地理信息系統(tǒng)輔助教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)

1、第18卷第5期2001年10月杭州師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 J ournal of Hangzhou Teachers College (Natural Science V ol. 18No . 5O ct. 2001文章編號:1008-9403(2001 06-0034-04地理信息系統(tǒng)輔助教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)陳久和(杭州師范學(xué)院初等教育學(xué)院, 浙江杭州310002摘 要:根據(jù)GIS 的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式的特點(diǎn), 把GIS 輔助教學(xué)軟件設(shè)計(jì)為GIS 理論學(xué)習(xí)系統(tǒng)、G IS 實(shí)踐系統(tǒng)、G IS 詞典的集成, 并系統(tǒng)地闡述了各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與核心技術(shù).關(guān)鍵詞:地理信息系統(tǒng)(GIS ; 計(jì)算機(jī)輔

2、助教學(xué)(C AI ; 實(shí)踐系統(tǒng); 理論學(xué)習(xí)系統(tǒng)中圖分類號:P91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ACAI 是將計(jì)算機(jī)用作教學(xué)工具, 使學(xué)生通過與計(jì)算機(jī)的交互對話來進(jìn)行學(xué)習(xí)的一種新型教學(xué)方式. GIS(Geographic Inf or mation Systems 地理信息系統(tǒng) 是地球科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)之間的交叉學(xué)科. 因此, 對GIS 的學(xué)習(xí)則更多地需要通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn). 目前, 全國高校的GIS 教學(xué)一般主要依靠教師的講授和書本, 原因在于GIS 軟件價(jià)格昂貴, 也沒有成熟的GIS 輔助教學(xué)軟件, 除一些重點(diǎn)院校外, 多數(shù)院校條件較差, 學(xué)生無法通過計(jì)算機(jī)來了解GIS 的基本概念和理論及其分析功能. 因此,

3、提供一套能幫助學(xué)生學(xué)習(xí), 又使用方便的工具性軟件成為當(dāng)務(wù)之急.1 GIS 輔助教學(xué)軟件的構(gòu)成GIS 教學(xué)內(nèi)容一般包括:G IS 的概念以及與其他相關(guān)學(xué)科的關(guān)系; GIS 中的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu); GIS 數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)管理、空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與維護(hù); G IS 空間查詢與分析功能; G IS 系統(tǒng)的建立和產(chǎn)品的生成; 常用G IS 軟件的學(xué)習(xí)和GIS 實(shí)例分析; GIS 專業(yè)詞匯等. 其中, 要對GIS 數(shù)據(jù)及其空間查詢和分析功能有直觀的了解, 則需要學(xué)生對GIS 軟件進(jìn)行操作. 而目前大多數(shù)GIS 軟件都屬于/平臺式0, 其商業(yè)價(jià)格相當(dāng)昂貴, 對于大多數(shù)GIS 學(xué)習(xí)者來說僅需使用G IS

4、軟件的基本功能, 故需要開發(fā)一個(gè)具有GI S 數(shù)據(jù)顯示、空間數(shù)據(jù)的查詢和基本數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理的G IS 實(shí)踐系統(tǒng), 即GIS 外殼. 而對于基本概念和理論的學(xué)習(xí), 則可以通過普通的C AI 軟件的設(shè)計(jì)思想來開發(fā)GIS 理論學(xué)習(xí)系統(tǒng). 同時(shí), GIS 是多學(xué)科的綜合產(chǎn)物, 其涉及的詞匯相當(dāng)廣泛, 為了便于學(xué)生掌握相關(guān)的專業(yè)詞匯, 系統(tǒng)中還包括GIS 詞典部分.2 GIS 理論學(xué)習(xí)系統(tǒng)的開發(fā)2. 1 開發(fā)平臺的選擇為了提高程序開發(fā)的效率及其可再開發(fā)性, 利用Visual Basic6. 0(以下簡稱VB 開發(fā)一個(gè)CAI 工具平收稿日期:2000212219作者簡介:陳久和(1964- , 男, 浙江

