大学地球科学课程报告论坛论论文集2017---最终PDF006

27 关于“计量地理学”本科课程建设与教学方法的思考 孟庆洁 1 郭永昌2 （1. 上海师范大学旅游学院地理系，上海 200234；2. 安庆师范大学 资源环境学院，安庆 246011） 摘 要：大数据和人工智能等新技术的发展对高校的计量地理学的教学提出了新的挑战。 本文分析了 “计 量地理学”本科课程建设的现状和存在的问题，提出课程建设的目标，并试图从教学理念的转变、课堂教学模 式多元化、提高学生学习能力和利用产学研基地拓展学生实践能力等几个方面，开展教学方法的探讨，最后提 出该课程教学需要多方努力，共同打造教学平台，以全面有效提高国内高校计量地理学的课程建设。 关键词：计量地理学 地理思想 大数据 课程建设 计量地理学（Quantitative Geography）又称数量地理学，兴起于 19 世纪 50 年代，它使得 地理学由一门定性分析和描述的学科，转变成为带有规律性分析的定量研究的科学，这是地理 研究从经验研究走向理论研究迈出了关键性的一步，被誉为“地理学的革命” 。 随着计算机技术的快速发展，以及系统论和运筹学在计量地理学中的广泛应用，计量地理 学得到了长足的发展。20 世纪 90 年代在计算科学和地理信息系统（GIS）的基础上，地理计 算（Geocomputation）的出现，则把计量地理学的发展推到一个新的高度。 纵观计量地理学的发展历程，不难发现地理思想、数学基础和计算机技术已经成为计量地 理学的基础， 三者之间的联系随着学科的发展也在不断地深化 （图 1） 。 其中， 地理思想是核心， 数学基础是地理现象或地理特征的数字化表示的基本手段， 而计算机技术则是数据的处理手段 和成果的可视化再现的实现路径。 图 1 计量地理学三要素关系图 大学地球科学课程报告论坛论文集（2017） 28 一、时代对计量地理学课程建设提出新的要求 在传统的计量地理学应用研究中，总体模型设定时，必须坚持“从复杂到简单”的思想路 线和技术路线，并且在模型检验中确保样本数据的质量并对数据做出必要的检验和技术处理。 传统计量地理学模型研究的完整框架是：关于地理现象的观察与分析关于地理理论的抽象 （即理论假说）建立总体回归模型获取样本观测数据估计模型检验模型应用模型。 随着大数据与智能时代的到来，计量地理学将进一步融合计算科学与 3S 技术，发展成为 计算地理学（Computational Geography） 。随之而来的，是计量地理学中的数据采集和数据处理 过程发生深刻的变化。 相对于静态、有限的数据集，大数据时代的地理数据源头以秒、分为时间间隔采集，且经 年累月不间断，数据无限增长，因此，大数据时代的地理数据存储管理系统需要具备扩展性， 以处理动态无限增长的数据的存储和查询问题。 大数据没有改变数据的基本特征， 但是体量大、 速度快、模态多的大数据，无疑对传统的数据处理方法来说，是个巨大的挑战。 一般来说，在数据处理层面，长期积累的数据不可能全部存储在可随机访问的磁盘或内存 中。当数据继续不断积累后，必须采用一定的数据粗筛策略，即数据通常在存储前需要进行预 处理，保留有价值的信息；原始数据经过处理后，要么被丢弃，要么被存储，但是存储后再次 提取代价昂贵。这个预处理过程通常以应用为导向，需要构建适于实时分析的概要结构、时空 聚合和多尺度表达等方法，实现高效的数据筛选和聚合机制，以解决数据冗余及噪音问题。很 显然，在原始数据的处理过程中，数据中蕴含的地理信息往往被综合或均一化。数据处理后， 原始数据中的其他地理信息也就随之损失。在大数据和 AI 时代，如继续沿用这种手段来处理 地理数据，无疑是无法胜任的。海量的动态地理数据的处理，如表 1 所示，与以前的方法是不 同的。这也促使我们在计量地理学的课程建设中，应及时补充新的理论和知识。 表 1 大数据与人工智能时代对地理信息科学专业学生能力的要求一览表 阶段 数据库时代 大数据时代 人工智能时代 程序设计要求 入门简单，会基本程序设 计，重业务，轻算法，注重 程序构架 注重程序构架，大型数据处 理能力等，业务与算法同等 重要 注重模型设计，最优化理论， 大规模数据并行处理能力， 更注重算法 数学能力要求 数学要求低，几乎不需要更 高级的数学能力 数学要求中等，需要更多的 统计知识 数学要求高，需要统计机器 学习、矩阵论、微分几何等 更高阶的数学知识 注：统计机器学习是关于计算机基于数据构建的概率统计模型，并运用模型对数据进行预测和分析的一门科学，也称为统计 学习。 