寓科研能力培養于課程教學之中：研究生課程“3S技術原理與應用”教改探索

馮仲科 王 佳

(北京林業大學林學院,北京 100083)

研究生教育是大學本科教育后更高層次的研究型人才培養的教育階段。一直以來,研究生課程是否開設、開設多少、如何組織教學等,都是很有爭議的問題。綜觀國內外的觀點,仁者見仁,智者見智,觀點各異,莫衷一是。因此,在我國研究生教育步入世界大國之際,首先,要認真研討研究生課程的內容到底與本科生課程有哪些根本的區別,以及如何在講授方法上和教學過程中體現這些區別,以提升課程教學質量。其次,在探索解決這些問題的同時,還應考慮不同層次學位(博士和碩士)、不同學科(理學學位和文學學位)、不同類型(科學學位和專業學位)研究生課程的特點,以使各類研究生在課程教學中有更多的收獲和提升。

“3S技術原理與應用”是20世紀末21世紀初由筆者在北京林業大學研究生院申請設立的1門研究生課程,課程講授的主要內容是涵蓋廣義遙感RS(包括衛星遙感、航空攝影測量和地面立體攝影測量)、廣義衛星導航系統 GNSS(包括 GPS、GOLNASS、Galileo、北斗系統)、廣義地理信息系統GIS(包括決策支持系統、專家系統)等信息技術的3S集成化系統。近年來,高等院校的地學、資源、環境類學科已陸續為研究生開設了該門課程。該門課程在許多高校成為很受研究生關注和好評的課程,如北京林業大學每年選修該課程的研究生多達80余人,包括地理信息系統、森林經理學、生態學、林業工程、森林培育學、森林保護學、土壤學、水土保持與荒漠化防治等學科的碩士生和博士生。作為研究生的選修課,該課程是北京林業大學選修人數較多的課程之一［1-2］。

一、“3S技術原理與應用”研究生課程的特點及其核心教學內容

伴隨著北京林業大學研究生培養體系的改革,“3S技術原理與應用”課程的學時數經歷了從60學時到48學時再到32學時的壓縮過程。由于該課程具有先進性、廣義性、擴展性、集成性、交叉性等顯著特點,所以針對不同層次、不同學科研究生對課程知識多樣性和復雜性的需求與課時數越來越少之間的矛盾,筆者根據教學計劃確定的32學時對該課程的教學內容體系及其各部分的具體學時進行了重新設計。

“3S技術原理與應用”課程理論教學的總學時為32學時,各章的教學內容和學時具體分配如下。

1.3S技術導論(4學時)

3S技術導論主要介紹數字林業、精準林業、廣義3S(RS、GIS、GPS)集成技術的基本概念和原理以及在林業中的應用現狀和前景。其中,①數字林業:1學時;②精準林業:1學時;③廣義3S集成技術:2學時。

2.從森林數據采集到林業知識發現(4學時)

“從森林數據采集到林業知識發現”部分主要講述林業信息化的若干學術問題、林業信息化特征以及數字最優化獲取方法和信息表達、森林知識發現與造林決策、景觀規劃與設計優化和森林資源動態分析。其中,①林業信息化若干學術問題:1學時;②林業信息化特征以及數字最優化獲取方法和信息表達:1學時;③森林知識發現與造林決策:1學時;④森林資源動態分析與規劃設計:1學時。

3.森林衛星定位導航技術(4學時)

“森林衛星定位導航技術”部分主要講述GPS定位原理、抗山地林冠干擾GPS綜合定位技術及應用。其中,①GPS定位原理:2學時;②抗山地林冠干擾GPS綜合定位技術:2學時。

4.GIS空間分析模型與方法(4學時)

“GIS空間分析模型與方法”部分主要講述GIS空間分析模型原理及其實現方法。其中,①GIS空間分析模型:2學時;②GIS空間分析方法:2學時。

5.遙感原理與森林反演模型(4學時)

“遙感原理與森林反演模型”部分主要講述遙感的原理、非線性穩健估計與不確定度、森林反演模型原理及方法。其中,①遙感原理:1學時;②非線性穩健估計與不確定度:1學時;③森林反演模型原理及方法:2學時。

6.空間精準定位方法(4學時)

