校企协同建设地理大数据实验教学平台研究与实践

程昌秀^1*，沈石¹，郗连霞²，王璐²，杜克平^1,3，谢康泰²，赵文智¹

1. 北京师范大学地理科学学部，北京 100875；2. 北京超图软件股份有限公司，北京 100015；
3. 新疆大学地理与遥感科学学院，乌鲁木齐 830017

摘要：校企协同育人为“企业先进技术进校园、人才培养接轨社会需求”提供契机。传统协同育人项目多集中在企业为学生提供实习实践、毕业设计的场所和设施，或为学校提供人才培养所短缺的实践型教师。作者团队创新研发了一种校企双方切实投入人力物力建立协同育人平台的新模式。该模式与时俱进地将地理大数据、人工智能、真实场景建模等国产新技术引入课堂。本文分享了校企紧扣时代需求，通过跨课程联合，实现地理大数据与实景建模系列实验教学案例和共享平台的探索实践，分析了平台是如何通过推动地理信息实验教学从单机到网络云、从小数据到大数据的升级，从而推进教学质量的提升和教学团队的建设，最终推动人才培养与社会需求接轨。相关实践可为其他学科或高校产学协同育人实践提供参考。本研究成果获得2024年“数据要素×”大赛中国地理学会分赛—2024年地理大数据科技创新大赛地理数据教育与科学普及奖。

关键词：地理大数据；实景建模；教学与社会接轨；实验教学平台

DOI: https://doi.org/10.3974/geodp.2024.04.12

CSTR: https://cstr.escience.org.cn/CSTR:20146.14.2024.04.12

1 前言

随着大数据、人工智能（AI）、虚拟现实等技术的产生与发展，地理信息系统（Geography Information System，GIS）逐步以地理大数据、智慧城市等形式融入行业应用，同时也对地理信息科学研究和教育提出了新挑战^[1^–^3]。近年，面向大数据或AI等新技术，国内高校逐步开始调整优化课程体系、教学内容以及教学方法^[4^–^9]，但是较少讨论相关实验教学案例的数字化及共享平台的建设^[10]。新技术新应用实验教学相对滞后的原因一是它们对实验的软硬件环境要求较高，以往单机桌面版GIS教学环境难以满足^[11]；二是这些新技术通常由企业近年研发，开展实践应用的领域相对较少，导致高校缺少经典、成熟的实验教学案例，制约了新技术、新应用教学的推广与普及。特别是在当前西方对华限售GIS软件的时代背景下，与国产GIS产商联合，围绕地理大数据、AI、数字孪生等先进技术，开展教学实验案例的数字化建设与共享尤为重要^[12]。

在国家协同育人机制下，为“企业先进技术进高校、高校人才培养接轨社会需求”提供了契机。近年，GIS领域的协同育人项目多集中在企业为学校提供实习实践、毕业设计的场所和设施，或为学校提供人才培养所短缺的实践型教师等^[13,14]；校企双方切实投入人力物力，开展实验平台建设的合作相对较少^[15]。

为推进地理大数据先进技术的实验教学，推动地理信息科学人才培养与社会需求的接轨，北京师范大学（以下简称：北师大）与北京超图软件股份有限公司（以下简称：超图）联合，本着双方切实投入人力物力的原则，建成了地理大数据实验教学平台（以下简称：平台），推动了以超图GIS软件为基础的地理大数据技术在实验教学中的推广与普及。具体合作方式如下：

（1）在软硬件环境建设方面，学校提供协同育人的教学场地、计算机和网络等硬件环境，企业提供Super Map GIS iDesktop10.1、Super Map GIS iServer10.1等软件与技术支持，建成了“1个宿主机+ 3个集群节点 + 70台带GPU显卡的客户端”的实验软硬件环境。