二、计量地理学的课程建设现状及存在问题 目前，已出版的计量地理学教材主要有：林炳耀编著的计量地理学概论 （高等教育出 版社，1985 年） ，张超等编著的计量地理学基础 （第 2 版） （高等教育出版社，1990 年）及 关于“计量地理学”本科课程建设与教学方法的思考 29 其配套的计量地理学基础实习与计算程序 （第 2 版） ，徐建华现代地理学中的数学方法 （第 2 版） （高等教育出版社，2002 年）和计量地理学 （第二版） （高等教育出版社，2014 年） ，陈彦光地理数学方法：基础和应用和蔡运龙地理学方法论 （科学出版社，2011 年）等。这些教材虽然较为经典，但出版时间较早，更新速度慢。相对于学科的长足发展，教 材内容难以反映近20余年来的学科发展， 难以体现计量地理学研究内容的拓展和方法的革新。 其次，传统的计量地理学教学方法仍以课堂上单一的“灌输式”为主，由于计量地理学是 典型的交叉学科，与地理学众多分支相融合，与其他学科尤其是数学紧密联系，理论性强、内 容庞杂。单一的课堂授课模式既比较枯燥乏味，又使得学生容易产生畏难情绪，从而造成教学 效果欠佳。 最后，计量地理的核心应当是地理思想。在教学中，计量地理往往被看成是数学课。忽视 了不同模型或方法处理后，得出结论的地理意义。 三、计量地理学的课程建设 课程建设是高等学校的基础性工作，是教学基本建设和教学改革的根本任务之一。课程教 学是学生获得知识、发展能力和素质的重要途径。在信息时代，在高等教育大发展的时代，作 为整个地理学科中的一门基础性核心课程，计量地理课程应该实现怎样的目标？通过学习，学 生应该在哪些方面的能力得以提升？是每一位从事计量地理学课程教学的教师值得思考的问 题。基于近年的课程建设，以地理信息科学专业为例，笔者认为，计量地理学课程应该实现的 教学目标包括： 掌握计量地理学的基础理论和方法，建立数学方法与地理学方法的方法论，了解学科 发展的特点和趋势； 阅读相关文献，理解计量地理方法在不同领域的应用； 学会用计量地理方法去描述、分析和解决自然地理、人文地理问题，进而认识地理现 象及其变化规律； 掌握计量地理方法与 GIS 的结合与应用。 随着开放教育的兴起，课程免费和开放程度越来越高。例如 MIT、斯坦福、哈佛等名校的 教学视频在网络可以越来越容易获取。传统大学由于信息不对称造成的壁垒正在被打破。学生 接受最先进的教育已经越来越不受地域的约束和限制。这种教育资源的自由化和教育垄断，正 在随着 MOOC 的普及而被打破。由于正规教材的更新周期较慢，网上的这些优质资源应及时 填补知识的空白，使得学生能够及时学到最新的知识。 四、计量地理学的教学方法探讨 （一）教学理念的转变 目前，部分教师认为，计量地理学是单一课程的教学。笔者觉得这种认识有些片面，课程 本身的孤立，在地理学科的其他课程教学中的融合度不够，课程还应该渗透到相关地理课程的 大学地球科学课程报告论坛论文集（2017） 30 教学中，才有利于学生理解专业课程，也有助于他们发现计量方法的重要性。 计量地理学的一个核心教学内容是计量模型在地理学中的应用。 这些模型往往是对现实存 在的现象或问题的抽象、概括，并不能完全反应客观实际的方方面面。换言之，在抽象概括的 过程中，都会有不同方面的取舍，在反应客观实际时，有见长之处，也有不足。正是不足的存 在，才促使学者在原有模型基础上不断发展，产生新模型。因此，在教学过程中，强调学生可 以对学习的相关模型提出问题，或者改进模型。这样，学生的学习观念发生改变，变被动为主 动，提出想法，大家讨论，激发了学生的学习兴趣，一改过去与数学相关的课程学习的枯燥沉 闷的课堂气氛。例如在课程学习中数据的集中程度部分关于分组众数算法，教材中提出一个算 法，有学生不太理解，教学中教师强调了是一种算法，而众数本身只是一个概念，该指标反映 数据分布的特征，而不是一个精确的具体实际存在的数值，相应的教师又找出一篇关于众数改 进算法的文献，学生见证了模型是可以不断发展、改进，增强了学习过程中勤于思考，勇于质 疑的勇气。 （二）课堂教学模式的多元化 计量地理学是数学模型在地理中应用的一门课程， 模型通常是用系列符号、 公式进行表达， 直接进入教学，使学生感觉枯燥、抽象、难以理解，并逐渐失去兴趣，缺乏学好课程的信心。 而以问题导入式的课堂教学模式代替传统的从理论到例证的教学方式则可以收到良好的教学 效果。 