林學專業(yè)“GIS導論”課程教學改革初探

(西北農林科技大學林學院，陜西楊凌 712100)

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，簡稱GIS)是對空間數(shù)據(jù)進行采集、存貯、加工和分析的計算機軟硬件系統(tǒng)，是從地圖學基礎上發(fā)展起來的，融合計算機科學、地理科學、測繪科學和數(shù)理統(tǒng)計等學科的交叉學科[1]。近20年，GIS技術蓬勃發(fā)展，已經(jīng)在我國各行各業(yè)得到了廣泛的應用，尤其在自然資源調查和管理中已經(jīng)成為不可或缺的技術手段。另外，隨著近5年智能手機的普及，GIS技術通過地理位置服務(location based service，簡稱LBS)已經(jīng)與人們的日常生活息息相關。

西北農林科技大學從1999年開始就為林學專業(yè)開設了“GIS導論”課程，并且伴隨著GIS技術的不斷發(fā)展，該課程教學內容和教學方法也與時俱進，不斷地進行改革創(chuàng)新[2]，取得了顯著的教學和科研成果，為GIS技術在林業(yè)的應用培養(yǎng)了大批人才。

一、林學專業(yè)“GIS導論”課程教學存在的問題

目前，西北農林科技大學的“GIS導論”課程總體框架依然沿用了傳統(tǒng)的教學模式。首先，教師在“GIS導論”理論課課堂上，講述GIS的核心理論知識；其次，在“GIS導論”實驗課上，教授學生如何使用ArcGIS軟件。但是，目前存在以下3個方面的問題。

(一)部分核心理論知識與ArcGIS軟件的應用之間沒有直接聯(lián)系

“GIS導論”課程的部分核心理論知識與ArcGIS軟件的應用之間沒有直接聯(lián)系。比如，柵格數(shù)據(jù)結構編碼(包括游程長度編碼、塊狀編碼和四叉樹編碼)和矢量數(shù)據(jù)結構編碼(拓撲結構編碼)是“GIS導論”課程的核心理論知識，需要花費2～4個課時詳細講解。但是，在實際ArcGIS軟件操作中，學生只需要掌握柵格和矢量的區(qū)別、弄清何為拓撲關系，就能很好地使用ArcGIS軟件，基本上體會不到編碼方式的存在。

另外，有些理論，譬如高斯克呂格投影，盡管教材上沒有提及，但卻是GIS軟件使用的起點知識，教師不得不加以講授、補充。這就造成“能用上的知識沒時間講，用不上的知識講了一大堆”的現(xiàn)象發(fā)生。歸根結底，是因為目前林學專業(yè)使用的GIS教材核心理論知識都源自GIS專業(yè)的經(jīng)典教程，而林學專業(yè)學生沒有相應的前導課程和知識結構作鋪墊。因此，有必要對林學專業(yè)“GIS導論”課程的教材和教學內容做必要的改革。

(二)實驗課時嚴重不足

30學時的“GIS導論”理論課程基本上能夠完成核心理論知識的詳解和外延知識的引導。10學時的“GIS導論”實驗課程要教會學生使用ArcGIS軟件的全部功能基本上是不可能的，往往還需要學生和教師額外投入30～50學時的時間來達到實驗教學的要求。同時，由于學生的計算機應用基礎知識參差不齊，導致學生對ArcGIS軟件的掌握和操作能力差異大，個別學生需要更多的時間來完成實驗作業(yè)，致使實驗課時嚴重不足。

(三)GIS知識和技能的深度和廣度不夠

學以致用是任何一門課程的終極目標。在近5年的林業(yè)“GIS導論”課程考試當中，“GIS導論”課程組都會特意加1～2道論述題來考查學生將GIS用于林業(yè)當中的想法和思路，但考試效果并不理想。對部分在本校繼續(xù)攻讀研究生的學生在科研當中對GIS的使用情況的調查，筆者發(fā)現(xiàn)學生對GIS的使用一般都停留在簡單的空間分析階段(空間疊置分析和數(shù)字高程模型表面分析)。追根溯源，主要是學生在“GIS導論”課程學習過程中，對GIS的一些高端分析工具不了解，如地統(tǒng)計和ArcPy工具。同時，由于目前的實習軟件ArcGIS本身是一個通用性的平臺軟件，缺乏與林業(yè)應用有關的功能模塊，致使學生掌握GIS知識和技能的深度和廣度不夠。因此，如何在有限的時間和有限的軟硬件條件下，讓學生學到更多的GIS分析功能，了解到更多的林業(yè)應用實例，是“GIS導論”課程需要解決的問題。

