應用型本科院校GIS專業(yè)人才生態(tài)環(huán)境素養(yǎng)培育探索

陳西，江嶺，王春，黃驍力

（滁州學院 地理信息與旅游學院，安徽滁州 239000）

我國的生態(tài)文明建設(shè)已取得了階段性成果[1]。而當前，生態(tài)環(huán)境素養(yǎng)研究多聚焦在公眾環(huán)境素養(yǎng)，鮮有從應用型人才培養(yǎng)等視角對高校不同專業(yè)學生開展針對性研究，忽視了高校大學生在公眾生態(tài)環(huán)境素養(yǎng)培育中的引導和示范作用。

地理信息系統(tǒng)（GIS）專業(yè)具有綜合性強、學科交叉明顯、應用性廣等特征[2-4]，契合應用型本科院校的應用技術(shù)類型辦學定位和培養(yǎng)應用型人才的辦學目標，成為近20年來我國各大院校相繼開設(shè)的重要專業(yè)之一[2]。在此背景下，本科應用型院校的GIS專業(yè)發(fā)展前景以及應用型人才培養(yǎng)課程教學改革探索和實踐成為研究熱點[5-6]。前期的研究證明，GIS專業(yè)中的空間可視化、空間數(shù)據(jù)管理與平臺開發(fā)等基礎(chǔ)理論與技術(shù)在流域污染物質(zhì)循環(huán)、信息化環(huán)境監(jiān)測、智慧環(huán)境規(guī)劃等生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域有著廣泛的應用前景[7-8]。

但目前，地方生態(tài)環(huán)境建設(shè)成果在可視化和智能化方面展示度較弱。其次，GIS 專業(yè)實驗課程中較少涉及環(huán)境理化實驗或野外科考，沒有很好地反映GIS技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)治理和資源規(guī)劃等方面的應用，更未達到“理論-實踐-應用”相互促進的層面。尤其是在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，如何實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、評估、治理與管理的信息化和智能化，是當今生態(tài)環(huán)境建設(shè)迫切需要解決的問題[9-11]。但受地方本科院?！皟?yōu)勢”學科建設(shè)、特色專業(yè)優(yōu)先發(fā)展以及階段性環(huán)境治理需求等因素的影響，GIS 專業(yè)應用型人才培養(yǎng)與實際生態(tài)環(huán)境素養(yǎng)培育需求間存在矛盾。因此，在地方院校學科專業(yè)發(fā)展的背景下，如何在GIS 環(huán)境素養(yǎng)培育方面制定科學的應用型人才培養(yǎng)模式和目標就顯得尤為重要。

1 GIS 環(huán)境素養(yǎng)培育的基礎(chǔ)內(nèi)容

各院校GIS 專業(yè)學生的生態(tài)環(huán)境素養(yǎng)培育均要堅持“知”“行”合一的基本原則。其中，“知”即學生對生態(tài)環(huán)境問題和環(huán)境保護的認知水平和程度?！靶小笔侵笇W生在認知的基礎(chǔ)上所采取的環(huán)境保護行為。對于GIS 專業(yè)的應用型人才而言，本研究的GIS環(huán)境素養(yǎng)培育將從“基礎(chǔ)環(huán)境素養(yǎng)理論-基本環(huán)境素養(yǎng)技能-綜合環(huán)境素養(yǎng)應用”三個維度循序進行。其中，基礎(chǔ)環(huán)境素養(yǎng)理論包含環(huán)境污染分類和環(huán)境數(shù)據(jù)獲?。换A(chǔ)環(huán)境素養(yǎng)技能包括環(huán)境污染評估、環(huán)境指標數(shù)據(jù)矢量化、環(huán)境指標數(shù)據(jù)建庫與環(huán)境數(shù)據(jù)空間分析；綜合環(huán)境素養(yǎng)應用是指在課外實踐中，針對不同的現(xiàn)實環(huán)境應用情景和不同的需求目標，通過對已有素材的分析與評估，實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的綜合分析與應用。

