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高校城乡规划专业GIS教学的实践和思考--以上海大学为例

发布日期:2017-02-17 发表者:李永浮 刘勇 浏览次数:50次



       摘要地理信息系统作为一门空间科学,在地理学、城市管理、交通、公共卫生等专业的应用日益普及。许多院校的城乡规划专业也相继开设了GIS课程,虽取得良好的效果,仍有诸多不尽完善之处。本文基于多年的教学实践,从“教学课本、教学内容、教学软件和教学案例”四个方面,阐述城乡规划专业GIS教学实践的经验教训,并针对四个方面,特别是教学内容和教学案例,提出若干对策和建议。

       关键词城乡规划,地理信息系统,空间分析,教学研究

      2013年8月,《高等学校城乡规划本科指导性专业规范》通过住房和城乡建设部人事司、高等学校土建学科教学指导委员会的审定并颁布实施。2014年全国城乡规划专业院校陆续分片参加了《高等学校城乡规划本科指导性专业规范(2013年版)》的宣讲工作会。指导性专业规范是国家教学质量标准的一种表现形式,是国家对本科教学质量的基本要求,主要规定了本科专业教学内容应达到的基本要求。本规范把专业知识划为核心和选修两类。核心知识是城乡规划专业必备的内容,学生必须掌握、熟悉和了解。本规范推荐的核心课程10门,其中包含《地理信息系统应用》这门课程。可见GIS在城乡规划专业中的较高地位,城乡规划专业对于信息技术给予空前的重视。


       有鉴于此,本文将总结上海大学城乡规划专业GIS教学实践,加强与其他高校的GIS教学经验交流,包括非城乡规划专业的院校,以此推动上海大学城乡规划专业GIS教学的发展。


      一、城乡规划专业GIS教学的探索

       1、上海大学城乡规划专业简介

       2007年9月,上海大学城乡规划专业招收第一届本科生,学制为4年。从2014年9月,新招收的城乡规划专业本科生,学制改为5年。上海大学城乡规划专业毕业生或出国留学,大部分同学相继走上工作岗位,总体上得到规划单位的好评,就业率100%。从2015年开始,在设计学下招收城乡规划与设计专业硕士研究生。总体上,上海大学城乡规划专业办学较晚,还需要很长时间逐步发展壮大,但发展前景良好。


       2、城乡规划专业GIS教学实践的探索

       从2007年第一届城乡规划专业本科生开始,就开设了《城市地理信息系统》这门课程,共2个学分。从城乡规划专业办学开始,就学习和借鉴清华大学、同济大学、南京师范大学的GIS教学经验,从教材选择、教学内容、教学方法、教学实践等环节,加强GIS学科建设,着重培养GIS技术操作和应用能力,取得了较理想的教学效果。

      (1) GIS的教材

       我们选择了张康聪(Kang-tsung Chang)所著的《地理信息系统导论(第5版)》[1]。它的主要特点在于:把GIS概念与实践并重,通过ArcGIS软件平台,结合GIS应用案例,讲授GIS的主要功能。教材中配有解决问题的练习及其详细的操作指南。同时这本教材的英文版也由清华大学出版社出版,两个版本配合使用有助于双语教学,极大地提高了学生GIS的专业英语水平。

       其次,向学生推荐宋小冬和钮心毅主编的《地理信息系统实习教程(第3版)》[2],作为课后练习用书,它通俗易懂和简洁实用,深受城乡规划和相近专业学生欢迎,许多学校都用作GIS教学的必备参考书。

      (2) GIS的教学软件

       ArcGIS作为GIS的旗舰产品,在全球地理信息系统市场上占有的市场份额最大。国内外GIS教材中都用ArcGIS软件来讲解和演示空间分析功能,也正说明ArcGIS软件产品的强势地位。因此,在GIS教学中,我们选用了功能强大的ArcGIS软件平台,这样有利于教师全面讲授和演示GIS主要功能,也对学生未来就业提高竞争力大有帮助。目前,ArcGIS软件的最新版本已经更新到ArcGISTM10.2。

       此外,在GIS教学中应当尽可能介绍一些MapGIS软件的基本功能。主要原因在于,城乡规划所使用的土地利用数据通常来自国土部门,数据多为MapGIS软件格式,需要把MapGIS数据转换成为ArcGIS数据,才有可能使用ArcGIS软件进行用地分析。当然,MapGIS功能日趋完善,在我国国土部门得到广泛地推广和应用,因此建议学生自学MapGIS基本功能非常必要。

