面向水文專業(yè)GIS課程的教學改革探討

常文娟　馬海波

三峽大學水利與環(huán)境學院　湖北宜昌　443002

面向水文專業(yè)GIS課程的教學改革探討

常文娟馬海波

三峽大學水利與環(huán)境學院湖北宜昌443002

教學環(huán)境下如何有效發(fā)揮GIS應用軟件優(yōu)勢，提升水文專業(yè)學生GIS應用能力是新時期教學工作的一項新探索。探討了面向水文專業(yè)地理信息系統(tǒng)課程OBE教學模式，重點闡述了以學生成果產出為導向的OBE教學理念中教學內容優(yōu)化和“1+1”跨學科授課模式，旨在提升課堂教學質量，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新應用能力。

GIS；教學改革；OBE理念

隨著數(shù)字地球、數(shù)字中國、數(shù)字水利等概念的提出，工程水利向資源水利、傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代化水利和可持續(xù)發(fā)展水利的轉變，水利信息化是水利現(xiàn)代化的必由之路。作為全球信息化浪潮重要組成部分的地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，簡稱GIS）已逐步向專業(yè)應用層面轉換。目前，GIS技術以其強大的空間信息管理與分析功能，廣泛應用于數(shù)字流域的構建、水文預報與模擬、工程水文計算以及洪旱災害風險管理等水文水資源研究領域。在高校教學方面，全國開設GIS課程的高校很多，涉及的專業(yè)也很多，有GIS專業(yè)、測繪專業(yè)、資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理專業(yè)、水文與水資源工程等專業(yè)，為適應行業(yè)發(fā)展新變化，滿足學生專業(yè)應用能力培養(yǎng)需求，眾多高校根據(jù)自身專業(yè)定位、專業(yè)發(fā)展方向，開展了針對性的應用能力培養(yǎng)教學實踐。

“十三五”期間高等教育提出了新的戰(zhàn)略任務：提高教學水平和創(chuàng)新能力，爭創(chuàng)一流大學和一流學科，優(yōu)化學科專業(yè)布局和人才培養(yǎng)機制，具備條件的高校向應用型轉變。在此背景下，本文立足于培養(yǎng)面向水文與水資源工程專業(yè)（以下簡稱“水文專業(yè)”）的應用型高級工程技術人才，基于OBE（Outcome-Based Education）理念，結合社會對水文專業(yè)能力需求在應用能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)開展水文專業(yè)GIS課程教學改革研究，力圖提升學生熟練運用ArcGIS軟件解決水文專業(yè)相關問題的能力。

OBE理念是以學生為中心，以學生成果產出為導向，持續(xù)質量改進的一種新的教育模式。該模式強調以學生為中心理念要貫穿整個教學設計全過程，教學目標要圍繞學生專業(yè)能力培養(yǎng)，教學內容要根據(jù)學生的期望而設計，課程師資要面向全體學生達成預期目標來配備?；贠BE理念的教學模式就是要更新傳統(tǒng)GIS課堂教學理念，將教學與科研相結合，理論研究與實踐探索相結合，對現(xiàn)有水文專業(yè)GIS應用能力培養(yǎng)教學體系、教學教材建設等方面進行改革，凝練特色，按照專業(yè)建設要求提出改革建設方案，依據(jù)建設方案進行改革并反饋完善。本文僅就OBE教學模式中以學生成果產出為導向的教學內容優(yōu)化設計和以學生為中心的授課教師配備進行探討。

1　教學內容優(yōu)化

針對GIS課程教學內容授課對象為水文專本科學生，設計突出專業(yè)特點的GIS課程教學方案和教學目標，研究協(xié)同運用計算機輔助教學方式，創(chuàng)新在教學環(huán)境下ArcGIS應用軟件的安裝與運用，構建系統(tǒng)的基于ArcGIS平臺的水文專業(yè)應用能力培養(yǎng)教學課程體系，研究從理論到應用的銜接，加強基于GIS的專業(yè)拓展應用課程的建設，推進專業(yè)人才培養(yǎng)與社會實踐相結合。以學生成果產出為導向，開發(fā)基于GIS的水文專業(yè)拓展課程教學內容優(yōu)化，具體體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）設計基于GIS的數(shù)字流域構建方案，探討GIS水文分析模塊在流域劃分、地形分析、河網提取等方面所采用的算法和原理，實現(xiàn)流域特征（如下墊面特征、水系、河網等）的自動提取以及子流域的劃分，為進一步構建數(shù)字流域和數(shù)字水文模擬提供基礎信息平臺。

以數(shù)字流域構建大作業(yè)成果產出為導向，將GIS數(shù)字流域構建融入課堂，分為課堂講解和學生上機操作實踐兩大部分。GIS數(shù)字流域構建主要包括DEM原始高程數(shù)據(jù)獲取，采用Hydrology分析模塊河網水系提取及子流域劃分等內容，如河網水系提取的主要流程為：①利用GIS洼地填充：Arc Toolbox→Spatial Analyst Tools→Hydrology→Fill；②確定水流流向：Spatial Analyst Tools→Hydrology→Flow Direction；③計算匯流累積量：Spatial Analyst Tools→Hydrology→Flow Accumulation；④依據(jù)匯流累積量生成河網：Spatial analyst工具欄→raster calculator柵格計算；⑤匯流累積圖上尋找流域出口點：Spatial Analyst Tools→Hydrology→Snap pour point；⑥根據(jù)流域出口點提取子流域：Spatial Analyst Tools→Hydrology→watershed；⑦根據(jù)流域邊界裁出流域水系： Spatial Analyst Tools→Extraction→Extract by Mask。

