土木工程專業(yè)GIS課程教學(xué)研究
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從理論上講，如果要處理的數(shù)據(jù)具有空間分布性，就可以應(yīng)用GIS進行數(shù)據(jù)的管理、處理和分析。一項重大的建設(shè)工程，從規(guī)劃、設(shè)計、施工到建成后的運營、維護管理，都需要處理大量的工程數(shù)據(jù);而一般的土木工程都是與空間分布有關(guān)，如路線的設(shè)計、城市管道的布局、建(構(gòu))筑物的分布和變形等。利用傳統(tǒng)的方式處理這些信息常常會由于主觀原因造成效率低、周期長，不能夠滿足現(xiàn)代信息化施工建設(shè)的需求;而與GIS相結(jié)合，不僅可以保證獲得信息的客觀性、高效性，還能夠利用其特有的空間分析功能，為管理決策提供可靠的依據(jù)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是為評估結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性提供有價值的信息，這些信息對結(jié)構(gòu)的管理、維護和驗證設(shè)計參數(shù)來講是十分重要的。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)一般由傳感器系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、信息處理和分析系統(tǒng)、系統(tǒng)操作與控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。由于采集數(shù)據(jù)的海量特征和采樣點(傳感器位置)的空間分布特征，使得傳統(tǒng)的基于文件和單機形式的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的管理方法制約了系統(tǒng)管理空間信息的效率。GIS作為采集、存貯、管理、分析和顯示與地理分布有關(guān)數(shù)據(jù)的有效工具的同時，也管理空間信息和屬性數(shù)據(jù)。將GIS技術(shù)引入到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，各種與結(jié)構(gòu)有關(guān)信息可以集成在一個系統(tǒng)中進行管理，這將會提高系統(tǒng)的功能并豐富系統(tǒng)對圖形和屬性數(shù)據(jù)進行存貯、管理、分析和可視化方面的能力，如文獻［7］中設(shè)計的基于GIS的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)。施工項目管理是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要成功地完成施工項目各階段的目標，就必須加強施工項目的管理工作。G1S為大型復(fù)雜工程施工項目管理提供了一個理想的開發(fā)平臺。通過GIS的二次開發(fā)，可以把空間信息和屬性信息融合在一起，可以把多媒體技術(shù)與GIS有機地結(jié)合起來，建立起方便實用的施工項目管理可視化信息系統(tǒng)，為施工設(shè)計與管理提供強有力的分析工具，為決策分析提供迅速的信息支持，使施工管理水平上一個臺階。如王紅衛(wèi)(1996年)以GIS和數(shù)字媒體技術(shù)為基礎(chǔ)，研制了三峽工程決策支持系統(tǒng)集成指揮中心。該系統(tǒng)以三峽工程施工現(xiàn)場的全貌為背景，在可視化的環(huán)境下以多種媒體形式為決策用戶提供各種施工動態(tài)、靜態(tài)信息，實現(xiàn)了施工仿真、高度優(yōu)化等決策支持功能;鐘登華(2001年)結(jié)合水利水電工程施工導(dǎo)流管理的特點，研制出基于GIS的施工導(dǎo)流管理決策支持系統(tǒng)，對大型土木工程的施工管理具有借鑒意義［8］。GIS在工程設(shè)計、運營管理中也有廣泛的應(yīng)用，在此不再贅述。
由以上論述可見，GIS與土木工程的結(jié)合是信息化時展的必然趨勢。所以，作為土木工程建設(shè)和管理的人才，在專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中，有必要具備GIS相關(guān)知識和技能。另外，目前GIS在土木工程中的應(yīng)用尚處于起步階段，是一門綜合性很強的新興學(xué)科。掌握GIS需要具備測繪學(xué)、地理學(xué)、計算機科學(xué)等許多相關(guān)學(xué)科的知識，這種復(fù)雜的知識面要求使得GIS的應(yīng)用還集中在少數(shù)的專業(yè)人才上。所以，只有培養(yǎng)更多具備GIS知識的人才，才能適應(yīng)現(xiàn)代土木工程對信息技術(shù)的需求。與專業(yè)的GIS教育相比，土木工程專業(yè)的GIS教育具有以下特征:首先，學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)不同。GIS是一門集計算機科學(xué)、地理學(xué)、測繪學(xué)、空間科學(xué)和管理科學(xué)等為一體的新興學(xué)科。