      (3) GIS教学内容

       地理信息系统的主要教学内容,共计18章。其中,第1-9章,为GIS基本概念部分,主要包括GIS的基本概念、空间数据的特性、GIS的地图表达,地理数据的存储结构,地理和属性数据的输入和编辑等。第10-18章,为GIS空间分析与综合部分。这部分内容乃是地理信息系统(GIS)的核心功能,也是与其他信息系统的主要区别之处,还是城乡规划中急需但AutoCAD软件所欠缺的核心功能。其实,空间分析工具的质量、多样性和效率,正是为竞争日益激烈和开放的软件市场中的厂商提供了一个重要的辨识标准[3]

       (4)教学方法

       城市规划专业的GIS教学,面临着有限的教学课时与丰富的教学内容之间的困境。实践表明,必须努力改进教学方法来解决这个矛盾,方能收到较满意的教学效果。

       为此,我们在课堂上重点讲解GIS原理,简要演示操作方法,更为详细的软件操作步骤和练习题都让学生课后自学完成,第二次上课时留出时间检查完成情况并为学生答疑。目前,多数院校城乡规划专业的学生成绩,大都比同校其他专业学生优秀许多,这些学生学习积极主动,自学能力很强。教师应注重精讲精练,因材施教,为学生提供更多的应用GIS技术的机会。也要避免矫枉过正,对于决策树、贝叶斯网络、人工神经网络、粗糙集、支持向量机、粒子群优化算法、期望最大化算法等方法,无需强求学生全部掌握,应结合学生兴趣有选择地讲解。兴趣是最好的老师,一旦知晓了GIS强大和实用的空间分析功能,学生怎会不愿意学习呢?

      (5) GIS教学案例

       在GIS教学过程中,结合城乡规划案例讲解GIS技术应用,确是提高学生学习热情和主动性的捷径。在上文提到的几本教材中,都配备了很好的练习题供学生选做。特别是宋小冬、钮心毅主编的《地理信息系统实习教程(第3版)》,书中结合城乡规划编写了大量针对性的练习题,把GIS空间分析功能分解到各个章节,利于学生理解、掌握和应用。把练习过程与原理相对照,就能较好地建立GIS原理、ArcGIS软件功能和相关专业知识之间的联系。其次,在《ArcGIS地理信息系统基础与实训(第2版)》、《地理信息系统导论(第5版)》和《ArcGIS地理信息系统教程(第5版)》[4]中也有大量练习,这些基础练习虽非源于城乡规划实践,仍然有益于理解GIS原理和掌握ArcGIS操作方法。

即便完成这些练习,对于GIS空间分析技术的掌握仍嫌不足。还要适当补充GIS高级空间分析的教学案例。我们选用了王法辉的《基于GIS的数量方法与应用》[5]和王劲峰等的《空间数据分析教程》[6] 中的教学案例。这两本书是作者多年科研成果的精心汇编,那些案例都来源于他们的科研实践,以案例的形式组织起来,并配以翔实的教学数据以供学生逐步操作练习,学生能很快掌握那些高级空间技术和应用到规划专题研究中。


       二、城乡规划专业GIS教学的合作交流

       1、为社会学专业本科生讲授GIS课程

       从2012年开始,城市规划专业就与社会学专业联合开设一门课程《城市空间与规划》,其中就为社会学本科生讲授GIS基本知识。虽然有教师使用GIS技术进行社会学科研工作,上海大学社会学专业却没有为本科生开设GIS课程,从课堂教学效果来看,学生们对于GIS功能近乎完全不了解,只有个别学生有些接触。但是,学生们对于GIS技术和强大功能抱有极大兴趣,主动将教学PPT拷贝回去学习,并购买了教师推荐的GIS教材,配合ArcGIS软件学习基本操作。

       近年来,社会学经历了“空间转向”,更加重视社会关系与空间结构研究,正如美国当代社会理论家伊曼纽尔.沃勒斯坦所认为:“时空”不仅是纯内生变量而且还是理解社会结构和历史变迁的关键所在[7]。因此,社会学专业也必然重视空间分析的技术手段,GIS的空间分析正是其必需的技术手段。上海大学的经济学专业也在建议,为本科生开设GIS专业,并且要求研究生必须学习ArcGIS软件的基本操作。


       2、在上海城市调查中应用GIS技术

       2014年10开始,上海大学社会院将进行《上海城市调查》项目,主要基于社区层面开展,它的基本框架包括社区治理和基层组织两部分。调查内容包括:社区基本情况、居委会、社工专业化、物业和业委会、社会组织、环保、社会资本、社会质量、社区参与、养老、特殊人群、社会风险、青少年和家庭、社区大事件史、社会资本等。为了开展多学科合作,保证调查内容更为全面,加强多学科交叉融合,社会学院邀请了全校多个院系加入调查活动,包括计算机学院、环化学院、管理学院、通信学院、建筑系等。

