蔡先華，張 遠(yuǎn)

(東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 211189)

在研究型大學(xué)中，采用研究性教學(xué)法培養(yǎng)大學(xué)生的研究能力和創(chuàng)新精神已成為共識(shí)[1]。高校普遍開展了大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃(Student Research Training Program，SRTP)，SRTP注重吸納學(xué)生利用課余時(shí)間參與科研，是一種以研究為基礎(chǔ)的研究性教學(xué)模式。學(xué)生參加教師的科研項(xiàng)目，教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生研究能力的目的[2]。課堂內(nèi)外研究性教學(xué)法是另一種研究性教學(xué)方法，課堂是研究性教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新精神和研究能力，提高學(xué)生的探究意識(shí)，學(xué)會(huì)科學(xué)研究方法。本文對(duì)將研究性課堂教學(xué)法應(yīng)用于“GIS原理與應(yīng)用”課程教學(xué)中進(jìn)行探討，在對(duì)科學(xué)研究方法和研究性教學(xué)方法分析的基礎(chǔ)上，對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行精心策劃與組織安排，使學(xué)生在研究性學(xué)習(xí)中更好地掌握課程涉及的基本原理，了解知識(shí)的形成過程，掌握科學(xué)研究的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和科學(xué)研究能力。

1 研究性教學(xué)分析

高校中研究性教學(xué)主要是通過組織大學(xué)生參加各種研究與創(chuàng)新活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的研究與創(chuàng)新潛力[3]。目前一般采取項(xiàng)目化的運(yùn)作模式，即高校通過設(shè)立創(chuàng)新基金對(duì)學(xué)生自主申報(bào)的研究項(xiàng)目給予資金支持，鼓勵(lì)學(xué)生在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立開展項(xiàng)目研究。研究課題一般分為3類：由學(xué)生自己設(shè)計(jì)的課題；企業(yè)界需求的研究課題；教師的教學(xué)、科研、生產(chǎn)、管理等不同領(lǐng)域中基礎(chǔ)性、應(yīng)用型和開發(fā)型的研究?jī)?nèi)容，經(jīng)過細(xì)化轉(zhuǎn)化為本科生能夠完成的研究課題。研究性教學(xué)旨在通過支持學(xué)生開展項(xiàng)目研究，發(fā)掘?qū)W生的研究興趣，訓(xùn)練學(xué)生的研究能力。該計(jì)劃更加注重學(xué)生參與研究的全過程，并在研究過程中學(xué)習(xí)，為學(xué)有余力的學(xué)生提供直接參與科學(xué)研究的機(jī)會(huì)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入學(xué)科前沿，了解學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài)[4]。

通過大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃，能夠形成對(duì)課堂教學(xué)的有效補(bǔ)充與擴(kuò)展，為創(chuàng)新人才的成長(zhǎng)提供更加多元的選擇。課堂教學(xué)仍然是高等學(xué)校教學(xué)的主要陣地，大部分教學(xué)工作都是通過課程完成的，研究性課堂內(nèi)外教學(xué)在課程教學(xué)中具有非常重要的意義。

2 課堂內(nèi)外研究性教學(xué)方法

課堂教學(xué)在大學(xué)生的培養(yǎng)計(jì)劃中占有最大的比重，在課程教學(xué)中，講課老師普遍重視學(xué)生的課程教學(xué)基本目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生掌握理論技術(shù)與方法，使學(xué)生能通過考試，完成課程教學(xué)[5]。應(yīng)該說這僅僅是課堂教學(xué)的基本要求，教師更應(yīng)該在課程教學(xué)中，注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、創(chuàng)新精神和研究能力。研究性教學(xué)是以學(xué)生為主體，教學(xué)重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)用知識(shí)、提出和解決問題的能力[6]。

在課程教學(xué)中引入研究性的教學(xué)方法將會(huì)更好地發(fā)揮課程教學(xué)主陣地的作用，通過研究性教學(xué)更有利于學(xué)生掌握理論技術(shù)，在完成日常課程教學(xué)的同時(shí)，提高學(xué)生的研究能力，培養(yǎng)研究學(xué)習(xí)興趣。