1.1 基礎(chǔ)GIS 環(huán)境素養(yǎng)理論

理解和掌握基本環(huán)境污染類型是培養(yǎng)基礎(chǔ)GIS 環(huán)境素養(yǎng)的前提，本環(huán)節(jié)內(nèi)容將著重闡述GIS 專業(yè)人才培養(yǎng)需要掌握的基本環(huán)境素養(yǎng)理論（如圖1所示），包括基本環(huán)境污染類型和環(huán)境數(shù)據(jù)獲取基本方法兩個知識模塊，在理論內(nèi)容上能做到緊密銜接，在培養(yǎng)邏輯上做到前后照應。其中，環(huán)境污染按照不同的分類依據(jù)可設(shè)置4 個知識單元和18 個知識點。

圖1 GIS 生態(tài)環(huán)境素養(yǎng)培育體系

環(huán)境指標數(shù)據(jù)獲取部分則重點闡述典型環(huán)境污染類型的數(shù)據(jù)獲取方法，共涉及3 個知識單元和6 個知識點。整體上，數(shù)據(jù)獲取方式將從兩個角度進行講授，分別是理化實驗分析和數(shù)理模型模擬。其中，理化實驗分析內(nèi)容需要一定的環(huán)境化學知識基礎(chǔ)，難度較大，教學時可簡要概括，并播放相關(guān)視頻進行輔助教學，該部分內(nèi)容不必講解過細。課后可附上相關(guān)理化實驗方法、教學視頻和精品慕課等鏈接，供學生課后自主學習。數(shù)理模型方面則主要借助各類數(shù)理模型，對國家公布的各類環(huán)境指標調(diào)查數(shù)據(jù)、污染源排放清單、自然和社會條件等進行建模與分析，實現(xiàn)由點源數(shù)據(jù)模擬推廣到二維的面源數(shù)據(jù)，為后期的基本環(huán)境技能教學提供多類型數(shù)據(jù)支撐。

1.2 基本GIS 環(huán)境素養(yǎng)技能

基本GIS 環(huán)境素養(yǎng)技能是將理論素養(yǎng)轉(zhuǎn)化為實踐應用能力的重要手段。本環(huán)節(jié)著重介紹幾種典型的GIS 環(huán)境素養(yǎng)基本技能，圍繞環(huán)境污染風險評估、環(huán)境指標數(shù)據(jù)矢量化、環(huán)境指標數(shù)據(jù)建庫與環(huán)境數(shù)據(jù)空間分析流程開展（如圖1所示）。其中，風險評估主要講解評估方法的數(shù)學基礎(chǔ)，包含實體方程、參數(shù)篩選、模型構(gòu)建邊界條件等，核心目標是讓學生理解并掌握每種評估方法的優(yōu)缺點和適用范圍，進而根據(jù)實際需求進行方法篩選，以提高評估的精度。

其次，數(shù)據(jù)矢量化是鑒別GIS 技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域運用的重要標志之一。本部分內(nèi)容將涉及不同類型環(huán)境數(shù)據(jù)處理、投影變換、格式轉(zhuǎn)化三方面知識單元。而后對各類環(huán)境指標、環(huán)境評估和空間數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建，根據(jù)實際需求分別創(chuàng)建點、線和面文件，通過定義投影、添加屬性表和鏈接屬性數(shù)據(jù)（各類環(huán)境指標數(shù)據(jù)），最終構(gòu)建環(huán)境要素數(shù)據(jù)庫。最后，將帶有空間坐標的矢量或柵格類型的環(huán)境要素數(shù)據(jù)進行空間分析，如提取分析、水文分析（流域分析）、柵格計算、空間插值和統(tǒng)計分析等知識點，為后期綜合GIS 環(huán)境素養(yǎng)應用提供基本技能支持。

