服務于林業(yè)應用的“遙感與地理信息系統(tǒng)”課程教學改革初探

沈文娟

(南京林業(yè)大學 林學院，江蘇 南京 210037)

2019年11月，《國家林業(yè)和草原局關于促進林業(yè)和草原人工智能發(fā)展的指導意見》提出全面推動人工智能技術在林草業(yè)中的應用，建設智慧林草，為全面建成小康社會、建設生態(tài)文明和美麗中國作出新貢獻。就森林生態(tài)系統(tǒng)而言，借助多源遙感和信息技術，運用先進的算法與技術，監(jiān)測森林變化，實現(xiàn)森林健康評價[1]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在實現(xiàn)碳中和目標中扮演著越來越重要的角色，并提升了在應對氣候變化中的地位和作用。林業(yè)承擔國家生態(tài)建設和提供社會、經(jīng)濟所需供給的重要任務，做好林業(yè)的調查與監(jiān)測工作意義重大。

遙感與地理信息技術結合大數(shù)據(jù)、人工智能技術，使得林業(yè)調查與監(jiān)測從傳統(tǒng)的人力密集型逐漸向智慧型轉變。林業(yè)人在進行森林資源調查、林業(yè)有害生物監(jiān)測、森林防火等林業(yè)工作時，逐漸從投入大量的人力物力中解放出來。通過加強培訓學習，深化和推動現(xiàn)代化的遙感技術(如無人機、雷達探測)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、大數(shù)據(jù)、深度學習等新技術在林業(yè)生態(tài)建設中的創(chuàng)新應用，大大降低了人工作業(yè)量，并能夠有效監(jiān)測森林資源動態(tài)，預防森林病蟲害和森林火災發(fā)生，從而推動了林業(yè)高質量發(fā)展[2-3]。

傳統(tǒng)的林業(yè)監(jiān)測調查通常以耗時耗力的外業(yè)為主，缺乏地理與遙感空間信息采集、分析與監(jiān)測的環(huán)節(jié)，在時效性上很難滿足林業(yè)資源快速監(jiān)測的需求，因而在實際的林業(yè)生產(chǎn)實踐中要更好地發(fā)揮作用還需與智能化、信息化的技術進行緊密結合[3-4]。伴隨著地理學、計算機技術、遙感技術和地圖學等學科的快速發(fā)展，數(shù)字林業(yè)、智慧林業(yè)、精準林業(yè)等理念的廣泛提及，南京林業(yè)大學針對涉林學科及專業(yè)(林學、水土保持與荒漠化防治、森林保護)本科生培養(yǎng)計劃方案，分別開設了“林業(yè)遙感”“遙感與地理信息系統(tǒng)”“地理信息系統(tǒng)”等專業(yè)課，主要目標是讓學生更好地了解和掌握遙感與地理信息系統(tǒng)基礎與前沿知識及軟件操作技能，服務于林業(yè)應用。南京林業(yè)大學是一所以林科為特色、以多學科為優(yōu)勢的多科性大學。林學作為重點學科，是江蘇省品牌專業(yè)，依托于林學實驗中心，開展了精準林業(yè)與數(shù)字林業(yè)的長期監(jiān)測與試驗工作。因此，林學學科的“遙感與地理信息系統(tǒng)”課程主要以遙感和地理信息系統(tǒng)基礎、分析與處理為主，在此基礎之上實現(xiàn)兩者的結合，并實現(xiàn)林業(yè)領域的多種應用，為數(shù)字林業(yè)與精準林業(yè)等行業(yè)發(fā)展以及生態(tài)文明建設提供人才保障。