如何進(jìn)行課堂內(nèi)外研究性教學(xué)，必須對(duì)科學(xué)研究方法、課程內(nèi)容做深入的分析，針對(duì)不同的課程建立科學(xué)的研究性教學(xué)方法。研究方法是指在研究中發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新事物，或提出新理論、新觀點(diǎn)，揭示事物內(nèi)在規(guī)律的工具和手段。這是運(yùn)用智慧進(jìn)行科學(xué)思維的技巧，一般包括文獻(xiàn)調(diào)查法、觀察法、思辨法、行為研究法、歷史研究法、概念分析法、比較研究法等。研究方法是人們?cè)趶氖驴茖W(xué)研究過程中不斷總結(jié)、提煉出來的，在課程教學(xué)中可以對(duì)這些方法加以改進(jìn)，靈活運(yùn)用于課程教學(xué)中。

2.1 文獻(xiàn)綜述研究性教學(xué)法

文獻(xiàn)綜述是對(duì)某一領(lǐng)域、某一專業(yè)或某一方面的問題或研究專題進(jìn)行資料搜集，對(duì)其研究現(xiàn)狀(包括主要學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、前人研究成果和研究水平、爭(zhēng)論焦點(diǎn)、存在的問題及可能的原因等)、新水平、新動(dòng)態(tài)、新技術(shù)和新發(fā)現(xiàn)、發(fā)展前景等內(nèi)容進(jìn)行綜合分析、歸納整理和評(píng)論，并提出自己的見解和研究思路而寫成的一種綜合性介紹和闡述的一種學(xué)術(shù)論文[7]。這個(gè)過程有助于培養(yǎng)學(xué)生收集、檢索、評(píng)估和有效利用信息的能力，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力和具有獨(dú)立開展科研工作的能力的目的[8]。

針對(duì)教學(xué)內(nèi)容，教師提出科學(xué)技術(shù)問題，可按下述步驟進(jìn)行文獻(xiàn)綜述研究性教學(xué)：

1)搜集查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料。通過搜集和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，學(xué)生學(xué)會(huì)了科技文獻(xiàn)的查閱方法，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源、圖書館提供的各種資源，查找對(duì)應(yīng)問題的相關(guān)文獻(xiàn)資料。

2)閱讀與整理。閱讀與整理是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)與研究能力非常重要的一種方法。通過閱讀，學(xué)生掌握了大量問題的相關(guān)知識(shí)，了解問題研究發(fā)展的基本過程。對(duì)搜集的資料進(jìn)一步進(jìn)行整理，選擇重要文獻(xiàn)資料，為下一步做準(zhǔn)備。

3)發(fā)展規(guī)律分析。在文獻(xiàn)資料閱讀整理的基礎(chǔ)上，對(duì)重要文獻(xiàn)進(jìn)行精讀，進(jìn)而進(jìn)行分析，可以了解問題研究中具體方法、發(fā)展的過程，發(fā)現(xiàn)問題發(fā)展的規(guī)律和方法。

4)總結(jié)最新技術(shù)方法。最后對(duì)問題解決的最新技術(shù)方法進(jìn)行總結(jié)，并提出自己的見解，提出是否還有進(jìn)一步研究的必要性與可行性。

5)撰寫文獻(xiàn)綜述，鍛煉科技寫作能力[9]。

2.2 邏輯推理研究性教學(xué)法

邏輯是在形象思維和直覺頓悟思維基礎(chǔ)上對(duì)客觀世界的進(jìn)一步抽象，邏輯推理是建立在一定的知識(shí)儲(chǔ)備基礎(chǔ)上的。邏輯推理方法是指人們?cè)谶壿嬎季S過程中，根據(jù)現(xiàn)實(shí)材料按邏輯思維的規(guī)律、規(guī)則形成概念、作出判斷和進(jìn)行推理的方法[10]。

邏輯思維能力是處理問題所必須的能力，通過邏輯思維研究性教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生正確、合理思考的能力。

在課程教學(xué)中，有些問題的解決方法，可以讓學(xué)生運(yùn)用邏輯推理方法進(jìn)行解決，在掌握技術(shù)方法的同時(shí)，提高邏輯思維創(chuàng)新能力。即提高學(xué)生對(duì)事物進(jìn)行觀察、比較、分析、綜合、抽象、概括、判斷、推理的能力[11]。

2.3 實(shí)驗(yàn)研究教學(xué)法

杜威的實(shí)用主義教育思想體系在全球許多國(guó)家都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，其中“做中學(xué)”教學(xué)法影響著近百年來中國(guó)教學(xué)的理論與實(shí)踐[12]。