在上述提取的河網水系基礎上，可進行水文模型建模，如采用分布式流域水文模型——SWAT模型，將流域劃分為多個子流域，以水文響應單元為基本計算單元，與水文專業(yè)核心課程水文預報相結合，通過推求凈雨，進行匯流演算，從而確定流域出口斷面的流量。本案例將學生所學的專業(yè)知識融入到GIS課堂教學之中，引導學生應用GIS解決專業(yè)問題，逐步培養(yǎng)學生GIS應用創(chuàng)新能力。

在GIS課程實際教學過程中，教學內容設計與專業(yè)緊密結合，以學生成果產出為導向，按照上述思路進行授課，將抽象的數(shù)字高程模型（如圖1所示）提取為形象的河網水系（如圖2所示），構建南盤江上游西橋水文站以上區(qū)域的SWAT模型，將全流域劃分為36個子流域（如圖2所示），進行徑流模擬，進一步加深學生的專業(yè)認識。通過上機操作實踐和課后每人一例的數(shù)字流域構建大作業(yè)，激發(fā)學生學習熱情，取得了很好的教學效果。教學質量評價由良好變?yōu)閮?yōu)秀，實現(xiàn)我校GIS課程教學向專業(yè)拓展的突破。

圖1　DEM圖

圖2　子流域劃分圖

（2）設計GIS技術在工程水文分析計算中應用專題。利用組建式GIS技術，構建以Hydrology分析模塊和3D Analys模塊等為依托，耦合圖層編輯、空間分析、專題地圖制作，提取流域水文參數(shù)，進行工程水文計算。例如，在上述提取的河網水系中可計算河長、流域集水面積等流域水文參數(shù)，進而由流量、暴雨或推理公式推求設計洪水過程及設計洪水地區(qū)組成。

（3）設計GIS在洪/旱災害風險管理中的應用專題。利用GIS技術空間、屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、管理和可視化功能，開發(fā)GIS在防洪/旱災風險圖編制方面的教學案例。如在數(shù)字化流域基礎上，結合水文預報所學的河道洪水演進馬斯京根法，模擬洪水的演進過程（如圖3所示）。

圖3　河道洪水演進過程

2　“1+1”跨學科授課

目前，多數(shù)高校GIS課程主要由GIS專業(yè)教師負責講授，教學模式單一化，即不論所面對學生的專業(yè)背景，教師通常按照統(tǒng)一的模式授課，由于授課教師沒有其他專業(yè)學科背景，授課內容專業(yè)針對性不強，缺乏和專業(yè)應用的深度融合。部分高校GIS課程由專業(yè)課教師負責講授，由于專業(yè)課教師側重的是GIS的專業(yè)應用，對GIS的基礎理論知識掌握不足，因此在相應的教學過程中對于GIS基礎原理缺乏重點的平鋪式講授。

上述兩種不同專業(yè)背景教師授課模式直接導致非GIS專業(yè)學生學完這門課程后，往往會出現(xiàn)這樣的兩種情況，一是“只知原理不會應用”；二是“只會軟件應用不知原理”。原理和軟件應用只知其一，非GIS專業(yè)學生在實際工作中不能將GIS與各自專業(yè)深度融合?；诖耍疚慕ㄗh針對非GIS專業(yè)，如水文專業(yè)學生GIS課程授課以課程為導向，授課教師跨學院、跨學科、跨專業(yè)，實施“1位GIS專業(yè)教師基礎理論授課+1位水文專業(yè)教師專業(yè)應用授課”（簡稱“1+1”授課模式）跨學科課堂教學模式改革，同時，強調以學生成果產出為導向的教學模式，教師教學和學生學習過程互動持續(xù)改進。

由于地信專業(yè)和水文專業(yè)隸屬于兩個不同的學科，分別劃歸不同學院，需學校層面統(tǒng)籌協(xié)調，今后GIS課程教學中將努力推動這套“強強聯(lián)合”的跨學科授課模式。

3　結束語

本文對水文專業(yè)GIS課程以學生成果產出為導向的OBE理念教學中教學內容優(yōu)化和“1+1”跨學科授課模式進行探索。下一階段將基于OBE理念，通過研究制定切實可行的面向水文專業(yè)的GIS應用能力培養(yǎng)體系，并進一步持續(xù)改進，強化水文應用能力培養(yǎng)實踐教學，創(chuàng)新GIS專業(yè)拓展新思路，培養(yǎng)一批適應經濟社會發(fā)展需求的“高素質、強能力、應用型”的高級專門人才，并集成取得的有效經驗和實踐效果。

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Study on Teaching Reform of GIS Course in the Major of Hydrology and Water Resources Engineering

Chang Wenjuan， Ma Haibo
College of Hydraulic & Environmental Engineering， China Three Gorges University， Yichang， 443002， China

How to effectively take the advantages of GIS application software in theteaching environment，and upgrade GIS application abil ityofhydrologicalprofessionalundergraduates，is a new teaching exploration of the new period. This paper discusses geographic information system Course forprofessional hydrologybased on Outcome-Based Education teaching pattern.Moreover， focuses on students' achievement output oriented OBE teaching idea for teaching contents optimization and "1 + 1" interdisciplinary teaching pattern， aims to enhance the quality of the class teaching and cultivate the innovativeapplicationability of students.

GIS； teaching reform； OBE concept

2016-05-30

常文娟，博士，講師。

三峽大學教學研究項目（編號：J2014003）。