空間信息形勢下的GIS課程教學(xué)改革與實(shí)驗(yàn)?zāi)K優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐雪海，黃慶豐

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，安徽合肥 230036)

地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System，GIS)是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和不同方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)來支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題[1]。傳統(tǒng)的紙質(zhì)管理森林資源的方式在對林地的空間特征(位置)、屬性特征(林木因子)、時間特征(林地、林木消長)進(jìn)行描述時存在許多不足[2-3]，林地“一張圖”的出現(xiàn)則顛覆了林地管理的傳統(tǒng)方式，它被看作是現(xiàn)代林業(yè)信息管理的經(jīng)典力作，并將引領(lǐng)林業(yè)管理整體升級。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)本科專業(yè)培養(yǎng)方案中與GIS相關(guān)的課程較少，僅有林業(yè)遙感和測量學(xué)兩門課程，而GIS又具有很強(qiáng)的技術(shù)性和實(shí)踐性，知識點(diǎn)較多，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大[4]。因此，筆者通過研究非專業(yè)GIS課程的特點(diǎn)及林學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)模式，對安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)GIS理論課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和實(shí)驗(yàn)?zāi)K優(yōu)化設(shè)計(jì)，緊密結(jié)合當(dāng)前林業(yè)發(fā)展實(shí)際，充分考慮用人單位的需求，形成完整統(tǒng)一的林業(yè)發(fā)展新形勢下的課程內(nèi)容體系架構(gòu)。

1 課程特點(diǎn)與教學(xué)目標(biāo)

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案中GIS課程是林學(xué)專業(yè)本科生的專業(yè)選修課程，考慮到當(dāng)前林業(yè)發(fā)展的趨勢和資源管理的特點(diǎn)，在具體的教學(xué)安排過程中，GIS課程是作為必修課來看待的。通過該門課程的學(xué)習(xí)，使林學(xué)專業(yè)學(xué)生掌握GIS的基本概念、GIS的組成、林地空間數(shù)據(jù)的采集和管理、空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的編輯、森林資源數(shù)據(jù)庫的更新、GIS空間分析方法的使用、林地專題圖的制作等內(nèi)容。GIS 課程的特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.2多學(xué)科交叉GIS是一門學(xué)科交叉性較強(qiáng)的技術(shù)，涉及的學(xué)科課程較多，在GIS課程教學(xué)中要求學(xué)生既要具有相關(guān)的基礎(chǔ)知識如地理學(xué)、測量學(xué)、遙感、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、地圖學(xué)等課程背景，又要對森林資源的信息化管理方式及趨勢充分地理解和掌握[5]。因此，林學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案應(yīng)安排好本門課程的開課時間，兼顧相關(guān)課程與林學(xué)專業(yè)課程的銜接。

1.3較強(qiáng)的專業(yè)應(yīng)用大部分GIS教材主要從基本原理、系統(tǒng)開發(fā)和行業(yè)應(yīng)用3個方面的研究內(nèi)容進(jìn)行編寫，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)地理信息系統(tǒng)的課程定位非常明確，就是要與林業(yè)進(jìn)行結(jié)合，尤其是把GIS作為工具和手段充分地應(yīng)用在森林資源經(jīng)營與管理中。

1.4多源的空間數(shù)據(jù)來源空間數(shù)據(jù)是信息管理系統(tǒng)的核心，傳統(tǒng)的矢量化方式獲取原始空間數(shù)據(jù)的時代已經(jīng)過去，航空攝影測量、遙感自動獲取、無人機(jī)快速建模等成為空間數(shù)據(jù)的重要來源，這里面涉及的每個內(nèi)容都對應(yīng)著以一門或多門課程，學(xué)生不可能全面掌握每個方面的內(nèi)容，但是教師在對應(yīng)知識點(diǎn)的講授過程要提到，要讓學(xué)生充分認(rèn)識到涉及地理信息系統(tǒng)課程很多內(nèi)容的設(shè)備、來源、方法等更新非?？臁?/p>