1 課程教學現(xiàn)狀

“遙感與地理信息系統(tǒng)”課程屬于交叉性學科，涵蓋“3S”技術等知識的交融。然而研究教學大綱發(fā)現(xiàn)課程教學設置時容易將遙感與GIS互成體系，在教學內(nèi)容、方法及實踐等方面未能緊密結合并挖掘各自的林業(yè)應用需求?；コ审w系的教學模式很難滿足林科背景下人才培養(yǎng)的需求。另外，教學人員知識儲備的差異致使學生缺乏對課程的關注，難以提升學生對課程的興趣，因而也降低了其從事相關課程學習的可能性。上述現(xiàn)狀造成課程教學無法與現(xiàn)代林科人才培養(yǎng)和學科發(fā)展的需求同步，因此需要對于遙感與GIS課程教學進行改革，以便改善教學大綱，實現(xiàn)人才培養(yǎng)優(yōu)化[5]。

2 教學改革

2.1 提高授課人員素養(yǎng)

林學學科“遙感與地理信息系統(tǒng)”課程的開設需配備具有相應專業(yè)背景的教師。此類任課教師既需要有遙感、GIS、地圖學專業(yè)背景，還需要有林學知識儲備。因此，理想的專任教師應具有如下專業(yè)背景：即地圖學與地理信息系統(tǒng)、森林經(jīng)理學、林學等，但實際上，同時具備多學科背景的專任教師數(shù)量不多。為了更好地勝任課程，任課教師需要投入大量的精力與時間用于備課?；诖耍P者總結出如下幾點提升授課人員備課效率的策略：(1)選取合適的教材與教輔資料，并總結編撰適合該課程的新教材；(2)主動學習校內(nèi)外相關任課教師的教學內(nèi)容、方式與方法，比如利用愛課程平臺；(3)積極參加GIS、遙感與林學高校論壇、高校講課競賽、行業(yè)研討等；(4)參加教學改革項目，積極總結經(jīng)驗，探索豐富課堂教學的策略；(5)利用網(wǎng)絡或者國外課題組資源，參照他人的教學形式進行學習轉化。南京林業(yè)大學林學院已有教師獲得了專業(yè)領域講課競賽的獎項，達到了鍛煉與培養(yǎng)的目的；還有教師建設金課、慕課、精品課程與雙語課程等，執(zhí)行多種教學項目，以及編撰林業(yè)領域專業(yè)教材。以此為基礎，為后續(xù)的進一步改革提供借鑒與引領。

2.2 改革教學內(nèi)容

遙感與GIS課程教學是林業(yè)信息監(jiān)測的理論與實踐基礎。通過該課程的理論和實踐教學，使本科階段畢業(yè)就業(yè)的學生能夠繼續(xù)將其所學的遙感與GIS技術及理念應用到林業(yè)實際生產(chǎn)中；使繼續(xù)攻讀學位的研究生能夠夯實專業(yè)基礎，發(fā)掘更多的遙感與地理信息技術及其林業(yè)應用的科學研究價值，為數(shù)字林業(yè)與精準林業(yè)發(fā)展提供理論與技術指導。

2.2.1 理論教學內(nèi)容改革

林學學科遙感與GIS課程內(nèi)容通常沿用這兩門課程的知識點，通過這些內(nèi)容的確能夠了解并掌握遙感和GIS原理與方法，但是難以與林業(yè)院校林學人才培養(yǎng)目標緊密掛鉤。以往的遙感與GIS課程實行內(nèi)容分開講授[6-7]，內(nèi)容之間連貫性不強，拼湊痕跡嚴重；而且內(nèi)容陳舊，缺乏林業(yè)應用需求及框架設計，很難實現(xiàn)技術與林業(yè)應用的有效融合。

鑒于上述問題，筆者提出“基礎—新理念—新方法—創(chuàng)新應用”的多維度教學內(nèi)容體系，搭建教學框架，面向實際應用(就業(yè))和科學研究(升學)的不同需求分別有所調整。通過突出重點內(nèi)容，合理引導，培養(yǎng)學生的學習興趣與鉆研科學的精神，最終實現(xiàn)教學與人才培養(yǎng)并舉。具體概念圖如圖1所示，實施內(nèi)容如表1所示。該教學內(nèi)容體系重點描述了遙感與GIS及其林業(yè)應用，以遙感基礎為培養(yǎng)重點，鋪開陳述地理信息相關知識，以林業(yè)應用為需求導向，以科學思維培養(yǎng)為重點，構建林學學科遙感與地理信息系統(tǒng)課程教學改革框架，實現(xiàn)多源遙感、地理信息數(shù)據(jù)與先進算法融合與集成解決林業(yè)需求的目標。