       其中,建筑系城市规划专业承担的主要工作是社区居住环境调查,从居住环境的安全性、保健性、便利性和舒适性四个方面开展,调查社区居住环境的住宅、基础设施、公共服务设施等现状。社区居住环境评价中GIS是必不可少的技术支撑,在以往的社区生活环境评价中已有成功运用。例如,王兴中等利用GIS技术,开展西安中心城社区资源环境可获性评价,主要方法和流程概括如下:

       首先,将“可获性”定义为:距离每个网区(mesh-block)中心最大范围内的生活、服务类设施种类(与质量)的量化总和。步骤为:一综合“可获性的同等机会测度法”与“可获性的时-空测度法”的长处;二确定测度区域(社区)的空间界限最小区域――网区,使居民具有相同“接近时间”;三再用“最大距离测度”(控制)每类社区资源的变化,因为该距离表明不同类型的社区资源(设施)对不同规模空间(如邻里区、社区与社会区)差异的重要性;四用网区的网络分析与社区资源的构成(距离、数量、质量以及权重等指标)量化综合提示(某一区域或社区的)网区间社区资源的可获性[8]

通过上海城市调查,将对城市规划专业GIS教学产生巨大推动作用,增加学生GIS实践的机会,拓宽学生知识面,更将加强人文社会科学内部的学科交流和融合。这恰与“数据与计算科学的发展,人文学与社会科学的地理转向,以及人文社会科学复杂性范式的确立,正在开启一个计算科学与人文社会科学以及人文社会科学内部各个领域之间交叉融合、综合集成的新时代”的潮流极为吻合,可谓千载难逢的机遇。

       3、与国内外交流GIS教学经验

       为了加强学术交流,提高GIS教学水平,建筑系为GIS专业教师提供参加国内外学术会议的机会,加强GIS教学和应用的经验交流。例如,每年一度的“国际地理信息科学与技术大会”(Geoinformatics)。从CPGIS于1992年成立以来,历届Geoinformatics大会都为来自世界各地的地理信息科学专家学者提供了聚集一堂交流思想的宝贵机会,其中大会就设立了GIS教学专题的会场。其次,每年一度的“高校GIS论坛”也是交流GIS教学的绝佳机会。这个会议专门设立 “GIS学生建设与人才培养” 专题,鼓励高校GIS教师撰写教学论文,交流教学经验。今后,每年的全国高等学校城乡规划学科专业指导委员会年会,也是GIS专业教学经验交流的难得机会。

       其中,最值得关注的GIS国际学术会议就是“空间综合人文学与社会科学国际论坛”,至今已经召开了5届会议。2015年第5届“空间综合人文学与社会科学国际论坛”在北京大学召开,会议聚集了经济学、社会学、管理学、地理学、物理学、计算科学以及地理计算等多学科的专家。不难理解,正是地理信息科学(GIS)与人文社会科学研究的深度整合,促进了人文学与社会科学各个学科基于统一空间参考的融合发展,也加强了人文社会科学内部各个领域之间交叉融合和综合集成。


      三、城乡规划专业GIS教学的困境和解决途径

       1、城乡规划专业GIS教学面临的困境

       目前,城乡规划专业和其他人文社会类专业的学生,数理基础薄弱,特别是艺术设计类专业学生更排斥抽象思维,GIS教学难度大,教学效果差强人意。其次,大多数GIS教材侧重理论教学,操作练习的选择与专业相差较远,无法激发学生学习热情。如果学生没有参与实际项目的机会,学非所用,就更会产生挫折感,仅有的兴趣和热情消磨殆尽。进一步可知,正是因为城乡规划专业GIS教师不擅长城乡规划与设计,无法最大限度地将GIS技术应用到城乡规划实践中,GIS教学团队中急需城市规划与设计的专业教师参与,方能有力地推动GIS技术应用,提高教学成效。

       特别地,GIS成为城乡规划专业10核心课程,课程考核办法也亟待改进,在此之前GIS课程多为考察课,异常宽松的考核办法使学生极容易应付,根本无法实现有效地督促作用。


       2、城乡规划专业GIS教学困境的破解

      (1)加强GIS对城乡规划的技术支撑

       通过城乡规划与设计专业教师与GIS教师的协作,构建相对稳定的3-5人教学小组,形成城乡规划需求与供给的教学内容体系,从而使GIS技术能够真正成为城乡规划的强有力技术支撑。