因此，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)GIS課程的教學(xué)目標(biāo)定位為：為林業(yè)企事業(yè)單位培養(yǎng)具備應(yīng)用GIS為森林資源管理和林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐活動服務(wù)的專門應(yīng)用人才。

2 教學(xué)中存在的問題

對于林學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，筆者經(jīng)過前期的教學(xué)總結(jié)，GIS課程教學(xué)主要存在以下問題：

2.1相關(guān)課程背景知識偏少GIS專業(yè)的培養(yǎng)體系涵蓋計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地圖學(xué)、測繪學(xué)、遙感、地理學(xué)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)庫、拓?fù)鋵W(xué)原理等課程，基礎(chǔ)知識自成系統(tǒng)，每門課程都有對應(yīng)充足學(xué)時進(jìn)行講授，然后再到地理信息系統(tǒng)課程的時候，學(xué)生理解起來自然容易。但是，上述課程在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案里面涉及極少，教師在講授時就很難與學(xué)生互動。比如，在講授道路以什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)里進(jìn)行表達(dá)更節(jié)省數(shù)據(jù)量時，學(xué)生就對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沒有一個直觀的理解，只有在軟件里打開對應(yīng)數(shù)據(jù)時才有視覺上的理解，但是這種認(rèn)識仍然是表面的、膚淺的，課堂效果自然不好[6]。

2.2專業(yè)課程銜接不緊密2012年安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)本科人才培養(yǎng)方案中，地理信息系統(tǒng)課程安排在第4學(xué)期，測量學(xué)、林業(yè)遙感在第4學(xué)期，林學(xué)專業(yè)專業(yè)課如測樹學(xué)、森林經(jīng)理學(xué)、造林學(xué)在第5、6學(xué)期，且測量學(xué)往往比地理信息系統(tǒng)開課滯后，導(dǎo)致在涉及地形圖比例尺、坐標(biāo)系統(tǒng)、投影方式等方面內(nèi)容時，測量學(xué)這一塊的內(nèi)容還沒有講授到，學(xué)生理解起來比較困難，還要花1～2個學(xué)時去補(bǔ)充這些知識點(diǎn)；在以小班調(diào)查內(nèi)容為例講解空間數(shù)據(jù)的時候，學(xué)生又缺乏這些專業(yè)術(shù)語的理解[7]?？傊嚓P(guān)課程之間銜接的不合理，阻礙了GIS課程的進(jìn)度和學(xué)生對行業(yè)應(yīng)用的準(zhǔn)確理解。

2.3實(shí)驗(yàn)課時偏少眾所周知，軟件的操作是GIS這門課程學(xué)習(xí)的重要組成部分，理論知識的全部內(nèi)容都可以在軟件中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過調(diào)查，大部分GIS專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容安排的學(xué)時至少為32個學(xué)時。2012版林學(xué)專業(yè)GIS實(shí)驗(yàn)課程僅安排了12個學(xué)時，采用目前主流的ArcGIS平臺操作軟件，要想熟練操作GIS軟件，并掌握應(yīng)用地理信息系統(tǒng)軟件解決林業(yè)生產(chǎn)中的所有問題顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，筆者只設(shè)計(jì)了6次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，具體分配見表1。這6次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間內(nèi)容跨度較大，不能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的連續(xù)，所以，有些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只能使用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于學(xué)生來說，這些數(shù)據(jù)是陌生的，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間是相互孤立的，缺乏連續(xù)性和系統(tǒng)性，學(xué)生只能被動的操作，做完后仍然不明白這幾個實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，究竟這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有什么作用，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低，極大影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。如實(shí)驗(yàn)二、三之間，在采集面狀林地小班數(shù)據(jù)時，僅讓學(xué)生采集了很少的數(shù)據(jù)，沒有對相鄰小班、需要切割或整形的小班、節(jié)點(diǎn)等方面進(jìn)行深入的編輯處理，也沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)的拓?fù)錂z查，學(xué)生也不清楚自己采集數(shù)據(jù)是否正確，精度是否滿足要求。這些方面在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力方面沒有起到良好的效果，學(xué)生也僅是按照當(dāng)時教師操作的步驟重新演示一遍。

