地理空间信息工程专业体验式教学实践

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  摘  要:教育部于2016年度新批准设立地理空间信息工程专业,深圳大学在2017年在全国首次开展了地理空间信息工程专业的招生。作为国内第一所开设地理空间信息工程专业的院校,如何引领专业本科生对新设专业产生专业认同,形成专业学习兴趣,从而实现专业人才培养目标,是地理空间信息工程专业教学老师需要认真思考和解决的问题。本次教学实践基于体验式教学理论,结合深圳大学荔园文化,以参加深圳大学第七届建筑文化节为激励,带领深圳大学2018级地理空间信息工程专业新生制作深圳大学荔园果香图。本次实践帮助学生们形成对地理空间信息数据采集内容的初步认识,培养学生们的专业兴趣和成就感,从而为未来几年的专业学习提供动力。
  关键词:地理空间信息工程;体验式学习;荔园果香图;深圳大学
  中图分类号:G642         文献标志码:A         文章编号:2096-000X(2020)04-0102-04
  Abstract: In 2016, the Ministry of Education approved the establishment of Geospatial Information Engineering (GIE) undergraduate program, and Shenzhen University launched the first national recruitment of Geospatial Information Engineering undergraduate students in 2017. As the first institute with students majoring in GIE in China, how to guide these students to develop interests in geospatial information engineering is an urgent problem. Under this background, we carried out a teaching practice based on experiential teaching theory. The teaching content is to produce fruit tree map of Shenzhen University, which will be presented in the 7th Architectural Culture Festival of Shenzhen University. Through this experiential learning, the students learnt the basic concepts of geospatial information data acquisition and developed interests in GIE. This teaching practice can facilitate their professional course studies in the next few years.
  Keywords: Geospatial Information Engineering; experiential learning; Fruit tree map; Shenzhen University
  一、背景介紹
