具有地学特色的GIS专业野外教学实习探索

摘要： 本文在分析当前GIS专业学科特点基础上，阐述了实践教学和专业特色的重要性，结合安徽理工大学学科优势，提出了具有地学特色的GIS地学实践教学实习，介绍了该教学实践的主要内容、设计理念、与各个课程的衔接关系，并将GIS主要教学内容融入该实践环节，论述了该实践教学的评价方法以及教学效果。本文认为GIS地学基础野外教学实习不仅体现GIS专业特色，而且是GIS专业人才培养的良好平台。

Abstract： Based on the analysis of the characteristics of GIS specialty， this paper elaborated the importance of practice teaching and specialty characteristics. Combined with the discipline advantage of Anhui University of Science and Technology， the GIS geoscience practice teaching with geological characteristics is put forward. This paper introduced the main contents， design concept and its cohesion with each course of the teaching practice. The main teaching content of GIS is integrated into the practice， and the evaluation method and teaching effect of the practical teaching are discussed. This paper believes that the GIS geoscience foundation field practice teaching can not only reflect the GIS specialty characteristics， but also is a good platform for GIS professional talent training.

关键词： 地学特色；GIS专业；实践教学

Key words： geological characteristics；GIS specialty；practice teaching

中图分类号：G642.44 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）20-0238-03

0 引言

我国地理信息系统专业（地理信息科学，以下统称GIS）建设已经十几载[1]，虽然办学来源依托有所差异[2，3，4]，但通过2012年教育部本科专业目录及专业介绍中提供的指导性课程可以看出，GIS具备共同的理论基础，严格的课程体系[1，2]。作为地球系统科学的重要组成部分，GIS学科的产生与发展给地学、测绘、资源、环境等传统学科的理论与技术方法带来革命性的变革[1]，由于GIS应用面很广，如何在保证原理教学的条件下，将GIS与本校优势学科结合，体现并扩展GIS的深入应用[5]，是值得探索的。尤其是在“卓越工程师教育培养计划”引领下，各高校在修订教学计划时，都提出重视实践教学的理念，着力提高实践教学的学分比重[6]。

本文通过总结安徽理工大学GIS专业野外实习教学内容，提出GIS野外实习与专业结合的例证，探索GIS技术与地球科学实践相结合的教学途径，使得学生通过专业知识理解的同时，掌握GIS原理与应用，解决同学们对GIS原理应用的感性缺失与理性困惑。

1 地学基础实践的重要性

对于GIS专业而言，实践是实现GIS工具性和技术性的有效途径，这是由GIS本身的专业性质所决定的[4]。它对专业人才的能力培养和基本技能训练、深化理解并运用理论知识均具有十分重要的意义。刘学锋认为[5]GIS专业的实践环节包括五个方面：文化素质实践、地学基础实践、计算机基础实践、GIS基础实践和GIS应用实践。陈述彭院士认为缺乏地学基础实践的GIS专业是不完善的：GIS如果离开了地理学，那它就什么都不是了[6]。可见地学基础实践在GIS专业教学中的重要地位。

地学基础实践，指与地球科学相关的野外地质实习和地理信息采集分析等实习[4]。笔者认为，GIS专业的基本理论原理、应用、空间建模与决策分析、二次开发等内容都可以贯穿于地学基础实践过程，并且需要重视地质地貌现象的识别描述和理解，因为不少地球科学问题的解决本身就需要GIS作为空间建模和决策分析的手段。

2 GIS地学基础实践的专业特色

GIS是一门技术性很强的交叉性综合学科，总体上应以培养复合型人才为主[7]。在掌握空间信息采集与数据管理、空间分析模型、GIS基础理论与研发技术知识基础上，学校应根据本身的学科特点，在课程设置形成自己的特色方向，将专业特色融入教学和实践性环节中[2，3，4]。在顺应GIS多元化市场需求的同时，安徽理工大学坐落在国家大型煤电基地淮南市，是以地学、矿业为特色的大学，GIS在该领域的应用越来越深入，有关专业型GIS应用开发，数字矿山建设，地学信息系统，GIS为工具的专业研究层出不穷[2，3]。对于GIS专业而言，是一个重大机遇，如果毕业生具备GIS专业技能，能够结合专业特色，符合地方需求，在就业竞争应具备一定优势，更加能够有效应用GIS，正如李德仁院士指出的：GIS专业人才的培养，不如将GIS作为工具的专业模式培养[2]，表明专业特色在GIS人才培养中的重要性。

通过近几年的实践和探索，我们将地学基础实习作为培养GIS专业应用分析和开发训练的特色平台，GIS的地学应用是GIS技术重要应用领域，这一特色方向在地矿行业生产建设中前景广阔，有利于提升学生就业率和期望值。根据以上思路，在地学基础实习中，始终贯穿以GIS核心课程为基础的理论理解、以GIS空间分析为基础的地学分析、以GIS开发为基础的地学决策模块开发。以强化基础、突出应用为手段，培养具有一定专业特色的人才，是地学基础实习内容设计的主要目标。

