林學(xué)專業(yè)地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)改革與實(shí)驗(yàn)設(shè)計

唐雪海，黃慶豐，張利萍

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

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林學(xué)專業(yè)地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)改革與實(shí)驗(yàn)設(shè)計

唐雪海，黃慶豐，張利萍

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

摘要根據(jù)地理信息系統(tǒng)課程的特點(diǎn)和基本教學(xué)目標(biāo)，探討如何有效激發(fā)林學(xué)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，以期推動該課程教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新，提升課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)與實(shí)踐動手能力的林業(yè)專門人才。

關(guān)鍵詞地理信息系統(tǒng)；教學(xué)改革；實(shí)驗(yàn)設(shè)計

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是由計算機(jī)硬件、軟件和不同方法組成的系統(tǒng)，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]。GIS是集計算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、地理科學(xué)、測繪學(xué)、遙感學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)、城市科學(xué)和管理科學(xué)等學(xué)科為一體的新興邊緣學(xué)科，經(jīng)過50多年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個行業(yè)[2]。

森林資源具有生長周期的長期性、森林資源分布的地域性、森林資源的再生性、森林成熟的不確定性等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的森林資源多采用紙質(zhì)檔案管理，在對森林資源的空間特征(位置)、屬性特征(林木因子)、時間特征(生長的變化)進(jìn)行描述時存在諸多不便，而計算機(jī)系統(tǒng)合理、有效的動態(tài)管理手段則加快了我國林業(yè)從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變的速度，實(shí)現(xiàn)了林地數(shù)據(jù)的一體化管理[3]。目前，GIS在森林資源信息管理、造林規(guī)劃、森林分類經(jīng)營區(qū)劃、森林調(diào)查、林業(yè)專題制圖等方面已得到有效應(yīng)用。筆者主要就安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)本科專業(yè)GIS課程展開教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)設(shè)計的討論。

1教學(xué)目標(biāo)和課程特點(diǎn)

1.1教學(xué)目標(biāo)GIS課程是林學(xué)專業(yè)本科生的專業(yè)選修課程，其教學(xué)目標(biāo)是使林學(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)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。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)是為林業(yè)企事業(yè)單位培養(yǎng)能應(yīng)用GIS為森林資源管理和林業(yè)生產(chǎn)活動服務(wù)的專門應(yīng)用人才。

1.2課程特點(diǎn)

1.2.1較強(qiáng)的學(xué)科交叉性。GIS集成了多門學(xué)科的內(nèi)容，涉及領(lǐng)域跨度比較大。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)、林業(yè)遙感、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、地圖學(xué)等課程背景，又要了解林業(yè)對信息管理的需求。因此，林學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)方案應(yīng)安排好課程的開課時間，兼顧基礎(chǔ)課程與行業(yè)應(yīng)用。

1.2.2廣泛的專業(yè)應(yīng)用。GIS涵蓋基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用模型研究3個方面的研究內(nèi)容，因此，它既是一門基礎(chǔ)理論科學(xué)，又是一門應(yīng)用性較強(qiáng)的技術(shù)性科學(xué)[4]。這就要求在具體的 GIS課程教學(xué)過程中，教師既要具備扎實(shí)的理論功底，也要有較好的授課技巧，力爭把課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)講授清楚。在講解應(yīng)用GIS方法進(jìn)行造林樹種選擇的時候，教師可采用GIS軟件在課堂上演示數(shù)字地形模型的生成，及坡度、坡向、海拔等地形因子的提??；再根據(jù)不同樹種對地形的需求，對坡度圖、坡向圖、海拔分布圖進(jìn)行疊加分析操作；最后為某一樹種選擇合適的地塊。演示有助于學(xué)生具體化地理解理論課的抽象知識。

1.2.3快速的技術(shù)發(fā)展。自 Roger Tomlison創(chuàng)建世界上第一個地理信息系統(tǒng)以來，GIS 技術(shù)的發(fā)展和更新速度勢頭迅猛。地理空間數(shù)據(jù)的獲取和空間數(shù)據(jù)庫的維護(hù)是一項龐大的工程，針對空間數(shù)據(jù)形式的復(fù)雜性和特定的時空特性，獲取數(shù)據(jù)的基本方式已經(jīng)從全站儀測量、GPS測量、掃描數(shù)字化發(fā)展到航空攝影測量、應(yīng)用衛(wèi)星影像進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和轉(zhuǎn)換等。GPS、RS和GIS的集成為數(shù)據(jù)庫的時效性提供了保證，而時空數(shù)據(jù)模型、三維數(shù)據(jù)模型、分布式空間數(shù)據(jù)管理、行業(yè)信息管理平臺設(shè)計等成為當(dāng)下GIS研究的熱點(diǎn)。林學(xué)專業(yè)學(xué)生應(yīng)跟蹤GIS發(fā)展的趨勢，充分了解林業(yè)資源管理平臺的數(shù)據(jù)來源、采集方式及年度數(shù)據(jù)庫更新的技術(shù)。

