摘 要：測繪工程專業(yè)GIS原理課程的課帶實驗教學(xué)和理論知識教學(xué)是有機統(tǒng)一的整體，該文針對目前教學(xué)忽視二者互促互進性和統(tǒng)一性，難以符合新工科建設(shè)要求的問題，探索改變現(xiàn)有“老師演示，學(xué)生模仿”的實驗教學(xué)與重知識、輕能力、知識向?qū)嵺`能力轉(zhuǎn)化效率低的理論教學(xué)模式，形成“老師引導(dǎo)，學(xué)生思考與探索”的實驗教學(xué)和理論聯(lián)系生產(chǎn)實際，知識、能力、實踐一體化與項目化的理論教學(xué)模式。實現(xiàn)課帶實驗反哺理論，并內(nèi)化為知識，理論知識指導(dǎo)實驗教學(xué)，并轉(zhuǎn)化為實踐能力，最終完成GIS原理課程理論與實驗教學(xué)的有機統(tǒng)一與深度融合。

關(guān)鍵詞：GIS原理；互促互進教學(xué)；課帶實驗；理論教學(xué)；統(tǒng)一融合

中圖分類號：G420 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）29-0032-05

Abstract： The teaching of theoretical knowledge and the teaching of experiments in the course GIS Principles for surveying and mapping engineering is an organic and integrated unity. In the current instruction， this paper aims to address the problem of neglecting the mutual promotion and unity of these two kinds of teaching and the difficulty of meeting the requirements of the construction of "new engineering profession". Based on the existing "instillation by the teacher， imitation by the students" experimental teaching and the theoretical teaching mode which emphasizes knowledge but not competence， and the low efficiency of transferring knowledge to practical competence， we are seeking to explore a teaching mode that will change this situation. Therefore， it can form a project-based teaching mode of "Teacher-guided thinking and exploration"， which combines theory teaching with practice， and integrates knowledge， ability and practice. This pattern will enable the experiments in the course to enrich the theory and internalise it into knowledge， make the theoretical knowledge guide the experimental teaching and transform it into practical ability， thus finally achieve the organic unity and deep integration of the theory and experimental teaching of the course GIS Principles.

Keywords： GIS Principles; mutual promotion teaching; course experiment; theory teaching; unified integration

基金項目：貴州大學(xué)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革項目“新工科背景下《GIS原理》課帶實驗與理論知識互促進教學(xué)研究”（XJG2022009）；2021年度國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點“測繪工程國家級一流專業(yè)”（無編號）

作者簡介：張春亢（1984-），男，漢族，河南太康人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向為3D GIS建模與應(yīng)用。

教育部從2017年開始積極在全國推進新工科建設(shè)，對工程類專業(yè)教育提出了中國模式。新工科建設(shè)要求全國高校培養(yǎng)更多的創(chuàng)新型與綜合型的人才，并要求學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)理論知識應(yīng)用于現(xiàn)實生產(chǎn)實踐中[1]。因此，在新工科背景下，對課程實踐教學(xué)的重要性及其與理論教學(xué)的融合式教學(xué)提出了更高的要求。目前，工程類專業(yè)教學(xué)人員也對實踐教學(xué)的重要性進行了相關(guān)研究與探索。包山虎等[2]對教學(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)設(shè)計進行了探討，提出在教學(xué)過程中，要在課堂上為學(xué)生引入最新與最前沿的專業(yè)知識，并針對專業(yè)特點分析社會需求，做出適合學(xué)生特點的培養(yǎng)模式。栗海仙等[3]針對教學(xué)中唯分?jǐn)?shù)論、忽視實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀，以機械本科專業(yè)為例，提出了理論知識向?qū)嵺`動手能力轉(zhuǎn)化的方法與途徑，以提高學(xué)生解決實際工程問題的能力。王曉萍等[4]認(rèn)為教學(xué)要以培養(yǎng)學(xué)生的能力為主要目的，并以現(xiàn)實問題為紐帶、以綜合能力培養(yǎng)為導(dǎo)向進行創(chuàng)新型課堂實驗。田俐等[5]將遞進式實驗教學(xué)方式引入課堂，以實現(xiàn)將理論知識及時用于實踐能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生的動手實踐能力，并培養(yǎng)在學(xué)習(xí)上的自我主權(quán)意識。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）原理具有多學(xué)科交叉、技術(shù)集成、實踐性強等學(xué)科特點，其課程設(shè)置一般由理論課和課帶實驗課兩部分組成。然而，在GIS原理現(xiàn)實的課程教學(xué)中，理論教學(xué)與課帶實驗教學(xué)作為兩個相互協(xié)調(diào)與促進的教學(xué)過程，卻很難做到統(tǒng)籌兼顧。如何將理論教學(xué)與課帶實驗教學(xué)相結(jié)合，真正地將理論分析與實驗探索的創(chuàng)新思維融入到現(xiàn)實的課程教學(xué)中，并實現(xiàn)課帶實驗反哺加深理論知識的理解與掌握，將理論知識內(nèi)化為動手實踐能力，形成理論知識與課帶實驗互促互進模式與效應(yīng)，是所有新工科工程類專業(yè)課程在教學(xué)過程中需要探索與實踐的重點[6-7]，也是GIS原理課程教學(xué)面臨的問題。