3 GIS地学基础实践与GIS课程衔接

本次地学基础实践安排在大学三年级上学期，时间为两周，学生修习完GIS原理与应用、空间数据库、地图学、地球科学概论、遥感图像处理与应用、数字高程模型、空间分析与决策支持、测量学，还有一部分课程如计算机图形学、GPS原理与应用、WEBGIS与3DGIS、数据结构等相关专业课程未修习，因此实习时间与主要课程可以衔接。

为了将地学基础实践与GIS专业核心课程相联系，将GIS不同层次的知识融入本次教学实践，特将该实践分为四个模块，每个模块需要利用相关的专业课程来解决对应的地学问题。它们是，模块1：地质地理现象的识别；模块2：地质单元对象数据采集与数字成图；模块3：地质空间信息管理与空间分析；模块4：地质图件自动生成程序设计（图1）。上述四个实践模块从GIS应用的基础和目标出发，围绕地学知识展开GIS理论和应用实践。

4 GIS地学基础实践教学流程与内容

4.1 地质地貌现象认识 实习区域位于淮南市南部，华南与华北板块碰撞形成的褶皱带基岩区出露该区，地层分布连续，河流，湖泊，丘陵地貌类型也十分丰富。本模块的教学内容主要有：地质单元和地貌单元的认识，首先了解实习区的地质构造发育史，区域地质填图的比例尺与地质对象划分级别的关系，地貌单元划分的类型和尺度与对应比例的关系，有助于理解地图比例尺与空间数据采集精度的直接联系，也有利于直接理解地球科学的三维结构。然后确定一些主要地质地貌现象，作为地理空间数据数据采集的对象。本实践确定的空间地理对象包括：在本区域出露较为完整，并且识别标志明显的三大岩类，如碳酸岩，砂岩，页岩，花岗岩等，地层单元划分到组，地貌单元划分到中级单元，例如河流划分为边滩，心滩，河漫滩，天然堤，阶地，泛滥平原，丘陵区的冲沟，坡积物，洪积扇，为数字高程模型应用提供感性材料。如果时间允许，也可以适当加入土地利用类型的认识。

4.2 空间信息处理与采集 地质空间数据采集的基础是地形图：1：5万高斯投影，坐标系为WGS84；以及更小比例尺的地质图：1：50万兰伯特投影安徽省地质图，西安80坐标系；利用google earth下载高分辨率遥感影像图：0.5分辨率，墨托卡投影，WGS84坐标系。由于比例尺和投影方式不一样，必须采用GIS软件对这些图件进行投影变换和坐标转换，进行空间配准。上述数据作为实习基本底图，训练学生的地图学知识。

GPS本身具备坐标转换功能，但在实际教学过程，利用遥感影像进行地质地貌单元解译时，精度要求较高，GPS采集的点位与其他图件之间存在很大误差，因而还必须采用野外刺点方式，利用布莎4参数模型进行坐标校正，以便整个实习区底图的空间误差精确在5米之内。

地质地貌单元的空间数据采集以GPS为主，在地形图判读基础上，利用罗盘进行空间交会定点，局部露头进行剖面实测时，需要利用导线、花杆辅助。野外空间数据采集主要针对上述划分的地质地貌单元，按照地质地貌填图要求的比例，采用穿越法，采集这些单元的边界坐标，并记录其文字描述、照片、产状特征，以便室内处理。遥感图像的处理与解译是空间数据采集的主要部分，采用穿越法不可能遍及所有位置，对于宏观特征而言，例如：河道边缘、心滩、地质断裂、地层延展和褶皱，只能通过遥感的方式采集数据。本次实践要求对主要地貌单元、基本岩性进行解译，采用图像追踪方式与GPS测点结合，形成边界。

地质地貌对象分为点类型，线类型和面类型。

4.3 空间数据管理与空间分析 本模块在数字化底图基础上，将野外空间数据转入GIS，针对不同地质地貌单元类型，建立不同图层，进行图形编辑，拓扑处理，符号化，属性挂接，建立空间数据库。在这些实践过程，要利用到GIS原理和应用的大部分知识，同学们在可以在实践中回顾并深化对理论知识的理解。另外空间数据的分层、各类属性编码、符号化表达要涉及到很多行业标准，因此还需要对专业知识进一步了解。地质图空间数据库是初步成果，其数据质量影响后面实习内容，因而要对其进行空间和属性质量检查。空间分析是GIS的一个重要功能，是GIS区别于其他系统的标志，是理论知识与实践环节最为集中的地方[8]。本实践的空间分析部分主要是利用前面生成的图件和收集的DEM完成，设计的内容有：空间与属性检索，提取需要的地质单元对象；空间裁剪，生成给定范围的新图件；利用DEM进行水文分析，进行水系提取，坡度坡向分析；在此基础上，建立空间分析模型，研究地形坡度与岩性构造之间的定量联系。空间分析与建模型也是GIS科学研究重要方向[9]。