1.3 綜合GIS 環(huán)境素養(yǎng)應用

應用性強是GIS 專業(yè)的基本特征，也是該學科快速發(fā)展的重要原因[12-13]。如何根據(jù)實際場景和需求目標，借助GIS 專業(yè)技術(shù)實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的信息化和智能化治理，是目前環(huán)境領(lǐng)域迫切需要解決的問題。本環(huán)節(jié)內(nèi)容將主要圍繞環(huán)境建設(shè)領(lǐng)域的幾項典型案例進行培養(yǎng)設(shè)計，為巢湖流域水質(zhì)評估與演化特征（對流域所有水系進行評估）、太湖流域農(nóng)田重金屬污染（以農(nóng)田尺度進行“優(yōu)控”指標進行評估）和南京都市圈空氣質(zhì)量時空特征及驅(qū)動力分析（實現(xiàn)不同功能區(qū)的空氣質(zhì)量實時展示與分析）等分別設(shè)計了方案和技術(shù)編制訓練。

2 GIS 環(huán)境素養(yǎng)培育的實施方式

GIS 專業(yè)人才的環(huán)境素養(yǎng)培育是一個系統(tǒng)化過程，在這一過程中，不僅要讓學生掌握環(huán)境素養(yǎng)的基本內(nèi)涵和環(huán)境領(lǐng)域的GIS 表達方式，更重要的是培養(yǎng)他們根據(jù)實際場景需求進行方案設(shè)計。鑒于此，本環(huán)節(jié)擬以GIS 專業(yè)基本理論為基礎(chǔ)，結(jié)合環(huán)境科學領(lǐng)域的相關(guān)知識點，從基礎(chǔ)理論教學、實驗設(shè)計與實踐教學和課外創(chuàng)新訓練三個維度進行GIS 專業(yè)應用型人才生態(tài)環(huán)境素養(yǎng)培育，以期提高GIS 專業(yè)應用型人才的實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)。

2.1 GIS 環(huán)境素養(yǎng)課堂基礎(chǔ)理論教學

通過對本校GIS 專業(yè)的培養(yǎng)方案研讀和基礎(chǔ)課程開設(shè)情況分析，擬結(jié)合《空間分析原理與方法》和《基本空間分析》等專業(yè)基礎(chǔ)課程理論，篩選環(huán)境科學領(lǐng)域的環(huán)境污染分類和環(huán)境數(shù)據(jù)獲取等基礎(chǔ)知識，進行系統(tǒng)化講解，并通過案例分析加深學生印象，讓學生充分掌握環(huán)境污染類型間的差異性及其分類原理。環(huán)境數(shù)據(jù)獲取方法主要從理化實驗分析和數(shù)理模型兩方面進行教學。其中，理化實驗方面只進行基本理化知識教學。數(shù)理模型方面，則注重實體數(shù)學方程參數(shù)講解、過程推導和參數(shù)篩選與率定，讓學生切實理解不同環(huán)境污染指標數(shù)據(jù)獲取模型間的差異性，掌握不同應用場景下各類模型的模擬精度評估方法。

2.2 GIS 環(huán)境素養(yǎng)實驗設(shè)計與實踐教學

在學生掌握GIS 基本理論與環(huán)境科學基礎(chǔ)知識后，可通過實驗課程設(shè)計和實踐教學等方式，提高學生GIS 環(huán)境素養(yǎng)的基礎(chǔ)應用技能。實驗課程教學方式主要為室內(nèi)的上機實驗和野外科考，實踐教學方式則分為校內(nèi)的研究中心實習和校外的企業(yè)實習。無論是實驗教學還是校內(nèi)外實踐，均以GIS 專業(yè)應用型人才培養(yǎng)目標為出發(fā)點，以GIS 環(huán)境素養(yǎng)的培育為核心，形成以實驗夯實基礎(chǔ)、以實踐練技能、以實習強素養(yǎng)的良性循環(huán)培育模式。本環(huán)節(jié)中的實驗課程內(nèi)容設(shè)計需基于GIS 環(huán)境素養(yǎng)基本技能進行，設(shè)計環(huán)境指標數(shù)據(jù)矢量化實操流程、環(huán)境指標數(shù)據(jù)庫構(gòu)建實操流程、環(huán)境指標數(shù)據(jù)空間分析實操流程等實驗教學課程。其中，環(huán)境指標數(shù)據(jù)矢量化著重強調(diào)不同投影坐標、地理坐標系下的數(shù)據(jù)展示結(jié)果的差異性，加深學生對不同地理坐標系和投影坐標系間差異性的感性認識。環(huán)境指標數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方面，著重強調(diào)數(shù)據(jù)庫的基本類型和基礎(chǔ)要素，并能夠針對已獲取的不同數(shù)據(jù)類型來創(chuàng)建最符合實際需求的數(shù)據(jù)庫。環(huán)境指標空間分析方面則注重時空可視化分析技能的培訓，即如何選取適宜的空間分析模型，將環(huán)境指標數(shù)據(jù)進行時空可視化分析與展示，以增加環(huán)境建設(shè)成果的受眾面和公眾接受度。

