基于项目式教学的城市地理信息系统课程教学探究

韩东亚　林杭

［摘 要］新工科背景下，高校工科课程改革是新时期人才培养的重要需求。城市地理信息系统是多学科交叉的新兴学科，是智慧城市建设的重要技术支撑。文章针对城市地理信息系统教学中存在的问题，引入项目教学法，基于工程实例进行城市地理信息系统课程教学设计，建立了学生成绩评价模型。课题组在项目设计上结合城市地下空间工程专业特色，利用城市地理信息系统特有的图形化显示巧妙引入课程思政元素，并引入企业评价机制对项目进行综合评价，优化了项目设计和考核方式，实现了教书育人和提高教学质量的目标。

［关键词］UGIS；项目评价；思政元素；项目式教学

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）14-0047-04

随着中国城市化进程的加快、城市人口的增长，城市资源短缺问题、城市交通问题、城市环境问题、城市住房问题等日渐突出。在此背景下，作为数字城市、智慧城市的基础，3S（城市地理信息系统UGIS、全球定位系统GPS、遥感RS）技术的核心——城市地理信息系统（Urban Geographical Information System， UGIS）在城市各个领域得到了广泛的发展，相关技术人才的需求日益增长。UGIS是多学科综合交叉的一门学科，内容包括工程测量、计算机技术、数学、城市规划、城市管理等[1]。各大互联网公司也竞相发展独有的基于时空大数据的搜索引擎，形成了具有重大商业经济价值和社会服务价值的产品，例如阿里时空数据引擎Ganos、京东时空数据引擎Just、美团大脑、百度大脑等，其核心和根本就是城市地理空间大数据，这就形成了对UGIS技术人才数量的客观需求。

2014年，发展改革委等八部委印发了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》，提出智慧城市建设的目标之一是实现城市管理服务的信息化和精细化。2016年，发展改革委、测绘地理信息局印发的《测绘地理信息事业“十三五”规划》提出涉及城市发展、教学、科研的重要意见，包括“推进新型基础测绘建设”“开展新型基础地理信息数据库建设”“发展地图文化创意产业”“做好数字城市地理空间框架建设”“推进智慧城市时空信息云平台试点示范应用”等。联合国教科文组织的有关文献曾表明，人类活动所产生的信息，80%以上与地理空间位置有关。智慧城市是物理空间、信息空间和社会空间的三元空间耦合[2]。智慧城市建设是当前城市发展的重点，如何走向智慧城市是需要研究解决的关键问题。因此，只有建立三元空间的关联关系，才能利用信息空间发现、分析和解决城市发展问题，使城市走向智慧化。UGIS基于信息技术将物理空间数字化为信息空间，即在信息技术的支持下，对实体空间和属性信息进行采集、存储、查询与分析、管理等，进而实现城市发展的各种业务。

UGIS课程是全国很多高校城市地下空间工程专业开设的特色课程，旨在提高学生理论水平和实践能力，培养学生融合专业知识与软件开发技术的能力，是一门理论、实践、应用紧密结合的课程。但传统的课堂授课式教学培养的学生进入工作岗位后，往往需要重新进行技术培训才能胜任岗位职责。为了适应国家城市化发展和市场发展的需求，高校的UGIS课程有必要进行教学改革与探究。

一、UGIS课程教学改革面临的问题

中南大学城市地下空间工程专业的UGIS课程突出与城市建设和城市管理的有机结合，依托学校信息技术和“大土木”强势学科进行建设。本课程引导学生在掌握UGIS专业知识和技术的同时，掌握UGIS在城市地下空间的应用技术。但目前本课程的建设不够完善，部分学生的实践和应用能力经不住实际项目的考验。UGIS课程传统教学主要存在以下几个问题。

（一）实验课时少

受限于专业培养方案的要求，UGIS课程总学时再三压缩。在实际授课中，部分教师为按照课本知识体系完成全部内容的教学，不断压缩实验课时，无法安排设计性、综合性的实验项目，仅仅将实验教学作为理论教学的补充。课程教学以教师为主体，学生参与感不强，得不到充分的实践机会。仅有的实验课教学亦趋向于“步骤式”教学，即学生按照一定的步骤完成实验，部分学生在实验过程中并没有进行独立思考和独立操作，这就背离了设置实验课的初衷。

（二）实验考核占比少

课程考核以期末笔试成绩为主，约占70%～80%，实验课程的实践和报告只作为学生平时成绩的少部分，通常占比不足10%，并且考核要求低。此种考核模式下，一些学生把精力都放在课程理论学习上，死记硬背实验操作步骤，致使实践和理论严重脱节，达不到课程的培养目标。

（三）实验项目陈旧、不符合专业需求

在常规的课程实验中，实验项目以课本附带实例为基础，重在验证课程理论知识和熟悉常用UGIS软件的基本操作。信息技术和GIS技术的发展是日新月异的，但课本的更新速度很慢，并没有涵括最新技术。另外，城市地下空间工程实践的目标是培养学生成为具有较强实践能力和一定创新能力的城市地下空间工程应用型高级专门人才，这就要求学生具备应用UGIS技术解决城市相关问题的能力，但现有的大部分实验案例项目并不能体现城市地下空间工程的专业特色。这导致一些实验项目一方面缺乏设计性和综合性，一方面难以满足专业需求。