實(shí)驗(yàn)研究教學(xué)法是一種“做中學(xué)”的教學(xué)方法，學(xué)生在學(xué)習(xí)概念和原理時(shí)，教師給學(xué)生實(shí)例問題或結(jié)合科研課題，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)、思考、討論等途徑去主動(dòng)探究，發(fā)現(xiàn)并掌握相應(yīng)的原理和技術(shù)[13]。近年來，各類全國(guó)性的GIS技能大賽和科技創(chuàng)新大賽，已經(jīng)成為檢驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)效果的重要平臺(tái)[14]。

3 課堂研究性教學(xué)法在“GIS原理與應(yīng)用”課程中的實(shí)踐

3.1 “GIS原理與應(yīng)用”課程教學(xué)分析

“GIS原理與應(yīng)用”課程是一門研究地理信息系統(tǒng)基本理論和技術(shù)應(yīng)用的課程。本課程是地理信息科學(xué)本科專業(yè)中，培養(yǎng)學(xué)生理解和掌握地理信息系統(tǒng)基本原理和軟件應(yīng)用技術(shù)方法的一門必修主干課程，是學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程和從事地理信息系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)與開發(fā)的必備基礎(chǔ)[15]。

本課程研究的是地理空間對(duì)象的數(shù)字表達(dá)與處理，空間分析的基本原理，課程由5大模塊組成：GIS基本概念和地理空間數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；空間數(shù)據(jù)的組織管理理論與技術(shù)方法；空間數(shù)據(jù)的采集與處理技術(shù)方法；空間分析查詢的理論與技術(shù)方法；GIS的應(yīng)用。

本課程在培養(yǎng)GIS高級(jí)工程技術(shù)人才的全局過程中，起著增強(qiáng)學(xué)生對(duì)GIS研究工作的適應(yīng)能力和地理信息應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)新能力的作用。課程的教學(xué)內(nèi)容可采用研究性課堂教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)，在教授學(xué)生GIS原理、應(yīng)用技術(shù)的同時(shí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生的探究精神、研究能力。

3.2 研究性教學(xué)法應(yīng)用教學(xué)實(shí)踐

傳統(tǒng)的教學(xué)計(jì)劃以使學(xué)生掌握GIS的基本理論技術(shù)和方法為主，沒有強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的研究與創(chuàng)新能力。在講授的過程中，學(xué)生需要花一些時(shí)間去背概念和原理，而提高理解和運(yùn)用的能力比較困難，研究創(chuàng)新能力提高不明顯。近年來，課程組經(jīng)過充分調(diào)研和分析研究，將研究性教學(xué)法應(yīng)用于“GIS原理與應(yīng)用”課程的課堂教學(xué)，以下以3個(gè)知識(shí)模塊為例，不同的知識(shí)模塊采用不同的研究性教學(xué)方法。

1)文獻(xiàn)綜述研究法教學(xué)實(shí)踐：“空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”。 地理現(xiàn)象的組織、表達(dá)和存儲(chǔ)是GIS最核心和根本內(nèi)容，空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)反映了空間認(rèn)知與地理對(duì)象建模的過程。首先通過信息素養(yǎng)教育，指導(dǎo)學(xué)生有效利用圖書資料、網(wǎng)絡(luò)資源以及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫等途徑查閱相關(guān)科技文獻(xiàn)，獲取與“空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”相關(guān)的文獻(xiàn)資料。其次通過閱讀摘要、查閱相關(guān)引用等方法較為全面的認(rèn)識(shí)所研究的問題，按描述類型和時(shí)間順序等方式整理搜集的資料，理清對(duì)“空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”研究發(fā)展的基本過程，即空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是GIS以地理空間認(rèn)知為橋梁，對(duì)現(xiàn)實(shí)地理世界進(jìn)行逐步抽象，得到不同抽象層次的空間概念，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地理系統(tǒng)的模擬。根據(jù)前面問題的認(rèn)識(shí)和研究思路，還需進(jìn)一步補(bǔ)充搜集部分高引用或前期遺漏的重點(diǎn)文獻(xiàn)，選擇重要的文獻(xiàn)資料整理匯總。然后，在文獻(xiàn)匯總的基礎(chǔ)上進(jìn)行精讀，了解到地理空間的抽象需要建立開放式的、觀點(diǎn)統(tǒng)一的地理空間認(rèn)知模型，目前較有代表性的研究包括OGC的九層次地理抽象、ISO的概念抽象，以及常見的三層次地理抽象等。對(duì)空間數(shù)據(jù)模型的研究從概念模型的提出、邏輯模型的建立以及物理模型的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展角度，可溯源到具體空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))的產(chǎn)生、演化和推廣整個(gè)過程，使學(xué)生對(duì)于空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不僅知其然，還能知其所以然。最后，針對(duì)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究的最新研究熱點(diǎn)和科研成果，如全空間信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型、時(shí)空數(shù)據(jù)模型、三維數(shù)據(jù)模型等空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分析各自的提出背景、結(jié)構(gòu)特征、適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)等，討論是否還有進(jìn)一步研究的必要性與可行性。根據(jù)以上研究的過程，撰寫研究綜述，鍛煉科技寫作能力。

