交通類院校中3S技術課程的教學改革探討

于雪濤+王希良+張天偉+高桂鳳

[摘 要]隨著3S技術在交通等領域中得到推廣應用并取得良好效果，在交通類院校中開設3S技術課程已成為一個重要教學改革方向。3S技術在交通中的主要應用包括交通選線、交通管理、物流運輸和導航監控等。針對交通大類專業學生，3S技術課程的重點講授內容包括：滲透地學思維和培養3S理論知識，加強上機和野外實習訓練以提高動手能力，建立企業實踐基地等。石家莊鐵道大學交通運輸學院根據近幾年來的3S技術課程的授課情況，在以下五個方面進行了教學改革，包括：注重3S技術課程中的應用實例分析，注重多媒體授課方法，注重外業實習和上機實習，注重考試方法，舉辦校內GIS大賽或者鼓勵學生參加國內知名GIS大賽。這些教學改革方案的提出對于交通類院校開設3S技術課程具有指導性的意義，同時也為有效提高交通類院校學生的動手能力和學習興趣提供了具體實施方法。

[關鍵詞]3S技術；交通大類專業；教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）01-0018-04

由于3S技術在交通行業的高效應用，當前國內大部分交通類院校在課程設置或實習實踐中，均開設了部分的3S技術課程，但是并沒有形成合理的體系。[1][2]3S技術即遙感技術（Remote Sensing：RS）、全球定位系統（Global Positioning System：GPS）和地理信息系統（Geographical InformationSystem：GIS）的統稱。3S技術是空間技術、傳感器技術、衛星定位與導航技術和計算機技術、通信技術相結合，多學科高度集成的對空間信息進行采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用的現代信息技術，是現代地球科學，也是數字地球最重要、最基本的組成部分和技術支撐。[3]近幾年來，3S技術已經在道路選線、車輛導航、路網優化、道路養護與信息化等交通方面得到了廣泛的應用，在我國的經濟建設、社會發展和人民生活中也逐漸普及與深入，各級政府部門、事業單位、企業公司等對具備3S技術的綜合性人才的需求也日益增加。因此高校有必要在交通大類專業的課程設置中增加3S技術類的核心課程。武漢大學的李德仁和李清泉等討論了3S技術在道路交通領域的應用背景及3S技術與道路交通結合的理論支撐和技術方法，并展望了3S技術在現代交通領域的發展前景，對3S技術與交通的結合方法做了大量的闡述。[4]田林和郝靖秋對3S技術在道路交通管理、交通設施管理、公路和智能交通等管理工作中的應用進行了深入的分析。[5]但是目前還沒有研究者探討在交通大類專業中如何合理設置具體的課程或指導具體的授課安排。本文首先從3S技術在交通中的應用入手，探討交通大類專業如何開展具體的3S技術課程和其重點的講授內容，并對教學改革方案做了詳細的探討。

一、3S技術在交通中的應用

由于3S技術具有空間及非空間數據的采集、管理、存儲、查詢、分析、顯示和輸出的全部功能，同時能夠結合交通中特定的專業模型分析和輸出定制的結果，因此在交通行業中具有廣泛的應用，故非常有必要對3S技術在交通中的應用做一些介紹。下面筆者分別從交通選線、交通管理、物流分析、導航定位等方面介紹3S技術在交通中的應用。

（一）在交通選線中的應用

在公路或鐵路的選線中，線路一般應盡量采用直線以及較大半徑的曲線連接，以縮短線路的長度，節省造價及營運消耗。在縱斷面上則應盡量減小坡度，以提高車速，因此在選線過程中需要大量的地形數據信息。[6]由于GIS具有先進的空間分析和數據處理功能，可以提供線路規劃與設計所需要的數字地形模型（Digital Terrain Model： DTM），具有強大的三維交互地形可視化操作環境，可使設計者方便地進行線路規劃設計、沿線設施位置的選定、可視化環境評估及有關問題的統計分析等工作。在地面數據的獲取方面應用先進的數據采集技術（如GPS技術、RS技術和數字攝影測量技術等），通過建立路網GIS系統，并把路網GIS與路網設計CAD（Computer Aided Design）系統銜接起來，是當前國內外選線及線路勘測規劃設計的重要發展方向。[7]