       建立理论和实践应用相结合的教学内容框架,加强实践应用操作,提升学生的学习热情和兴趣。例如,武汉大学城市设计学院将GIS教学贯穿城市总体规划设计教学的始终,从总体规划的方案构思、方案深化和成果制作,都一直使用ArcGIS软件,放弃了AutoCAD软件。这种将GIS课程与城乡总体规划课程有机结合的方法,值得我们学习。

      (2)加强城乡规划专业GIS的教材建设

       目前,专门针对城乡规划专业的GIS教材已经出版好几本,总体上有效地改进了GIS在城乡规划专业的教学效果,例如同济大学宋小冬教授主编的《地理信息系统实习教程》,东南大学尹海伟编著的《城市与区域规划空间分析试验教程》。但是,这些教材还是GIS技术的操作教程,只能介绍GIS的基本功能及其应用,与城乡规划实际需要还有较大差距。例如,以GIS的空间分析功能为例,城乡规划教学中仍以叠加操作,网络分析和三维分析为主,其实空间分析的内涵已经大大拓展,帮助实现的软件系统也很容易获取。如表1所示。


表1  GIS空间分析的主要内容和方法

研究目标

属性

统计方法

智能计算

点数据

格数据

点数据、格数据

可视化和探索分析

GIS简介、地图分析、探索性空间分析

参数获取

数值

空间相关性和异质性、空间抽样

决策树、贝叶斯网络、人工神经网络、粗糙集、支持向量机、粒子群优化算法、期望最大化算法

格局识别

位置

点格局识别

 

数值

 

格数据统计

空间预报

数值

点数据插值

格数据回归

空间运筹

数值

空间运筹

时空分析

数值

BME模型、演化树预报模型

Meta建模


 

       同时,有许多专著在GIS应用方面有较大理论深度,但只限于某些方面且较为零散,因此需要有系统地编著真正适用于城乡规划专业深度要求的GIS教材,这必然需要GIS专业教师与城乡规划与设计的专业教师精诚合作,其中道理不言自明,可真正操作起来还有很大难度有待克服。


      四、结束语

       本文是基于既往的经验和思考,从“教学课本、教学软件、教学内容和教学案例”四个方面,阐述城乡规划专业GIS教学的改进措施――“融合国内外优秀GIS教材的精华,首选ArcGIS为教学软件,讲授GIS空间分析功能,精选教学案例,为学生提供GIS技术辅助规划研究的机会”。

       教师贵在有教无类,因材施教,激发学生兴趣,培养他们的自学能力,使学生养成勤于归纳和思考的好习惯。“击石乃有火,不击元无烟。人学始知道,不学非自然。万事须己运,他得非我贤。青春须早为,岂能长少年?”唐朝的孟郊在《劝学》一诗中已经道破了为学的天机。

       地理信息系统(GIS)已经列入《城乡规划专业规范》中的10门核心课程之中。这说明GIS在城市规划专业中的重要地位获得广泛认同。许多院校的城乡规划专业也相继开设了GIS课程,为城市规划专业学生传授GIS的基础知识和基本技能。本文只是讨论了GIS课程设置、教学内容和教学方法等问题,还有更多的问题,例如GIS在规划和设计类专业课中的应用问题,GIS与其他信息技术的结合问题等。只有解决好这些问题,GIS才能很好地适应城乡规划未来发展趋势。

       本文获得国家科技支撑计划课题“村镇区域集约发展决策支持系统开发(2012BAJ22B03)”的资助。(高校GIS论坛优秀论文)


      参考文献

[1](美)张康聪 著,陈健飞,张筱林译. 地理信息系统导论(第5版)[M]. 科学出版社,2010年。

[2] 宋小冬,钮心毅. 地理信息系统实习教程(第3版)[M]. 科学出版社,2013年。

[3](英)Michael J. de Smith,(美)Michael F. Goodchild,(英)Paul A. Longley 著. 杜培军 等译. 地理空间分析――原理、技术与软件工具(第2版)[M]. 电子工业出版社,2009年。

[4](美)Maribeth Price 著;李玉龙,张怀东 等译. ArcGIS地理信息系统教程(第5版)[M]. 电子工业出版社,2012年。

[5](美)王法辉 著;姜世国,滕骏华 译. 基于GIS的数量方法与应用[M]. 商务印书馆,2009年。

[6] 王劲峰,廖一兰,刘鑫 编著. 空间数据分析教程 [M]. 科学出版社,2010年。

      [7] 德雷克.格利高里,约翰.厄里,编. 社会关系与空间结构[M]. 北京师范大学出版社,2011。

      [8] 王兴中,等著. 中国城市生活空间结构研究[M]. 科学出版社,2004.


      第一作者简介:李永浮,博士,上海大学美术学院建筑系城乡规划与设计专业副教授,主要从事城市与区域规划和地理信息技术应用。