一 GIS原理理論與實驗教學(xué)的統(tǒng)一性

GIS原理作為測繪工程本科專業(yè)的一門必修課程，其論述了地理信息系統(tǒng)的概念與本質(zhì)、地理空間數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、空間數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間分析方法和可視化技術(shù)等地理空間信息科學(xué)與工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)核心知識，是測繪工程專業(yè)眾多課程的基礎(chǔ)與先導(dǎo)課程。作為一門測繪工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，通過對本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)能系統(tǒng)掌握地理信息系統(tǒng)相關(guān)理論與方法，并具有運用地理信息科學(xué)相關(guān)理論方法解決實際測繪地理信息工程問題的能力。該課程為學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)測繪地理信息相關(guān)知識奠定專業(yè)基礎(chǔ)，并培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，為今后從事科研和測繪工程項目實踐等打下基礎(chǔ)。

GIS原理理論課主要講授GIS的相關(guān)理論知識。課帶實驗是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下使用GIS數(shù)據(jù)處理軟件，通過動手實踐理解和掌握GIS的原理和應(yīng)用。其中課帶實驗教學(xué)可以加深學(xué)生對GIS基本原理理解和領(lǐng)會、提高學(xué)生分析和獨立解決工程實際問題的能力，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要手段，在整個課程學(xué)習(xí)中具有十分重要的作用[8]。GIS原理理論知識的學(xué)習(xí)可以為地理空間信息科學(xué)實踐技能的學(xué)習(xí)和運用提供理論基礎(chǔ)[9]，同時作為一門對學(xué)生動手能力要求較高、實踐性較強的課程，課帶實驗教學(xué)將為測繪工程本科專業(yè)人才從事生產(chǎn)實踐提供技術(shù)和能力支撐[10]。

GIS原理課程的理論知識教學(xué)和課帶實驗教學(xué)是有機統(tǒng)一的整體，他們之間是相互聯(lián)系、相互促進與相互轉(zhuǎn)換的，理論知識為實踐實驗提供理論支撐，并轉(zhuǎn)換為實踐知識，實踐實驗為理論知識的檢驗與應(yīng)用提供了途徑。課帶實驗教學(xué)過程不僅要掌握ArcGIS等地理信息軟件數(shù)據(jù)處理過程，同時要反哺理論知識，理論知識教學(xué)不僅要掌握GIS原理相關(guān)理論、算法與模型，同時要聯(lián)系實踐與實驗加強理論知識理解，服務(wù)實際工程應(yīng)用。

二 實驗與理論教學(xué)存在的問題

GIS原理課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)為學(xué)生理解并系統(tǒng)掌握地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論知識與技術(shù)方法，同時通過課帶實驗課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生利用地理信息系統(tǒng)相關(guān)理論、方法與技術(shù)對測繪地理信息領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進行設(shè)計、處理、分析與表達的能力，為學(xué)生今后從事地理空間信息科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究、工程技術(shù)應(yīng)用及管理工作奠定基礎(chǔ)?？梢?，GIS原理課程理論知識的學(xué)習(xí)最終是要服務(wù)于生產(chǎn)實踐，但目前GIS原理的教學(xué)目前普遍存在以下問題。