2教學(xué)中存在的問題

2.1GIS相關(guān)背景課程知識缺乏GIS專業(yè)的培養(yǎng)體系課程涵蓋計算機(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)原理等學(xué)科，體系化程度高，基礎(chǔ)知識自成系統(tǒng)，學(xué)生理解起來較容易。然而，這些課程在林學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案中涉及極少，如在講授矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，學(xué)生對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沒有準(zhǔn)確的概念，只有在對照軟件打開對應(yīng)數(shù)據(jù)時才有直觀的理解，從而導(dǎo)致教學(xué)面臨很大的困難，也不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果自然不理想[5]。2.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時偏少面向林學(xué)專業(yè)開設(shè)的GIS課程中，軟件操作占有十分重要的地位。GIS課程中的地形圖配準(zhǔn)、空間數(shù)據(jù)矢量化、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、空間分析、森林資源分布圖制作等知識點(diǎn)，都必須在GIS軟件中實(shí)際操作，才能使學(xué)生真正掌握和理解[6]。目前，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)GIS實(shí)驗(yàn)只安排了0.4個學(xué)分(12個學(xué)時)的教學(xué)任務(wù)，操作軟件采用目前主流的ArcGIS。在這樣的實(shí)驗(yàn)課時安排下，學(xué)生不可能熟練操作GIS軟件，并用以解決林業(yè)生產(chǎn)中的所有問題。筆者針對課時要求只設(shè)計了6次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(表1)。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間未實(shí)現(xiàn)無縫對接，內(nèi)容跨度較大，有些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只能使用事先準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對學(xué)生來說，這些數(shù)據(jù)是陌生的，實(shí)驗(yàn)項目之間是相互孤立的，缺乏系統(tǒng)性。學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后并不明白這幾個實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，以及實(shí)驗(yàn)的目的，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低，極大地影響了實(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)生采集少量數(shù)據(jù)，沒有對相鄰小班、需要切割或整形小班、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的數(shù)據(jù)是否正確，精度是否滿足要求。因此，學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)沒有收到預(yù)期的效果。

表1　林學(xué)專業(yè)GIS實(shí)驗(yàn)課程安排

2.3課程銜接不緊密安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)在2012年本科人才培養(yǎng)方案中，將GIS課程安排在第4學(xué)期，其核心基礎(chǔ)課測量學(xué)也在第4學(xué)期開課。學(xué)生在課程涉及地形圖、坐標(biāo)系統(tǒng)等方面內(nèi)容時，理解起來比較困難，需要補(bǔ)上這些知識。林學(xué)的專業(yè)課在第5、6學(xué)期開設(shè)，如森林資源管理，在以林地小班、小班屬性為例進(jìn)行講解的時候，學(xué)生也缺乏對這些專業(yè)術(shù)語的理解。課程之間銜接的不密切嚴(yán)重阻礙了學(xué)生對GIS在林業(yè)上應(yīng)用的準(zhǔn)確掌握。

3教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計與改革

3.1選擇合適的GIS教材目前出版的GIS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教材?？紤]到與GIS專業(yè)在教學(xué)目標(biāo)、背景知識、學(xué)生理解、應(yīng)用范圍等方面存在很大的差異，選擇GIS教材時，傾向于與林業(yè)相配套的教材。考慮到理論教學(xué)的時間，把與林業(yè)相結(jié)合的教材作為主要參考書，結(jié)合筆者自編的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，實(shí)現(xiàn)理論知識與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)統(tǒng)一。

3.2多媒體課件的制作多媒體教學(xué)以明顯的優(yōu)勢已逐步改變了傳統(tǒng)教學(xué)方法，成為現(xiàn)代化教學(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)，然而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)仍然是不可缺少的授課方式。GIS的核心內(nèi)容是以計算機(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，大部分GIS內(nèi)容難以在課堂上消化掉，這就要求教師在制作多媒體課件時，要做到圖文并茂、動靜結(jié)合，用圖片、音頻、視頻、動畫等多種方式把教材中枯燥的文字信息展示出來，吸引學(xué)生的注意力，提高課堂教學(xué)效果。

3.3教學(xué)時間的合理安排面向林學(xué)專業(yè)的學(xué)生，在講授GIS理論內(nèi)容時，應(yīng)充分結(jié)合林學(xué)的專業(yè)知識，同時要求學(xué)生具有較好的測量學(xué)知識儲備，因此這門課的開課時間應(yīng)該設(shè)置在三年級第2學(xué)期測量學(xué)及林學(xué)專業(yè)課程開設(shè)之后，這樣學(xué)生可以更好地理解空間數(shù)據(jù)所涉及的坐標(biāo)系統(tǒng)、高斯克呂格投影、林地數(shù)據(jù)庫等內(nèi)容，取得較好的教學(xué)效果。在理論課與實(shí)驗(yàn)課的學(xué)時比例上，建議把理論課32學(xué)時調(diào)整為26學(xué)時，將實(shí)驗(yàn)課增加到18學(xué)時，按照理論課內(nèi)容合理安排實(shí)驗(yàn)時間。