“空間精準定位方法”部分主要講述全站儀測量技術、數字近景攝影測量、GPS定位技術、羅盤儀定位技術的原理和方法以及應用。其中,①GPS定位技術:1學時;②數字近景攝影測量:1學時;③全站儀測量技術:1學時;④羅盤儀定位技術:1學時。

7.森林生物量專題(4學時)

森林生物量專題主要講述森林生物量研究的目的和意義以及方法、生物量誤差分析基礎、單木生物量模型誤差分析、樣地林木生物量精度評定、三維激光掃描測樹原理與方法、生物量參數轉換、非線性穩健估計與不確定度、森林生物量模型建立技術及方法。其中,①森林生物量概述:1學時;②森林生物量估計模型的精度分析:1學時;③利用廣義3S技術建立森林生物量模型:1學時。

8.數字林場建設專題(4學時)

數字林場建設專題主要講述數字林場的基本概念和框架、林場數據的獲取方法、屬性數據庫和空間數據庫的建立與管理、專題圖的輸出、森林模型研建方法。其中,①數字林場概念和框架:1學時;②數字林場基礎數據獲取:1學時;③屬性數據和空間數據處理:1學時;④森林模型研建:1學時。

綜上所述,“3S技術原理與應用”課程教學內容體系的設計體現了課程內容的基礎性、應用性和創新性。

二、“3S技術原理與應用”課程教學中學生科研能力的培養

(一)培養研究生的科學思維能力

“3S技術原理與應用”課程教學內容體系的設計,很好地貫徹了培養研究生科學思維能力的宗旨;課程教學不再是傳統的根據教材的章節按部就班地進行,而是以專題的形式組織教學。筆者把廣義3S技術分為幾個大的專題,在每個專題中,先講述基礎知識,然后引入技術的應用,最后介紹相關技術目前的研究現狀和熱點問題,從而通過啟發式教學循序漸進地引導研究生改變本科生階段形成的僅注重理論學習的“填鴨式”學習方式,逐步建立科學思維的方式。

例如,在遙感原理與森林反演模型專題中,先從遙感原理講起,使學生了解遙感圖像光學處理的基本理論和一般方法,掌握遙感數字圖象的特征、數學和物理基礎、具體算法、應用條件和效果等;然后介紹遙感的應用實例和最新的前沿研究和發展成果,力求反映近年來國內外一些重要的遙感數字圖象處理和應用理論、方法和技術,以擴大學生的知識面,為其進一步開展理論學習和技術應用打下堅實的基礎,培養學生遙感圖象處理和技術應用的全面能力;最后引入遙感森林反演模型,如非線性穩健估計模型、神經網絡模型、遺傳算法模型、專家知識模型、層次分析模型、象元積分模型等,要求學生將具體的模型與遙感圖像處理方法結合起來,根據模型的要求處理圖像,或者對比實際處理效果來選擇具體應用的模型。這樣的課程講授方式既考慮到學生基礎理論知識的學習,又兼顧到不同專業學生的不同學習要求;同時,還可以引導學生將數學模型與基礎知識有機地結合,從而有利于學生建立良好的“遇到問題—思考辦法—探索解決”科學思維模型。

(二)培養研究生的項目設計能力

研究生的應用能力主要體現在其對實際項目的設計能力上。國外的研究生課程非常注重理論教學與實際項目的結合,這也是一直以來國內研究生課程與國外研究生課程的差距所在。因此,“3S技術原理與應用”的課程教學不僅要講解理論知識,還要介紹實際技術的應用,尤其是要注重學生應用能力的培養。為此,筆者在設計課程教學時特意增加了項目設計內容。

例如,要求學生設計一個具體的數字林場系統。第一步是基礎數據的獲取,主要方法包括:①航天遙感數據獲取法:具有宏觀、迅速、實時定位、瞬時同步的優點,適用于立地類型、植被分布類型、植被分布范圍等數據的獲取。②航空數據獲取法:具有視野廣闊、航速較快、每次飛行可以連續攝取大量相片等特點,適合編制林相圖,以進行大面積的造林工作;其中1∶25000比例尺地形圖主要用于一般森林的經理與規劃、在高級森林中進行造林工作的設計、擬訂森林改種的初步設計等;1∶10000比例尺地形圖主要用于擬訂各級森林的良種計劃和改良撫育措施等。③數字攝影測量法:主要是利用人工和自動化技術,使數字影像經過各種數字攝影測量處理而生成各種數字的和模擬的地圖產品;然后可以按常規攝影測量成果硬拷貝輸出,也可直接將數字地圖輸送到GIS或CAD等地圖系列軟件中使用。④原圖掃描矢量化方法:就是將原有的地形圖、基本圖、林相圖、森林資源分布圖等通過掃描儀掃描進行矢量化,然后將模擬的紙制圖進行數字化而生成電子地圖;最后輸送到GIS,實現計算機管理。其特點是工效高,但對地物要分層賦予屬性。