（一） 課帶實驗教學(xué)仍然采用“老師演示，學(xué)生模仿”的方式

GIS原理課帶實驗主要基于ArcGIS等地理信息軟件，對空間數(shù)據(jù)進行處理與分析，以驗證課程理論知識（驗證性實驗）或培養(yǎng)基于理論知識解決復(fù)雜實際工程問題的能力（綜合性實驗）。目前的實驗教學(xué)方式主要為“演示+實驗作業(yè)”的形式[11]，即課堂上老師現(xiàn)場操作ArcGIS等軟件，實現(xiàn)老師演示灌輸式教學(xué)，學(xué)生死記硬背老師實驗操作軟件過程，形成學(xué)生模仿式學(xué)習(xí)。但該教學(xué)方式使學(xué)生失去了學(xué)習(xí)思考的主動性、探索性和積極性，同時由于ArcGIS等地理信息軟件功能十分復(fù)雜，該教學(xué)方法很難讓學(xué)生完全掌握ArcGIS軟件功能。如實驗“地圖投影及其變換”，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法為老師在課堂上按照步驟完成地形圖的配準(zhǔn)，老師二十分鐘即可完成整個實驗操作，學(xué)生在老師操作軟件完成后，模仿老師半小時即可完成該課帶實驗。但該實驗涉及大量地圖學(xué)和地理信息的基礎(chǔ)核心知識，如地圖的分幅與編號、高斯-克里格投影的相關(guān)理論與應(yīng)用、空間坐標(biāo)變換相關(guān)理論等。采用“老師演示灌輸，學(xué)生模仿”的教學(xué)模式，學(xué)生機械性地完成了實驗，未經(jīng)過主動性思考，無法實現(xiàn)通過實驗反哺與加強理論知識，完成知識內(nèi)化。

（二） 重知識，輕能力，知識向能力轉(zhuǎn)化效率低

GIS原理專業(yè)課程的教學(xué)活動中普遍存在“重理論、輕實驗、協(xié)調(diào)難”以及理論教學(xué)與實驗教學(xué)截然分開的現(xiàn)象，進而忽視二者的互動性、互促互進性和統(tǒng)一性，使得實驗教學(xué)對學(xué)生能力的培養(yǎng)以及理論教學(xué)對實驗教學(xué)的促進難以協(xié)調(diào)統(tǒng)一，理論知識不能有效轉(zhuǎn)換為動手實踐能力。如課程第七章“GIS基本空間分析”與工程實踐密切相關(guān)，“疊置分析”等基本空間分析在工程項目實踐中得到廣泛應(yīng)用。但在理論講授過程中，更多強調(diào)空間分析的概念、算法和模型等抽象理論，而不聯(lián)系工程項目實踐，使學(xué)生缺乏將理論轉(zhuǎn)化為實踐的能力。同時理論與實踐脫離不僅使學(xué)生失去了對理論知識學(xué)習(xí)的興趣，也無法讓理論知識有效指導(dǎo)實踐。

（三） 學(xué)習(xí)目的性不強，實踐動手能力差，缺少解決復(fù)雜工程問題能力

GIS原理是測繪工程本科專業(yè)地理信息工程方向的主干基礎(chǔ)核心課程，但作為測繪科學(xué)與地理信息科學(xué)的交叉課程，本科生對該課程的重要性普遍認(rèn)識不足，學(xué)習(xí)目的性不強。測繪工程專業(yè)的就業(yè)與服務(wù)領(lǐng)域廣泛，其工程實踐作業(yè)主要分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更多關(guān)注傳統(tǒng)測繪數(shù)據(jù)獲取等外業(yè)的動手實踐，作為支持測繪數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理與應(yīng)用的主干課程，學(xué)生普遍重視程度不夠。隨著人工智能與衛(wèi)星遙感等高新技術(shù)的發(fā)展，測繪的作業(yè)模式發(fā)生了巨大變化，解決復(fù)雜測繪工程問題，除了對專業(yè)知識的掌握外，還需具備信息新技術(shù)知識的學(xué)習(xí)和運用能力，以及對測繪數(shù)據(jù)進行深加工和再分析的能力。而作為與信息技術(shù)聯(lián)系最為密切的內(nèi)業(yè)，GIS原理教學(xué)與實踐學(xué)習(xí)效果不佳已經(jīng)成為學(xué)生實踐動手能力差，缺少解決復(fù)雜工程問題能力的重要原因。

