空间数据分析一流课程建设的思考.docx

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1、空间数据分析一流课程建设的思考秦昆，张洪岩，程昌秀，邓敏，胡碧松，孔云峰，李军，卢 宾宾，张红，赵建军，赵永，王劲峰(1.武汉大学遥感信息工程学院，湖北武汉430079； 2.东北师范 大学地理科学学院，吉林长春130024； 3.北京师范大学地理科学 学部，北京100875； 4.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长 沙410012； 5.江西师范大学地理与环境学院，江西南昌330027； 6.河南大学地理与环境学院，河南开封475004； 7.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京IOoO83； 8.华东师范大学 城市与区域科学学院，上海202241； 9.中国科学院地理科学与

2、资源 研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京100101)空间分析/空间数据分析是GIS的核心和灵魂。随着GlS的发展，对 GIS空间数据结构的研究已相对成熟，计算机制图也早已达到了实用 化水平，实用的GIS软件和实际的GlS系统已有许多成功案例，因 此系统的空间数据分析功能成为人们倍加关注的焦点，GIS的发展已 从数据库型GIS进入分析型GIS阶段1。众多高校已经将空间分 析/空间数据分析课程列为遥感科学与技术、地理信息科学、地理 空间信息工程等本科专业的专业核心课，并纷纷将课程名称由空间 分析改为空间数据分析。课程是人才培养的核心要素，课程质 量直接决定人才培养质量，必须把教学改革成

3、果落实到课程建设上。 在中国地理学会地理模型与地理信息分析专业委员会2022年学术年 会上首次设置了教学专题“地理模型与地理分析课程建设”,参会专 家针对空间分析/空间数据分析课程建设的思路、课程体系、科 研反哺教学、线上线下混合式教学、知识与能力培养、创造教育以及 一流课程建设的思路与方法等进行了热烈的讨论。这是地理模型与地 理信息分析专业委员会年会增设教学讨论专题的首次尝试，为促进科 研教学相长、培养地理模型与地理信息分析的优秀人才提供了重要基 础。专题召集人：秦昆（武汉大学遥感信息工程学院，博士,教授，空间 数据分析课程负责人、中国地理学会地理模型与地理信息分析专业委 员会委员）、张洪岩

4、（东北师范大学地理科学学院，博士,教授，中 国地理学会地理模型与地理信息分析专业委员会副主任）。专题点评 人：王劲峰（中国科学院地理科学与资源研究所，博士，研究员，中 国地理学会地理模型与地理信息分析专业委员会主任）。1专题召集与主持人的观点一流课程包括线上一流课程、线下一流课程、线上线下混合式一流课 程、虚拟仿真实验教学一流课程和社会实践一流课程5种类型，其 中线下一流课程以面授为主，以提升学生综合能力为重点，应发挥课 堂教学主阵地、主渠道、主战场的作用。空间数据分析课程的目 标应以提升学生能力为重点，培养学生掌握空间数据分析的基础理论 与方法以及分析应用问题的能力；培养学生实现空间数据分析

5、算法的 能力以及利用软件完成空间数据分析任务的能力。空间数据分析 课程在介绍空间分析的基本操作与基本方法的基础上，还应介绍空间 统计分析、轨迹分析与挖掘、智能空间分析等新内容，建议将课程统 一命名为空间数据分析。在课程建设方面，应面向学生综合能力的培养重塑课程内容体系，建 议空间数据分析课程的内容体系包括理论、方法和实践3大部分 2 o其中，理论部分包括地理学定律3-5、空间关系理论6-7、 空间认知理论8、空间推理理论9、空间分析不确定性理论10、 尺度理论、时间地理学、时空大数据分析等。方法部分包括：栅格 数据分析，包括栅格数据操作分析、图像数据挖掘与遥感大数据分析 11、夜光遥感分析与挖

6、掘12等；矢量数据分析，包括矢量数据 操作分析、网络分析、空间社会网络13T4、人群活动时空分析15、 轨迹分析与挖掘16-17等；三维数据分析，包括三维地形模型与 特征量算、地形分析、三维建模与可视化等；空间统计分析，包括 探索性空间数据分析、地理相关性分析、地统计分析18、地理加权 回归分析19等；智能空间分析，包括地理过程建模、地理工作流、 智能空间分析、空间决策支持等，可分别采取分类法、图示法、过程 描述法、归纳法、案例法等方法开展教学。在实践部分，建议设置相 应的课间实习和一个综合实习，即设置栅格数据空间分析实习、矢量 分析与轨迹挖掘实习、空间社会网络分析实习、三维空间分析实习、 地

