土木工程專業(yè)GIS課程教學研究
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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，就可以應用GIS進行數(shù)據(jù)的管理、處理和分析。一項重大的建設工程，從規(guī)劃、設計、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，如路線的設計、城市管道的布局、建(構)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)代信息化施工建設的需求;而與GIS相結合，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)。結構健康監(jiān)測是為評估結構的耐久性和可靠性提供有價值的信息，這些信息對結構的管理、維護和驗證設計參數(shù)來講是十分重要的。結構健康監(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技術引入到結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中，各種與結構有關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］中設計的基于GIS的橋梁結構監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)。施工項目管理是一項復雜的系統(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，可以把多媒體技術與GIS有機地結合起來，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)字媒體技術為基礎，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)結合水利水電工程施工導流管理的特點，研制出基于GIS的施工導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在工程設計、運營管理中也有廣泛的應用，在此不再贅述。
由以上論述可見，GIS與土木工程的結合是信息化時展的必然趨勢。所以，作為土木工程建設和管理的人才，在專業(yè)知識結構中，有必要具備GIS相關知識和技能。另外，目前GIS在土木工程中的應用尚處于起步階段，是一門綜合性很強的新興學科。掌握GIS需要具備測繪學、地理學、計算機科學等許多相關學科的知識，這種復雜的知識面要求使得GIS的應用還集中在少數(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，才能適應現(xiàn)代土木工程對信息技術的需求。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，學生的專業(yè)基礎不同。GIS是一門集計算機科學、地理學、測繪學、空間科學和管理科學等為一體的新興學科。GIS學習需要有廣博的知識基礎，其中，地理學基礎、計算機基礎和數(shù)理基礎尤為重要。GIS專業(yè)學生一般經(jīng)過嚴格的地理學、地圖學與測量學的學習，具有比較扎實的地理學和地圖學基礎，同時，數(shù)理和計算機基礎也比較好，而對于土木工程專業(yè)，大多學生沒有或很少具備上述基礎。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，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，無論是基礎理論、技術手段還是具體應用，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用即讓學生了解GIS概念和基本原理，熟悉GIS軟件，學會用GIS進行空間分析，以解決專業(yè)相關問題。這兩個特征要求土木工程專業(yè)開設的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GIS在土木工程專業(yè)領域中的應用。
二、土木工程專業(yè)GIS教學內容
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，因此在教學過程中強調與專業(yè)的結合。GIS的主要的內容是數(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)的學生來講，土木工程的學生教學側重點不同，其基本的理論教學內容見表1。土木工程專業(yè)GIS實踐教學主要的內容為:熟悉一種GIS軟件，如ARCGIS軟件的基本操作、空間數(shù)據(jù)結構與組織，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，也就是在教學上要求突出應用。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大綱、教學計劃和實驗大綱、實驗計劃，課程設計大綱、課程計劃，并確定課時、學分、授課方式、實驗比例、考核辦法和要求。專業(yè)GIS教育在進行課程設置時，比較多的考慮課程之間的銜接關系，而非GIS專業(yè)的GIS課程設置很少顧及課程之間的相關性和連接性，所以為了確保教學效果，開課時間的選取很重要。對于地理、測繪學科下的其他專業(yè)的學生，由于地理學、地圖學與測量學等學科基礎比較好，可以修完相關的計算機課程后再開設，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期開設，這樣一方面盡量讓同學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)基礎課已經(jīng)學完，相對有比較充裕的課余時間用來練習實際操作。
1GIS理論教學
作為一門多種學科交叉的課程，GIS大量的理論知識涉及了測量學、地圖制圖學、計算機技術、地理學等相關學科知識。大部分理論知識難免枯燥，晦澀難懂。如何讓學生學好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GIS課程之前，要求學生應有相關課程的背景知識，打下扎實的理論基礎。具體來講，這些課程包括:工程測量學、計算機文化基礎、計算機程序設計、數(shù)據(jù)庫理論與基礎等，教師還需要在課堂中補充相關地圖制圖學、攝影測量與遙感、拓撲學等知識。在此基礎上讓學生接觸和學習GIS，就相對比較容易。另一方面，教師要運用多種教學方式。比如啟發(fā)式教學，教師用通俗簡單方法啟發(fā)學生，鼓勵學生提出問題，思考問題，使學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;引導式教學，課堂教學引導思維，讓學生積極思考問題，避免學生被動接受知識;研究式教學，通過研究問題的方式與學生交流討論，從過去、現(xiàn)在、將來的發(fā)展方向來闡述問題，以讓學生主動探索問題根源，達到教學目的;互動式教學，在教學過程中與學生互動，營造良好的教學氛圍，以提高學生接受知識的能力。同時，教師應該積極采用現(xiàn)代教育技術教學，其為輔助教學的工具手段，也是開發(fā)和使用教學資源的系統(tǒng)化過程，如，可以采用錄像、網(wǎng)絡、E－mail等方式實現(xiàn)互動交流，以及時獲得學生反饋意見，及時調整教學方法，提高效率。
