地理信息系统专业空间数据库课程教学内容的思考
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）43-0232-03
数据是信息的具体表现形式，数据管理在社会信息流程中占有重要地位。近年，随着在数据库中存储和处理复杂地理数据的需求越来越多，GIS（地理信息系统，Geographic information system）中管理和分析的空间数据不断增长，这些因素都导致了空间数据库组织与管理成为了近20年来活跃的研究领域。
一、空间数据库课程在高校中的现状
近年来，国际上成立了许多专门制定空间数据标准的联盟，商业数据库公司推出了针对空间数据库管理的系统，一些大学陆续开设了空间数据库方面的课程。并且近二十年以来空间数据库的研究已经产生了大量的空间数据模型、空间操作、空间查询方面的技术[1]。在空间数据库教学过程中选择什么，以及如何更好地在大学课堂教授空间数据库的知识成为高等教育所关注的一个问题。目前，我国开设地理信息系统专业的有超过170所高校，加上一些科研机构，全国约有200多个教育单位，每年培养GIS毕业生近万人[2]。各高校开设地理信息系统专业的学科背景不同，数据库相关课程教学内容和教授方法会形成差异，下面列举几门我国高校地理信息系统专业开设的与数据库相关课程，如数据库应用与技术、数据库原理、数据库原理与技术、空间数据库原理、空间数据库技术等，从课程名称上可以得出自教学内容中有些高校偏重原理，有些高校偏重技术实践。从数据流的角度来看，数据作为GIS的基础，在采集、编辑、存储、管理、查询、分析、制图输出等各个GIS的应用环节中都要涉及到。空间数据的组织与管理是地理学研究的一个重要领域，时空数据挖掘与知识发现、时空数据结构与数据模型、空间数据管理等方向，无一不是现今地理信息系统研究中的热点问题，因此，可以说空间数据库是GIS的核心，由上述可知，《空间数据库》课程是一门较新的GIS专业课，同时也是GIS专业的核心课程，通过本课程的教学，目的是让学生能够清楚空间数据库的基本概念、基本原理，掌握关系数据库与空间数据库系统的应用，并能完成合理的数据库设计；同时掌握Geodatabase相关理论，能够应用Geodatabase实现数据库，对部分学生要求具备地理信息专业领域中数据库的设计开发能力。因此针对于学生能力的培养，如何在《空间数据库》的教学中布置教学内容，如何合理地安排教学环节，对我们的教学工作提出了要求。
二、空间数据库课程相关问题
1.学科体系不同对教学内容的影响。在我国涉及地理信息系统的学科有工学、理学和管理学等，工科学校注重学生的工程系统的设计和实现能力，理科学校更注重培养学生的地理学思考和分析能力，但GIS领域人才培养的专业体系应不同于学科体系的划分，而是要针对人才培养的目的来确定。本科专业划分强调GIS领域各行各业人才的需求，即为就业教育，而不强调专业教育[3]。
2.毕业生就业中存在的问题。根据《2009年中国地理信息产业高校毕业生就业报告》及《2010年中国地理信息产业高校毕业生就业报告》的调查结果显示，招聘单位认为毕业生自身能力上的不足及学校课程设置不合理这两个原因，已经连续两年成为地理信息系统方向就业困难的主要因素。用人单位关注求职者的特点中，“拥有较强的动手能力，保证短期内上岗”这一要求也在近两年的调查中处于首要位置。在具体的行业应用中，空间数据库的应用十分广泛，现在我国城市道路交通管理、城镇社会信息管理、国土资源管理等诸多方面都会使用空间数据库技术。但是地理信息系统专业本科毕业生在这些行业中能做什么，用人单位面向本科毕业生提供的岗位是什么性质，这些问题，对实际的教学工作提出了要求。
3.根据本专业教学计划制定课程内容。在本专业的专业课程当中，空间数据库课程的先导课程地理系统原理，在该门课程中空间数据模型、空间数据结构和空间索引技术等内容会作为重点讲述内容，那么，在空间数据库课程中如何更好地承接之前学习过的知识，如何布置教学计划。同时，空间数据库能够对学生学习后续课程有什么作用，也是空间数据库课程要注意的问题。
三、空间数据库教学内容探讨