5、杭州人, 杭州師范學(xué)院初等教育學(xué)院地理學(xué)講師, 主要從事土地信息系統(tǒng)方面的研究.第5期陳久和:地理信息系統(tǒng)輔助教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)35臺. 在選擇開發(fā)平臺時(shí)還應(yīng)考慮以下幾項(xiàng)原則:(1 是否具有良好的、面向?qū)ο蟮木幊汰h(huán)境; (2 是否具有較強(qiáng)的支持多媒體數(shù)據(jù)的輸入能力, 包括文本數(shù)據(jù)、圖形、圖象數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)的輸入和處理; (3 是否具有制作動畫和播放外部動畫文件的能力; (4 是否能實(shí)現(xiàn)超文本鏈接; (5 是否具有應(yīng)用程序連接能力; (6 是否1具有形成安裝文件和可執(zhí)行文件的功能.212 系統(tǒng)模式的設(shè)計(jì)對于一個(gè)給定的選題, 如何把教學(xué)內(nèi)容通過電腦軟件的形式表達(dá)出來, 這就是教學(xué)軟件的系統(tǒng)模式問

6、題. GIS 理論學(xué)習(xí)系統(tǒng)與其他的教學(xué)軟件一樣, 也由基本模式、教學(xué)模式、和專用模式組成.(1 基本模式的設(shè)計(jì). 根據(jù)GIS 的知識結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)軟件的基本模式和結(jié)構(gòu), 應(yīng)以章為單位設(shè)計(jì)課件, 每個(gè)課件中則由節(jié)和知識點(diǎn)組成. 每個(gè)課件均由以開發(fā)的C AI 工具平臺來創(chuàng)建, 并使各課件之間保持一致的系統(tǒng)模式和界面風(fēng)格.(2 教學(xué)模式的設(shè)計(jì). 教學(xué)模式類型包括課堂教學(xué)模擬型、課外輔導(dǎo)型和知識擴(kuò)展型. 在該系統(tǒng)中, 利用多媒體技術(shù), 通過學(xué)生與計(jì)算機(jī)之間的人機(jī)交互來完成, 相當(dāng)于課堂聽課、課堂操作以及部分課后練習(xí)等教學(xué)過程. 子系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)用大量的多媒體素材來加深學(xué)生對基本概念及系統(tǒng)理論的理解. 同時(shí), 可

7、用一些動畫來演示某些GIS 原理和過程, 使其更形象、更直觀. 另外, 系統(tǒng)還應(yīng)包括GIS 課外測試功能.(3 專用模式的設(shè)計(jì). 這是為實(shí)現(xiàn)某一教學(xué)過程的一些特殊教學(xué)策略而設(shè)計(jì)的功能模塊, 為了加深學(xué)生對較為抽象的一些基本概念和空間分析功能的理解. 應(yīng)在該系統(tǒng)中建立與GIS 實(shí)踐系統(tǒng)的熱鏈接, 用戶可以隨時(shí)調(diào)入GIS 實(shí)踐系統(tǒng)中某方面的功能來獲得對GI S 空間分析的直觀認(rèn)識. 為使其具有GIS 的空間查詢功能, 系統(tǒng)還應(yīng)引人入空間圖形查詢控件(O CX , 用戶可以調(diào)出矢量圖和屬性數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢. 213 CAI 工具平臺的制作CAI 工具平臺是提供給用戶進(jìn)行C AI 的開發(fā), 用戶可以利用

8、該平臺提供的超文本創(chuàng)建與鏈接功能來設(shè)計(jì)課件的知識結(jié)構(gòu). 同時(shí)該平臺還應(yīng)提供多媒體節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建功能, 并可將多媒體數(shù)據(jù)引入進(jìn)行連接, 同時(shí)提供與其它一般應(yīng)用程序連接的功能, 最后能生成安裝文件. 根據(jù)GIS 理論知識的結(jié)構(gòu), 工具平臺可設(shè)計(jì)為3個(gè)層次, 即章、節(jié)、知識點(diǎn). 并根據(jù)章、節(jié)、知識點(diǎn)設(shè)計(jì)3種不同的界面, 同時(shí)在屏幕的右下方設(shè)計(jì)一個(gè)總控窗體, 可以隨時(shí)跳轉(zhuǎn)到其他章節(jié), 或進(jìn)入GIS 實(shí)踐系統(tǒng)或調(diào)出GI S 詞典等. 其結(jié)構(gòu)框如圖1所示 :圖1 GIS 理論學(xué)習(xí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖因此, 每一個(gè)課件都是一個(gè)樹形結(jié)構(gòu), 結(jié)構(gòu)的頂層是章, 最低層的節(jié)點(diǎn)是知識點(diǎn). 在章節(jié)界面中都是通過超文本節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)向