二、林學專業(yè)“GIS導論”課程教學改革的措施

(一)調整課程使用教材，優(yōu)化教學內容

“GIS導論”課程組在近3年的教學當中，調整了教材內容，將Kang-tsung Chang著、陳健飛等翻譯的《地理信息導論》和Maribeth Price著、李玉龍等翻譯的《ArcGIS地理信息教程》2部國外引進教材作為學生的課外輔助教材。在授課內容上也逐步向這2部教材過渡。該2部教材的特點是以ArcGIS軟件的操作為線索，在軟件的使用中講述必備的GIS理論知識，從而實現(xiàn)GIS理論教學和軟件操作的有機結合，淡化了傳統(tǒng)GIS的部分核心理論知識。同時，“GIS導論”課程組結合林業(yè)的GIS應用場景，對ArcGIS的分析工具進行了取舍和側重，比如重點講述了空間疊置分析(多用于立地分類研究和制圖)、緩沖區(qū)分析(多用于森林病蟲害傳播研究)、數(shù)字地形分析(多用于林業(yè)資源和生態(tài)因子與坡度坡向的關系研究)，弱化了網(wǎng)絡分析功能(因為ArcGIS對該功能的實現(xiàn)在林業(yè)使用難度較大頻率較低)；舍棄了地統(tǒng)計功能中大部分功能(因為除了插值計算外其他功能并不適合本科教學)。

另外，“GIS導論”課程組在授課內容中添加了無人機影像處理技術和激光雷達點云處理技術，賦予該課程最前沿的技術內容，頗受學生的歡迎。

(二)按照由淺入深將理論知識分為兩部分，分階段開展教學

由于林學專業(yè)沒有GIS相關的前導課程，所以GIS理論知識部分的一些有難度的算法，例如四叉樹編碼、最短路徑算法、面向對象的空間數(shù)據(jù)庫等內容，學生往往難以接受。因此，“GIS導論”課程組嘗試將理論知識分為2部分來講：第一部分只講和ArcGIS軟件入門操作相關的理論知識；第二部分在學生對GIS有了感性認識后，再深入講解有難度的內容。具體分段安排見表1。

在第二部分“綜合案例分析”章節(jié)，“GIS導論”課程組刻意設計了地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和遙感系統(tǒng)(RS)的綜合運用案例。以陜西永壽馬蓮灘林場的造林規(guī)劃為目標，先用RS進行土地利用現(xiàn)狀解譯，再用GPS進行現(xiàn)地驗證，最后用GIS進行立地分析，充分做到了“適地適樹”，體現(xiàn)了“3S”技術在現(xiàn)代化林業(yè)中的應用潛力，增大了GIS空間分析功能在林業(yè)中的應用深度，從林分立地質量和森林景觀格局角度為林業(yè)規(guī)劃提供了量化依據(jù)，從而提高了學生的GIS技術綜合應用能力。

表1 “GIS導論”課程分階段開展理論知識教學的內容安排

(三)根據(jù)實驗內容和任務不同，對學生提出不同的要求

由于學生的個體差異以及只有10個小時的實驗課時，致使最好的學生也不能徹底完成“GIS導論”實驗課的教學目標。因此，“GIS導論”課程組根據(jù)學生理論課堂學習情況，將學生每3人分為一組，并選出該組對GIS領悟最好的學生擔任組長，讓3人集體完成一份實驗。比如，“林相圖的數(shù)字化”實驗，由于學生剛開始接觸GIS軟件，在坐標系的定義和拓撲生成面時，部分學生會力不從心，但是3人一組，學生通過互相討論和幫助，使實驗進度明顯加快。教學結果證明，3人一組克服了GIS建庫工作量大的問題，同時3人一組學生自主解決問題的能力大大增強，激發(fā)了學生的創(chuàng)造力，完全可以在10個小時的實驗課時間內完成教學目標。但是，這樣會導致部分學生偷懶，無法體現(xiàn)學生的能力差異，因此針對不同的實驗內容，筆者做了不同的安排，具體情況見表2。

表2 “GIS導論”課程中實驗教學的組織和安排

(四)組建GIS興趣小組

盡管ArcGIS軟件功能強大，是目前大部分高校GIS課程的首選軟件，但是畢竟是GIS通用軟件，沒有與林業(yè)相關的功能模塊，限制了ArcGIS軟件在林業(yè)中應用的深度。為此筆者提出如下解決辦法：①購買專門的林業(yè)GIS軟件作為教學的補充軟件；②根據(jù)學生的興趣和需求在ArcGIS的基礎上二次開發(fā)需要的與林業(yè)相關的功能模塊。第一種解決辦法其實不太可取，首先經(jīng)費受限；其次未必滿足林學專業(yè)高年級本科生的要求。第二種解決辦法是考慮各種實際情況的最可取的解決方案。“GIS導論”課程組每年都會從GIS的林業(yè)應用出發(fā)，組建多個2～3人GIS興趣小組，解決ArcGIS軟件的二次開發(fā)問題。在“GIS導論”課程開始之初，授課教師為每個小組設立一個切實可行的小目標(如林相圖的自動渲染、屬性表中非測量因子的自動計算、森林生態(tài)景觀指標的自動計算等)，然后學生在教師的指導下，通過一個學期的學習和摸索實現(xiàn)小目標或者超越小目標。教學實踐證明，只要學生有興趣、肯鉆研，就能完成相關的教學任務。