（二）在交通管理中的應用

GIS具有強大的制圖及空間查詢和分析的功能，并能有效地管理與地理位置有關的各種信息，所以利用GIS與相應的交通地圖相結合，能將交通地理圖及其有關數據數字化，建立規定比例的可視數字地圖和相應的地理信息數據庫，支持并協助交通專家做出最有利的決策。[5]利用通信技術與網絡技術的有機結合，同時借助地理信息系統進行建立有效的專業模型，可以實現交通運輸網絡的實時監控，同時還可以利用系統對緊急情況做出及時的響應及反饋，以便相關人員做出處理。應用公路網絡中有價值的信息，同時使過去與現時的交通信息相結合進行綜合的分析，可對長短期交通車輛的流量數據進行較為準確的預估，以便及時制訂相應的對策或做出合理的公共車輛開行方案。同時利用GPS技術和攝影測量技術，還可以對交通網絡設施設備的病害情況進行有效的監控，對公路橋梁、隧道、路面路基工程等重要的交通基礎設施情況進行檢驗，及時識別設施的病害情況，以便相關人員進行維修操作，確保交通基礎設施能夠安全而高效地發揮其功能。[8]

（三）在物流運輸中的應用

將GPS的定位信息與互聯網上的物流信息平臺有機地結合起來，無疑將會為物流運輸帶來嶄新的發展思路，兩者的結合會產生較多的互補優勢。采用GPS系統可實現對發貨方、承運方和收貨方目標進行實時監控，實現信息的透明化，這對我國的第三方物流公司尤為重要，有利于他們參與物流大市場，適合我國廣大物流倉儲企業的發展。[5]同時綜合運用GIS系統中的網絡分析、緩沖區分析、疊加分析等可實現對物流配送中的最佳配送路線實時生成、最近服務設施的查詢，以及物流站場的選址及服務范圍的空間分析，對于采用信息化技術推進物流行業的發展具有重要作用。

（四）在導航監控中的應用

過去用于交通管理系統的設備主要是無線電通信設備，其管理方法是由調度中心向車輛駕駛員發出調度指令，駕駛員只能根據自己的判斷說出車輛所在的大概位置，調度管理和安全管理受到限制。GPS技術的出現給車輛、飛機、輪船等交通工具的導航定位提供了具體的實時定位能力，利用GPS和GIS技術可實現車輛自主導航定位。其基本方法是汽車駕駛室表盤上裝有顯示器顯示電子地圖，通過GPS實時定位在顯示器上可顯示車輛當前位置、運動軌跡、最佳路徑等大量交通信息。[6]同時主控室可實現對旗下所有車輛出行的實時監控，此項技術對于公務車輛、公共汽車、物流運輸車輛的監控具有非常重要的作用。此外，在GPS監控的范圍內，還可以根據一定時間段內所有道路的車輛通行軌跡數量，直接地反應道路的通行量，以實現對道路的養護和道路通行規則的變更等。所以綜合運用GPS、GIS技術實現車輛導航定位系統的應用與開發，對于提高交通運輸效率、避免交通堵塞、實現交通管理的現代化具有重要意義。

二、3S課程體系及重點內容

根據前文第2節3S技術在交通方面中的主要應用情況，同時結合院校情況和專業背景，作者提出如下三點作為交通大類專業課程的重點講授內容。

（一）滲透地學思維和培養3S理論知識

傳統地理學提倡分析與綜合、歸納與演繹和類比方法等，是地學中最重要也最普遍的科學方法?，F在，地學有了更強的整體性觀念，更多地從地域系統的整體出發，注意從理論假設出發進行演繹，使分析與綜合、歸納與演繹能夠相互補充、辯證統一，并積極引進新的研究方法和手段，逐步形成了一種復雜系統科學的思維方式。[9][10]從具體研究方法來講，現代地理學綜合研究的兩大方法為區域法和因素法，即以區域為基礎的綜合研究和以要素基礎的集成研究。但無論是區域法還是因素法，都要借助系統科學的方法論和辯證思維，以探究地理綜合性問題的求解途徑。由于交通大類專業是交叉學科，這類研究方法和地學思維對交通大類專業學生的培養是至關重要的。要培養學生在解決交通專業問題時，首先從地學的大背景下去思考解決問題的方法。綜上，擬開設的3S課程包括GPS原理與應用、遙感原理與應用、GIS原理與應用和3S技術在交通中的典型應用。

