土木工程专业GIS课程教学研究

从理论上讲，如果要处理的数据具有空间分布性，就可以应用GIS进行数据的管理、处理和分析。一项重大的建设工程，从规划、设计、施工到建成后的运营、维护管理，都需要处理大量的工程数据;而一般的土木工程都是与空间分布有关，如路线的设计、城市管道的布局、建(构)筑物的分布和变形等。利用传统的方式处理这些信息常常会由于主观原因造成效率低、周期长，不能够满足现代信息化施工建设的需求;而与GIS相结合，不仅可以保证获得信息的客观性、高效性，还能够利用其特有的空间分析功能，为管理决策提供可靠的依据。结构健康监测是为评估结构的耐久性和可靠性提供有价值的信息，这些信息对结构的管理、维护和验证设计参数来讲是十分重要的。结构健康监测系统一般由传感器系统、信息采集系统、信息处理和分析系统、系统操作与控制系统等子系统组成。由于采集数据的海量特征和采样点(传感器位置)的空间分布特征，使得传统的基于文件和单机形式的关系数据库的管理方法制约了系统管理空间信息的效率。GIS作为采集、存贮、管理、分析和显示与地理分布有关数据的有效工具的同时，也管理空间信息和属性数据。将GIS技术引入到结构健康监测系统中，各种与结构有关信息可以集成在一个系统中进行管理，这将会提高系统的功能并丰富系统对图形和属性数据进行存贮、管理、分析和可视化方面的能力，如文献［7］中设计的基于GIS的桥梁结构监测与管理信息系统。施工项目管理是一项复杂的系统工程，要成功地完成施工项目各阶段的目标，就必须加强施工项目的管理工作。G1S为大型复杂工程施工项目管理提供了一个理想的开发平台。通过GIS的二次开发，可以把空间信息和属性信息融合在一起，可以把多媒体技术与GIS有机地结合起来，建立起方便实用的施工项目管理可视化信息系统，为施工设计与管理提供强有力的分析工具，为决策分析提供迅速的信息支持，使施工管理水平上一个台阶。如王红卫(1996年)以GIS和数字媒体技术为基础，研制了三峡工程决策支持系统集成指挥中心。该系统以三峡工程施工现场的全貌为背景，在可视化的环境下以多种媒体形式为决策用户提供各种施工动态、静态信息，实现了施工仿真、高度优化等决策支持功能;钟登华(2001年)结合水利水电工程施工导流管理的特点，研制出基于GIS的施工导流管理决策支持系统，对大型土木工程的施工管理具有借鉴意义［8］。GIS在工程设计、运营管理中也有广泛的应用，在此不再赘述。

一、土木工程专业的GIS教育

由以上论述可见，GIS与土木工程的结合是信息化时发表展的必然趋势。所以，作为土木工程建设和管理的人才，在专业知识结构中，有必要具备GIS相关知识和技能。另外，目前GIS在土木工程中的应用尚处于起步阶段，是一门综合性很强的新兴学科。掌握GIS需要具备测绘学、地理学、计算机科学等许多相关学科的知识，这种复杂的知识面要求使得GIS的应用还集中在少数的专业人才上。所以，只有培养更多具备GIS知识的人才，才能适应现代土木工程对信息技术的需求。与专业的GIS教育相比，土木工程专业的GIS教育具有以下特征:首先，学生的专业基础不同。GIS是一门集计算机科学、地理学、测绘学、空间科学和管理科学等为一体的新兴学科。GIS学习需要有广博的知识基础，其中，地理学基础、计算机基础和数理基础尤为重要。GIS专业学生一般经过严格的地理学、地图学与测量学的学习，具有比较扎实的地理学和地图学基础，同时，数理和计算机基础也比较好，而对于土木工程专业，大多学生没有或很少具备上述基础。其次，专业教育的目标不同。GIS本科专业一方面要强化基本技能的教学，同时还必须要求掌握GIS基本理论。而对土木工程专业来说，无论是基础理论、技术手段还是具体应用，都与GIS专业存在差异。具体来说，土木工程专业开展GIS教育主要目的在于应用即让学生了解GIS概念和基本原理，熟悉GIS软件，学会用GIS进行空间分析，以解决专业相关问题。这两个特征要求土木工程专业开设的GIS课程要与GIS专业区别开来，要体现专业要求，强调GIS在土木工程专业领域中的应用。

