馮少茹，黃木易，解華明，楊婉清

(安徽建筑大學 環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥230601)

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）是以地球表面與空間地理分布有關的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，通過計算機平臺綜合處理和分析這些地理數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)[1]。近年來，數(shù)字地球以GIS作為的重要技術支撐和中心學科，GIS在各個工程應用領域廣泛利用。隨著信息化浪潮的不斷推進，社會各相關行業(yè)對地理信息技術人才的需求日益增強，迫切需要大量綜合型、創(chuàng)新型、實戰(zhàn)型GIS工程技術應用人才。我國加入《華盛頓協(xié)議》之后，我們國家的工程教育邁入了新的里程碑[2]。當前我國大力推進高等教育改革的重中之重是加強工程教育理念、培養(yǎng)具有全球視野的國際型工程應用人才。高校工程應用型人才的培養(yǎng)面臨著改革與創(chuàng)新[3]。GIS工程技術人才的能力培養(yǎng)涉及很多方面，高校作為工程技術人才的培養(yǎng)基地，實驗教學的作用非常關鍵[4]。我國高校傳統(tǒng)實驗教學模式一直存在著實驗內(nèi)容比較單一、教學環(huán)境封閉、過度依賴實驗教師講解操作、實驗項目脫離實際工程應用、依懶理論課程體系、學生實驗態(tài)度怠慢等問題，并且同時存在實驗項目不能調(diào)動學生的學習激情及學習動力，學生的工程實踐能力和綜合創(chuàng)新能力很難培養(yǎng)等問題。我校GIS課程實驗教學也存在著諸如此類的境況，近年來，在工程教育理念的驅(qū)動下，我校GIS實驗課程勇于探索、深化改革，以學生為中心，以培養(yǎng)滿足社會需要的高素質(zhì)綜合型工程技術應用人才作為培養(yǎng)目標。GIS實驗教學向著實驗項目豐富、實驗教學開放、能有效調(diào)動學生學習熱情、能大力提高學生的工程應用技能為最終目的的開放實驗教學模式轉(zhuǎn)變，構(gòu)建了包括實驗室開放平臺、開放實驗項目、開放實驗評價體系等一系列內(nèi)容豐富、行之有效的開放實驗教學模式，并取得了一定的成效。

1 GIS開放實驗教學的必要性

20 世紀中期，美國教育進行物理實驗教學改革，提出了開放實驗的教學模式[5]。開放式實驗教學是相對于封閉式的教學實驗環(huán)境來定義的，將固定不動的封閉教學實驗環(huán)境變化成高效的全方位不斷變換的開放實驗環(huán)境，稱為開放式教學[6]。上世紀80年代，我們國家開始進行實驗室開放方面的理性探索，取得了較豐富的研究成果，成果主要集中在實驗室如何開放、制定什么樣的開放政策、采取什么樣的措施等研究方向。在研究如何把學生作為教學主體，使實驗開放在教學模式上發(fā)生根本改變這方面還很薄弱[7]。工程教育要求實驗教學更注重學生工程實踐能力的培養(yǎng)。開放實驗教學為學生提供了激勵主動思索的學習方式和激發(fā)積極性的教學環(huán)境，由學生自主選擇具有較強工程實踐性和創(chuàng)新性的實驗項目，能與最新動態(tài)的社會工程實踐項目緊密結(jié)合，真正體現(xiàn)了以學生為主體的工程教育的教學理念[8]。目前，GIS技術工程應用領域范圍越來越廣泛，如市政給排水管網(wǎng)、煤氣管網(wǎng)、自然災害監(jiān)測、交通運輸管理、區(qū)域性工程的自動監(jiān)測等，包含多個工程領域、多種工程項目的統(tǒng)籌管理與控制。我校作為地方土建類院校，開設GIS 課程的專業(yè)大多具有明顯的工程性質(zhì)。在工程教育背景下，開放實驗教學模式的實施勢在必行，可以為社會輸出合格的高素質(zhì)GIS技術工程應用型人才提供有利的保障。