  地理空间一般表示为地球表面的一切实物形成的相对位置空间[1]。信息是事物及其属性标识的集合,是经过重新组织的,能够揭示出现实世界中存在的机理,从而对研究产生有利影响的数据[2]。地理空间信息是空间信息的一个重要组成部分。与其他信息相比,地理空间信息一般具备以下四个特征:属性特征、时间特征、空间特征、几何特征。随着计算机科学的飞速发展,在上世纪60年代产生了世界上第一个真正投入应用的地理信息系统(GIS)。进入80年代,各种领域对地理信息需求的增加,各国相继推出了商用的GIS。随着信息学科和地球学科的进一步相互交叉,也逐渐衍生出了一系列相关的学科(如地理空间信息工程、地理信息科学、地球信息科学等)。近些年来,在智慧城市、人工智能、大数据等技术的驱动下,国内外地理空间信息工程的学科和产业也得到了飞速的发展[3-4]。
  地理空间信息工程专业是国家教育部2016年新批准的工科特设专业。面向国家城市化与信息化两大发展趋势,融合了计算机科学、测绘科学、地理信息科学、城市科学等基本理论,为智慧城市的建设培养高端复合型人才。毕业生能够从事地理信息工程、智慧城市、国土资源、城市规划、城市环境、城市安全、城市防灾等领域的应用研究、技术开发和生产管理工作。专业方向包括智慧城市、地理信息系统设计与开发、城市智能感知、时空大数据分析等(图1)。
  深圳大学地理空间信息工程专业开设于2017年,专业依托于海岸带地理环境监测自然资源部重点实验室、广东省城市空间信息工程重点实验室、建筑与城市规划学院城市空间信息工程系等科研教学实体。专业在创办之初已经拥有优越的教学环境和条件作为支撑。作为国内第一所开设地理空间信息工程专业的院校,如何引领专业本科生对新设专业产生专业认同,形成专业学习兴趣,从而实现专业人才培养目标,是地理空间信息工程专业教学老师需要认真思考和解决的问题[5]。
  本论文研究基于体验式教学理论,依托深圳大学荔园文化,以深圳大学荔园果香图制作为途径,带领深圳大学2018级地理空间信息工程专业新生对本专业的内容进行初步认识,培养学生们的专业兴趣和成就感,为未来几年的专业学习提供支持和帮助。
  二、体验式教学模式设计   体验式教学(Experiential Teaching)是指教师根据教学需求指导学生到具体场景具体氛围中实践,以此让学生获得情感体验,帮助学生更好更迅速地理解掌握教学内容,促进学生的心理机能全面和谐发展[6-8]。与传统的演示教学法不同,体验式教学注重学生在教学过程当中的主体地位,强调学生以集体而非个人为单位参与学习,同时,师生间的交流互动更是不可或缺的一部分。
  国内外的优秀学者们对“体验式教学”的探讨和研究也还一直处于进行时。例如:基于杜威的经验哲学、皮亚杰的认知发展论及勒温的体验学习模式,大卫科尔本在体验式学习循环圈模型中将学习过程分解成四个循环往复的阶段“具体体验→反思观察→抽象概括→行动应用”,即体验式教学模式。该体验式学习模型是体验式学习理论的代表[9]。国内学者张蓉根据其体验式教学模式操作程序的设计构想(表1)得出“情境设置→主体体验→评价体验→迁移体验”操作流程[10]。
  2018级地理空间信息工程专业新生刚刚从高中进入大学,教学环境发生很大改变。与高中教学不同,大学教学重心开始从传授知识,转向开启智慧,培养能力。而体验式教学模式对我们学生能力的培养就有着重要的积极作用。由于学生在体验式教学模式的学习过程中充当主体地位,学生自然而然地就多了很多独立思考的机会,例如在实践前做计划,实践中遇到困难而思考解决方案,以及在最后的交流、反思与总结过程中,学生都是需要先自己思考,再在其小团队中和同学和老师进行积极的交流探讨,这些过程都少不了思维的碰撞与磨合,无时无刻不在培养锻炼同学们的独立自主学习能力和创新能力[11-13]。
  三、深圳大学荔园果香图体验式教学实践
  地理空间信息数据采集在地理空间信息工程专业中具有重要的地位。研究一个区域的地理环境,需要收集该区域的地形、地貌、水文、土壤等资料;测量多个点之间的高度差,需要知道这些点的地理坐标与角度关系等;绘制一幅地图,需要收集地貌、道路、主要地点等数据。采集地理空间信息数据是完成上述任务的过程中一项不可缺少的工作。地理空间信息工程专业开设的目的是培养掌握地理空间信息技术的人才,而认识地理空间信息数据采集过程是地理空间信息工程专业技能形成的基本前提,可以为以后从事智慧城市、城市规划、灾害防范等领域的工作打下良好的基础。