(五)鼓勵學生使用開源GIS軟件

目前，ArcGIS軟件幾乎壟斷了中國的GIS教學和科研領域，一方面不利于中國GIS行業(yè)的健康發(fā)展，另一方面限制了學生對GIS理論知識的理解(畢竟不同的軟件對GIS的實現(xiàn)方式不同，每個軟件都有自己的設計思路)。因此，“GIS導論”課程組鼓勵學生自學和使用開源GIS軟件完成實驗教學任務。

在“GIS導論”實驗課上，學生可以在ArcGIS軟件和開源GIS軟件二選一，也可以同時使用這兩種軟件進行實驗。教學實踐表明，部分學生不但用ArcGIS完成了5個教學實驗，而且還觸類旁通用開源的QGIS完成了與ArcGIS軟件同樣的任務。這將有助于學生加深對GIS核心理論知識的理解，也為日后的工作和科研提供一個額外的選項。

開源GIS軟件和GIS工具包近幾年已經(jīng)逐步完善[3]，如果能在“GIS導論”課堂上對學生加以適當引導和鼓勵，那么用開源軟件完成教學實習內容綽綽有余，用開源GIS工具包搭建一個初級功能的GIS平臺也不是不可能，見表3。開源是軟件行業(yè)的大勢所趨，有必要在“GIS導論”課程上加以引導和推廣。

三、林學專業(yè)“GIS導論”課程教學改革的效果

(一)學生對GIS理論知識和軟件的掌握程度明顯提高

通過成績分析，筆者發(fā)現(xiàn)學生的“GIS導論”課程考試成績中實踐部分的成績比過去提高了50%。另外，該課程網(wǎng)絡視頻教程的上線，為教師的教學工作節(jié)省了30%的時間，而且大幅度提高了學生對軟件的操作能力。調查顯示，能夠獨立完成GIS空間數(shù)據(jù)庫建立和GIS四大分析功能的學生人數(shù)比過去增加40%，同時所有的學生都在教師的指導下完成了教學實驗任務，掌握了ArcGIS軟件的基本功能。

表3 目前常用的開源GIS軟件和GIS工具包

(二)激發(fā)了學生的自主學習能力和創(chuàng)造力

筆者對學生的實驗報告進行了分析，發(fā)現(xiàn)通過合理的分組，學生的創(chuàng)造力和自主學習能力明顯增強，約50%的學生在制圖階段所使用的技術已經(jīng)超越了“GIS導論”課程課堂講述的內容，制圖效果接近標準的林業(yè)用圖；部分學習小組在完成該課程實驗的基礎上，對GIS空間分析功能進行組合創(chuàng)新，進一步挖掘了GIS在林業(yè)上的應用潛力。同時，分組協(xié)作也加強了學生的團隊意識和合作意識，為學生今后走上工作崗位打好了基礎。

(三)培養(yǎng)了GIS學習和應用的興趣愛好生，帶動了班級的學習熱情

“GIS導論”課程教學改革以來，每學年上課，教師都要求學生自發(fā)成立GIS興趣小組，并對學生進行分組指導。通過這種方式，已經(jīng)培養(yǎng)了50名熱愛林業(yè)GIS學習和應用的興趣愛好生，他們在該課程學習中發(fā)揮了示范帶頭作用，激發(fā)了整個班級學習GIS的熱情，從而實現(xiàn)了課外教學反哺課內教學的效果。例如，“GIS導論”課程組今年組織的2個GIS興趣小組(2人一組，共4人)，其中一組依照國家林業(yè)局《林業(yè)工程制圖標準(2014版)》來制作ArcGIS林業(yè)符號庫，已經(jīng)完成過半，既促進了學生的GIS操作能力，又為后續(xù)的教學和科研解決了一個現(xiàn)實問題；另外一組依照《陜西省森林資源二類調查技術方案》在ArcGIS中設計了一系列的表格和字段，對于一些需要計算的字段(如平均樹高、平均胸徑、材積、生物量等)也利用ArcPy軟件(ArcGIS自帶的Python模塊)開發(fā)了自動填充功能，部分已用于“測樹學”和“森林經(jīng)理”課程。這將有助于GIS在林業(yè)實踐中的應用，提升了學生的學習興趣。因此，“GIS導論”課程組打算繼續(xù)加大對GIS興趣小組的投入力度，目標從簡單到復雜、從應用到開發(fā)，不斷為GIS的林業(yè)應用積累產(chǎn)品，為后續(xù)的GIS教學提供更好的數(shù)據(jù)和現(xiàn)實案例。同時，“GIS導論”課程組也計劃開展以科研為目的GIS興趣小組，充分挖掘ArcGIS的地統(tǒng)計功能在林業(yè)中的應用潛力，為林業(yè)科研單位培養(yǎng)優(yōu)秀的林業(yè)GIS應用研究人才奠定基礎。

資助項目：西北農林科技大學2017年教育教學改革專項項目“仿慕課的課件設計”，項目編號201722。