GIS學(xué)習(xí)需要有廣博的知識基礎(chǔ)，其中，地理學(xué)基礎(chǔ)、計算機基礎(chǔ)和數(shù)理基礎(chǔ)尤為重要。GIS專業(yè)學(xué)生一般經(jīng)過嚴格的地理學(xué)、地圖學(xué)與測量學(xué)的學(xué)習(xí)，具有比較扎實的地理學(xué)和地圖學(xué)基礎(chǔ)，同時，數(shù)理和計算機基礎(chǔ)也比較好，而對于土木工程專業(yè)，大多學(xué)生沒有或很少具備上述基礎(chǔ)。其次，專業(yè)教育的目標不同。GIS本科專業(yè)一方面要強化基本技能的教學(xué)，同時還必須要求掌握GIS基本理論。而對土木工程專業(yè)來說，無論是基礎(chǔ)理論、技術(shù)手段還是具體應(yīng)用，都與GIS專業(yè)存在差異。具體來說，土木工程專業(yè)開展GIS教育主要目的在于應(yīng)用即讓學(xué)生了解GIS概念和基本原理，熟悉GIS軟件，學(xué)會用GIS進行空間分析，以解決專業(yè)相關(guān)問題。這兩個特征要求土木工程專業(yè)開設(shè)的GIS課程要與GIS專業(yè)區(qū)別開來，要體現(xiàn)專業(yè)要求，強調(diào)GIS在土木工程專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
二、土木工程專業(yè)GIS教學(xué)內(nèi)容
土木工程專業(yè)開展GIS教育的目的是為其提供一個GIS分析手段以解決專業(yè)問題，因此在教學(xué)過程中強調(diào)與專業(yè)的結(jié)合。GIS的主要的內(nèi)容是數(shù)據(jù)的輸入、處理與分析和輸出;土木工程專業(yè)最重要的就是數(shù)據(jù)的處理與分析。因此，相對于GIS專業(yè)的學(xué)生來講，土木工程的學(xué)生教學(xué)側(cè)重點不同，其基本的理論教學(xué)內(nèi)容見表1。土木工程專業(yè)GIS實踐教學(xué)主要的內(nèi)容為:熟悉一種GIS軟件，如ARCGIS軟件的基本操作、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與組織，理解空間與非空間數(shù)據(jù)的聯(lián)系方式及空間數(shù)據(jù)庫建庫方法、空間數(shù)據(jù)處理、空間分析、表達等。
三、土木工程專業(yè)GIS教學(xué)實踐
土木工程專業(yè)的GIS教育，其目的在于利用GIS功能更好地解決工程問題，也就是在教學(xué)上要求突出應(yīng)用。為了實現(xiàn)這個目標，必須根據(jù)土木專業(yè)訂立富有針對性的教學(xué)大綱、教學(xué)計劃和實驗大綱、實驗計劃，課程設(shè)計大綱、課程計劃，并確定課時、學(xué)分、授課方式、實驗比例、考核辦法和要求。專業(yè)GIS教育在進行課程設(shè)置時，比較多的考慮課程之間的銜接關(guān)系，而非GIS專業(yè)的GIS課程設(shè)置很少顧及課程之間的相關(guān)性和連接性，所以為了確保教學(xué)效果，開課時間的選取很重要。對于地理、測繪學(xué)科下的其他專業(yè)的學(xué)生，由于地理學(xué)、地圖學(xué)與測量學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)比較好，可以修完相關(guān)的計算機課程后再開設(shè)，以確保實驗操作順利進行;對于土木工程專業(yè)的GIS課程，最好安排在三年級下半學(xué)期開設(shè)，這樣一方面盡量讓同學(xué)們具有了比較寬的知識面以后再安排GIS課程，確保他們在難點問題上接受的更快;另一方面這期間大部分專業(yè)基礎(chǔ)課已經(jīng)學(xué)完，相對有比較充裕的課余時間用來練習(xí)實際操作。
1GIS理論教學(xué)
作為一門多種學(xué)科交叉的課程，GIS大量的理論知識涉及了測量學(xué)、地圖制圖學(xué)、計算機技術(shù)、地理學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識。大部分理論知識難免枯燥，晦澀難懂。如何讓學(xué)生學(xué)好GIS的基本理論知識是擺在教師面前的首要問題，可從兩個方面入手。一方面，土木工程專業(yè)開設(shè)GIS課程之前，要求學(xué)生應(yīng)有相關(guān)課程的背景知識，打下扎實的理論基礎(chǔ)。具體來講，這些課程包括:工程測量學(xué)、計算機文化基礎(chǔ)、計算機程序設(shè)計、數(shù)據(jù)庫理論與基礎(chǔ)等，教師還需要在課堂中補充相關(guān)地圖制圖學(xué)、攝影測量與遙感、拓撲學(xué)等知識。在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生接觸和學(xué)習(xí)GIS，就相對比較容易。另一方面，教師要運用多種教學(xué)方式。