2GIS實驗教學
由于GIS的技術性和應用性很強，并且安排GIS實驗有助于消化理論教學知識，增強對GIS基本原理的理解，所以GIS實驗一直是GIS教學的重要環(huán)節(jié)。對于土木工程專業(yè)的學生來說，由于相關學科知識的缺乏，GIS數(shù)據(jù)結構、投影與變換、空間數(shù)據(jù)庫、空間分析等內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，應該根據(jù)學生知識結構的特點，適當調整實驗內容的比重?；緦嶒烅椖堪?GIS的認識與應用、GIS數(shù)據(jù)結構、GIS數(shù)據(jù)轉換、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。通過這樣的調整，不僅保證內容的全面完整，也減少了知識的重復，突出了難點，提高了學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。在結合基本實驗項目，分基本練習型、綜合型和應用設計型三個層次的實驗，注重培養(yǎng)學生利用GIS解決實際問題的能力。其中，基本練習型實驗主要是訓練學生對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)絡分析、地形分析等基本分析功能進行了解和練習，使學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，加深學生對GIS課程基礎理論知識部分的掌握;綜合性實驗是訓練學生結合已經(jīng)學過的GIS空間分析功能以及已經(jīng)學過的土木工程專業(yè)其它課程的知識，來解決專業(yè)領域中遇到的與空間信息相關的問題。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，并把分析結果與教師事先做好的分析結論相比較來檢查學生實驗操作的正確性，以此訓練學生解決實際問題的能力;應用設計型實驗主要與課程設計相結合，其難易程度應根據(jù)學生的特點來決定，不管學生完成課程設計的結果如何，在這個過程中，應該以學生為主導，教師給予學生一定的引導，以達到培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力和提高學生創(chuàng)新能力的目的。在教學方面可以通過兩個途徑提高學生的軟件操作與實踐應用的能力。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實踐教學是提高學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)量的實驗學時，會促使學生運用所學的理論知識來進行實踐，提高學生學習的興趣。其二是開放實驗室，由于各方面條件的限制，學生對軟件操作的練習時間是比較有限的，學校應該把實驗室開放給學生，讓學生獲得更多的機會去提高實踐動手能力。
3考核與質量保障
調查發(fā)現(xiàn)，目前大學學生考核的方法一般是老師給學生先劃出重點和范圍，而學生為了考核成績一般是對知識點進行死記硬背。這樣只是考查了學生突擊應付考試的能力，造成學生僥幸心理的增長，達不到高等教育教學的目的，也考查不了學生對知識的掌握程度和應用知識的能力。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、實驗結果是否正確等項目，約占總成績的40%;第三是課程結束時的考試，側重檢驗學生對基本理論知識的掌握和應用，約占總成績的50%，以此改變應試考試的作風，注重學生平時的學習效果，達到教學目的。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，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，對課程內容整體的把握不夠全面。所以，應該在學院下面設立GIS教研室，通過教研室的方式教學管理，有利于課程內容的規(guī)范，有利于GIS專業(yè)教師的培養(yǎng)，也有利于教學質量的控制。針對土木工程專業(yè)，參觀學習是教學質量保障的有效途徑。通過參觀，學生可以獲得感性的GIS建設的認識。因此，學?？膳c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建立長期的合作關系，合理地利用這些有效的教學資源，充分發(fā)揮產(chǎn)、學、研的一體化進程。另外，還應該注重GIS配套實驗教材的建設。實踐是GIS教學的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學生綜合應用能力、實現(xiàn)教學目標的根本途徑。所以，應該在教學過程中，逐步規(guī)范實驗教學。
四、結束語
土木工程專業(yè)開設GIS課程具有積極意義，符合國家信息化建設規(guī)劃要求。加強對土木類學生在GIS應用方面的訓練將有助于提高未來建設者的綜合服務能力，有利于充分利用GIS技術與生產(chǎn)實踐相結合，為決策提供更為科學和規(guī)范的依據(jù)，為科學管理提供有效的技術手段。針對土木工程專業(yè)的特點，在GIS教學內容的選取上，應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)學生GIS軟件操作和應用的能力;在開課時間的選擇上，應該注意學生知識面的銜接和開拓，使學生能夠與專業(yè)知識相結合去思考、解決問題;在教學方法上，應該綜合應用多種教學方法和手段，提高教學效果和學生的學習效率;在考核方面，注重學生的實際應用能力和平時學習效果，以保障教學質量。另外，還應該不斷改善實踐教學項目，緊跟社會需求和科學技術的發(fā)展，保證最好的實踐教學效果，提高學生綜合應用知識的能力和科研能力?？傊龊猛聊竟こ虒I(yè)GIS教育是非常必要和重要的，隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術、人工智能等信息技術的發(fā)展，以及人們對信息技術的日益關注，相信GIS在土木工程中的應用將得到進一步深入和推廣。（本文作者：趙健赟 單位：青海大學地質工程系）
