環境科學專業特色的GIS課程教學改革研究

蘭國新，陳國維，潘 杰

（重慶三峽學院 a.化學與環境工程學院；b.生命科學與工程學院，重慶 萬州 404100）

環境科學專業特色的GIS課程教學改革研究

蘭國新a，陳國維b，潘 杰a

（重慶三峽學院 a.化學與環境工程學院；b.生命科學與工程學院，重慶 萬州 404100）

文章針對環境科學專業開設GIS課程教學的特色需求，提出GIS教學過程中貫穿專業實例課程化的改革方式，即設置與環境應用相關的課程項目“農業點源大氣污染可視化分析”，并貫穿課程內容安排、教學實踐方法、能力培養等GIS課程教學過程，以提升環境科學專業學生的實用GIS技能，對推進環境科學專業GIS課程的教學具有很好的參考價值。

環境科學；地理信息系統；教學改革

一、引言

地理信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS，下同）是以計算機軟件、硬件為基礎，實現地理信息采集、管理、分析和表現地理空間數據的系統，已經成為地理信息科學的核心[1]，廣泛應用于土地利用、資源管理、環境監測、交通運輸、城市規劃、經濟建設等領域。特別是與遙感技術相結合，GIS正深入解決全球性問題：厄爾尼諾現象與酸雨、核擴散與核廢料以及全球氣候與環境的變化監測?？梢哉f，GIS已經深入社會生產和生活的各個領域，成為很多領域中新的工作手段和方法[2]。

作為注重學科交叉與滲透的環境科學專業而言，開設GIS課程教學具有一定的前瞻性。將環境科學專業與地理學有機融合，更加凸顯環境科學的“大環境”特征，也更能符合全球環境的研究趨勢[3]。GIS與環境科學在研究對象和研究方法上具有一定的相似性和互補性，在環境問題愈來愈突出的今天，設計和開發服務于環境應用系統的輔助決策支持工具GIS，將具有極大的發展潛力。目前，我國開設GIS專業的高校和開設GIS課程的專業非常多，開設GIS課程的非專業的數量也在逐漸增加[4]。鑒于GIS課程的學科與技術并重的特點，非GIS專業學生知識結構不完整，如計算機、地圖學、地理學、測繪學、程序設計和數據庫等知識，導致非GIS專業的學生在學習該課程時抓不住重點，反感理論性知識，缺乏主觀能動性[5]。重慶三峽學院化學與環境工程學院經過20多年的發展，環境科學與工程專業建設為重慶市重點學科，并于2013年順利獲批碩士學位授予權。目前學院環境科學專業已經開設了GIS課程，但是從我院目前的課程建設情況來看，該課程的建設仍處于起步階段，從教學體系、實踐模式方面仍面臨著前述問題。因此開展課程建設，進行教學研究，順應學校提出“向應用型科技大學轉型”的辦學理念以及“培養具有創新精神和實踐能力的應用型高級人才”的辦學宗旨，已成緊迫的任務。

二、環境科學專業GIS課程教學要求

一般而言，GIS技能主要分為三個層次：基本應用型；綜合分析型；開發管理型[6]。其中基本應用型側重于將GIS作為工具，掌握GIS基本概念，并能夠使用l~2種GIS軟件進行簡單的數據輸入、分析和制圖工作。環境科學專業作為非地理信息系統專業開設GIS課程，其技能要求定位為基本應用型，即立足環境科學專業基礎課程，強調GIS的技術性，側重于實踐教學，針對本專業相關的環境管理、環境規劃、環境監測以及環境影響評價等與空間信息相關的問題，掌握GIS工具空間分析操作技能，解決專業相關的問題。因此，實驗教學更顯重要，通過加強學生實踐能力的培養，進而提高學生的自主創新能力。符合應用型人才培養的要求[7]。

根據設定的基本應用型目標，筆者對環境科學專業的GIS課程體系進行了部分的教學改革實驗，以探索適合于本專業GIS課程教學的模式。

三、教學改革實驗

針對環境科學專業的知識結構特點，緊扣能力目標的基本應用型要求，將教學分為三個梯次，梯次一：要求了解GIS是什么，掌握GIS的基本原理，主要在課堂教學中精細化課程內容；梯次二：掌握GIS主流軟件的操作方法和應用，主要結合課程項目的設計完成該梯次的教學設計；梯次三：應用階段，在環境科學專業范圍內，基于GIS基本功能解決實際問題。主要在實驗實踐環節提升學生的應用能力?；谏鲜鋈齻€梯次的教學總體設計，教學的各個環節改革與優化介紹如下。

1.梯次一：理論課程內容與學時精細化設計。梯次一為課程引入與理論了解階段，考慮GIS具有綜合性強、多學科集成，知識點多，學科與技術統一性，且發展與內容更新速度快，滲透性和空間抽象性強等特點[8]，針對環境科學專業學生的知識結構體系，注重理論與實踐相結合，梳理GIS課程體系，選擇兼具概念與實踐并重的教材《地理信息系統原理、方法和應用》（鄔倫主編，科學出版社），該書詳細劃分了理論基礎講解、GIS功能介紹與應用技術，有助于教學內容的自由選擇?？紤]環境科學專業學生的背景，將GIS的基本概念、組成、功能及其應用領域、空間數據結構（矢量和柵格數據結構）、空間數據采集、空間數據處理與分析、GIS空間分析原理與方法及GIS產品制作與輸出作為重點內容講解。讓學生由淺入深，了解GIS具體功能，數據的來源與特點，如何將現實世界數據化、信息化，如何利用GIS解決身邊的問題（如公園選址、交通管理、城市拆遷與洪水分析等），增強利用GIS作為輔助決策工具的興趣和學習自主性。