9、下一級的跳轉(zhuǎn). 而知識點(diǎn)界面則用來顯示與某個(gè)知識點(diǎn)有關(guān)的文本、圖形、圖像、聲音、動畫和視頻等信息. 在多媒體的C AI 中, 要實(shí)現(xiàn)超文本及其他控制, 必須建立各種類型的熱鏈結(jié). 在該系統(tǒng)中主要3種方式建立熱鏈結(jié), 一是由VB 中的標(biāo)簽(label 、文本(te xt 類定義的超文本節(jié)點(diǎn), 章、節(jié)、知識點(diǎn)的標(biāo)題都屬于這一類. 二是通過按鈕類來定義的多媒體節(jié)點(diǎn)的控制, (按鈕可分標(biāo)準(zhǔn)按鈕和自定義2按鈕. 第三類則屬于熱點(diǎn)區(qū)域, 即當(dāng)鼠標(biāo)單擊某一區(qū)域時(shí), 完成某一事件.由于該工具平臺不具有生成程序代碼的功能, 因此在CAI 的設(shè)計(jì)中界面信息及多媒體數(shù)據(jù)都不受程序的控制, 而由外部文件來管理. 根據(jù)

10、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu), 由自行設(shè)計(jì)的幾種不同文件結(jié)構(gòu)的私有文件來管理界面信息及多媒體數(shù)據(jù). 每一個(gè)課件有一個(gè)擴(kuò)展名為. cai 的初始化文件, 該文件用來裝載CAI 課件的名稱、該章代碼、C AI 課件的存放路徑等. 另外, 還有3種擴(kuò)展名為/*. chp 0、/*. sec 0、/*. pot 0的私有文件分別用來管理章、節(jié)、知識點(diǎn)界面的信息. C HP 文件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為:/*0(*是各個(gè)數(shù)據(jù)的起始符號, 以/+/36杭 州 師 范 學(xué) 院 學(xué) 報(bào)2001年 +. . . . SEC 文件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與C HP 文件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相似, 只是在文件后半部分增加各個(gè)小標(biāo)題是否為小節(jié)的標(biāo)識值. PO T 文

11、件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是:/標(biāo)題0+/背景圖像文件名0+/背景音樂文件名0+/文本文件名0+/聲音文件名0+/視頻文件名0+/動畫文件名0+/演示圖片數(shù)0+/圖片1文件名0+/圖片2文件名0+. . +/需要鏈結(jié)的應(yīng)用程序0+/GI S 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)文件名0+/矢量圖文件名0+/熱點(diǎn)區(qū)域數(shù)目0+/熱點(diǎn)1左上角坐標(biāo)0(X 與Y 坐標(biāo)用逗號隔開 +/熱點(diǎn)1右上角坐標(biāo)0+/熱點(diǎn)類型值0+/熱點(diǎn)對應(yīng)的事件內(nèi)容0(課件運(yùn)行是根據(jù)文件擴(kuò)展名來判斷多媒體數(shù)據(jù)的類型 +. . .3 GIS 實(shí)踐系統(tǒng)的開發(fā)311 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)組織方法GIS 實(shí)際系統(tǒng)基于網(wǎng)格和矢量兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu). 在該系統(tǒng)中, 有3種主要的數(shù)據(jù)文件類型:矢量