比如啟發(fā)式教學(xué)，教師用通俗簡單方法啟發(fā)學(xué)生，鼓勵學(xué)生提出問題，思考問題，使學(xué)生建立一定的自信心，不被問題嚇倒，嘗試去分析問題，解決問題;引導(dǎo)式教學(xué)，課堂教學(xué)引導(dǎo)思維，讓學(xué)生積極思考問題，避免學(xué)生被動接受知識;研究式教學(xué)，通過研究問題的方式與學(xué)生交流討論，從過去、現(xiàn)在、將來的發(fā)展方向來闡述問題，以讓學(xué)生主動探索問題根源，達到教學(xué)目的;互動式教學(xué)，在教學(xué)過程中與學(xué)生互動，營造良好的教學(xué)氛圍，以提高學(xué)生接受知識的能力。同時，教師應(yīng)該積極采用現(xiàn)代教育技術(shù)教學(xué)，其為輔助教學(xué)的工具手段，也是開發(fā)和使用教學(xué)資源的系統(tǒng)化過程，如，可以采用錄像、網(wǎng)絡(luò)、E－mail等方式實現(xiàn)互動交流，以及時獲得學(xué)生反饋意見，及時調(diào)整教學(xué)方法，提高效率。
2GIS實驗教學(xué)
由于GIS的技術(shù)性和應(yīng)用性很強，并且安排GIS實驗有助于消化理論教學(xué)知識，增強對GIS基本原理的理解，所以GIS實驗一直是GIS教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。對于土木工程專業(yè)的學(xué)生來說，由于相關(guān)學(xué)科知識的缺乏，GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、投影與變換、空間數(shù)據(jù)庫、空間分析等內(nèi)容都是不易理解和接受的。因此，在基本實驗項目不變的前提下，應(yīng)該根據(jù)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的特點，適當(dāng)調(diào)整實驗內(nèi)容的比重。基本實驗項目包括:GIS的認識與應(yīng)用、GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、GIS空間分析、GIS數(shù)據(jù)表達、3維顯示與分析、GIS二次開發(fā)環(huán)境。通過這樣的調(diào)整，不僅保證內(nèi)容的全面完整，也減少了知識的重復(fù)，突出了難點，提高了學(xué)生對于理論知識的理解能力。從計算機的角度看，GIS是由計算機硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶四大部分組成。數(shù)據(jù)在地理信息系統(tǒng)中處于核心地位，整個GIS都是圍繞空間數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、分析和表達展開。因而，培養(yǎng)通過軟件和硬件操縱數(shù)據(jù)的能力顯得格外重要。綜上所述，并結(jié)合土木工程專業(yè)的特點，采用GIS軟件上開發(fā)比較成熟的ESRI公司的ArcGIS軟件，并介紹MapInfo和MapGIS軟件。在結(jié)合基本實驗項目，分基本練習(xí)型、綜合型和應(yīng)用設(shè)計型三個層次的實驗，注重培養(yǎng)學(xué)生利用GIS解決實際問題的能力。其中，基本練習(xí)型實驗主要是訓(xùn)練學(xué)生對ArcGIS軟件的界面、功能的了解和掌握，并對幾何圖形和屬性的編輯修改、緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析、地形分析等基本分析功能進行了解和練習(xí)，使學(xué)生熟悉軟件各種功能的操作思路，做到能夠獨立、快速地使用軟件的基本功能，加深學(xué)生對GIS課程基礎(chǔ)理論知識部分的掌握;綜合性實驗是訓(xùn)練學(xué)生結(jié)合已經(jīng)學(xué)過的GIS空間分析功能以及已經(jīng)學(xué)過的土木工程專業(yè)其它課程的知識，來解決專業(yè)領(lǐng)域中遇到的與空間信息相關(guān)的問題。如利用GIS的疊置分析和緩沖區(qū)分析功能，來解決在工程選址設(shè)計規(guī)劃中遇到的問題。該層次實驗一定程度上以驗證性實驗為主，主要是通過設(shè)計好的解決實際空間問題的分析模型，運用ArcGIS軟件提供的空間分析擴展模塊進行分析，并把分析結(jié)果與教師事先做好的分析結(jié)論相比較來檢查學(xué)生實驗操作的正確性，以此訓(xùn)練學(xué)生解決實際問題的能力;應(yīng)用設(shè)計型實驗主要與課程設(shè)計相結(jié)合，其難易程度應(yīng)根據(jù)學(xué)生的特點來決定，不管學(xué)生完成課程設(shè)計的結(jié)果如何，在這個過程中，應(yīng)該以學(xué)生為主導(dǎo)，教師給予學(xué)生一定的引導(dǎo)，以達到培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力和提高學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。在教學(xué)方面可以通過兩個途徑提高學(xué)生的軟件操作與實踐應(yīng)用的能力。其一是增加實驗課課時，GIS是一個實踐性很強的課程，加強GIS實踐教學(xué)是提高學(xué)生綜合能力的一個重要手段。另外，GIS理論知識相對比較抽象與枯燥，加入一定數(shù)量的實驗學(xué)時，會促使學(xué)生運用所學(xué)的理論知識來進行實踐，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。其二是開放實驗室，由于各方面條件的限制，學(xué)生對軟件操作的練習(xí)時間是比較有限的，學(xué)校應(yīng)該把實驗室開放給學(xué)生，讓學(xué)生獲得更多的機會去提高實踐動手能力。
