基于海图数字化的本科实训教学模式探索

傅林曦，欧素英，2，蔡华阳，2

（1.中山大学 海洋工程与技术学院，广东 珠海 519082；
2.南方海洋科学与工程广东省实验室〔珠海〕，广东 珠海 519080）

新工科建设对高等工程教育提出了新的要求，面向新经济发展需要，开展新兴工科专业的研究与探索，对传统工科专业进行更新升级［1］。基于此，需要针对未来专业发展进行课程结构优化。海洋工程与技术专业需要构建基于新工科背景的人才培养与教学模式。相较过去“跨学科、复合型”培养，课程设计以专业内容为导向，有所取舍和侧重。本文以“海洋学中的资料分析方法”课程为例，探索新工科背景下的课程教学改革。海图是描述海洋及其毗连陆地区域的专题地图，通常由各国海道测量官方机构负责生产、发布和更新。海图不仅是海洋空间信息传输、贮存、转换和显示的重要工具和手段之一，也是海岸工程规划设计、河口海岸演变研究、港口航道工程实践等学科领域研究和应用的基础资料。随着信息技术的不断进步，各领域创新的重要途径就是与信息技术结合。地理信息系统（Geographic Information System,GIS）是在计算机软硬件支持下建立的空间数据综合应用系统，可对地理信息数据进行集中管理、分析、运算、表达和可视化等，以解决各类复杂规划和决策问题的技术系统［2-3］。作为工科学院，海图数字化训练可加强学生对GIS理论的理解，提升GIS的应用能力，拓宽视野，促进理工结合，培养具有创新能力的高素质人才。

（一）教学内容未结合地理信息技术

海洋工程与技术专业的培养要求学生具备所需要的专业基础知识、理论方法及工程技术，注重力学、水文等多学科交叉，具备解决工程实际问题的能力。“海洋学中的资料分析方法”课程原有的教学内容忽略了工科学生对地理学、测绘学等方面基础知识和技能掌握薄弱的情况，从而导致学生对海图基础技能的学习不足，读图技能不完善，进而影响对专业创新人才的培养。课程设计对于工程学生应具备的设计和分析解决方案、团队沟通、应用不同工具解决复杂问题的能力未提出要求。培养方案中，该课程设置在大三年级，该阶段学生已具有数学和自然科学、人文社科等知识理论储备，应具备综合项目实践解决问题的能力，可引入具备工程性的实践教学，以培养和提升学生的创新思维，提高学生的主观能动性，拓宽学生工程应用方面的视野。

（二）实践内容不足

现有教学实践内容不足，偏向“纸上谈兵”，原有课程以教师讲解为主，通过PPT和案例分析讲解海图的作用、分类、数据处理方法等，学生未真正应用GIS系统实际操作。而GIS数据具有抽象性，学生对相关应用缺乏感性认知，在课堂中学习积极性不足。GIS系统的应用性较强，只有在实践中应用工具操作、解决实际工程背景问题，才能内化为自己的知识体系，针对未来可能遇到的工程问题选择、使用恰当的信息技术工具设计对应的解决方案。

（三）考评结构不合理

现有的评分内容为根据课堂表现、课后作业、考试成绩综合评分，这样的评分标准因无法准确评价实验实践环节教学成果故更适用于无实践内容的理论教学课程，若继续采用考评方式，则易导致学生完成实验报告时态度消极，阻碍对学生创新思维的评价。

（一）教学内容设计

教学内容设置的目的既要让学生了解海图的基本理论、知识、GIS的基本知识和方法，使所学技术服务于本专业。地理信息系统是多学科、多技术的交叉性学科，对于非地理信息专业的学生而言，缺少地理学、测绘学等方面的基础知识和技能的学习。空间数据的采集是GIS的一项基础性工作，工科专业GIS的教学重点是学习空间数据分析的基本概念和内容，了解空间分析解决工程问题的方法和流程［4-6］。利用GIS技术处理海图数据，将海图数字化形成数据库，通过GIS软件处理图像并建立数字高程模型，能够对研究区域的面积、高程、轮廓等数据进行定量研究，从横剖面、深泓线纵剖面等不同角度研究海岸带的岸线、滩槽形态，有助于学生深入理解和掌握GIS软件处理数据源的理论知识和实践过程。

1.基础理论及专业知识。在课堂上，介绍海图的基本理论知识，让学生了解海图的基本特征，掌握海图的分类、功能，了解制图的一般过程，介绍海图比例尺、坐标系、地图投影、海图基准面等概念，要求学生掌握海图投影变换的原理和方法，了解地图与遥感影像对地理对象的表达，掌握基本的策略理论与制图知识。

2.应用ArcGIS采集空间数据。该部分包括地理信息系统的介绍及海图数字化相关功能的介绍。ArcGIS全面整合了GIS的主流技术，因此本课程应用地理信息系统软件ArcGIS处理空间数据，旨在让学生掌握GIS软件的操作与使用技能。课程介绍了空间数据特征、矢量和栅格数据的对比与转换、空间数据的采集、空间分析的概念与基本方法，让学生了解不同数据结构的特点，根据具体问题的应用需求选择相适应的结构，了解ArcGIS软件的基本操作，包括海图坐标系配准、新建图层、建立图层信息、DEM建立等原理和方法。

3.系统输出和拓展。介绍应用GIS软件进行地图制作和报表输出，并介绍GIS原理与程序设计，鼓励学生自主创新拓展，掌握软件二次开发和基本算法实验的能力。以解决具体问题为实验目标，通过GIS提供的分析和输出手段完成实验内容。在工科专业中主要为应用GIS进行空间分析，GIS数据结构、数据库、原理和程序设计系统等内容难度较大，课程中仅予以简要介绍，鼓励感兴趣的学生深入学习。