針對梯次一的基本要求和課程內容選擇，筆者理論教學課時精簡為32個學時。具體安排：（1）導論，4個學時，主要講述GIS的基本概念、組成、演變歷史和發展趨勢、基本功能、與相關學科的關系以及GIS主流軟件的認識。（2）GIS空間數據結構，8個學時，主要講述空間參照系統、地圖投影、空間數據采集、空間數據模型、柵格和矢量數據結構、編碼方法等。（3）空間數據處理，6個學時，主要講述空間數據變換、數據融合、空間插值與拓撲關系編輯。（4）空間分析，8個學時，主要講述空間查詢與量算、空間疊加分析、緩沖區分析與網絡分析等。（5）GIS產品可視化與輸出，4個學時，主要講述地圖制作與輸出、專題地圖設計。

2.梯次二：理論教學與專業實例設計。為了加強教學過程理論與專業實際的聯系，筆者提出將“農業點源大氣污染可視化分析”課題作為專業實例設計，貫穿整個GIS課程教學過程中，以提高學生主觀能動性。

國家環保部2012年公布的《環境空氣質量標準》（GB3095-2012），首次將PM2.5（年均和日均濃度限值分別為定為0.035mg/m3和0.075 mg/m3）、O3納入常規空氣質量評價，并收緊了PM10、氮氧化物等標準限值，以期“十二五”期間使我國大氣PM2.5污染得到緩解，區域大氣復合污染得到有效遏制，大氣環境質量得到持續改善。選擇農業點源大氣污染可視化分析，整個課題既貼近現實，又屬于環境專業關注的熱點問題。這個課題設計內容主要涉及農業點源大氣污染源調查、農業區空間分布、人口分布、污染源季節特征、大氣污染擴散模式等，結合緩沖區分析得到農業點源大氣污染時空分布與影響區域劃分。根據這一課題的設計，在課堂教學上提出問題，引導學生總體規劃設計，以原有專業知識在解決問題上遇到的瓶頸，自然引導利用GIS技術解決此類問題。將各部分內容分版塊劃分，貫穿到各章節授課內容中。如導論中以谷歌地球、尋找本拉登實例作為開始，讓學生了解實例以及GIS的基本功能，并指出谷歌地球是數據來源之一；空間數據結構與處理講解中引導學生如何采集與處理農業點源大氣污染的相關各類型數據，指出相關的數據轉換可在GIS中實現，實驗環節就可以親自操作；空間分析講解中指出緩沖區分析和空間插值可解決污染影響區域劃分和時空分布，在實驗環節可以設計操作。

通過上述的專業實例貫穿，可以有效引起學生的自主學習能力和興趣，感覺GIS就在身邊，又產生“技癢”，促進梯次三的實踐教學。

3.梯次三：實踐教學課題化設計。上機實驗是環境科學專業GIS學習的重要環節，依據所設計的課題，在實驗過程中得以實現和解決，將大大加強對GIS課程的理論理解與掌握，激發進一步深入學習的動力。具體實驗教學內容安排如表1所示。實驗學時與教學學時1∶2配套。

三個專業實例化實驗設計，基本包含了GIS基本操作技能，在讓學生親自了解GIS的強大功能的同時，更真正體會到了在GIS中的具體操作過程。

四、結語

環境科學專業與地理學有機融合，更加凸顯環境科學的“大環境”特征，也更能符合全球環境的研究趨勢。加強環境專業GIS教學與改革是順應我國新時期高等教育“造就一批創新能力強、適應企業發展需要的優秀工程師”的要求。筆者提出GIS教學過程中貫穿專業實例課程化的改革方式，旨在激發學生的學習熱情，在實踐中增強學生的動手與解決問題的能力，達到基礎應用型的技能要求，實現學以致用。

[1]程結海，李偉，賈澤露.面向市場需求的GIS專業本科教學探討[J].地理空間信息，2010，8（1）：154-156.

[2]李旭祥，沈振興，劉萍萍，張凡.地理信息系統在環境科學中的應用[M].北京：清華大學出版社，2008：94-95.

[3]游珍，方淑榮.地理科學與環境科學專業的學科滲透與融合[J].高教論壇，2010，（5）：55-57，60.

[4]黃木易.非GIS專業地理信息系統課程教學改革及優化實踐[J].現代農業科技，2011，（10）：11-12，16.

[5]常勝.資環專業地理信息系統課程教學改革研究[J].中國現代教育裝備，2010，（17）：76-78.

[6]周日升，吳縛龍.英國GIS高等教育與城市規劃實踐[J].國外城市規劃，2001，（3）：13-15.

[7]周宏倉，鄭有飛，湯莉莉.環境科學專業復合型人才創新培養模式的探索和實踐[J].中國電力教育，2008，（20）：112-113.

[8]湯國安，周衛.“地理信息系統課程”的設計與實現[J].地球信息科學，2005，7（2）：65-69.

G642.0

A

1674-9324（2014）45-0236-03

蘭國新（1984-），男，山東德州人，重慶三峽學院講師，博士，從事遙感應用、環境污染遙感監測等方面的研究。

陳國維（1985-），女，黑龍江哈爾濱人，重慶三峽學院科研管理，本科，從事科研管理和教學研究。