校內(nèi)外實習實訓是學生進行集中技能實操的有效方式。針對校內(nèi)中心實習，可通過設(shè)計不同類型的實習方式（專業(yè)技能型、專業(yè)競賽型和科學研究型）和考核方式（專業(yè)技能考核、競賽成果考核、科研成果考核），以符合學生多樣性學習需求和能力差異性的現(xiàn)實情況。在此過程中，基于學生實際情況，可通過設(shè)計基礎(chǔ)軟件技能集訓、各類申報書編撰、各類競賽培訓以及實習實訓成果考核四方面實習內(nèi)容進行。

2.3 GIS 環(huán)境素養(yǎng)創(chuàng)新訓練

“以賽代練，以賽促學，以賽強技”是目前應用型院校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的常規(guī)方法。大學生創(chuàng)新訓練（“大創(chuàng)”）和各級專業(yè)競賽是檢驗GIS 環(huán)境素養(yǎng)培育效果的最有效且直接的方式，也是課外實踐教學最常見的展現(xiàn)方式。一方面，由于“大創(chuàng)”項目本身具有綜合性和創(chuàng)新型特征，對學生的綜合素養(yǎng)要求較高。因此，在培養(yǎng)過程中要循序漸進，通過對典型“大創(chuàng)”案例技術(shù)方案講解、相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)國家政策解讀、GIS 環(huán)境素養(yǎng)基本技能集訓、GIS 環(huán)境素養(yǎng)創(chuàng)新型思維引導以及GIS和環(huán)境科學領(lǐng)域前沿知識講解，先使學生初步形成一個綜合性知識體系，而后通過多重社會服務案例進行方案思路設(shè)計與點評，逐步培養(yǎng)學生的綜合性和創(chuàng)新型GIS 環(huán)境素養(yǎng)。

另一方面，各級別GIS 專業(yè)競賽是學生打開思路、擴展眼界、跟上前沿、拔高技能的有效途徑。滁州學院在政策制度上非常鼓勵和支持學生進行專業(yè)競賽，給予綜合學分獎勵和評獎評優(yōu)支持。在競賽培訓過程中，首先通過對歷屆競賽結(jié)果的收集和競賽規(guī)則材料解讀，讓學生充分了解競賽流程和需要準備的材料。其次，鼓勵跨專業(yè)學生交叉組團、多學科教師聯(lián)合指導、跨年級學生傳幫帶以及研究生與本科生進行強強聯(lián)合，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作能力和綜合性思維。而后，通過對本團隊歷年獲獎比賽中的優(yōu)秀立項申報、技術(shù)方案、結(jié)項報告等進行專項解讀，讓學生快速領(lǐng)悟和掌握專業(yè)競賽的關(guān)注重點、關(guān)鍵技術(shù)和申報方案要領(lǐng)。