4.4 地质图件自动生成二次开发 本模块实施难度较大，所需要的时间较长，可以分步进行，为今后专门的GIS设计与开发实践打好基础。针对同学们对二次开发是什么、怎么做、能解决什么问题的困惑，设计了以下内容：利用地质平面图，指定任意一条折线，将该折线的剖面图利用GIS自动绘制；该开发首先需要在DEM上获取各点高程，然后通过空间分析获取折线与地质图各个单元的交点，提取产状和岩性、时代等属性，根据产状与折线的夹角，进行视-真倾角转换，绘制到剖面上的，岩性需要根据前面叙述的专业符号表达。另外，还设计了洪水淹没分析，综合地质柱状图自动生成等课题，分组完成。

本模块需要利用GIS开发库、开发语言、开发平台进行综合应用，目的是引导同学认识到GIS开发的重要性，提起他们对开发的兴趣，初步掌握开发语言和调试方法，为今后展开深入学习提供视野和基础。

5 GIS地学基础实践教学评价与效果

实践教学的评价方法对促进同学们的学习积性具有重要作用，为了防止抄袭现象，采取分组管理模式，一个小组5-6人，选出组长和副组长，组长负责协调分工合作。实习成绩评定利用野外记录、数据处理成果、室内成果报告、老师随机提问回答综合构成。虽然各组工作区和基础工作底图、资料来源是一样的，但不允许两个组的成果数据有一条重合的线（这点教师也可以利用GIS拓扑检查快速完成），否则重修；每个组内成员在空间采集部分的地图空间数据成果可以一致，毕竟该实践是团体合作的结果，但要求空间分析和二次开发部分独立完成，如果主要成果重复率达到30%视为抄袭。这样有利于调动各个学生的主动性，防止部分学生不动手不动脑，也对学习好的同学较为公平。整个实习时间上需要四周，但由于GIS学科特点，决定了信息处理是大量室内工作，与当前教学管理认识不一致，因此真正野外工作只有两周。建议今后全野外式教学，建立教学基地，学生入住基地，全心投入实习，这样容易形成学习氛围，提高学习效率。

经过对近几年来学生实习成果分析，教学效果良好，同学们认为该实践教学强化了对GIS整个知识体系的理解，对GIS未来的发展、能够完成哪些工作有理性的判断，在以下四个方面有所收获：①通过GIS地学基础实践，深化了软件使用、GIS理论的理解。②提高了动手能力，达到培养复合型人才的目标，尤其是GIS专业应用型人才的培养上比较专业和规范。③突出了专业特色，体现了GIS与地学结合和基础特性。④教学和生产实践相结合，体现了产学研优势，也将促进教师的科研和教学水平。

6 结束语

GIS地学基础实践教学实习是GIS专业教学内容的重要部分，体现了GIS技术与地学的密切关系，通过该实践活动，设置合理的实践模块，将GIS主要课程和知识体系融入专业领域，让同学们在实践中理解、应用GIS的主要理论和技术，从感性到理性把握GIS的精髓。通过对实习效果的分析，认为本实践教学是有效的。今后应进一步强化该实践教学，使得时间分配更加合理，实践内容更加科学，实践过程更加规范，培养出更多的专业型复合人才[8，9]。

参考文献：

[1]汤国安，龙毅，李云梅.地理信息系统专业建设的探索与实践[J].中国大学教学，2009（9）：45-47.

[2]李德仁.发展我国GIS高等教育的思考[J].测绘科学，

2003：4-5.

[3]刘星，姜松梅.多目标驱动的地理信息系统专业本科人才培养模式探讨[J].湖北第二师范学院学报，2009，26（16）：96-98.

[4]齐述华，罗小平，舒晓波.我国不同学科背景下GIS专业培养方案的比较研究[J].测绘与空间地理信息，2009，32（1）：4-7.

[5]刘学锋，陈波，何贞铭.地理信息系统专业实践教学规划与设计[J].地理空间信息，2004，6（3）：44-46.

[6]田雨，卢秀山，姜岩，郭加书.GIS专业实验教学建设与实践[J].理工高教研究，2009，28（1）：116-118.

[7]袁铭，连达军，严勇.GIS专业实践性教学流程设计[J].测绘与空间地理信息，2009，32（1）：22-24.

[8]赵银军.高校地理信息系统人才培养探讨[J].测绘与空间地理信息，2010，33（1）：221-222.

[9]袁正午，李林.高校地理信息系统课程群改造、建设研究和实践.高校GIS论坛论文集[C].2008：44-48.

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