三 理論與實驗互促互進教學(xué)改革思想

（一） 改變課帶實驗教學(xué)方式

改變現(xiàn)有“老師演示，學(xué)生模仿”的實驗教學(xué)模式，調(diào)動學(xué)生的積極能動性，形成“老師引導(dǎo)，學(xué)生思考與探索”的實驗教學(xué)模式?！敖處熞龑?dǎo)，學(xué)生思考與探索”實驗教學(xué)方法在實驗過程中采用啟發(fā)教學(xué)，老師講解實驗原理與注意事項，引導(dǎo)學(xué)生自己思考實驗過程，在此過程中實現(xiàn)將實踐內(nèi)化為知識，反哺理論知識，促進對理論知識的理解與系統(tǒng)掌握，同時通過自主探索學(xué)習(xí)軟件的更多功能。如對于課帶實驗“地圖投影及其變換”，在教學(xué)過程中，老師不再逐步向?qū)W生演示實驗軟件操作，而是向?qū)W生講解實驗原理、涉及的知識點和實驗的大概過程，促進學(xué)生在實驗的過程中發(fā)揮積極能動性，強化理論知識的反哺、聯(lián)系和理解。同時敦促學(xué)生學(xué)習(xí)該實驗未用到的部分軟件功能，促進對地理信息軟件的深度了解和學(xué)習(xí)。

（二） 理論聯(lián)系生產(chǎn)實際，實現(xiàn)項目化理論教學(xué)

深改傳統(tǒng)課程形態(tài)結(jié)構(gòu)，顛覆理論知識占絕對主導(dǎo)的育人模式，設(shè)計構(gòu)建新形態(tài)課程，實現(xiàn)以“理論知識向?qū)嵺`知識轉(zhuǎn)化”為目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。在理論知識講授過程中，理論聯(lián)系生產(chǎn)項目，實現(xiàn)理論知識向?qū)嵺`知識轉(zhuǎn)化，提高了對學(xué)生綜合素質(zhì)、創(chuàng)新能力與科研能力的培養(yǎng)。如在講授第七章“GIS基本空間分析”時，對于“疊置分析”“緩沖區(qū)分析”“窗口分析”和“網(wǎng)絡(luò)分析”，分別結(jié)合“貴陽市人民大道拓寬工程”“貴州省不同茶樹品種種植適應(yīng)性評價”“百度地圖電子導(dǎo)航”等具體項目中應(yīng)用的空間分析方法，幫助學(xué)生理解空間分析的概念，同時提高理論知識向?qū)嵺`能力的轉(zhuǎn)化效率。

（三） 采用知識、能力、實踐和創(chuàng)新一體化教學(xué)模式

在教學(xué)過程中要求學(xué)生能夠應(yīng)用所學(xué)知識、選用先進儀器裝備和數(shù)據(jù)信息處理方法，采用科學(xué)方法對測繪領(lǐng)域復(fù)雜工程問題開展專業(yè)設(shè)計、實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)，對復(fù)雜測繪領(lǐng)域工程問題開展預(yù)測與模擬研究，并能解釋其現(xiàn)象，通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論，實現(xiàn)知識、能力、實踐與能力的一體化教學(xué)。如“DEM建立與應(yīng)用”與“三維可視化分析”實驗，涉及三維激光雷達、無人機遙感、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等新技術(shù)，且與目前正在實施的“實景三維中國”等國家基礎(chǔ)設(shè)施項目密切相關(guān)。在理論教學(xué)和實驗教學(xué)過程中，將理論知識、實踐動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)聯(lián)系起來，實現(xiàn)一體化教學(xué)，以提高學(xué)生利用理論知識解決新技術(shù)下測繪地理信息復(fù)雜工程問題的能力，適應(yīng)新工科的發(fā)展需要。

四 理論與實驗互促互進教學(xué)改革方法與方案

GIS原理理論知識與課帶實驗互促互進教學(xué)探索與實踐的目的是通過理論知識和課帶實驗教學(xué)方法改革，在理論知識教學(xué)中聯(lián)系實踐，在課帶實驗教學(xué)過程中反哺理論知識，真正實現(xiàn)理論與實驗教學(xué)的有效、有機、深度融合，激發(fā)學(xué)生探索新事物的興趣、培養(yǎng)理論知識與動手能力具備的高級工程技術(shù)與科研人才。在教學(xué)中具體實施思路與方案如下。