其中GPS原理與應用課程重點講授GPS的各項相關內容，包括其發展背景、基本原理、系統構成、信號特性、接收機信號處理、信道惡化及抗干擾、性能評估、差分技術、與其他傳感器的組合和網絡輔助、其他衛星導航系統，以及GPS的主要應用。[11]遙感原理與應用課程重點講授遙感的基本概念、電磁波與輻射度學基礎、輻射傳輸基礎、遙感平臺與傳感器系統、遙感圖像的數字處理、熱紅外遙感和微波遙感等。[12]GIS原理與應用課程重點講授地理信息系統的原理、組成、應用與發展；空間數據獲取、數據轉換與輸入方法，空間數據的矢量結構、柵格結構以及DEM的數據結構，空間數據文件管理、數據庫模型和空間數據庫等，空間數據編輯、拓撲關系建立、幾何變換與投影變換，空間數據統計與回歸分析、疊加分析、緩沖區分析和網絡分析等，空間數據可視化的技術與方法，結合交通應用地理信息系統的工程開發方法。[13]3S技術在交通中的典型應用課程重點講授基于交通特征和面向對象的交通空間網絡建模、道路網多尺度數據建模與交通網絡時空建模等問題；以及GPS、RS和GIS在智能交通中典型應用的問題，包括在車輛導航、網絡監控與智能公交系統中的集成應用等問題。[14]以上四門課程中，GPS和RS分別為GIS提供數據源，而GIS提供最基本的地學空間分析方法，3S技術在交通中的典型應用課程則培養學生綜合運用以上知識，以地學的大尺度為背景，結合交通實際情況解決現實中的問題。

（二）加強上機和野外實習實驗訓練以提高動手能力

由于以上四門課程為技術類課程，實習安排是必不可少的。作者認為實習的重點包括：1.遙感圖像處理軟件操作的學習；2.GPS接收機的使用、數據的導入和處理；3.GIS軟件操作的學習，尤其是其空間分析模塊；4.交通GIS系統的自主設計與開發。遙感圖像處理軟件操作的學習包括圖像的預處理（主要包括分幅裁剪、幾何校正、仿射變換、正射校正、圖像拼接、投影變換等），圖像解譯（主要包括空間增強、輻射增強、光譜增強等）和分類處理（包括監督分類和非監督分類），以上操作可選用的軟件包括ENVI和ERDAS。GPS接收機的使用、數據的導入和處理學習包括如何利用GPS接收機定位、生成軌跡、測速等，以及如何利用現有軟件實現對數據的導入和處理?？蛇x用的GPS接收機如天寶品牌等。GIS軟件操作學習部分包括數據的集成（主要包括數據的打開和保存，地圖的漫游、全幅顯示、放大和縮小等），地圖數字化（主要包括地圖的掃描導入、裁剪、配準、跟蹤數字化等），空間數據編輯和處理（包括矢量數據中幾何對象的添加刪除和修改，屬性列的添加與修改，屬性值導入和修改等，以及柵格數據的裁剪、類型轉換和重采樣等操作），空間查詢與分析（空間查詢主要包括圖查屬性、屬性查圖和SQL查詢，空間分析主要包括緩沖區分析、疊加分析、網絡分析和三維分析等）和排版制圖（主要包括專題圖的制作，圖例、圖名、比例尺、指北針等地圖要素的添加以及最終的出圖）?？蛇x擇的GIS軟件包括ArcGIS Desktop、SuperMap、MapInfo等。由于通用的GIS軟件不一定具有所需的專業功能，故需要定制開發。交通GIS系統的自主開發內容主要是使學生能夠熟練應用計算機編程語言和GIS二次開發組件，根據自己的想法和需要，自行設計與實現交通GIS應用系統?？蛇x用的計算機編程語言有Visual Basic、Visual C#、Visual C++、Visual Basic.Net、Delphi、Java等，可選擇的GIS開發平臺有ArcGIS Engine、ArcGIS Server、SuperMap Objects、SuperMap IS. Net、MapObjects、MapX等。該階段因為要結合較強的專業知識，同時需要較強的軟件設計與開發能力，可以作為高年級學生的課外科技項目或交通GIS大賽來展開。其目的是激發學生對GIS在交通領域的集成化的高級應用的思考，培養學生的系統思維能力、創新能力。