3考核與質(zhì)量保障
調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前大學(xué)學(xué)生考核的方法一般是老師給學(xué)生先劃出重點和范圍，而學(xué)生為了考核成績一般是對知識點進行死記硬背。這樣只是考查了學(xué)生突擊應(yīng)付考試的能力，造成學(xué)生僥幸心理的增長，達不到高等教育教學(xué)的目的，也考查不了學(xué)生對知識的掌握程度和應(yīng)用知識的能力。針對土木工程專業(yè)GIS課程的特點，考核可以分為三部分。第一是平時作業(yè)，主要針對課后習(xí)題和讀書報告，約占總成績的10%;第二是實驗及實驗報告，主要針對學(xué)生做實驗的情況以及提交的電子文本報告，而檢查的重點是看學(xué)生所采用的操作流程是否符合GIS空間分析的過程、空間模型是否可行、數(shù)據(jù)圖表是否合理全面、實驗結(jié)果是否正確等項目，約占總成績的40%;第三是課程結(jié)束時的考試，側(cè)重檢驗學(xué)生對基本理論知識的掌握和應(yīng)用，約占總成績的50%，以此改變應(yīng)試考試的作風(fēng)，注重學(xué)生平時的學(xué)習(xí)效果，達到教學(xué)目的。目前，各個專業(yè)一般自己選擇專業(yè)教師進行GIS課程的教學(xué)，由于這些教師一般沒有受過專業(yè)的熏陶，只是根據(jù)自己的工作體會和認識進行教學(xué)，對課程內(nèi)容整體的把握不夠全面。所以，應(yīng)該在學(xué)院下面設(shè)立GIS教研室，通過教研室的方式教學(xué)管理，有利于課程內(nèi)容的規(guī)范，有利于GIS專業(yè)教師的培養(yǎng)，也有利于教學(xué)質(zhì)量的控制。針對土木工程專業(yè)，參觀學(xué)習(xí)是教學(xué)質(zhì)量保障的有效途徑。通過參觀，學(xué)生可以獲得感性的GIS建設(shè)的認識。因此，學(xué)校可與某些從事GIS產(chǎn)品的公司、數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)管理單位、各級信息中心與科研機構(gòu)建立長期的合作關(guān)系，合理地利用這些有效的教學(xué)資源，充分發(fā)揮產(chǎn)、學(xué)、研的一體化進程。另外，還應(yīng)該注重GIS配套實驗教材的建設(shè)。實踐是GIS教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力、實現(xiàn)教學(xué)目標的根本途徑。所以，應(yīng)該在教學(xué)過程中，逐步規(guī)范實驗教學(xué)。
四、結(jié)束語
土木工程專業(yè)開設(shè)GIS課程具有積極意義，符合國家信息化建設(shè)規(guī)劃要求。加強對土木類學(xué)生在GIS應(yīng)用方面的訓(xùn)練將有助于提高未來建設(shè)者的綜合服務(wù)能力，有利于充分利用GIS技術(shù)與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，為決策提供更為科學(xué)和規(guī)范的依據(jù)，為科學(xué)管理提供有效的技術(shù)手段。針對土木工程專業(yè)的特點，在GIS教學(xué)內(nèi)容的選取上，應(yīng)該突出基本理論知識的理解和掌握，以及實際專業(yè)問題的分析和解決，注重培養(yǎng)學(xué)生GIS軟件操作和應(yīng)用的能力;在開課時間的選擇上，應(yīng)該注意學(xué)生知識面的銜接和開拓，使學(xué)生能夠與專業(yè)知識相結(jié)合去思考、解決問題;在教學(xué)方法上，應(yīng)該綜合應(yīng)用多種教學(xué)方法和手段，提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率;在考核方面，注重學(xué)生的實際應(yīng)用能力和平時學(xué)習(xí)效果，以保障教學(xué)質(zhì)量。另外，還應(yīng)該不斷改善實踐教學(xué)項目，緊跟社會需求和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，保證最好的實踐教學(xué)效果，提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力和科研能力。總之，做好土木工程專業(yè)GIS教育是非常必要和重要的，隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能等信息技術(shù)的發(fā)展，以及人們對信息技術(shù)的日益關(guān)注，相信GIS在土木工程中的應(yīng)用將得到進一步深入和推廣。（本文作者：趙健赟 單位：青海大學(xué)地質(zhì)工程系）