2 GIS開放實驗現(xiàn)狀分析

2013年以來，我校劃撥地信實驗中心各項經(jīng)費共300 余萬元，已經(jīng)具有開放實驗的平臺基礎。目前地理信息實驗中心的主要軟、硬件配置如表1 所示，另外還配置 SQL Server、AutoCAD2018、Mat Lab、以及一些數(shù)據(jù)庫、遙感、多媒體、編程語言和SPSS統(tǒng)計軟件等。

表1 地信實驗中心主要軟、硬件配置

我校地理信息實驗中心2013 年上半年提出開設GIS 開放實驗項目，取得了一些成績的同時也存在不少問題，主要有可供選擇的開放性實驗項目數(shù)量偏少；專業(yè)特色鮮明的工程實驗項目較少；教師較少機會接觸工程實踐；實驗老師要兼顧教學與科研，承擔著艱巨的任務，開設開放實驗項目的積極性不高；實驗室使用存在矛盾等。面臨這些問題，我校GIS 課程與時俱進，一直在努力探索適合我校發(fā)展的開放實驗教學方式。

3 構(gòu)建工程型GIS開放實驗教學模式

在工程教育理念的指導下，構(gòu)建適應新形勢下GIS 工程教育要求的開放實驗教學模式，如圖1所示。

圖1 工程理念驅(qū)動下GIS開放實驗模式設計流程

3.1 開放實驗角色定位與開放形式

在開放實驗教學過程中，教師不再控制整個課堂，而只是協(xié)助學生完成教學任務。學生自己制定實驗內(nèi)容、實驗項目、實驗流程、實驗方案等，讓學生去認知構(gòu)建，變成開放實驗教學的主角。開放實驗的開放性表現(xiàn)在若干個方向，比如說實驗室、實驗教學服務、實驗設備儀器、實驗過程等方面，每學期地理信息實驗中心通過實驗教學系統(tǒng)發(fā)出開放實驗的通告及要求，學生可以通過自己賬戶申請加入，也可以中途加入；實驗對象的開放，包括對全校范圍內(nèi)相關專業(yè)各年級學生的開放。

3.2 開放實驗項目

開放實驗項目的構(gòu)建一方面要加強GIS基礎實驗課程的學習，夯實基礎、增加后勁；另一方面更要通過GIS 工程相關項目的增強訓練，提高學生的工程應用技能。地理信息實驗中心將開放實驗項目內(nèi)容實行模塊化整合，分為工程基礎型、工程綜合型和技能競賽型。

3.2.1 工程基礎型實驗

基礎性實驗主要是指GIS課程的專業(yè)實驗及基本應用技能，通過構(gòu)建目標鎖定基礎性比較強的實驗項目來漸漸提高學生的GIS 應用技能基礎，比如地圖編輯處理、投影變換、各類插值方法、坡度提取與坡向提取等。目前我們學校最主要的GIS學習軟件是ArcGIS、MapGIS，通過針對學生的基礎性項目訓練，結(jié)合GIS主要的工程應用方向，使學生能夠熟練地使用這些軟件，掌握這些常用軟件基本使用原理，掌握各種工具的操作方法，做到能夠獨立、快速的使用軟件。具體實驗項目內(nèi)容如表2所示。

表2 基礎性開放實驗項目表

3.2.2 工程綜合型實驗項目

綜合型實驗是在訓練型實驗基礎上的提高。我校開設GIS 課程的專業(yè)較多，工程綜合型開放實驗項目要結(jié)合各專業(yè)的特色和工程應用方向，以工程實際為背景，對實驗實施內(nèi)容進行策劃、分解，使工程實踐成果與開放實驗教學緊密結(jié)合，主要開放實驗項目如表3所示。