7、统计分析实习、地理相关性分析实习等6个课间实习和一个空间 数据综合分析的综合实习，对空间数据分析的相关方法和实验进行综 合分析。不同学校可根据各自的专业特点和课时安排对上述内容进行 相应取舍。 不同高校的具体情况不同，部分高校侧重于地理、部分高校侧重于测 绘遥感、部分高校侧重于计算机，在空间数据分析课程的实际教 学时，应充分考虑各高校的具体情况，考虑理科、工科和文科学科性 质的差异性，以及专业班与非专业班学生专业背景的不同，设置合适 的教学内容。侧重地理的高校建议实践部分以软件操作为主；文理兼 有的综合型高校可结合历史人文等现象或事件，采用可视化和故事的 方式将GIS在地理信息分析与挖掘中的作

8、用呈现出来，从而发挥文 理兼容的特点，启发学生的学习兴趣；侧重于计算机的高校建议以程 序设计与开发为主；侧重于测绘遥感的高校建议兼顾软件操作与编程 开发。建议建立空间数据分析课程的教学联盟，并进一步申报建立教育 部虚拟教研室，综合全国相关高校空间分析/空间数据分析的师资力 量和教学资源，实现教学课件、实验数据等教学材料的共享并定期开 展教学研讨，根据不同学校的特点，分层次、分类型地编写教材、制 作课件、准备实习实践方案等。2专题点评人的观点中国地理学会地理模型与地理信息分析专业委员会年会首次设置了 教学研讨专题，体现了教学与科研的相辅相成，是人类知识体系构建 的“双胞胎”。以后每年都将设置这样

9、的教学专题，鼓励和组织地理 模型与地理信息分析的研究人员在从事创新性科研探索的同时，积极 将科研成果转化为教学案例；除了经典的理论与方法，还将具有普适 性和根本性且已得到国际同行认可的先进可靠的理论与方法适时融 入教学，使学生及时掌握学科专业知识，并奠定学术科研的高起点。 今年这个教学专题的5个报告人的报告都非常精彩，华东师范大学 张红老师的报告体现了 GIS面对不同教学对象由浅到深的教学设计， 强调了学生参与，针对感兴趣的点进行深入科学研究的可能性；江西 师范大学胡碧松老师在教学研究方面做了大量工作、申请并践行了很 多教学研究项目，学生积极参与科研；中南大学邓敏老师结合学校和 学院特色，将高

10、水平科研成果转化为课程教学，使学生感觉到科学理 论创新就在身边，并不神秘；东北师范大学张洪岩和赵建军老师围绕 “创造的教育”的思路进行了空间数据分析课程的教学设计与实 践，培养和提升了本科生的科研能力，本科生发表了多篇SCl论文； 武汉大学秦昆老师的报告体现了空间数据分析课程体系的完整性 和知识点的前沿性，以及对课程建设的高度重视。个人的教学体会：讲道理而不要学生背诵；在黑板上对核心模型 和概念进行现场推导，在公式推导过程中不得不提出假设以使推导可 以继续，从而使学生理解模型原理和适用条件20；穿插少量进行 中的科研问题，使学生感觉鲜活生动有趣。3各位参会嘉宾的观点1）北京师范大学地理科学学部

11、程昌秀（博士，教授，中国地理学会 地理模型与地理信息分析专业委员会委员）观点。空间分析/空间数 据分析已成为GIS专业重要的核心基础课程。随着时代的变革、GIS 应用的扩展，空间数据分析课程的内涵、范畴和体系潜移默化地 发生着变化，即从传统图形学为基础的空间分析泛化为以地理空间数 据为核心的系列分析方法。如何建立合理、稳定的课程教学体系和内 容以适应时代变化，是空间数据分析课程面临的难点与挑战。空 间数据分析方法以数学科学为基础、以地理数据与问题为牵引、以计 算机技术为驱动。其中，数学基础的稳定性最强，其次是地理问题。 因此，建议以数学基础为一级分类、”地理数据一问题一主题”三元 组为二级分类