表1 教學內(nèi)容體系改進的具體情況

圖1 基于“基礎—新理念—新方法—創(chuàng)新應用”

以遙感圖像分類的知識點為例，參照大綱內(nèi)容，該章節(jié)的重點內(nèi)容為監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類。其中監(jiān)督分類主要講解最大似然法和最小距離分類法，非監(jiān)督分類主要介紹K均值算法和ISODATA迭代自組織算法。然而隨著多源中高分辨率遙感數(shù)據(jù)的出現(xiàn)與智能技術的發(fā)展，目視解譯技術與傳統(tǒng)的分類方法已經(jīng)不能滿足快速、精準的林業(yè)發(fā)展需求。筆者在教學過程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)今的大學生對于前沿知識的接收度高、吸收能力強，對于新技術有濃厚的興趣。因而筆者以AlphaGo人機大戰(zhàn)為例，引入深度學習技術，進而延伸到林業(yè)監(jiān)測。針對森林精細識別的主題，引導學生討論分析。然后以筆者所提供的案例穿插講解知識點，揭示在人工智能算法層出不窮的情況下，學生應該牢固地掌握基礎知識，謹記在解譯與分類時解譯者專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)的重要性，以及在智能化監(jiān)測中人扮演的重要角色?？傊诶碚摻虒W的基礎上實現(xiàn)培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識的目標，使學生養(yǎng)成在知識認知時不唯書本且要超越書本的精神，緊跟林業(yè)發(fā)展動向，服務國家發(fā)展需求。

2.2.2 實踐教學內(nèi)容改革

遙感與GIS課程實驗教學通常采用教師演示為主的方式，學生模仿跟蹤每個實驗專題消化理論知識使之轉化為動手能力，這為學生求學與求職奠定了實踐基礎。通常實驗主要圍繞遙感與GIS軟件，如ArcGIS、ENVI、EARDAS等，結合一些實踐專題進行訓練并撰寫實驗報告。隨著多源數(shù)據(jù)、人工智能、大數(shù)據(jù)等理念的興起，林業(yè)信息化要求越來越高，簡單的軟件操作教學已經(jīng)不能滿足多數(shù)據(jù)源聯(lián)合、海量數(shù)據(jù)的處理需求，因而順應形勢需要培養(yǎng)學生的信息處理能力，使其具備獨立解決不同的實踐問題的能力。當前實驗教學需要關注與改善之處，筆者認為應該從以下幾方面著手：

(1)夯實傳統(tǒng)實驗教學基礎，提倡新理念與新技術的應用。傳統(tǒng)的實驗教學內(nèi)容主要依托專業(yè)軟件開展地圖、航片與影像等的認知，并進行簡單的圖像處理與分類操作。內(nèi)容通常較為清晰，但形式較為單一。遙感實驗通常與林業(yè)應用關聯(lián)度較高，而地理信息系統(tǒng)實驗主要有住房選址分析、棲息地選擇、水文分析和路徑分析等，未見明顯的與林業(yè)應用的結合。但是對于林學專業(yè)來說，只有緊扣林業(yè)發(fā)展組織實驗教學，才符合學科交叉動向。筆者建議基于林業(yè)監(jiān)測的野外實驗和內(nèi)業(yè)操作，結合表1和圖1所示的改進內(nèi)容，重點加強以下知識的學習：①多途徑的圖像預處理技術平臺，如ENVI/IDL、Matlab、QGIS、Python、R等；②人工智能與深度技術用于圖像分析；③自動化圖像處理與分析技術；④開源矢量與柵格空間數(shù)據(jù)運用；⑤大數(shù)據(jù)與云平臺技術。筆者以森林變化識別項目作為一個實驗案例[8]，具體如圖2所示。該案例指導學生基于多源遙感圖像(光學和雷達)獲取時間序列范圍內(nèi)的森林與非森林圖像，并將這些圖像中的持續(xù)非森林類別與森林類別按照時間序列空間疊置分析進行制圖顯示，從而實現(xiàn)造林的識別與制圖。在該實驗中不僅讓學生充分認識遙感圖像目標識別、GIS空間分析與統(tǒng)計運算等，還能使其理解林業(yè)信息大數(shù)據(jù)與智能化知識，如海量遙感數(shù)據(jù)讀取與分析、并行處理、GEE云平臺存儲與分析等。