表1 林學(xué)專業(yè)GIS實(shí)驗(yàn)課時安排

3 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與改革

3.1課程教材的選擇目前出版的地理信息系統(tǒng)教材可以分為純粹基礎(chǔ)理論介紹和融入編者研究成果的GIS教材，當(dāng)前安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)GIS課程教材選用的是黃杏元、馬勁松編著，高等教育出版社出版的《地理信息系統(tǒng)概論》(第三版)，此教材偏重理論知識的介紹，考慮到與GIS專業(yè)在教學(xué)目標(biāo)、背景知識、學(xué)生理解、應(yīng)用范圍等方面存在的一些差異，下一步將考慮選擇理論知識與林業(yè)行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合的理論教學(xué)教材，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書則由筆者自編。

3.2多媒體課件的制作多媒體教學(xué)是目前課堂教學(xué)的主要方法和手段，在具體的授課過程中，教師應(yīng)充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，這并不意味著完全依靠它，為了加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，傳統(tǒng)教學(xué)手段(粉筆+黑板)仍然是不可缺少的輔助授課方式。地理信息系統(tǒng)的核心內(nèi)容則是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和信息科學(xué)為主要依托，對于背景知識較少的林學(xué)專業(yè)學(xué)生來說，一些GIS的主要內(nèi)容還是難以在課堂上及時消化，制作多媒體課件時，筆者將充分考慮到PPT內(nèi)容的圖文并茂、動靜結(jié)合，用圖片、音頻、視頻、動畫等多種新媒體方式把教材中枯燥的文字信息形象展示出來，并充分融入筆者的一些項(xiàng)目案例，以達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高課堂教學(xué)效果的目的。

3.3課程開課時間及學(xué)時調(diào)整安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案在2017年上半年進(jìn)行了微調(diào)，借此契機(jī)，綜合考慮林學(xué)專業(yè)課程設(shè)置及與本門課程相關(guān)的一些課程，地理信息系統(tǒng)的開課時間調(diào)整到了第5學(xué)期，測量學(xué)、林業(yè)遙感、測樹學(xué)和森林經(jīng)理學(xué)就會在地理信息系統(tǒng)之前或同時開課，這樣學(xué)生可以更好地理解坐標(biāo)系統(tǒng)、投影方式、地形圖比例尺、小班、森林資源等內(nèi)容，能夠提高教學(xué)效果。理論課學(xué)分由2個學(xué)分調(diào)整為1.5個學(xué)分，相應(yīng)地學(xué)時由32個學(xué)時調(diào)整為24個學(xué)時；實(shí)驗(yàn)課學(xué)分由0.4個學(xué)分調(diào)整為1.0個學(xué)分，相應(yīng)地學(xué)時由12個學(xué)時調(diào)整為30個學(xué)時。

3.4教學(xué)內(nèi)容的精心組織充分考慮GIS在林業(yè)中的實(shí)踐應(yīng)用，緊跟林業(yè)信息化的發(fā)展步伐，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心組織，力爭做到重難點(diǎn)突出，重點(diǎn)掌握的內(nèi)容為：GIS的組成、基本功能、應(yīng)用功能，GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)的處理、林地?cái)?shù)據(jù)庫的構(gòu)建、空間分析、具體應(yīng)用等，而對林地空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)、森林資源信息管理平臺的開發(fā)等內(nèi)容作為了解。由于GIS課程理論性較強(qiáng)，對于學(xué)生來說，理論教學(xué)中的一些內(nèi)容單純通過課件無法在課堂上理解透徹，需要在講授到具體內(nèi)容的時候結(jié)合軟件操作來加深學(xué)生的理解，如在講到空間數(shù)據(jù)的空間特征和屬性特征的關(guān)系時，可以在軟件里先添加某區(qū)域森林資源圖形數(shù)據(jù)，然后把對應(yīng)圖形的屬性表鏈接到圖形里，最后打開屬性表查看每個小班圖形對應(yīng)的屬性信息。