（一） GIS原理理論知識與課帶實驗互促互進教學(xué)內(nèi)容

GIS原理課程的理論知識雖然被分為多個章節(jié)，但各個章節(jié)并不是獨立的，而是相互關(guān)聯(lián)的一個整體，而課帶實驗往往涉及多章的知識內(nèi)容，可以很好地將各章的知識貫穿連通在一起。為了將理論教學(xué)內(nèi)容與實驗教學(xué)內(nèi)容進行有機融合，在實驗教學(xué)中可以進一步促進GIS原理理論知識的理解與融會貫通，同時通過實驗使學(xué)生對理論有直觀的認(rèn)識，并對實驗背后所隱含的原理有更加清晰和深刻的了解，將GIS原理課程的理論與課帶實驗融合式教學(xué)內(nèi)容進行設(shè)計如圖1所示。

（二） 互促互進教學(xué)具體內(nèi)容及過程設(shè)計（示例）

以“地圖投影及其變換”實驗為例，對課帶實驗與理論知識的互促互進教學(xué)進行了設(shè)計，如圖2所示，其他實驗仿照該實驗進行設(shè)計，以實現(xiàn)理論知識指導(dǎo)實驗教學(xué)，實驗促進理論知識向?qū)嵺`知識轉(zhuǎn)化，并內(nèi)化為知識。

（三） 互促互進教學(xué)實施整體思路

以測繪類企事業(yè)單位對測繪工程本科專業(yè)學(xué)生的現(xiàn)實需求調(diào)研結(jié)果為依據(jù)，以新工科和工程教育認(rèn)證對工程類專業(yè)培養(yǎng)要求為導(dǎo)向，分析現(xiàn)有課帶實驗與理論知識教學(xué)互動性、統(tǒng)一性等教學(xué)方面存在的不足，GIS原理課程具體的理論知識與課帶實驗互促互進教學(xué)改革的具體實施思路如圖3所示。

（四） 考核方法改革

理論知識與課帶實驗的互促互進教學(xué)是為了培養(yǎng)學(xué)生對知識的深度理解并提高實踐能力，因此在對學(xué)生進行考核時，要有閉卷考試作為結(jié)果性考核方式和實驗實踐作為過程性考核方式，以綜合評判學(xué)生對專業(yè)理論知識的掌握，同時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、動手實踐能力以及團隊合作精神等，增強學(xué)生綜合素質(zhì)等能力的培養(yǎng)和提高[12]。

1  理論考核

書面考試不僅要有選擇題、填空題、簡答題，以測試學(xué)生對地理信息系統(tǒng)基本概念、原理與方法的理解與掌握，更要具有一定比例的綜合性試題，用于考核學(xué)生綜合利用理論知識解決實際復(fù)雜測繪地理信息工程問題的能力。

2 實驗考核

以學(xué)生課帶實驗的表現(xiàn)作為主要考核標(biāo)準(zhǔn)，主要考查學(xué)生在實驗時的態(tài)度、動手能力和團隊協(xié)作能力等，同時要求學(xué)生在課程規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗，并提交相關(guān)的實驗報告。

3 課外實踐考核

這種考核方式主要是通過學(xué)生參與GIS原理相關(guān)的大學(xué)生比賽與項目，如全國大學(xué)生測繪學(xué)科創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)智能大賽（測繪程序設(shè)計比賽、開發(fā)設(shè)計競賽和科技論文競賽）、STR項目、授課老師實際項目，鼓勵學(xué)生主動結(jié)合自己的理論知識和實踐能力，對實際問題進行解決和創(chuàng)新。

五 結(jié)束語

新工科背景下，不僅要求學(xué)生理論知識掌握扎實，同時要具備實踐能力和創(chuàng)新思維，并能夠打破原有學(xué)科的邊界，重構(gòu)新知識體系，將課帶實驗與理論知識促進共行。作為一門理論與實踐綜合性極強的課程，GIS原理通過課程實驗和理論知識的互促互進融合式教學(xué)，促進理論與實踐的無縫對接，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，加深理解和掌握理論知識，促進理論與實踐的無縫對接，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，幫助學(xué)生將理論知識與實際應(yīng)用相連接，利用所學(xué)知識與技能解決各種新問題，從而可以更好地應(yīng)對未來的工作。

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