  荔园文化是深大的传统文化之一[14]。深圳大学的校址原来是一片荒山野林,“荔园”存在的时间比深大更为久远。据统计,建校之前,这里共有1732棵荔枝树。深圳特区的“拓荒牛”——时任深圳市市长梁湘强调,在校园建设的过程中,荔枝树要好好保护,“一棵也不能少”。罗征启校长把保护荔枝树和建设校园工作结合起来,认为房子不能太高大,要隐藏在树丛中,对校园进行精心规划与建造。建设过程仅移植了三十多棵荔枝树,造就了“荔园中的深大”。当时每年荔枝成熟时,深圳市都会举行荔枝文化节,深大也不例外。不少毕业生会出钱包下一棵荔枝树,同班同学在树下品荔、叙情。外国学者、客人也经常受学校邀请前来品尝荔枝。现在,深大已经和荔园紧紧地联系在一起。深大的吉祥物是以荔枝为主体的“励励”,连接后海校区与西丽校区的高峰专线128公交车又被称作“荔园直通车”,军训时学生们高喊“荔园骄子”的口号。不少深大师生都对荔枝林有着很深的感情。
  本次教学实践活动以地理空间信息数据采集为教学内容,借助于新生对深大荔园文化的热情,设计了荔园果香图制作的体验式教学实践活动,最后手绘图成果参加深圳大学第七届建筑文化节。这次的体验式教学实践过程,让学生加强与荔园文化的联系,通过自主调查的方式,去探索深大荔园,拥抱深大荔园,热爱深大荔园。本次实践参考大卫科尔本的体验式学习模型,按照实际经历与体验、观察与反思、抽象概念与归纳、迁移与验证四个步骤,让学生在学习实践中不断经验领悟和改造,从而形成图2所示的“地理空间信息工程体验式学习圈”的体验循环:
  1. 具体情境体验:让学生体验使用深圳大学范围内百度、高德等网络矢量地图、专业遥感影像图、无人机航拍地图等,对地图所呈现的内容进行初步感知。
  2. 观察和反思:学生通过体验后进行回想,引导学生从现有地图上寻找深圳大学的不同果树分布位置,总结目前所使用的地图在寻找果树分布的不便之处。
  3. 抽象与归纳:以果树分布信息为例,引导学生对地理空间信息采集和可视化的概念范畴进行梳理总结,形成对这一概念范畴的理解。
  4. 专业实践:带领学生开展荔园果香图的数据采集和手绘图制作,在实践中发现问题、解决问题,进行调整和改进,从而锻炼培养学生初步专业能力。最后,让学生带着实踐成果参加深圳大学建筑文化节展览,对学生的学习工作进行激励反馈。
  四、荔园果香图制作实践过程
  《荔园果香手绘图》的制作实践过程分为两部分,分别是小组绘制草图和汇总信息绘制正图。
  第一部分绘制草图。以小组形式开展体验式教学的实践过程,每个小组需要完成指定区域的草图预画。首先将深圳大学后海校区的校园分成小区域,每个小组选择自己的区域,进行地理信息的数据的实地采集工作。采集过程中,需要对果树等进行辨识和记录。辨识过程中,主要使用形色、识花君等应用程序进行拍照识别,并辅以QQ、百度识图等软件的数据进行对比,减少错误数据的干扰。果树识别完成后,需要对其地理位置进行记录,使用了两种方法减少地理位置的误差:一是通过打印或简单手绘的纸质地图,对比周围的建筑物、道路等直接标注;二是先通过经纬定位器、地图加加、步行者坐标等APP先对经纬度坐标进行记录,后通过百度地图、高德地图等电子地图进行标注。标注完成后,各小组就开始荔园果香图的草图绘制,主要使用电脑软件PS、painter 3D等进行绘制,绘制过程中,相同种类的果树只进行区域标注,尽可能准确、清晰地表达出果树的种类与地理位置。每个小组完成后汇总草图,这样,局部草图的绘制工作就完成了(图3)。   第二部分绘制正图。首先使用深圳大学的电子地图,根据总体建筑与道路的规划布局,以及地形地貌,结合“荔园果香”的主题,勾画整体草图,突出深圳大学标志性建筑的周围环境,再结合果树的地理空间数据,使画面更具有趣味性。紧接着的上色部分,借鉴中国水墨画中的表现手法,描绘出具有代表性的植被,再运用群山、飞鹤等意象来烘托出超然氛围。最后确定水墨画的整体基调,再对画中的各种细节进行精修,如图中植物的形状、建筑的样式等,再调整统一风格,荔园果香图正图绘制就完成了(图4)。