4 實(shí)驗(yàn)?zāi)K優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過分析前期實(shí)驗(yàn)課程中的一些不足，優(yōu)化后的GIS實(shí)驗(yàn)課程將以安徽省某山區(qū)縣一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的森林資源和相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為操作對象，把班級學(xué)生進(jìn)行分組，每組負(fù)責(zé)一個或幾個行政村的數(shù)據(jù)處理，每組中的成員負(fù)責(zé)部分區(qū)域的地形圖配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集等工作，然后同組之間進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，完成數(shù)據(jù)的編輯、拓?fù)錂z查、森林資源數(shù)據(jù)庫建立等工作；最后，所有組的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，每位學(xué)生分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查并完成鄉(xiāng)鎮(zhèn)級林業(yè)專題圖的制作。

筆者把林學(xué)專業(yè)的GIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)為一般性實(shí)驗(yàn)、分析性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)3個模塊，實(shí)驗(yàn)課時設(shè)計(jì)為30學(xué)時。依據(jù)這3個模塊建立層次遞進(jìn)、內(nèi)容漸進(jìn)的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[4]，具體模塊劃分見表2。

表2 林學(xué)專業(yè)GIS實(shí)驗(yàn)?zāi)K優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般性實(shí)驗(yàn)：主要訓(xùn)練學(xué)生對ArcGIS軟件基本功能的操作，包括各個程序的使用對象及目的、空間數(shù)據(jù)的瀏覽、地形圖的配準(zhǔn)、圖層的建立、空間參考的設(shè)置、空間數(shù)據(jù)的采集、屬性數(shù)據(jù)的編輯、圖層處理、空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查等。

分析性實(shí)驗(yàn)：主要訓(xùn)練學(xué)生對ArcGIS空間分析模塊的運(yùn)用，結(jié)合林業(yè)特點(diǎn)，分析性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括：矢量數(shù)據(jù)的裁剪、融合、拼接、交叉、合并等工具的使用；柵格數(shù)據(jù)的裁剪；點(diǎn)、線、面實(shí)體類型緩沖區(qū)的建立及應(yīng)用；DEM的生成及地形因子的提??；應(yīng)用適宜性分析模型解決造林樹種候選地的選擇等。

綜合性實(shí)驗(yàn)：匯總形成完整的鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查并制作多幅林業(yè)專題圖。一方面檢驗(yàn)一般性實(shí)驗(yàn)和分析性實(shí)驗(yàn)的效果，另一方面考核學(xué)生在給定時間內(nèi)完成綜合性實(shí)驗(yàn)的效率。

在一般性實(shí)驗(yàn)和分析性實(shí)驗(yàn)中，筆者將借鑒湯國安教授編著的《ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程》一書中的一些操作方法[8]，所有學(xué)生在每次實(shí)驗(yàn)課結(jié)束時現(xiàn)場提交各自實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師根據(jù)學(xué)生在3個模塊中的表現(xiàn)及最終提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行打分，綜合評定其GIS實(shí)驗(yàn)課程成績。

5 結(jié)語

非GIS專業(yè)地理信息系統(tǒng)課程定位于培養(yǎng)面向林業(yè)行業(yè)服務(wù)的專門應(yīng)用人才。筆者在分析前期課程體系的特點(diǎn)及存在的問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合林學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，對GIS課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整并對實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在激發(fā)林學(xué)專業(yè)學(xué)生對GIS課程的興趣，使理論課程和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有現(xiàn)勢性和連貫性。隨著GIS課程體系的發(fā)展變化和林業(yè)發(fā)展的趨勢，相關(guān)教學(xué)內(nèi)容也將及時進(jìn)行更新和調(diào)整，在以后的教學(xué)中，筆者將不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提高教學(xué)效果，為林業(yè)企事業(yè)單位培養(yǎng)更多的森林資源信息管理應(yīng)用人員。

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