12、結(jié)構(gòu)的3圖形數(shù)據(jù)文件, 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的圖像數(shù)據(jù)文件和屬性數(shù)據(jù)文件.網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)文件來源與I M G 文件, 包括像素值文件、圖像說明文件、調(diào)色板文件. 在圖像說明文件中記錄了圖像的標(biāo)題、圖像的矢量坐標(biāo)范圍及圖例等要數(shù), 便于生成專題圖件及與矢量圖層的配準(zhǔn). 調(diào)色板文件的應(yīng)用進(jìn)一步增強(qiáng)了圖像顯示的靈活性. 在系統(tǒng)中, 網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件還可以來源于B M P 、TIF 文件系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)化為I M G 格式進(jìn)行顯示和處理.矢量數(shù)據(jù)來源于D XF 文件和V EC 文件, DX F 文件是目前使用較廣的圖形數(shù)據(jù)交換格式, 它采用A SCII 碼記錄目標(biāo)的類型、坐標(biāo)值等信息. 而VEC 文件則是二進(jìn)制文件, 它記

13、錄了目標(biāo)代碼、目標(biāo)類型及坐標(biāo)值, 同時(shí)與說明文件及符號文件共同描述一幅圖形.屬性數(shù)據(jù)庫文件則采用M D B 、D BF 文件. 屬性數(shù)據(jù)庫文件是為了能與圖像、圖形數(shù)據(jù)建立連接關(guān)系進(jìn)行雙向查詢, 以實(shí)現(xiàn)GIS 的空間查詢功能, 所以在設(shè)計(jì)屬性數(shù)據(jù)庫時(shí)應(yīng)建立一個(gè)與圖像中的像素值或圖形中的目標(biāo)代碼相對應(yīng)的O BJEC T 2ID 字段.312 GIS 實(shí)際系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)GIS 實(shí)踐系統(tǒng)基本功能包括網(wǎng)格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)的顯示、縮放、開窗、漫游、疊加顯示, 屬性數(shù)據(jù)的雙向查詢, 網(wǎng)格圖像的基本處理和運(yùn)算, 同時(shí)還提供了創(chuàng)建矢量圖和屬性數(shù)據(jù)庫的管理功能.313 GIS 實(shí)踐系統(tǒng)的開發(fā)平臺與技術(shù)難點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)V

14、B 具有強(qiáng)大的界面開發(fā)功能, 因此以VB 6. 0作為系統(tǒng)界面的開發(fā)平臺, 但VB 開發(fā)的應(yīng)用程序運(yùn)行速度較慢, 可在該系統(tǒng)中采用Visual C +(簡稱VC 6. 0開發(fā)GIS 實(shí)踐系統(tǒng)的核心功能, 如圖像、圖形的顯示, 運(yùn)算和處理等. 其中圖像的運(yùn)算和處理是通過VC 開發(fā)的動態(tài)鏈結(jié)庫(D LL 來實(shí)現(xiàn)的, D LL 文件中包括了所需的圖像處理函數(shù). 如果要顯示其運(yùn)算進(jìn)度, 則需要在界面上提供一個(gè)能支持繪圖的控件, 如PIC 2TURE 框, 然后把該控件的HD C 屬性作為參數(shù)傳遞給功能函數(shù), 在用VC 開發(fā)功能函數(shù)時(shí), 則根據(jù)圖像的運(yùn)算過程用一定的語句在該控件上輸出進(jìn)度標(biāo)條和百分比.圖

15、像、圖形的顯示操作則通過VC 開發(fā)的OC X 控件來實(shí)現(xiàn). 該系統(tǒng)主要可開發(fā)兩個(gè)OCX 控件, 一個(gè)是提供圖像的顯示、縮放、開窗與光標(biāo)查詢等操作的OC X 控件; 另一個(gè)則用來實(shí)現(xiàn)圖形的顯示操作. 該設(shè)計(jì)思想也正是當(dāng)今GIS 軟件的發(fā)展趨勢, 即向部件化產(chǎn)品方向發(fā)展. 由于OCX 控件可以廣泛地應(yīng)用于其它開發(fā)平臺, 如D elphi 、VB 等, 這樣就大大地提高了產(chǎn)品的可移植性和再開發(fā)性, 而且也能適用于不同層次的用戶, 如M AP P INFO 推出的M ap X, ESRI 推出的Map Object 都是基于該設(shè)計(jì)思想.VC6. 0提供的/O LE control wizard 0就可