（二）实践和第二课堂教学

鼓励学生自主学习，学生分组以团队形式协作开展实践项目。首先基于理论课程知识，小组将完成同一研究区域不同年代海图数字化的实践作业。教师在课程中期组织学生进行交流，对学生在完成作业过程中遇到的问题进行答疑，讨论作业过程中学生普遍遇到的问题和解决方法。组织学生针对遇到的问题，建立和完善海图数字化的处理方法及注意事项，形成课堂笔记。学生之间交流和记录，可确保小组活动中部分自学能力较差的学生完成作业。基于小组已经完成数字化的海图，构建应用数字化海图数据库。学生在课堂前期有相应基础理论学习，可开展进一步探索，教师在形成数字化海图数据的基础上，组织学生提出具体问题，鼓励学生分析问题、解决问题。课程实践环节的设计具有开放性，锻炼学生在实践过程中形成自主提问和思考的习惯。如在空间分析与应用的作业中，引导学生探索插值方式、网格精密度设置，对比其生成的DEM模型差异，并查明构成差异的原因。传统工科学生沟通能力训练较少，因此，在课程设计中增加课堂展示交流环节，以小组为单位让学生在课堂上展示其实践项目成果，锻炼学生对研究成果的逻辑归纳总结与表达能力，分享对应问题探索的结果和思考。部分学生基于成果参与大学生科研训练创新计划，开展第二课堂训练，有助于形成立体化的育人模式。

（三）教学考评方案设计

考核制度的设计，目的是杜绝学生应付考试突击学习，要求学生掌握理论和实践操作知识。数字化海图实践作业占课程成绩的30%，根据电子作业成果质量打分；
学生课堂表现成绩占15%；
课程结束后进行报告分享和专题论文写作，成绩占30%；
期末考试成绩占25%。多元的考核模式充分发挥每个学生的自主能动性，将各项实践和报告成绩结合，全面考查学生对课程的掌握情况和成果汇报沟通等综合能力。通过专题论文写作，锻炼学生的检索和文献阅读、论文写作能力，让学生在了解相关专业领域的应用和发展的基础上，对未来从事应用研究的方向有理性认知，为学生今后真正开展课题研究打好基础。

（一）教学实践内容

运用课堂授课、PPT课件展示、讨论、实践、第二课堂等多种教学方法和手段，并鼓励学生自学，达到教学内容及层次的要求。通过布置课后作业的形式，让学生进行GIS操作练习，有助于理解地图测量和地理信息系统的理论基础，了解数据输入和处理的应用，为深入学习空间分析、建立空间数据库等提供支撑。通过布置实践作业的形式，让学生进行GIS应用操作练习，提高学生的GIS空间分析能力。在教学过程中布置的作业具体内容与要求如表1所示。

表1 教学实践内容

1.海图的空间配准。根据海图所包含的投影、坐标系、标准纬线等信息，在工具栏的地理信息配准页面设置好对应海图的坐标系、投影方式、中心纬度等，增加控制点，对海图的四个角及四条边中点标记经纬度信息，更新地理配准信息。

2.海图数字化与数据库建立。新建图层文件Shapefile，并命名为对应海图包含的信息，如“岸线”“散点水深”“0 m等深线”“2 m等深线”“5 m等深线”“10 m等深线”等，设置配准信息，加载文件到工程文件中，描点，在属性表中添加水深信息、点位坐标等信息。要求以小组为单位建立空间信息数据库。

3.空间分析与应用。根据海图数字化结果，完成数字高程模型DEM的建立，练习白化、输出深泓线、纵横剖面等操作，学生自主提出需要解决的具体问题，基于处理和分析结果探索解决相应问题，熟悉用GIS进行空间分析的方法，如探讨该区域的水域面积变化、水下地形冲淤速率。要求规范输出图表，形成实验报告，并在课堂展示交流成果。

（二）教学效果

GIS系统的操作具有较强的实践性，在实验中学生才能真正熟悉和掌握数据采集、空间分析的处理方法。通过布置小组作业，学生系统地学习了用GIS解决实际问题的方法。从一般难度的数字化海图入手，让学生自主提问，由浅入深地学习GIS系统的应用，取得了较好的教学效果，主要体现在以下几方面。

1.学生的自主学习能力得到提高。组织学生交流分享GIS应用的相关经验，分享作业中需注意的要点，鼓励学生自主解决实验过程中出现的问题，达到翻转课堂的效果。如应用空间校正功能能解决合成不同年代海图中出现的描点和海图偏离问题；
发现等深线间隔大小对后续作业中插值的影响，并统一解决方案等。学生在项目推进后，充分体会到前期作业细节检查（如空间校正、坐标系统一）的重要性，有助于养成严谨、认真的学习态度。

2.学生的创新性思维得到训练。每组学生自主提问探索，从不同角度思考GIS系统的应用特点：在基础知识探索方面，着眼海图深度基准面，探索历史海图基准面的转换关系；
在应用设置方面，探索插值方式、划分网格精密度的选取对生成DEM模型准确性的影响；
在历史数据相关分析方面，探索地形演变的特征及其机制，同一研究区域的岸线和等深线变化、冲淤计算；
等等。在课堂展示交流环节，分享对应问题探索的结果和思考，在实验教学中提高了学生的自主创新意识，训练学生具备基本的科研素质和解决问题的综合能力。

海图是重要的基本历史资料。传统的纸质版海图不便对数据进行可视化和综合分析，将数据处理课程内容与海图数字化结合，加深学生对海图的认知，掌握海图数字化的基本操作与应用。对建立海岸带水下地形数据库积累数据，为综合治理河口环境提供科学的数据基础。通过自主设计实践项目，提升学生探索和解决问题的能力，为相关专业新工科培养目标下的教学改革提供参考。

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