1.合理组织空间数据库内容。在针对于本科生的教学中，要重视基本概念的讲解，为学生将来的自我学习打下一个较好的基础，因此空间数据库课程中应该涵盖空间数据模型、空间数据结构、空间数据管理、空间查询语言（SQL基础及空间查询）、空间数据行业规范等内容。同时，在原理部分要对应一定的上机实习，例如在实际教学中遇到过学生对Arcgis中的数据模型不理解，创建数据集的时候不知道属性到底是什么，那么在讲授地理数据模型时既要讲清楚相关概念，可以以ArcGIS应用平台中的Geodatabase模型为例，由教师首先在文件地理数据库中创建一整套的北京市的数据，包含行政区划、主干道、轨道交通、餐饮、住宿、文化设施等内容，通过实际的例子告诉学生地理数据模型到底是什么，怎么建立模型，怎么通过数据库、数据集、要素类来逐层地组织数据，数据表中的每一行代表一个现实中的对象，每一列是对象特征的抽象，怎么表现数据，建立好的模型适用于什么应用，这样使得学生可以更好地理解原来较为抽象的概念。在原理内容的讲解中还要尽量避免和地理信息系统原理、地理信息系统应用技术等前导或后继课程的内容重复。
2.围绕空间数据库建模开展教学。在教学过程中，要让学生从初始就注重空间数据库建模流程。空间数据库的设计和创建与关系数据库建库流程相仿，也需要经过概念设计、逻辑设计和物理设计这样三个步骤。这样，就需要在教学过程中要重点讲解数据库的概念设计和逻辑设计环节，使学生掌握通过对具体问题进行需求分析进行概念模型设计，并掌握概念模型向逻辑模型的转换方法。在这一环节中可以引入一个贯穿于整门课中的案例，要求学生按照扩展ER模型来抽象实体，描绘实体属性，并构建实体之间的联系；通过规则将扩展ER模型中的实体和属性合理地转换到地理数据库中的要素类和数据集中，并按实体之间的联系建立相关规则；最后向建立好的数据集导入空间数据和属性数据。同时，这类内容可以让学生通过以分小组讨论的方式来分析问题和解决问题，以此来带动学生的学习兴趣。 3.SQL语言及其扩展。SQL语言对于所有数据库的学习来说都是最为核心的部分，因此在空间数据库教学中，也应该要求学生掌握SQL相关内容。在ArcGIS等地理信息系统软件中，对于属性数据和空间数据的查询都是封装好的，查询工作主要通过点选按钮以及列表选择为主，这样使得学生对于创建及查询数据只能看到表面现象，没有办法去了解软件的底层到底做了哪些工作，为了使学生能更好地理解数据的组织及应用，我们在课程中就要让学生使用SQL来对数据进行操作。在这一教学内容中可以分为以下两个阶段，第一，掌握标准SQL语言，包括数据表的创建，数据的查询，在这一阶段主要用标准SQL语言对非空间数据进行操作。第二，利用Oracle Spatial学习扩展SQL语言，包括创建具有SDO_GEOMETRY数据类型的表、创建控件索引、创建空间索引、插入空间数据、利用空间计算函数实现空间查询等。
4.教学平台的选择。教学中紧贴现有技术的发展，让学生掌握最新的相关知识数据库的管理，例如数据库中事务的管理及版本控制等。在授课中选取Geodatabase、Oracle及数据存储中间件ArcSDE这样三个空间数据组织管理比较成熟的产品来进行练习，实践内容主要围绕以下几部分：Oracle中属性查询和空间查询相关方法、通过空间算子进行查询、如何在Oracle中进行事务管理；ArcSDE的安装及其与Oracle的连接配置，ArcSDE的版本管理机制；在Geodatabase文件地理数据库中进行数据加载，规则创建以及数据组织。
四、集中实践环节教学方法
在完成《空间数据库》的学期末，会有一周的集中实践环节，主要目的是以实践来带动学生的积极性，用实践来为学生解决《空间数据库》课程中的疑难问题。在此期间，教师会对学生进行分组，以多人协作的方式完成所布置的题目，题目以贴近现实应用为主。在实践环节中，让学生能够快速直观地看到成果是非常重要的，在以往的教学中，有些实验练习一方面是数据不贴合实际，学生看了没兴趣，更多的时候是学生做完以后没有后续的应用支撑，以至于缺乏进行的动力，我们利用Esri公司的Portal for ArcGIS产品搭建了校内的云GIS门户，通过portal能够实时地将学生每个阶段的成果作为地图发布出来，在学生完成题目以后，可以将学生的作品作为Web应用发布，快速地让学生完成空间数据的管理与制图、成果的发布与共享。这样的话，学生既可以在后期不断地丰富自己的工作，另一方面也可以把自己的工作展示给其他人，更加具有成就感。
综上所述，对于地理信息系统专业空间数据库教学，要培养学生的广泛的知识面并贴近实际应用，应做好以下环节：（1）为学生打好地理信息系统相关的知识基础，进一步夯实空间数据库中的基础概念。（2）设计课程紧跟就业需求，在讲课过程中，以成熟的地理信息系统应用为案例，引起学生的兴趣，然后再讲解相关的数据模型、数据结构等内容。（3）结合现实中常用的地理信息系统应用，例如百度LBS云或者Arcgisonline中的中国地图集，演示其中的地图数据和功能，让学生先有直观认识和体会，再结合课程中的原理，让学生有的放矢，学习目的性更加明确。（4）在优化空间数据库课程内容结构的同时，从上机实习和集中实践2个方面提高教学质量，体现专业特色，提高地理信息系统专业学生的实践能力。