3.4教學(xué)內(nèi)容的組織充分考慮GIS在林業(yè)中的實(shí)際運(yùn)用，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心組織，突出重難點(diǎn)，如林地數(shù)據(jù)的采集、傳統(tǒng)林地管理方式到林地數(shù)據(jù)庫管理的轉(zhuǎn)變過程、林地小班變更的方法、林業(yè)專題圖制作等內(nèi)容要詳細(xì)講解，而林地空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計、森林資源信息管理平臺的開發(fā)等內(nèi)容只要求了解。GIS課程理論性較強(qiáng)，理論教學(xué)中的很多內(nèi)容單純用課件無法在課堂上講解透徹，需要通過軟件操作來加強(qiáng)學(xué)生的理解。如講授空間數(shù)據(jù)的空間特征和屬性特征時，可以在軟件里加載某縣森林資源圖形數(shù)據(jù)，并打開屬性表查看每個小班對應(yīng)的屬性字段。

4實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計

針對目前存在的問題，筆者把林學(xué)專業(yè)的GIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計為一般性實(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)計為18學(xué)時。從這3個模塊來建立層次漸進(jìn)、內(nèi)容深入綜合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[4]，具體模塊劃分見表2。

4.1一般性實(shí)驗(yàn)主要訓(xùn)練學(xué)生操作ArcGIS軟件的能力，訓(xùn)練內(nèi)容包括地形圖配準(zhǔn)、圖層建立、空間參考設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、屬性編輯、圖層合并、數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查等。

4.2分析性實(shí)驗(yàn)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)，其內(nèi)容包括點(diǎn)、線、面實(shí)體類型緩沖區(qū)的建立，DEM生成及地形因子的提取，林地小班圖層與相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的疊加分析操作，造林樹種候選地的選擇等。

4.3綜合性實(shí)驗(yàn)以安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校園為例，采用分組形式，組員之間配合，實(shí)驗(yàn)步驟為校園地形圖的配準(zhǔn)-數(shù)據(jù)采集-拓?fù)錂z查-空間數(shù)據(jù)庫建立-林業(yè)專題圖制作。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，訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用GIS知識解決林業(yè)相關(guān)問題的能力。

考慮到數(shù)據(jù)量，在一般性實(shí)驗(yàn)和分析性實(shí)驗(yàn)中，筆者借鑒湯國安教授《ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程》的一些案例[7]，以某鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林資源和相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為操作對象，每位學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，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)報告進(jìn)行打分，準(zhǔn)確評定學(xué)生在GIS實(shí)驗(yàn)課中的表現(xiàn)及對ArcGIS軟件的掌握程度。

表2　林學(xué)專業(yè)GIS實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計

5結(jié)語

GIS在林業(yè)信息化、地籍管理、環(huán)境工程、城市規(guī)劃、資源配置等方面已得到廣泛應(yīng)用[8]。高等學(xué)校的非GIS專業(yè)課程教學(xué)應(yīng)與時俱進(jìn)，采取與林業(yè)緊密結(jié)合的多樣化教學(xué)方法，改革和優(yōu)化教學(xué)方法，加強(qiáng)對學(xué)生GIS基本技能的掌握和分析應(yīng)用能力的培養(yǎng)，激發(fā)林學(xué)專業(yè)學(xué)生對GIS課程的興趣，培養(yǎng)面向林業(yè)應(yīng)用的非GIS專業(yè)綜合人才。

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基金項目安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)2014年教學(xué)研究項目(森林經(jīng)理學(xué)科本科課程教學(xué)改革研究，非GIS專業(yè)地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)改革與試驗(yàn)體系設(shè)計)；安徽省省級教學(xué)研究項目(2014jyxm085)。

作者簡介唐雪海(1983- )，男，安徽阜陽人，講師，博士，從事森林資源動態(tài)監(jiān)測研究。

收稿日期2016-04-18

中圖分類號S-01

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)15-278-03

Course Teaching Reform and Experimental Design of Geographic Information System in the Specialty of Forestry

TANG Xue-hai, HUANG Qing-feng, ZHANG Li-ping

(School of Forestry and Landscape, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230036)

AbstractAccording to the course characteristics and basic teaching target of Geographic Information System, we preliminarily discussed on how to effectively stimulate the learning interest of students in the Specialty of Forestry, to cultivate the innovative thinking of students, and to enhance the students' ability of practice. Therefore, reform and innovation of course teaching were promoted, so as to enhance the teaching quality of this course, and to cultivate forestry specialized personnel with solid theoretical foundation and practical ability.

Key wordsGeographic Information System; Teaching reform; Experimental design