（四）缺少课程思政元素

***总书记在2019年学校思想政治理论课教师座谈会上指出，思想政治理论课是落实立德树人根本任务的关键课程，我们办中国特色社会主义教育，就是要理直气壮开好思政课[3]。思政教育改革是高等教育教学改革的热点和重点，目前UGIS实验项目设计缺乏课程思政内容，仍以讲解原理、软件和实验步骤为主。

二、在UGIS课程中应用项目教学法

（一）项目教学法简介

项目教学法是建立在工业和信息社会基础上的现代教育方法，即在教师指导下，学生完成一个相对独立的项目，具体任务包括信息收集、方案设计、项目实施和项目评价[4]。项目教学法的显著特征是“以教师为引导、项目为主线、学生为主体”，能够解决现有UGIS課程教学存在的一些问题，例如实验课时少、实验考核成绩占期末总成绩的比重低等问题。

项目教学法改变了传统的教师讲、学生听的教学模式[5]，能够激发学生的积极性。学生可以通过真实的工程案例，学习和掌握知识点，加深对实际问题的思考，提高自己的实践能力。

（二）项目教学法的应用步骤

UGIS课程项目式教学的主要步骤可以分为：（1）项目设计；（2）项目任务布置与实施；（3）项目开发文档编写；（4）项目总结与评价。项目设计是UGIS课程项目式教学的重中之重，项目设计必须包含UGIS课程各章节的知识点，又要具有一定的实施性。作为UGIS的一个缩影，校园地理信息系统是非常典型的项目实例。下面以中南大学新校区校园地理信息系统为例，简要介绍UGIS课程项目式教学是如何实施的。

1.项目设计

（1）项目名称：中南大学新校区地理信息系统。

（2）项目目的：掌握UGIS基本原理与方法；熟练应用ArcGIS的绘图、编辑、查询与分析等工具。

（3）项目准备：收集不同年份的中南大学新校区地图作为数字底图；确定数字化技术和数字化精度；选择要进行数字化的基本要素；确定数字化要素的分层和分幅方法；建立空间数据架构和数学模型；运用ArcGIS将点、线、面等地理实体纳入不同图层进行空间数据分层管理。

校园地理信息系统项目虽小，但包含的时空信息纷繁复杂，可以分解为时间维度、空间维度、属性维度三个方面的信息（见图1），并通过属性信息、时间轴和空间位置实现属性、时间和空间的耦合。此项目相关数据类型繁多，包含图片、基础地理要素、文本等。基础地理要素包括建筑物、树木、草地、人工湖泊、道路、管网等（见表1）。

2.项目任务布置与实施

随着章节知识点的不断深入，教师不断扩展校园地理信息系统包含的内容。设置的任务基本包含以下方面：①分析项目需求；②安装UGIS软件和采集数据；③分析数据架构和建立数据模型（见图2）；④绘制地图；⑤实现空间查询与分析；⑥建立数据编辑模块；⑦构建路径导航模块；⑧实现三维环游功能等。

在分配任务前要先对学生进行分组，由3～5名学生组成一个小组。在分组时要考虑学生的学习和实践能力，尽量做到“组间均衡，组内互补”，保证项目的顺利实施。任务分配时建议采用模块化任务分配法，即每个小组完成一个项目的细分模块。在建立模块时，要以培养学生的知识、素养和实践能力为目标，首要目标是培养学生的实践能力。

3.项目开发文档编写

项目开发文档是计算机系统产品不可缺少的一部分，没有文档就不能成为一个成熟的产品。在项目实施的过程中，及时编写项目开发文档，有助于纠错并及时改正。在项目结束后，要指导学生及时编写项目开发文档，这是多项目实施全过程的一个总结，既能够帮助学生复习所学知识内容，又能提高学生的写作水平。

4.项目总结与评价

UGIS项目的总结和评价是对整个项目过程和结果的归纳。在每一个模块完成后，都要进行功能演示和阶段性的成果总结，找出存在且尚未解决的问题，以便及时检验项目是否能实现预期目标。要建立合理的评价模型，其包含的指标有：项目计划（Project Plan， PP）、数据输入报告（Input Data Report， IDR）、UGIS地图（UGIS Map， UM）、UGIS地图包含模（Individual Module， IM）、最终报告（Final Report， FR）。每次评价由教师和学生填写打分表。成绩（Grade，G）评定由下式确定：

[G（%）=0.3UM+0.4IM（IM1，IM2，IM3，…）+0.15FR+0.1PP+0.05IDR]                                   （1）

项目完成后的评价包括三个方面：一是教师按式（1）给出的成绩G1，教师要对整个项目功能实现和成果展示进行评价；二是小组之间按式（1）给出的成绩G2；三是小组内成员之间按式（1）给出的成绩G3。那么最终成绩（Final Grade，FG）则为：