由此，通過文獻(xiàn)綜述研究對(duì)“空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”有了較為深入的了解，從原理、產(chǎn)生、演化、發(fā)展、應(yīng)用等各角度完整理解了這一基礎(chǔ)性的重要概念，為后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，并通過研究過程和論文寫作的實(shí)踐有效培養(yǎng)科研創(chuàng)新能力。

2)邏輯推理研究法教學(xué)實(shí)踐：“地球表面的模型”。 如何表述地球的形狀是地理空間數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的重要部分，GIS處理的是地球表層有關(guān)地理要素的數(shù)據(jù)，其空間位置是以地球表面上的空間基準(zhǔn)作為參照，如何建立空間基準(zhǔn)首先必須確定描述地球表面的模型。人們可以感受到地球自然表面是一不規(guī)則的表面，難以用一個(gè)簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述。如何使地球表面變得規(guī)則？人們可能想到平坦的水面，海洋表面是一個(gè)比陸地表面規(guī)則很多的曲面，用海水面表達(dá)地球表面會(huì)比自然表面規(guī)則得很多。所以產(chǎn)生了大地水準(zhǔn)面。進(jìn)一步分析，大地水準(zhǔn)面仍然不能用簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述，于是，想到了用與大地水準(zhǔn)面接近的地球橢球面表示，這個(gè)橢球面可以用簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述。進(jìn)一步研究，還可以用適用于特定場(chǎng)合的特定數(shù)學(xué)模型表示地球表面。

由此，通過進(jìn)行觀察、分析、抽象、概括、推理等邏輯分析方法，得到了4種地球表面幾何模型，進(jìn)而可以完全理解地球表面幾何模型概念及應(yīng)用。

3)實(shí)驗(yàn)研究法教學(xué)實(shí)踐：“要素選擇原理”。 要素選擇是GIS中最常用的操作，只要打開軟件就會(huì)用到這個(gè)功能。其實(shí)現(xiàn)的基本思想是求解點(diǎn)與點(diǎn)、線和面之間的距離關(guān)系。如求解點(diǎn)與曲線之間的關(guān)系，實(shí)質(zhì)上是求點(diǎn)到曲線的距離。如果在一個(gè)數(shù)據(jù)集中有大量的線(這種情況很常見)，這個(gè)求解由于要求解曲線上到每條直線的距離，計(jì)算量非常龐大。為了減少計(jì)算時(shí)間，提高求解的效率，通常在要素選擇中采用近似求解算法，可以大大提高計(jì)算效率。如果再采用索引技術(shù)，計(jì)算量可以成幾何級(jí)數(shù)的減少。運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究教學(xué)法，讓學(xué)生編寫精確與近似距離計(jì)算程序，學(xué)生可以很好地理解要素選擇中采用的相關(guān)技術(shù)方法，并可以靈活掌握空間數(shù)據(jù)的基本索引方法。

4 結(jié)束語

課堂是研究性教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新精神和研究能力，提高學(xué)生的探究意識(shí)，學(xué)會(huì)科學(xué)研究方法。本文提出3種研究性課堂教學(xué)方法，并應(yīng)用于“GIS原理與應(yīng)用”課程教學(xué)中實(shí)踐中，不同的教學(xué)內(nèi)容采用不同的研究性教學(xué)法，通過對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行精心策劃與組織安排，可使學(xué)生在研究性學(xué)習(xí)中更好地掌握課程涉及的基本原理，了解知識(shí)的形成過程，掌握科學(xué)研究的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和科學(xué)研究能力。