（三）建立企業實踐基地

要加強學校與企業的聯系，學?？稍谝恍ｉT從事交通信息系統研發的企業中成立實習基地定點單位，以便在暑期實習或者畢業實習期間，派遣對3S技術感興趣的學生到該單位實習一段時間，讓學生能夠早日將所學知識快速地轉化為生產力，提高學生動手能力，進而幫助學生早日找到合適的就業崗位。同時也可以聘請該企業的高級人員定期到學校授課，傳授在實際工作中的項目開發與管理經驗，以及一些工作中要注意的問題，幫助學生就業后早日融入企業，早日成為單位的頂梁柱。

三、教學實踐探討

筆者根據石家莊鐵道大學交通運輸學院近幾年來的3S技術課程的學習狀況，同時結合教學過程中的內容和重點，重點提出了教學實踐中五個需要注意的環節。

（一）注重3S技術課程中的應用實例分析

在實例分析時重點講解3S技術的科學性、前沿性、系統性和綜合性。鑒于此，實例分析應以任課教師近年來主持或參與的科研項目為主體，其優點在于教師能夠把研究中的難點和細節問題講解得更清楚，而不是局限于理論。如在講授GIS中網絡分析的最短路徑算法時，單純地講授理論會非?？斩春头ξ?，作者就獨立開發了基于ArcGIS Engine的最佳路徑生成系統，讓學生能夠親自操作如何實現該算法及其中要修改的參數，即Cost字段，激發學生思考如何定義現實生活中的最佳路徑。在進行3S技術在交通中的應用實例的講解時，教師不僅要讓學生了解和掌握該學科的發展動態，還要注重收集鐵路運輸、公路運輸、交通工程和綜合應用等不同層次、不同領域的研究成果。這不僅有利于學生了解本專業的發展趨勢，還能使其掌握3S技術在本專業中的應用狀況，起到觸類旁通的作用。[15]

（二）注重多媒體授課方法

在課堂授課方式上，3S技術涉及的空間分析、遙感圖像處理、三維顯示和虛擬現實等內容決定了授課方式應是多媒體教學。在教學過程中采用多媒體教學，可以進行遙感圖像的三維顯示、計算機模擬、3S系統實例展示和大型軟件運行等操作，能夠更好地展示教學內容、活躍課堂氣氛、提高學生課堂參與熱情，從而有助于教學質量的提高。此外，課程設置中應有一定量的上機或外業實習，占總課時的三分之一，因此，還需要配置相關3S軟件的計算機實驗室。建議購買的軟件包括Visual Studio、SuperMap、ArcGIS和ENVI等。

（三）注重外業實習和上機實習

外業實習的重點是讓學生學會獨立采用GPS接收機測量學校重要位置處的坐標及保存自己的行走路線。上機實習的重點是GPS數據的導入、遙感圖像處理和GPS空間分析模塊。3S技術的相互聯系主要通過地圖或圖像數據的坐標轉換，因此需要重點講解，這也是3S技術能夠集成或融合的關鍵環節和重要內容。其中GIS空間分析具有專業綜合的特點，在編寫實驗指導書時，應結合特定的分析實例來激發學生思考如何采用相同的分析方法解決實際問題。如空間分析實習中的物流倉庫的選址分析和物流倉庫的服務區域分析時，可將相同的方法應用到大型汽車站或火車站等大型設施的選址和分析其服務范圍上。

（四）注重考試方法

因為3S課程主要為技術類課程，完全采用卷面考試的形式不能很好地區分出學生構建地學思維能力、掌握課程知識點和實習操作的熟練度，因此考試的方法應多樣化。對于GPS原理與應用、遙感原理與應用和GIS原理與應用這三門課程可采用卷面考試+實習成果考查的考試方法，這既能考查學生掌握知識點的程度，又能區分學生是否出現高分低能現象和是否熟悉軟件的操作等。對于3S技術在交通中的典型應用課程，主要采用以北大中文核心期刊發表論文的格式要求學生撰寫報告的方法來進行考核，撰寫的內容包括交通實際問題的提出，以及根據學習的知識解決該問題。參考的期刊主要有《中國圖象圖形學報》、《測繪學報》、《地理學報》、《地理科學進展》、《地理科學》、《地理研究》、《地球信息科學學報》、《遙感學報》、《武漢大學學報（信息科學版）》等國內3S技術相關的重點知名核心期刊。報告的選題可根據學生感興趣的方向或熱點來確定，其相關內容主要包括道路選線、道路通達度分析、遙感圖像處理及信息提取、重大交通設施的選址及服務區域分析、道路擴寬工程核算、交通管理系統和導航監控系統等。