二、土木工程专业GIS教学内容

土木工程专业开展GIS教育的目的是为其提供一个GIS分析手段以解决专业问题，因此在教学过程中强调与专业的结合。GIS的主要的内容是数据的输入、处理与分析和输出;土木工程专业最重要的就是数据的处理与分析。因此，相对于GIS专业的学生来讲，土木工程的学生教学侧重点不同，其基本的理论教学内容见表1。土木工程专业GIS实践教学主要的内容为:熟悉一种GIS软件，如AＲCGIS软件的基本操作、空间数据结构与组织，理解空间与非空间数据的联系方式及空间数据库建库方法、空间数据处理、空间分析、表达等。

三、土木工程专业GIS教学实践

土木工程专业的GIS教育，其目的在于利用GIS功能更好地解决工程问题，也就是在教学上要求突出应用。为了实现这个目标，必须根据土木专业订立富有针对性的教学大纲、教学计划和实验大纲、实验计划，课程设计大纲、课程计划，并确定课时、学分、授课方式、实验比例、考核办法和要求。专业GIS教育在进行课程设置时，比较多的考虑课程之间的衔接关系，而非GIS专业的GIS课程设置很少顾及课程之间的相关性和连接性，所以为了确保教学效果，开课时间的选取很重要。对于地理、测绘学科下的其他专业的学生，由于地理学、地图学与测量学等学科基础比较好，可以修完相关的计算机课程后再开设，以确保实验操作顺利进行;对于土木工程专业的GIS课程，最好安排在三年级下半学期开设，这样一方面尽量让同学们具有了比较宽的知识面以后再安排GIS课程，确保他们在难点问题上接受的更快;另一方面这期间大部分专业基础课已经学完，相对有比较充裕的课余时间用来练习实际操作。

1GIS理论教学

作为一门多种学科交叉的课程，GIS大量的理论知识涉及了测量学、地图制图学、计算机技术、地理学等相关学科知识。大部分理论知识难免枯燥，晦涩难懂。如何让学生学好GIS的基本理论知识是摆在教师面前的首要问题，可从两个方面入手。一方面，土木工程专业开设GIS课程之前，要求学生应有相关课程的背景知识，打下扎实的理论基础。具体来讲，这些课程包括:工程测量学、计算机文化基础、计算机程序设计、数据库理论与基础等，教师还需要在课堂中补充相关地图制图学、摄影测量与遥感、拓扑学等知识。在此基础上让学生接触和学习GIS，就相对比较容易。另一方面，教师要运用多种教学方式。比如启发式教学，教师用通俗简单方法启发学生，鼓励学生提出问题，思考问题，使学生建立一定的自信心，不被问题吓倒，尝试去分析问题，解决问题;引导式教学，课堂教学引导思维，让学生积极思考问题，避免学生被动接受知识;研究式教学，通过研究问题的方式与学生交流讨论，从过去、现在、将来的发展方向来阐述问题，以让学生主动探索问题根源，达到教学目的;互动式教学，在教学过程中与学生互动，营造良好的教学氛围，以提高学生接受知识的能力。同时，教师应该积极采用现代教育技术教学，其为辅助教学的工具手段，也是开发和使用教学资源的系统化过程，如，可以采用录像、网络、E－mail等方式实现互动交流，以及时获得学生反馈意见，及时调整教学方法，提高效率。

2GIS实验教学

由于GIS的技术性和应用性很强，并且安排GIS实验有助于消化理论教学知识，增强对GIS基本原理的理解，所以GIS实验一直是GIS教学的重要环节。对于土木工程专业的学生来说，由于相关学科知识的缺乏，GIS数据结构、投影与变换、空间数据库、空间分析等内容都是不易理解和接受的。因此，在基本实验项目不变的前提下，应该根据学生知识结构的特点，适当调整实验内容的比重。基本实验项目包括:GIS的认识与应用、GIS数据结构、GIS数据转换、GIS空间分析、GIS数据表达、3维显示与分析、GIS二次开发环境。通过这样的调整，不仅保证内容的全面完整，也减少了知识的重复，突出了难点，提高了学生对于理论知识的理解能力。从计算机的角度看，GIS是由计算机硬件、软件、数据和用户四大部分组成。数据在地理信息系统中处于核心地位，整个GIS都是围绕空间数据的采集、处理、存储、分析和表达展开。因而，培养通过软件和硬件操纵数据的能力显得格外重要。综上所述，并结合土木工程专业的特点，采用GIS软件上开发比较成熟的ESＲI公司的ArcGIS软件，并介绍MapInfo和MapGIS软件。在结合基本实验项目，分基本练习型、综合型和应用设计型三个层次的实验，注重培养学生利用GIS解决实际问题的能力。其中，基本练习型实验主要是训练学生对ArcGIS软件的界面、功能的了解和掌握，并对几何图形和属性的编辑修改、缓冲区分析、叠置分析、网络分析、地形分析等基本分析功能进行了解和练习，使学生熟悉软件各种功能的操作思路，做到能够独立、快速地使用软件的基本功能，加深学生对GIS课程基础理论知识部分的掌握;综合性实验是训练学生结合已经学过的GIS空间分析功能以及已经学过的土木工程专业其它课程的知识，来解决专业领域中遇到的与空间信息相关的问题。如利用GIS的叠置分析和缓冲区分析功能，来解决在工程选址设计规划中遇到的问题。该层次实验一定程度上以验证性实验为主，主要是通过设计好的解决实际空间问题的分析模型，运用ArcGIS软件提供的空间分析扩展模块进行分析，并把分析结果与教师事先做好的分析结论相比较来检查学生实验操作的正确性，以此训练学生解决实际问题的能力;应用设计型实验主要与课程设计相结合，其难易程度应根据学生的特点来决定，不管学生完成课程设计的结果如何，在这个过程中，应该以学生为主导，教师给予学生一定的引导，以达到培养学生分析问题、解决问题的能力和提高学生创新能力的目的。在教学方面可以通过两个途径提高学生的软件操作与实践应用的能力。其一是增加实验课课时，GIS是一个实践性很强的课程，加强GIS实践教学是提高学生综合能力的一个重要手段。另外，GIS理论知识相对比较抽象与枯燥，加入一定数量的实验学时，会促使学生运用所学的理论知识来进行实践，提高学生学习的兴趣。其二是开放实验室，由于各方面条件的限制，学生对软件操作的练习时间是比较有限的，学校应该把实验室开放给学生，让学生获得更多的机会去提高实践动手能力。