（2）在实验案例建设方面，学校负责实验案例的总体设计，企业负责案例在平台上的技术实现，双方联合推进实验数据、教学大纲、课件和教材的建设。

（3）在教学实践方面，学校负责帮助学生在已有知识体系下完成新方法新技术的嫁接，并强调实验中应该掌握的重点与难点，企业负责实验中的技术支持与指导。

截止目前，平台已建成了船舶流数据与地理围栏分析、出租车轨迹数据与城市OD分析等系列地理大数据实验案例，建成了无人机航拍影像的实景生成、建筑信息模型（BIM）等系列实景建模分析的实验案例，并依托课程开展实践，形成了校企协同发展、协同育人的新模式。

2 地理大数据实验教学平台的探索

2.1 通过跨课程联合，开展实验教学案例库建设

地理大数据与实景建模的教学案例通常涉及《地理信息系统》《空间数据库原理与实践》《时空大数据分析》等多门课程，甚至关系到《城市地理学》等相关专业课程，它具有综合性强的特点。多门课程联合开展教学案例的数字化建设，有助于提升教学案例的质量，增加课程间先后衔接关系，让学生体会到前序课程“学有所用、学以致用”，提高学生学习的积极性。同时，以教学实验案例为主线，还可以切实推动面向课程群的教学团队建设，提高教学质量。

此外，集中可共享的教学案例库，可以帮助资深教师开展经典实验案例的数字化建设，避免因离职或退休导致优秀案例的遗失，推动了教学工作的传帮带。此外，教学案例库的集中共享、统一管理与持续完善，还可以提高教学的整体质量，同时也保证了教学实验质量的可持续性。

2.2 实验环境从单机到网络云的升级

传统单机实验环境，无论是在算力，还是3D实景可视化方面都存在限制，严重制约了地理大数据分析与实景高质量可视化的教学。“1个宿主机 + 3个集群节点 + 70台带GPU显卡的客户端”实现了从单机到网络云的升级，学校服务器和显卡提供了实验所需的存储、计算与渲染能力，为地理大数据、AI、实景建模分析奠定了硬件基础。升级后的实验环境便于学生掌握GIS领域的前沿方法技术、开阔眼界。

此外，网络云的实验环境也使平台的“异地教学、异地实验”成为可能。在北师大“一体两翼”的战略背景下，该实验共享平台已为北师大珠海校区本科课程的实验教学提供了服务，开启了平台云教学、云实验的新模式。

2.3 GIS教学从小数据到大数据的升级

传统GIS课程通常依托小数据开展以“功能”为核心的教学。然而，随着对地观测技术的不断发展，具有时空特征的地理大数据开启了社会感知的新方向新应用^[16]。近年基于物联网、互联网、志愿者GIS的手机信令、社交媒体、流数据等各类地理大数据，逐步开启了社会感知的新方向，并广泛应用于城市规划、灾害应急、交通管理、商业智能等领域。

结合上述应用，平台初步建成了船舶流数据管理与地理围栏分析、共享单车POI数据与城市功能区感知、出租车轨迹数据与城市OD分析和驻留区探测等系列案例（见图1），帮助学生掌握地理大数据与小数据的区别，掌握地理大数据的分析范式与方法，掌握国产SuperMap系列大数据管理与分析软件。平台可以培养与社会需求接轨，直接服务于行业的创新人才。

2.4 面向科技前沿的真实场景建模

随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生的实施已逐渐成为可能^[17]。目前，许多行业与组织对数字孪生都给予了高度重视，并开始探索基于数字孪生的智能应用新模式。数字孪生是一种实现信息世界与现实物理世界交互融合的有效手段^[17]。因此“智慧城市”“数字孪生”“元宇宙”等技术与应用在未来蕴含着巨大潜力。

面向未来科技前沿，校企联合建设了无人机航拍影像的实景生成、BIM（Building Information Modeling）与日照分析、城市天际线与臭氧体元的三维可视化等实验案例（见图2），启发学生理解和思考数字孪生在未来城市规划、交通规划、环境安全与健康等领域的应用及可能产生的影响，思考未来地理研究范式与方法的变革，启发创新思维。