  五、结束语
  通过这次体验式教学实践,同学们的学科素养得到了培养,并且在以下几个方面的能力得到了提升:
  1. 使用地图的能力。同学们在分配任务时,要依照负责人在深大校园地图上划出的区域进行调查。在调查时,同学们又需要通过手机地图、传统地图对区域内错综复杂的道路进行地毯式调查,并且记录数据。同学们的识图能力在认路的过程中得到锻炼。
  2. 简单的数据分析能力。同学们对植物学的知识并不精通,故只能通过其他方式减少错误的产生。同学们多次拍照识别,选取多份资料中出现得最多的结果或最接近正确答案的结果,这个过程类似于地理空间信息工程专业需要掌握的误差处理。
  3. 户外考察能力。户外是地理学科最大最好的实验室,在户外考察能够体验原汁原味的地理学习。不同于平时上课的课室,户外环境的条件比较艰苦。为了获取真实的一手数据,对调查者来说,长时间步行、蚊虫叮咬、天气变化等等都是家常便饭。这次校内调查,历经3个星期多次地理信息数据采集过程,这也是对学生在艰苦环境下进行地理信息数据采集做了一次演练,同学们对户外的工作环境与过程有了更进一步的了解。
  4. 团队协作能力。同学们以四人为一小组,有些工作场合全部出动,有些工作场合分工完成。每周的局部草图,都是同学们工作的结晶。地理空间信息工程专业后续很多作业、实习,乃至同学们毕业后从事的相关工作,都需要团队合作。这次活动可以培养同学们的团队意识,为未来的学习工作积累丰富的经验。
  六、建议
  荔园果香手绘图的体验式学习过程蕴含着培养学生创新性思维和创新能力的丰富素材,让学生体验地理信息数据采集过程,为以后掌握地理空间信息技术、城市科学和数据科学基本理论、技术和工程实践方法打下基础。此次教学实践从身边的, 生活中的人地关系问题入手,以校园为实践基地,采用分组模式,并采取组内成员分工模式来进行实践活动。体验式学习过程有助于培养学生的地理观察,分析,实践能力,通过学校周边的事物激发学生的兴趣和好奇心,训练学生的综合思维,从而更好地培养学生的地理信息数据采集能力。此次荔园果香图的体验式过程很好地体现了本专业特色的体验式教学模式,以三四个学生为一小组,通过实地勘测的方式记录数据,强化了学生地理信息数据采集能力。学生们不仅了解到了大学里面果树的种类,数量及其分布情况,而且提高了学生自身的信息获取能力,为往后的测绘,遥感及地理空间信息采集,处理,分析,表达及应用的能力夯实了基础。在此次过程中学生们对地理空间信息工程这一专业有了一定的了解及自己的看法,并对往后自己的就业定位也有一定的帮助。
  由于荔园果香手绘图的体验式过程的区域局限性,如何通过教学改革与实践,培养综合的地理思维,提炼基本勘测实践技能,即开展范式化的教学,让学生们了解到更多的不同区域的果树情况,有待探讨。另外,在这次体验式过程中学生们也遇到了一些困难,主要为环境因素,比如蚊虫叮咬,天气状况不佳等等。其中,果树类问题尤为明显,果树的数量不好标注,并且有些树种的识别度不高,与一种或多种其他果树的相似度高,不好辨识,借助网上识别工具也不一定能够很好地进行辨别。并且,我们也尝试了一些手机定位软件来帮助我们勘测,然后通过手机记录经纬度及其他详细数据,但是实际操作起来还是有难度的,首先树种多,树木范围大造成了工作量较大,其二是实际记录过程中也会产生较大误差,这些都给学生们的勘测过程造成了一定的麻烦。吸收本次体验式教学实践的经验,在下一届学生实践过程中,可以提醒学生们勘测前应提前做好防蚊防虫准备,如随身携带清凉油,风油精,定时收看当天天气预报判断当前天气是否可以正常进行勘测活动,并且可以通过相关书籍及网络工具提前有选择性的了解果树种类,特别是亚热带及热带的果树种类,诸如荔枝,芭蕉,椰子树,菠萝蜜,以防在勘测过程中无从下手,并且,在通过记录经纬度进行精确定位时可以采取选择合适参照物的手段,达到辅助勘测的目的。
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