表3 工程設計綜合型開放實驗項目

如何利用GIS空間分析功能來處理相關的工程問題，我們模擬了工程實例，利用相關空間信息應用專業(yè)知識來解決問題。綜合型實驗將工程項目分成多個階段，以項目組的形式來實施，人員分別進入不同的項目組。把工程案例項目分成若干個主項或子任務，主項再分各專業(yè)任務，每個主項設置一個負責人，把任務分發(fā)到相對應的項目組，每組完成指定的主項任務，如果任務有難度不能按時完成，可以持續(xù)細化組內(nèi)任務。如基于GIS 市政工程管網(wǎng)信息系統(tǒng)設計與管理，可以針對工程管理、供水管網(wǎng)輸入編輯、查詢管理、管網(wǎng)維護、事故處理、運行調(diào)度、管網(wǎng)設計等方面內(nèi)容來進行分組分任務管理。

3.2.3 技能競賽型自主開放實驗項目

學生自主開放實驗是指學生可以自己主動決定整個實驗過程，自主決定可以使用哪些實驗資源，自主決定設計哪些實驗內(nèi)容，對開放實驗的時間、內(nèi)容、過程具有絕對的操縱權等，是一種比較創(chuàng)新的實驗教學模式[9]。GIS 技能競賽可以激發(fā)學生深入學習GIS技術、拓寬學生思維，增強軟件操作技能，使學生就業(yè)實踐實力得到提升。技能競賽的比賽項目具有目標清楚、時間安排階段性強、軟件競技模塊訓練明確等特點，非常適合作為自主開放實驗項目來針對學生進行專項訓練。我校大力支持學生參加各類、各級別國家級省級相關大賽，如GIS技能競賽、GIS 軟件開發(fā)、高校GIS 大賽、學校內(nèi)部GIS 專業(yè)操作類競賽和開放實驗訓練項目[10]。根據(jù)“全國大學生GIS 大賽”的內(nèi)容，將其轉(zhuǎn)化成地理設計、軟件開發(fā)應用、工程開發(fā)應用、三維建模與設計、制圖設計等一系列自主開放實驗項目。

3.3 開放實驗管理信息平臺

開放實驗管理信息平臺建設具有重要的使用價值，是開放實驗項目能否成功運行的關鍵因素之一。學生想了解開放實驗的基本信息主要通過開放實驗信息平臺，比如實驗項目相關的實驗資源有哪些，實驗項目的內(nèi)容包括哪些方面，開放實驗室的運行機制，目標實驗項目的考核評價要求等[11]。學生用戶可以登錄信息平臺進行查閱開放實驗教學大綱、實驗室開放時間、實驗室儀器設備資源。開放實驗管理信息平臺應設專門技術人員負責管理，內(nèi)容實時更新，在平臺上按時公開實驗信息。教師可以登錄信息平臺設置開放實驗項目的選課條件、時間段的選擇、實驗預習內(nèi)容、開放的對象等等。通過信息平臺提高了實驗項目的運行效率，使開放實驗的管理非常便捷。

3.4 開放實驗教學質(zhì)量評價體系

為了保障開放實驗教學的質(zhì)量，需要建立教學質(zhì)量評價體系[12]。教學活動的開設是由教師和學生兩個主體共同完成的。GIS開放實驗教學質(zhì)量評價體系首先包括開放實驗教學的成效評價，教學成效評價包含的很多方面，有的展現(xiàn)為有形的成效，比如相關論文發(fā)表、GIS 大賽獲獎、發(fā)明使用專利等；有的展現(xiàn)為無形的成效，比如學生工程應用技能的提高、考研考中率的增高、就業(yè)率的提升等。每年學校應進行開放實驗成效統(tǒng)計，并給予教師和學生適當?shù)莫剟?，這樣能有效地調(diào)動教師和學生加入開放實驗的熱情。另外開放實驗教學質(zhì)量評價體系還包括開放實驗項目成績評價，構(gòu)成部分提前設置占總成績的百分比，比如說實驗過程表現(xiàn)占總成績的40%，工程實踐能力占總成績的40%，實驗階段性成果評價占總成績的20%。實際操作和比例設置可以根據(jù)專業(yè)方向彈性變化。