16、以自動創(chuàng)建一個(gè)OC X 項(xiàng)目的程序框架. 假設(shè)項(xiàng)目名為X, 則將產(chǎn)生三個(gè)基本類:CX CPP 、CXC TRL 和C XPROPPAGE. 其中C XCPP 主要完成程序的初始化及運(yùn)行工作, CXC 2TRL 用來完成OC X 控件的界面設(shè)計(jì), CX PRO PPA GE 是特有屬性頁的類, 可以通過程序來添加控件的屬性和事件. 如圖像顯示控件的開發(fā), 由于要完成縮放、漫游、查詢等操作, 因此在屬性頁中可定義一個(gè)/操作類型0的屬性, 并給不同的操作類型賦予不同的值, 再通過外部控件如VB 提供的按鈕來改變這些屬性值, 當(dāng)/第5期陳久和:地理信息系統(tǒng)輔助教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)37查詢功能包括基于圖

17、像、圖形的查詢和基于屬性數(shù)據(jù)庫的查詢. 當(dāng)通過圖形、圖像來查詢屬性值時(shí), 則根據(jù)鼠標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)的象素值或圖形中的目標(biāo)代碼來尋找屬性數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的字段. 而基于屬性的查詢, 則通過屬性值的運(yùn)算來獲取目標(biāo)代碼, 再通過目標(biāo)代碼來獲取要查詢的目標(biāo). 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的開發(fā)基于VB 提供的Data 、Grid 、DB List 、DBCombo 等控件, 同時(shí)Data 控件支持標(biāo)準(zhǔn)的S QL 語言, 這樣就可以完成數(shù)據(jù)庫的管理與操作.4 GIS 詞典的設(shè)計(jì)與開發(fā)GIS 詞典的設(shè)計(jì)應(yīng)具備以下主要特點(diǎn):(1 圖文并茂. 在該詞典中不但要給出查詢單詞的中英文形式、解釋內(nèi)容及該名詞的參考詞匯, 同時(shí)還要有該名詞的圖

18、解. (2 查詢形式豐富. 應(yīng)有:按英文查找、按中文查找、按頁數(shù)查找、從屏幕捕獲單詞查詢. (3 查詢速度快, 使用方便. 當(dāng)進(jìn)行中英文查詢時(shí), 用戶只需輸入該名詞的一部分, 則可識別出與輸入內(nèi)容最接近的名詞. (4 允許用戶向系統(tǒng)中增加新的詞匯及解釋內(nèi)容.(5 該詞典可以設(shè)置為頂層窗體, 掛在GIS 實(shí)踐系統(tǒng)或理論學(xué)習(xí)系統(tǒng)中, 以便隨時(shí)查詢件來實(shí)現(xiàn)的. 4. GIS 詞典可在VB 6. 0平臺上開發(fā)形成, 其多媒體詞庫信息的訪問和查詢是通過VB 提供的/D A TA 0控5 結(jié)束語GIS 輔助教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)對傳統(tǒng)的C AI 設(shè)計(jì)思想有所發(fā)展, 尤其是針對不同學(xué)科提出不同的系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)模式. GIS 實(shí)際系統(tǒng)的開發(fā)解決了大多數(shù)學(xué)生使用GIS 軟件難的問題, 其部件化的設(shè)計(jì)思想也正體現(xiàn)了GIS 軟件工程的發(fā)展趨勢. CAI 工具平臺的開發(fā)也有著重要的意義, 它在地球科學(xué)CAI 的制作中有廣泛的適應(yīng)性, 同時(shí)也提高了程序開發(fā)的效率.參考文獻(xiàn):1 馬秀峰. C AI 課件設(shè)計(jì)的理論探索J.中國電化教育. 1997(8 :4346.2 鄭咸義. 多媒體教學(xué)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題J.多媒體世界, 1996(2 :1113.3 陳