问题导入式教学方法problem-based learning（PBL）是一种主动学习模式，最早产生于 20 世纪 60 年代，由加拿大麦克马斯特大学医学院提出，现在已普遍应用于多学科的教学。其目 的是帮助学生灵活地掌握知识，提高解决问题的能力，激发学生的学习激情，从而做到自主式 学习。这是一种以学生为中心的教学方法。学生通过解决开放式问题的途径学习知识。学生既 学会了思考方法，又学到了知识。 （三）重视学习能力的培养 专业文献检索与阅读辅助教学， 培养基本专业技能。 文献阅读， 理解教学内容， 拓展思路， 培养科学研究能力。高等教育同中学教育不同的是，一方面，学生学习已有的专业知识；另一 方面，一些科研成果正逐渐向专业知识转化，而文献阅读是了解科学研究成果、学科前沿的最 为有效的手段。而本科生文献阅读能力匮乏是高等教育面临的普遍问题。学生通过文献检索， 阅读课程相应内容的相关文献，一方面提高学生的文献检索能力，另一方面通过阅读文献，有 助于学生理解课堂教学内容，理解教学内容在科学研究领域中的成果，掌握和本课程的学科前 沿问题的最新进展，从而开阔思路，培养学生的科研能力。例如，学习季节性预测时，教材中 提供了一种算法，在实际做作业过程中，学生发现数据量、阿拉法取值和数据趋势值算法选择 等都会影响结果，在这些问题驱动下，学生阅读相关文献，了解了整个季节性预测模型的进展 情况，对于模型的演变有较好的把握，而不是单纯局限于教材中提供的一种算法。 学生基于文献阅读和教学内容学习，需要学生开动大脑，自主探究，教师给予学生最大的 自由度，学生自主选择相关课题，通过收集数据、处理数据，应用相关模型推导结果，并对结 果进行解读和分析，提出解决方案。最终以小论文的形式阐述整个研究过程和结果。教师对小 论文进行批改，并在课堂上进行适当点评，充分肯定成绩，同时也指出不足之处。这样，通过 关于“计量地理学”本科课程建设与教学方法的思考 31 这种方式既充分调动学生学习的积极性，激发学生的学习兴趣，又锻炼了学生的综合运用已学 知识解决问题的能力。 （四）实践能力的培养 充分利用产学研合作，为学生创造更多的实践应用机会。本文以 GIS 专业的学习为例，教 师可以利用已有的实习基地作为依托，充分利用校内外的资源对学生进行培养和锻炼。计量地 理模型如聚类分析、主成分分析、因子分析和网络分析等在 GIS 的应用开发中应用非常广泛。 一些实习基地在进行 GIS 项目开发时，常常应用上述计量地理模型。教师可充分与实习基地沟 通，与它们进行合作对学生进行联合培养，充分利用实习基地的开发需求和相关数据，让学生 开展探索性研究，从而有效地培养学生的实践能力。 （五）教研机构的建立 目前，在全国的计量地理本科课程教学中，教学研究的学术组织发挥的作用较为有限。计 量地理学的教学工作不仅仅是任课教师的工作，也需要地理学会等学术组织的重视，需要建立 由高校、企业和研究机构的教与学的联盟机构，充分利用网络平台，搭建专业教学网站，实现 资源共享，为教学服务。 五、结论 随着科技的进步和各个相关学科的发展，尤其是大数据和云计算等技术的突飞猛进，人们 获取地理数据和处理数据的能力不断增强。如何让这些数据发挥最大效能，更好地服务人类， 首先就需要对这些数据作一个科学的地学解释。计量地理学就扮演着这样一个角色，把一个个 离散的海量数据还原成一系列地理现象、过程或规律。揭示数据的地学含义，使得计量地理学 成为地理科学领域的一个重要基础的学科。因此，加强和完善计量地理学的教学应是一种必然 选择。在新的时代背景下，突破传统教学的固有模式，创新思维，整合资源，有效开展该课程 的教与学的活动，注重学生批判与创新等综合能力的培养等，将会提高该课程教学的效果及提 升教学水平。 参考文献 1 张超，杨秉赓. 计量地理学基础 M. 2 版. 北京：高等教育出版社，1990. 2 徐建华. 现代地理学中的数学方法 M. 2 版. 北京：高等教育出版社，2002. 3 徐建华. 计量地理学M. 北京：高等教育出版社，2006. 4 刘妙龙，李乔，罗敏. 地理计算数量地球学的新发展J. 地球科学进展，2000，15（6） ：679-682. 5 鲁凤，胡秀芳，吉云松. 地理计算背景下 GIS 本科专业计量地理学课程教学改革的思考J. 测绘与空 间地理信息，2013，36（6） ：14-16. 6 陈彦光. 地理数学方法从计量地理到地