FG（%）=0.4G1+0.3G2+0.3G3                          （2）

三、UGIS课程项目式教学改进探究

（一）结合专业特色设计项目

项目设计以城市地下空间工程实践培养目标为引导，应突出专业特色。城市地下空间工程主要对城市地下空间进行合理规划和高效利用，如地下管道规划与建设、城市地铁修建、地下停车场修建、防空地下室建筑等，因此可以根据城市地下空间工程项目设计UGIS课程教学项目，例如长沙地铁地理信息系统、长沙人防工程地理信息系统等。

（二）引入思政元素设计项目

充分发掘和运用各学科蕴含的思想政治教育资源，健全高校课堂教学管理办法，是中共中央对高校思想政治工作提出的意见[6]。地理信息系统（Geogaraphic Information Systen， GIS）特有的时空数据表达与图形化显示，能够很直观地展示思政内容，如很多学者已建立了红军长征GIS[7]、脱贫攻坚工程GIS[8]、海上丝绸之路GIS等[9]。还可以结合湖南文化特色和红色旅游景点，建立湖南红色旅游GIS，充分挖掘思政元素，在引导学生学习专业理论知识的同时，提高学生的思想政治覺悟。

（三）引入科研课题设计项目

结合教师的科研项目和国家、省级、校级创新创业项目设计UGIS项目，让学生在实践的过程中学到更多新知识，认识和了解UGIS科研前沿和动态，提高学生发现问题和解决问题的能力。

（四）引导学生自主设计项目

引导和鼓励学生从生活需求、企业需求、科研创新需求中寻找项目。学生在教师的指导下完善项目设计，不但可以使项目更具可行性和前瞻性，而且可以使自己在学习和实践的过程中不断提高创新能力、拓宽学习视野。鼓励学生使用项目参加GIS开发大赛，例如大学生GIS软件开发竞赛、地理信息技术与应用技能大赛、SuperMap杯高校GIS大赛、全国大学生GIS应用技能大赛、北斗杯科技创新大赛等，这样既能激发学生对专业学习的兴趣，又能使学生感受到收获的喜悦，从而培养学生的创新能力和团队协作能力。

（五）引入企业评价项目

考核与评价不仅是对学生学习和实践成果的检验，也是对教师设计教学项目合理性的检验。因此，项目设计的“好与不好”不能仅仅靠教师的自说自話，还需要企业人员依托企业评价机制，对项目合理性、实用性与可转化性进行系统的评估。

新时代教育环境下，为实现知识传授、市场发展、价值引领的和谐统一，高校教育工作者应当改变传统以课题讲授为主的教学方法，探索新的教学方法，并充分发挥专业特色，建构课程思政教育模式，建立合理的评价体系和各类项目库，以建设新时代的UGIS课程（见图3）。

四、结语

UGIS课程是实践性与应用性较强的工科课程，本文针对本课程传统教学中存在的问题，引入项目教学法，通过校园地理信息系统项目阐释了项目教学法在UGIS课程中是怎么实施的；提出从结合专业特色，引入思政元素、科研项目和创新创业项目等方面设计教学项目，以激发学生兴趣，提高学生学科素养的同时，提高他们的思想道德水平；引入企业评价机制对项目合理性和实用性进行综合评估，从而提高学生的实践能力，更好地满足市场对UGIS相关从业人员的需求。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 周成虎. 全空间地理信息系统展望[J].地理科学进展， 2015，34（2）：129-131.

[2] 郭仁忠， 林浩嘉， 贺彪， 等. 面向智慧城市的GIS框架[J]. 武汉大学学报（信息科学版）， 2020， 45（12）：1829-1835.

[3] 吴晶，胡浩. ***主持召开学校思想政治理论课教师座谈会强调 用新时代中国特色社会主义思想铸魂育人 贯彻党的教育方针落实立德树人根本任务[J].人民教育，2019（7）： 6-8.

[4] 吴言.项目教学法[J]. 职业技术教育， 2003， 24（7）：1.

[5] 刘克旺， 金龙国. 电工与电子技术应用课程教学改革探究与实践[J]. 内蒙古煤炭经济， 2021（5）：225-226.

[6] 冯刚， 严帅. 改革开放40 年高校思想政治教育管理的发展历程[J]. 北京师范大学学报（ 社会科学版）， 2019（1）：10-22.

[7] 熊礼阳， 赵飞， 程瑶， 等. 红军长征GIS课程思政实验案例建设探索与实践[J]. 南京师大学报（自然科学版）， 2021， 44（S1）：40-48.

[8] 张书亮， 杨祺琪， 侯泽宇， 等. 面向“精准扶贫”的GIS课程思政实验案例设计[J]. 南京师大学报（自然科学版）， 2021， 44（S1）：1-5.

[9] 牟乃夏， 张灵先， 任浩楠. 海上丝绸之路GIS课程思政实验案例库建设与思考[J]. 南京师大学报（自然科学版）， 2021， 44（S1）：6-13.

［责任编辑：吴雪强］