（五）舉辦校內GIS大賽或者鼓勵學生參與國內知名GIS大賽

如學?；驅W院有充足的經費支持，同時學校內有足夠的專業開設了3S技術相關課程，可在學校范圍內舉辦校內GIS數據處理、設計與開發大賽。學生可根據自己的意愿組成配置合理的項目小組，在指定的時間范圍內完成本小組的任務。待各小組提交成果完畢后，學?？善刚堉?S技術專家或學者對結果進行評比，從而提高學生學習的興趣和提高學校的知名度。如經費有限，可支持學生參加國內知名的GIS大賽，目前國內知名的GIS大賽包括超圖公司每年舉辦的SuperMap杯全國高校GIS大賽、ESRI公司每年舉辦的Esri杯中國大學生GIS軟件開發競賽和中地數碼公司每年舉辦的MapGIS技能大賽。以上三個賽事都比較有名，教師可鼓勵學生多多參與，學習技能，積累經驗。

四、結語

科技的進步和交通的發展需要更多的綜合型交通科技人才，而3S技術正是當前應用面廣、多種技術的高效集成的一種方法，它為實現智能交通提供了強有力的技術支持，因此高校交通大類專業的任課教師要能夠熟練掌握該技術以便更好地指導學生。同時隨著科技的進步，3S技術課程也是一門動態性很強的課程，因此任課教師要能夠及時地更新知識。這對任課教師提出了一定的挑戰，同時也為交通大類專業學生提供了更好的發展機遇和平臺。本文在介紹了3S技術在交通中的應用后，針對高校交通大類專業提出了3S技術課程體系的重點內容以及教學實踐的改革方法及方向，對于交通類院校3S技術課程的教學具有指導性意義。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 吳立烜.交通工程專業GIS課程教學研究與實踐[J].中國科教創新導刊，2009（5）：53.

[2] 吳立烜，陳曉麟.交通類專業GIS課程實驗教學研究[J]. 浙江交通職業技術學院學報，2010（1）：59-61，67.

[3] 竇世卿.測繪工程專業“3S”技術實踐能力培養模式的改革與探討[J].經濟師，2013（5）：211-212.

[4] 李德仁，李清泉，楊必勝，等.3S技術與智能交通[J].武漢大學學報（信息科學版），2008（4）：331-336.

[5] 田林，郝靖秋.3S技術在交通中的應用[J].黑龍江交通科技，2007（12）：174-175.

[6] 譚衢霖，沈偉，楊松林，等.攝影測量與遙感在我國鐵路建設中的應用綜述[J].鐵道工程學報，2007（1）：13-19.

[7] 朱愛民，唐勇.論公路交通信息化與交通GIS專業人才培養[J].交通高教研究，2002（1）：30-31.

[8] 陳志明.現代交通管理中的“3S”技術[J].科技創新與應用，2015（21）：292.

[9] 樊杰.地理學的綜合性與區域發展的集成研究[J].地理學報，2004（S1）：33-40.

[10] 柳玉梅.論普通高校人文地理與城鄉規劃專業本科教育中地學思維培養的重要性[J].科教導刊（上旬刊），2014 （10）： 52，76.

[11] 李天文.GPS原理及應用[M].北京： 科學出版社， 2010.

[12] 李小文.遙感原理與應用[M].北京：科學出版社，2008.

[13] 朱光，趙西安，靖常峰.地理信息系統原理與應用[M].北京：科學出版社，2010.

[14] 王英杰.交通GIS及其在ITS中的應用[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[15] 王功文，陳建平.“3S”技術課程在地球科學領域中的教學實踐探討[J].中國地質教育，2007（1）：54-56.

[16] 王曉霞，陸強.安全工程專業實驗教學方法改進探討[J].大學教育，2016（5）：148.

[責任編輯：劉鳳華]