12、，形成相对稳定、系统的知识脉络体系，用于汇集名目 繁多的分析方法，建立不同思维范式与地理数据/问题的联系。首先， 建议以数学基础为一级分类，按照“几何学一拓扑学一运筹学一统计 学一人工智能”的脉络梳理各方法，如缓冲区分析、空间叠加等以几 何思维范式为基础，网络分析等以拓扑思维范式为基础，选址优化与 资源分配等以运筹思维范式为基础，时空统计分析以统计思维范式为 基础，神经网络、深度学习等则以人工智能思维范式为基础。其次， 建议以“地理数据一问题一主题”三元组为二级分类体系，如在时空 统计分析中，数据可细分为“空间一时间一时空”，问题可细分为“格局一过程一机制”，主题可细分为“度量一探测一插值一归

13、因”。 “地理数据一问题一主题”三元组分类的不同组合则对应着不同的分析方法。希望在授学生以“鱼”的同时，建立知识之间的脉络体系 和思维方法，潜移默化地授之以“渔”，使学生具备自我学习、拓展 延伸课程知识的方法和能力。2）中南大学地球科学与信息物理学院邓敏（博士，教授，中国地理 学会地理模型与地理信息分析专业委员会委员）观点。随着当今时代 的发展和社会需求的变革，空间数据分析课程无论在教学内容、 教学方法还是教学要求上都需要进行改革探索，以适应高质量人才的 需要。教学内容改革：空间数据分析课程的教学内容必须与时 俱进，遵循“基础+前沿”的内容设置原则，夯实学生的数理统计、 几何计算基础，对一些传

14、统的基本空间分析内容应适当进行压缩，增 加空间大数据分析、地理空间智能分析等前沿内容21,使其教学内 容反映专业发展与学科前沿，同时使课程内容具有一定的难度，激发 学生的求知欲；作为课程教学内容的主要载体，课程教材需要不断更 新，科研反哺教学，将专业前沿知识及时转化为课程教学内容，使课 程教学与专业发展保持步调一致。教学方法改革：需要打破长期以 来空间数据分析课程教学重知识传授、轻思想启迪的弊端，由“知 识灌输”逐渐向“思想启迪”转变；尤其对于空间数据分析课程， 需要从问题出发引导学生，在教学设计过程中把握知识传授的整体性, 为学生复盘知识产生的来龙去脉，启发学生掌握从自然和社会中观察、 归纳

15、和获取知识的方法，提升学生思考问题和解决问题的能力；在课 堂教学形式上，需打破一直以来的被动式知识学习模式，构建自主可 控的全方位开放课堂，使学生变成课堂教学的参与者。课程思政改 革：课程思政建设不是“附加题”，而是“必选题”，直接关系到当 代高等教育服务国家发展需求的最终效果。课程思政建设与思想政治 课程教学有着本质的区别，绝不是简单的思想政治教育+专业知识。 课程思政建设需要实现思政元素“基因式”融入，做到教学内容有“思政味道”，立德树人“润物细无声”。一种有益探索是将思政元 素映射到知识点的讲授过程中，以思政案例的形式，在讲授专业知识 的同时，潜移默化地进行思政教育，真正实现思政教育看得

16、见、摸得 着、记得住。3）江西师范大学地理与环境学院胡碧松（博士，教授，中国地理学 会地理模型与地理信息分析专业委员会委员）观点。空间分析是 理论性和技术性并重的一门专业课程，在实际教学过程中，需结合各 院校自身特点进行相应内容的取舍与侧重，尤其是在线上线下混合式 教学环境下，更应注重线上数字化教学资源的建设，引入问题解决导 向、科研课题驱动等创新教学模式；在教学设计方面，以问题解决与 案例驱动为导向来设计教学，以实践应用案例为主导来组织教学内容, 重视设计生动有趣的教学案例以激发学生的学习兴趣；还可将课程思 政元素融入专业教学实验案例，考虑线上教学和线下教学的平衡与互 补，以及混合式教学的考核评价；建议在教学实施中适当进行发散性 思维的训练和培养，如针对1854年伦敦霍乱疫情潜在污染源的求解 问题，引导学生采用定性、定量以及定性定量相结合的多种分