具有地学特色的GIS专业野外教学实习探索

具有地学特色的GIS专业野外教学实习探索

刘星

刘星LIUXing曰严家平YANJia-ping曰郑礼全ZHENGLi-quan

（安徽理工大学测绘学院，淮南232001）

（SchoolofGeodesyandGeomatics，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，Huainan232001，China）

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:BasedontheanalysisofthecharacteristicsofGISspecialty,thispaperelaboratedtheimportanceofpracticeteachingandspecialtycharacteristics.CombinedwiththedisciplineadvantageofAnhuiUniversityofScienceandTechnology,theGISgeosciencepracticeteachingwithgeologicalcharacteristicsisputforward.Thispaperintroducedthemaincontents,designconceptanditscohesionwitheachcourseoftheteachingpractice.ThemainteachingcontentofGISisintegratedintothepractice,andtheevaluationmethodandteachingeffectofthepracticalteachingarediscussed.ThispaperbelievesthattheGISgeosciencefoundationfieldpracticeteachingcannotonlyreflecttheGISspecialtycharacteristics,butalsoisagoodplatformforGISprofessionaltalenttraining.

关键词：地学特色；GIS专业；实践教学

Keywords:geologicalcharacteristics；GISspecialty；practiceteaching

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。

2GIS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。

3GIS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。

4GIS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googleearth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，进行视原真倾角转换，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。

5GIS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：淤通过GIS地学基础实践，深化了软件使用、GIS理论的理解。于提高了动手能力，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。盂突出了专业特色，体现了GIS与地学结合和基础特性。榆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.