4 開放實驗教學模式的實施

4.1 規(guī)范開放實驗平臺使用制度

開放實驗平臺提供教師與學生交流空間，有專門的實驗技術人員負責管理網(wǎng)絡更新和技術指導。開放實驗平臺管理對于開放實驗教學能否順利開展至關重要，因此要規(guī)范實驗平臺使用制度，制定關于如何管理開放實驗室、如何管理儀器設備并提高它在一定時間內(nèi)的使用次數(shù)、如何管理學生申報實驗項目并預約實驗項目等配套制度，比如《實驗室開放管理制度》主要規(guī)定了實驗室開放的實驗場所、開放時間、開放儀器數(shù)目類型等內(nèi)容；《實驗室開放申報制度》是規(guī)定學生如何申報適合自己的實驗項目、適合自己的時間及申報條件等相關內(nèi)容；《開放實驗指導教師守則》主要對實驗指導老師實驗準備、教學管理、監(jiān)督學生及課后批改報告等內(nèi)容做出規(guī)定。目前我校地理信息實驗中心的開放式管理模式處在探索階段。

4.2 工程開放實驗項目實施

在開放實驗信息平臺公布實驗項目內(nèi)容和開放時間時，學生根據(jù)自己的愛好和興趣進行選擇。我校GIS 開放實驗項目是分階段分層次實施的，由于學生存在著個體上的差異，專業(yè)知識基礎和實踐應用能力存在差異，每一階段的實驗項目對應相應水平的學生群體，但不以年級、專業(yè)為標準，準許學生越過不同的年級、不同的學科專業(yè)選擇實驗項目。第一層次是在基礎薄弱或零基礎的學生中開展，主要開設GIS基礎性實驗項目；第二層次是吸收通過基礎訓練考核的同學參加工程綜合型項目或競賽類項目，實施計劃安排如表4所示。如基于GIS的垃圾處理廠或發(fā)電廠選址分析，首先學生在基礎實驗中掌握基礎數(shù)據(jù)處理、編輯、空間分析、空間建模、距離制圖、密度制圖、三維分析等工具的操作；然后再結(jié)合垃圾處理廠或發(fā)電廠的工程特點來進行工程綜合型實驗項目的各種操作。如果實驗項目專業(yè)性較強，可根據(jù)項目的服務專業(yè)及工程特點做出適當調(diào)整。

表4 工程開放實驗項目學期實施計劃

4.3 實施效果分析

2013 年以來，學生參與發(fā)表文章16 篇，申請應用型專利8項，獲得校級優(yōu)秀畢業(yè)設計16人。2018年全校各相關專業(yè)有十幾支組別參加比賽，每組3-4 人不等。累計取得了2 項國家級一等獎，10 項國家級二等獎。最近幾年，在校期間參加過開放實驗項目的學生就業(yè)率、考研率得到了提高，由2013 年的74%和55%增至2018 年的94%和85%。每屆畢業(yè)生對開放實驗教學的滿意分值由2013年的72分增加到2018 年的85 分；通過專業(yè)輔導員和用人單位獲得參與開放實驗的畢業(yè)生信息，單位滿意度從2013 年的68 分增加到2018 年的83 分。數(shù)據(jù)表明，隨著開放工程實驗項目種類與數(shù)量逐年上升，參與的學生數(shù)量、就業(yè)率、實驗教育教學滿意度、考研率、用人單位滿意度也在逐年上升。開放實驗教學模式對于提升學生勇于創(chuàng)新技能、畢業(yè)生素質(zhì)、人才成效以及實踐應用能力，均具有明顯的積極作用。

5 結(jié) 語

開放實驗教學是高校實現(xiàn)工程教育實踐教學的重要手段。在GIS開放實驗教學的改革和探索過程中，對我校開放實驗教學現(xiàn)狀與存在的問題進行分析，探討了工程基礎性、工程綜合性和學科競賽類實驗項目相結(jié)合的開放實驗內(nèi)容，構(gòu)建了開放實驗管理信息平臺與教學質(zhì)量評價體系，并分析了實施效果。實施工程型開放實驗教學模式使GIS相關專業(yè)的學生工程實踐能力得到提升，學生解決工程實際問題應用能力大大提高。