圖2 森林變化識別的流程圖[8]

(2)探索面向就業(yè)的實踐新方式。面向就業(yè)的實驗教學通常最具有實際價值，也是準備就業(yè)的學生更為關注的事情。比如以南京松翠園林公司的項目為例，據(jù)筆者了解，該公司主要從事林地征占用、林業(yè)核查等工作。征占用主要是勘察林業(yè)項目的紅線，涉及公益林等林地的數(shù)量，統(tǒng)計采伐樹木的面積與蓄積。林地核查主要核查造林的面積規(guī)格是否達標。在實驗教學中，筆者組織學生去該公司進行為期一周的參觀學習，實踐學習的主要內(nèi)容包括遙感影像的判讀、目視解譯、野外調查等，提高實踐能力，為就業(yè)增添砝碼。

(3)確立新的實驗評價機制。除了使用課程實驗報告作為評價學生實驗掌握的程度外，可借用一些林業(yè)遙感與GIS專題專業(yè)競賽來提升學生的動手能力。同時，可將創(chuàng)新設計、論文撰寫、科普宣傳、小視頻創(chuàng)作等作為考核評價項目，以實現(xiàn)評價形式的多樣化，可占實驗評價比例的50%。

2.3 改進教學方法

(1)以多媒體教學為主，穿插現(xiàn)代信息技術手段，實現(xiàn)多種教學手段整合。將圖片、動畫、視頻等貫穿在教學中，使得教學形式更為靈動，將深奧的專業(yè)知識轉化為淺顯易懂的知識點。另外，網(wǎng)絡課程資源豐富且全面，大學生MOOC建設、雨課堂、知網(wǎng)講座、騰訊講堂、B站學習視頻等在線課程，將國內(nèi)外知名學校及科研教育機構最具特色的學科知識、技術心得、學習經(jīng)驗等進行資源共享，不斷縮小學生對于前沿知識接觸的差距，將枯燥無味的知識進行多樣式的轉化。筆者在課堂教學時多選用遙感與地學類的國家級MOOC資源，通過與林業(yè)應用整合與改進，針對學生背景不同及知識點掌握的差異，開展有針對性的教學。

(2)以專題案例介紹為主，通過分組主題討論，培養(yǎng)學生的集體協(xié)作、創(chuàng)新思維與能力。比如從行業(yè)頂級學科期刊選取近年來有學科代表性的案例，因為上述期刊所呈現(xiàn)的綜述內(nèi)容、方法、技術與應用能代表行業(yè)最權威的創(chuàng)新思路。通過閱讀文獻，學習他人的先進理念，并進行消化轉化，這是培養(yǎng)科研思維最便捷的方式，也是幫助學生接觸前沿科學最直接的途徑[9]。筆者在文獻案例選擇時通常結合當下國內(nèi)國際時事，避免造成學生的聽覺疲勞；同時考慮本科生對于知識的認知還比較淺，選用的文獻難易適中，主要從摘要、前言、研究領域方面展開，理解方法的物理含義，進而逐步推進。