第二步是森林資源數據庫的建立。在林業系統,建設以數據庫為核心的各類信息系統,對提高林業企業的效益、改善林業部門的管理具有實實在在的意義。森林資源調查數據統計的基礎數據是小班調查數據,所以要建立以森林資源二類調查小班記錄卡片為基礎的森林資源數據庫,包括小班影像庫、小班空間數據庫、小班屬性數據庫等。利用數據庫可以存放每個小班的各種屬性數據和幾何數據等。

最后一步是建立數字林業管理系統。通過林場數字化建設,把森林資源信息動態管理系統規劃為3層結構:①數據層:包括空間數據庫和屬性數據庫,即把林相圖、地形圖和各類專題圖等分層數字化后存入空間數據庫,把調查數據、管理數據、社會經濟信息、專業數表等輸入屬性數據庫。②公共層:作為公共信息平臺,不僅可以通過小班號連接實現森林資源檔案管理,包括資源檔案錄入、更新處理、查詢、統計臺賬、臺賬輸出等;還可以實現森林資源林相圖管理,包括林相圖入庫檢查和檔案信息自動掛接、查詢和統計、更新管理等。③應用層:主要包括森林資源檔案管理系統、森林資源監測系統、天然林資源保護工程管理信息網絡系統、森林防火指揮系統、營林生產管理和預測決策系統以及其他相關專業系統,從而實現森林資源一體化查詢、變更管理、動態監測、專題制圖、統計輸出等,以及實現防火信息管理、火情預測預報、防火指揮決策等。

在“3S技術原理與應用”課程教學中,要求學生完成上述實際項目的設計,不僅有利于提高研究生的動手能力和實踐水平,而且有利于深化研究生對課程理論知識的理解。

(三)培養研究生的科研創新能力

科研創新能力是研究生應具備的最重要的能力之一,科研創新能力的培養也是最能體現研究生教育區別于本科教育的地方。從“985”“211”高校到普通高等院校,都把研究生科研創新能力的培養作為研究生教育的根本。因此,“3S技術原理與應用”課程教學也非常重視研究生科研創新能力的培養,在教學內容方面,引入了很多目前先進的思想和技術方法、手段,如三維激光掃描測樹技術等;在教學方法方面,注重理論與實際的結合,強調學生實際應用能力的培養。例如,先講授三維激光掃描系統的基本原理,然后結合實際項目引出其在林業上的具體應用方式;最后要求研究生實際應用三維激光掃描系統完成測站設計、掃描、控制標靶中心的獲取、坐標配準、三維建模等全過程,并在采得數據后,根據自己的想法進行后期數據處理、特征提取等。這樣,學生既可以了解這一最新技術在林業上的應用方法,也可以實際鍛煉自己的科研創新能力。把新的思想、技術、方法納入課程教學內容,尤其是其中一些內容是最新科研成果的總結和概括,甚至于某些成果已被鑒定為世界領先水平,這對拓寬學生的眼界、使學生充分了解3S技術目前的研究進展和掌握學科發展的動態等都是非常有意義的。

“3S技術原理與應用”是一門理論與實踐緊密結合的課程,切實可行的教學方案設計是培養高素質專業人才的關鍵。因此,筆者在調查、比較的基礎上,提出了以提高研究生科研能力為目的的“3S技術原理與應用”課程教學方案。但是,由于3S技術的發展非常迅速,所以在實際的課程教學中還需要不斷改進和調整課程教學方案,以滿足社會對研究生層次的專門人才的需求。

［1］張曉麗.林業院校GIS專業人才培養模式及課程體系建設［J］.中國林業教育,2008,26(3):13-16.

［2］馮仲科.林業3S理論、技術的教學與科研［J］.中國林業教育,2001,19(3):12-14.