3考核与质量保障

调查发现，目前大学学生考核的方法一般是老师给学生先划出重点和范围，而学生为了考核成绩一般是对知识点进行死记硬背。这样只是考查了学生突击应付考试的能力，造成学生侥幸心理的增长，达不到高等教育教学的目的，也考查不了学生对知识的掌握程度和应用知识的能力。针对土木工程专业GIS课程的特点，考核可以分为三部分。第一是平时作业，主要针对课后习题和读书报告，约占总成绩的10%;第二是实验及实验报告，主要针对学生做实验的情况以及提交的电子文本报告，而检查的重点是看学生所采用的操作流程是否符合GIS空间分析的过程、空间模型是否可行、数据图表是否合理全面、实验结果是否正确等项目，约占总成绩的40%;第三是课程结束时的考试，侧重检验学生对基本理论知识的掌握和应用，约占总成绩的50%，以此改变应试考试的作风，注重学生平时的学习效果，达到教学目的。目前，各个专业一般自己选择专业教师进行GIS课程的教学，由于这些教师一般没有受过专业的熏陶，只是根据自己的工作体会和认识进行教学，对课程内容整体的把握不够全面。所以，应该在学院下面设立GIS教研室，通过教研室的方式教学管理，有利于课程内容的规范，有利于GIS专业教师的培养，也有利于教学质量的控制。针对土木工程专业，参观学习是教学质量保障的有效途径。通过参观，学生可以获得感性的GIS建设的认识。因此，学校可与某些从事GIS产品的公司、数据生产、数据管理单位、各级信息中心与科研机构建立长期的合作关系，合理地利用这些有效的教学资源，充分发挥产、学、研的一体化进程。另外，还应该注重GIS配套实验教材的建设。实践是GIS教学的重要环节，也是培养学生综合应用能力、实现教学目标的根本途径。所以，应该在教学过程中，逐步规范实验教学。

四、结束语

土木工程专业开设GIS课程具有积极意义，符合国家信息化建设规划要求。加强对土木类学生在GIS应用方面的训练将有助于提高未来建设者的综合服务能力，有利于充分利用GIS技术与生产实践相结合，为决策提供更为科学和规范的依据，为科学管理提供有效的技术手段。针对土木工程专业的特点，在GIS教学内容的选取上，应该突出基本理论知识的理解和掌握，以及实际专业问题的分析和解决，注重培养学生GIS软件操作和应用的能力;在开课时间的选择上，应该注意学生知识面的衔接和开拓，使学生能够与专业知识相结合去思考、解决问题;在教学方法上，应该综合应用多种教学方法和手段，提高教学效果和学生的学习效率;在考核方面，注重学生的实际应用能力和平时学习效果，以保障教学质量。另外，还应该不断改善实践教学项目，紧跟社会需求和科学技术的发展，保证最好的实践教学效果，提高学生综合应用知识的能力和科研能力。总之，做好土木工程专业GIS教育是非常必要和重要的，随着计算机技术、网络技术、人工智能等信息技术的发展，以及人们对信息技术的日益关注，相信GIS在土木工程中的应用将得到进一步深入和推广。（本文作者：赵健赟 单位：青海大学地质工程系）