(3)開展雙語教學。比如，在專業(yè)課知識講授時，配上英文標注。此外，選擇與課程相關的文獻和外文書籍，訓練閱讀能力，強化學生專業(yè)英語學習的能力。現(xiàn)有的專業(yè)軟件以英文版居多，遙感與地理信息數(shù)據(jù)源、處理平臺起源國外，提高專業(yè)英語水平既能幫助學生熟練使用軟件，也有利于他們掌握國際前沿動向[10]。筆者在教學時會重點要求學生掌握專業(yè)術語，主要采用英文標注的顏色突出顯示、板書時著重強調、有針對性地強調實驗內(nèi)容等形式，通過反復訓練加深記憶。反饋證明該方式使得學生學習目的更為明確，學習效果良好。

(4)通過講座的形式拓展傳統(tǒng)課堂，使課堂教學形式呈現(xiàn)多元化，提升課堂教學內(nèi)容的層次性。在整個教學過程中可設置1—2次講座。網(wǎng)絡講座、培訓或者其他院校的專業(yè)講座都可以作為選擇的對象，如武大、北大、北師大定量遙感暑期學校，灣區(qū)GeoInsiderWebinar、武漢大學GeoScience Cafe系列在線或線下講座等。網(wǎng)絡視頻回放或者推送講座信息的形式較為方便快捷，教師依據(jù)這些全面描述科研理念與方向的重要素材，給學生補充知識點，可以有效擴大學生視野，把學生從書本中解放出來，擴寬知識面，為未來職業(yè)規(guī)劃做好鋪墊。

(5)以課后興趣培養(yǎng)為引導，培養(yǎng)學生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新技能。指導學生參加學科競賽、撰寫專業(yè)論文、發(fā)明創(chuàng)造等。以往的教學評價主要以作業(yè)完成度、出勤率、考試成績來衡量，現(xiàn)在可引導學生參加多種學科競賽、創(chuàng)新比賽，重點培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維，與課程關聯(lián)的表現(xiàn)都將作為考評指標，為此從考試的考評比例中分出10%作為權重。省級或校級大學生創(chuàng)新是一項很好的實踐鍛煉項目，每年均有本科生申報參與這類項目。在項目的實施過程中，學生能夠獨立收集資料，運用所學撰寫科研論文，動手發(fā)明創(chuàng)造，訓練創(chuàng)新思維，為后續(xù)的求職求學提供了多種可能。

3 結語

為了落實上述教學改革的措施，南京林業(yè)大學林學院結合學校與學科的實際情況，重新編寫了課程與實驗講義，并在“老帶新”的模式下，形成了教師教學水平梯度，通過分享各自的教學經(jīng)驗，共同探討林學學科“遙感與地理信息系統(tǒng)”課程教學改革，逐步提高理論與實踐教學的水平。目前，“遙感與地理信息系統(tǒng)”課程改革已經(jīng)取得一定效果，未來仍需在以下三個方面作出更多的努力：

(1)融入課程思政，提升育人功能。在專業(yè)課中融入思政內(nèi)容，把大學生培養(yǎng)成有本領、有情懷、有擔當?shù)纳鐣髁x建設者，已成為社會共識，因此，在“遙感與地理信息系統(tǒng)”課程中，不但要結合林業(yè)行業(yè)的需求，還要充分挖掘其中的思政元素，努力實現(xiàn)立德樹人的目標。

(2)推動學科交叉，創(chuàng)新教學理念。引入多學科交叉的理念，重點培養(yǎng)學生關注地理信息和遙感技術的最新發(fā)展動態(tài)，不斷學習地理空間智能，重視研究信息學、計算機科學和空間工程中地理信息系統(tǒng)和遙感之間的協(xié)同作用，以及它們在林業(yè)領域與其他系統(tǒng)(人類系統(tǒng)、物理系統(tǒng)和網(wǎng)絡空間)交互的應用[11]。

(3)緊扣學科熱點，助力林業(yè)發(fā)展。緊跟國家與國際層面地理信息與遙感技術學科前沿知識，全面剖析問題與機遇，不斷深入了解時空大數(shù)據(jù)分析、不確定性建模和地理可視化以及人工智能等，學習和利用遙感數(shù)據(jù)集、解譯及其處理技術，協(xié)同兩者的優(yōu)勢與潛力為林業(yè)發(fā)展的新機遇提供先進理念與科學支撐。