷提高應用場景的復雜度，增加挑戰(zhàn)難度。借助空間數(shù)據(jù)庫課程立方體，可以使參與者（教師、學生）清晰地掌握課程知識界限。在實際的授課過程中，根據(jù)學生的前期知識背景，通過調整難度和類別維度的比例，以匹配學生的掌握程度。在實踐環(huán)節(jié)，為了實施上述課程內容知識點，更是為了響應泛在測繪背景下空間數(shù)據(jù)庫的應用需求，培養(yǎng)學生快速獨立使用空間數(shù)據(jù)庫的能力，采用開源的PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫作為實踐應用軟件。最后，通過不同應用級別（ArcGIS、GeoServer、C#二次開發(fā)等）進行連接，實現(xiàn)實踐內容專業(yè)性和泛在性的統(tǒng)一。

圖1 空間數(shù)據(jù)庫課程知識立方體

2.2 建立緊密關聯(lián)的課程知識體系

基于PBL開展空間數(shù)據(jù)庫教學，以魚與漁兩者兼得的方式進行啟發(fā)式教學。圍繞課程知識立方體，按照PBL教學原則設計問題知識樹，每一個問題以當前課程的核心內容為主體構建問題樹。問題樹以樹狀結構呈現(xiàn)，最底部為樹根，是空間數(shù)據(jù)庫授課目標轉換的問題，樹的上一層問題是為解決其下部問題衍生出來的問題。樹的葉子節(jié)點一般為基礎知識點，這部分內容由教師講授，課前預習過程中，通過發(fā)布二級問題的情景圖引導學生更好地思考。在進行新的知識點講授時，向學生展示與問題相關的問題分解樹，使學生明確該知識內容在整個體系中的位置，同時使學生清楚掌握該知識內容可以解決的問題，促進學生的全局概念，奠定學生分析、解決問題的能力。以時空數(shù)據(jù)索引教學為例，先引入索引在數(shù)據(jù)管理中的作用，以及通過具體實例展示不同索引技術下數(shù)據(jù)的查詢時間；然后講授常規(guī)索引（B樹、KD樹、四叉樹等）內容；最后組織討論數(shù)據(jù)維度升高時如何進行索引，通過討論情況，科學講授新的多維索引技術。在具體實施過程中，按照“問題點引入”，“知識點講授”，“組織討論”，“解決問題”4個環(huán)節(jié)進行PBL教學方法實施（見圖1）。

2.3 點、線、面的實踐知識學習模式

傳統(tǒng)的實踐教學依靠實驗指導書，按照設定的步驟得到預期的實習結果，該模式難以發(fā)揮學生主觀能動性，學生在學習完后仍然無法內化為自己的知識，解決實際問題。因此，筆者設置以點帶面的實踐學習模式，協(xié)助學生在鞏固點狀知識的同時，掌握如何依靠現(xiàn)有知識解決線狀知識，以及面狀知識，進而實現(xiàn)通過一個點掌握一個面。教師先講授點狀知識，通過設計與點狀知識相關的實踐案例，每一個案例給出一些解題的提示，使得學生在學習的過程中，結合點狀知識，按照解題提示可以完成實踐案例。線狀知識，按照“進階”和“挑戰(zhàn)”分為2種類型，“進階”類型的線狀知識指與知識點相似或相近的知識點，學生通過解題提示可以間接得出答案。而“挑戰(zhàn)”類型的線狀知識指比該知識點更高階知識點，學生需要按照解題提示自行搜索相關知識內容才能得出答案。面狀知識與線狀知識類似分為“進階”和“挑戰(zhàn)”，只不過面狀知識涉及的內容不單單是獨立的知識，而是相互交叉的內容。在筆者設計的實踐教學中，主要內容包括傳統(tǒng)SQL基礎、SSQL查詢、數(shù)據(jù)庫高級應用和綜合實踐，結構化查詢、非結構化查詢、索引、存儲過程、數(shù)據(jù)庫設計等內容。學生在掌握理論知識前提下，通過點、線、面的方式一方面可以充分掌握基礎知識，同時，掌握了解決空間數(shù)據(jù)庫具體應用問題的方法和思路。圖2展示了點-線-面實踐教學模式，通過該實踐教學模式，實現(xiàn)“知識-技能-素質”一體化人才培養(yǎng)。

圖2 點-線-面鏈式實踐教學模

2.4 課程實施效果

改革后的空間數(shù)據(jù)庫課程于2018 年秋季在2015級地理信息科學專業(yè)的教學中予以實施，課程團隊將實踐內容的考核比例調整至50%。目前已累計開展3個輪次的教學，通過教學效果對比，學生對空間數(shù)據(jù)庫基礎知識有了更全面的掌握，對空間數(shù)據(jù)庫的設計、建設、應用等流程有了更清晰的認知。在課程綜合實驗環(huán)節(jié)，可以充分利用掌握知識設計、實施小型空間數(shù)據(jù)庫的建設，甚至部分學生可以結合ArcGIS Server、GeoServer 配合Openlayer 等工具進行空間數(shù)據(jù)高層次應用。在考試成績方面，學生的考試平均成績從2019年秋的75分逐步提升到2021年秋季83分。在實踐能力方面，學生獲得第七屆互聯(lián)網+大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國家級銀獎1 項，首屆全國大學生測繪創(chuàng)新開發(fā)大賽特等獎1項，全國高校GIS大賽二等獎2項等多個獎項。實踐證明：①基于課程立方體的內容組織方式和PBL 教學方法可以有效增強學生空間數(shù)據(jù)庫的思維能力，促進學生的邏輯思維和實踐動手能力。②點-線-面的實踐知識學習模式可以有效培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，促進學生自我學習和主動思考能力。

3 結語

空間數(shù)據(jù)庫課程在地理信息科學專業(yè)中占據(jù)非常重要的作用，是實施專業(yè)定位的重要錨點之一。隨著社會發(fā)展和行業(yè)需求的變化，空間數(shù)據(jù)庫的課程設置和人才培養(yǎng)方案也需要相應進行改變。一個明顯的特征是泛在測繪需要具備快速響應能力的空間數(shù)據(jù)庫人才，達到這個目標不能僅僅依靠于傳統(tǒng)的專業(yè)軟件和教學手段，知識的更新、教學方法的改進以及學生學習方式的改變需要同步進行。因此，筆者根據(jù)本校教學情況進行了空間數(shù)據(jù)庫課程改革實踐，雖然改革取得了一定的成效，但仍有很多方面可以改進。課程的改革是一個持續(xù)性過程，下一階段，課程團隊將在此基礎上，不斷對課程內容、教學手段和教學平臺進行優(yōu)化和完善，為提高空間數(shù)據(jù)庫人才培養(yǎng)質量繼續(xù)努力。