3 GIS 環(huán)境素養(yǎng)培育成效

3.1 主講課程建設(shè)初步形成

筆者通過對本校GIS 專業(yè)培養(yǎng)方案研讀、本專業(yè)各年級學生應用技能現(xiàn)狀調(diào)研、地方社會服務需求分析，闡述GIS 專業(yè)技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應用前景，并綜合考量學校的學科建設(shè)和主講課程建設(shè)政策，初步設(shè)計“環(huán)境地理信息系統(tǒng)”為主講課程。在此基礎(chǔ)上，從環(huán)境科學基礎(chǔ)理論、GIS 應用技術(shù)和GIS 在環(huán)境領(lǐng)域的應用三個模塊設(shè)計課堂教學大綱。其次，借助基礎(chǔ)GIS 應用軟件、野外科考、理化實驗和數(shù)理模型四個模塊設(shè)計實驗教學大綱。而后，邀請GIS 專業(yè)和環(huán)境科學專業(yè)骨干教師形成多專業(yè)融合的主講課程師資團隊。同時，在課外教學方面，擬邀請同專業(yè)領(lǐng)域的校外師資和碩博研究生組建線上課程資源，形成校內(nèi)外協(xié)同教學的新模式。在實踐實習方面，以學校小學期集中實訓為契機，引導學生進入學校、學院的相關(guān)研究中心，進行系統(tǒng)化的GIS 環(huán)境基礎(chǔ)技能培訓。在創(chuàng)新競賽方面，創(chuàng)建專業(yè)交流群，收集各類型、各級別國內(nèi)外大賽和“大創(chuàng)”項目資訊和資料，構(gòu)建創(chuàng)新競賽數(shù)據(jù)庫，并開放在線分享與編輯權(quán)限，真正實現(xiàn)賽事資訊的共建、共享、共用。

3.2 參加創(chuàng)新競賽初獲成果

經(jīng)過近兩學期的GIS 環(huán)境素養(yǎng)培育，筆者所在的研究中心和省重點實驗室，有近百位學生經(jīng)過該模式直接或間接接受過GIS 環(huán)境素養(yǎng)培育。通過培育，提高了學生的綜合實踐技能和創(chuàng)新型思維。

目前，筆者所指導的學生中，有5 名大三學生首次結(jié)合GIS 技術(shù)和環(huán)境科學理論參加省級GIS 技能大賽并獲得二等獎；有3 名大四畢業(yè)生運用GIS 技術(shù)在生態(tài)評估和生境修復領(lǐng)域做出了畢業(yè)設(shè)計，同時也解決了地方的實際需求，提高了社會服務能力；有近15 名大一和大二學生在GIS 環(huán)境素養(yǎng)培育下，已報名參加國家級競賽作品5 項，并在積極備賽；已編寫4 項校級“大創(chuàng)”項目申報書，均運用所學GIS 技能去解決地方環(huán)境建設(shè)需求；已報名3 項省級GIS 應用技能大賽，從環(huán)境和GIS 綜合視角下對常規(guī)社會現(xiàn)象做出了解讀；已有2 位學生從巢湖流域土地利用方式變化和面源污染排放視角出發(fā)，結(jié)合GIS 技術(shù)實現(xiàn)巢湖流域面源污染排放的量化研究，初步形成2 篇核心期刊論文。綜上，創(chuàng)新競賽作為培養(yǎng)創(chuàng)新型和應用型人才的一種培養(yǎng)方式和檢驗方法，在日后的日常教學管理中，應該充分揮發(fā)其對課外教學的激勵作用。

4 結(jié)語

本研究基于本校GIS 專業(yè)在生態(tài)環(huán)境素養(yǎng)培育方面的現(xiàn)狀和不足，從GIS 環(huán)境素養(yǎng)培育的基礎(chǔ)內(nèi)容、培育實施方式和培育成效三個視角出發(fā)，設(shè)計集“課堂理論教學、課下實驗設(shè)計和課外創(chuàng)新競賽”三位一體的環(huán)境素養(yǎng)培育體系，最終形成“以第一課堂教學為主線，以第二課堂實踐為輔助，以第三課創(chuàng)新競賽為抓手”三課堂聯(lián)動的主講課程教學培養(yǎng)模式。經(jīng)過系列探索和實踐，將生態(tài)環(huán)境素養(yǎng)融入GIS 專業(yè)理論與實踐課程教學以及實習實訓中，能較好地提升教學效果和學生環(huán)境素養(yǎng)，提高學生學習主動性，增強GIS 專業(yè)人才在環(huán)境領(lǐng)域的實踐技能。符合地方本科院校GIS 專業(yè)應用型人才培養(yǎng)目標和GIS 環(huán)境素養(yǎng)培育方案。