環(huán)境科學(xué)專業(yè)特色的GIS課程教學(xué)改革研究

蘭國新，陳國維，潘 杰

（重慶三峽學(xué)院 a.化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院；b.生命科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 萬州 404100）

環(huán)境科學(xué)專業(yè)特色的GIS課程教學(xué)改革研究

蘭國新a，陳國維b，潘 杰a

（重慶三峽學(xué)院 a.化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院；b.生命科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 萬州 404100）

文章針對環(huán)境科學(xué)專業(yè)開設(shè)GIS課程教學(xué)的特色需求，提出GIS教學(xué)過程中貫穿專業(yè)實(shí)例課程化的改革方式，即設(shè)置與環(huán)境應(yīng)用相關(guān)的課程項目“農(nóng)業(yè)點(diǎn)源大氣污染可視化分析”，并貫穿課程內(nèi)容安排、教學(xué)實(shí)踐方法、能力培養(yǎng)等GIS課程教學(xué)過程，以提升環(huán)境科學(xué)專業(yè)學(xué)生的實(shí)用GIS技能，對推進(jìn)環(huán)境科學(xué)專業(yè)GIS課程的教學(xué)具有很好的參考價值。

環(huán)境科學(xué)；地理信息系統(tǒng)；教學(xué)改革

一、引言

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS，下同）是以計算機(jī)軟件、硬件為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)地理信息采集、管理、分析和表現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，已經(jīng)成為地理信息科學(xué)的核心[1]，廣泛應(yīng)用于土地利用、資源管理、環(huán)境監(jiān)測、交通運(yùn)輸、城市規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)建設(shè)等領(lǐng)域。特別是與遙感技術(shù)相結(jié)合，GIS正深入解決全球性問題：厄爾尼諾現(xiàn)象與酸雨、核擴(kuò)散與核廢料以及全球氣候與環(huán)境的變化監(jiān)測。可以說，GIS已經(jīng)深入社會生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，成為很多領(lǐng)域中新的工作手段和方法[2]。

作為注重學(xué)科交叉與滲透的環(huán)境科學(xué)專業(yè)而言，開設(shè)GIS課程教學(xué)具有一定的前瞻性。將環(huán)境科學(xué)專業(yè)與地理學(xué)有機(jī)融合，更加凸顯環(huán)境科學(xué)的“大環(huán)境”特征，也更能符合全球環(huán)境的研究趨勢[3]。GIS與環(huán)境科學(xué)在研究對象和研究方法上具有一定的相似性和互補(bǔ)性，在環(huán)境問題愈來愈突出的今天，設(shè)計和開發(fā)服務(wù)于環(huán)境應(yīng)用系統(tǒng)的輔助決策支持工具GIS，將具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳埃覈_設(shè)GIS專業(yè)的高校和開設(shè)GIS課程的專業(yè)非常多，開設(shè)GIS課程的非專業(yè)的數(shù)量也在逐漸增加[4]。鑒于GIS課程的學(xué)科與技術(shù)并重的特點(diǎn)，非GIS專業(yè)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)不完整，如計算機(jī)、地圖學(xué)、地理學(xué)、測繪學(xué)、程序設(shè)計和數(shù)據(jù)庫等知識，導(dǎo)致非GIS專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時抓不住重點(diǎn)，反感理論性知識，缺乏主觀能動性[5]。重慶三峽學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院經(jīng)過20多年的發(fā)展，環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)為重慶市重點(diǎn)學(xué)科，并于2013年順利獲批碩士學(xué)位授予權(quán)。目前學(xué)院環(huán)境科學(xué)專業(yè)已經(jīng)開設(shè)了GIS課程，但是從我院目前的課程建設(shè)情況來看，該課程的建設(shè)仍處于起步階段，從教學(xué)體系、實(shí)踐模式方面仍面臨著前述問題。因此開展課程建設(shè)，進(jìn)行教學(xué)研究，順應(yīng)學(xué)校提出“向應(yīng)用型科技大學(xué)轉(zhuǎn)型”的辦學(xué)理念以及“培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的應(yīng)用型高級人才”的辦學(xué)宗旨，已成緊迫的任務(wù)。

二、環(huán)境科學(xué)專業(yè)GIS課程教學(xué)要求

一般而言，GIS技能主要分為三個層次：基本應(yīng)用型；綜合分析型；開發(fā)管理型[6]。其中基本應(yīng)用型側(cè)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(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)輸入、分析和制圖工作。環(huán)境科學(xué)專業(yè)作為非地理信息系統(tǒng)專業(yè)開設(shè)GIS課程，其技能要求定位為基本應(yīng)用型，即立足環(huán)境科學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程，強(qiáng)調(diào)GIS的技術(shù)性，側(cè)重于實(shí)踐教學(xué)，針對本專業(yè)相關(guān)的環(huán)境管理、環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測以及環(huán)境影響評價等與空間信息相關(guān)的問題，掌握GIS工具空間分析操作技能，解決專業(yè)相關(guān)的問題。因此，實(shí)驗教學(xué)更顯重要，通過加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，進(jìn)而提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求[7]。

根據(jù)設(shè)定的基本應(yīng)用型目標(biāo)，筆者對環(huán)境科學(xué)專業(yè)的GIS課程體系進(jìn)行了部分的教學(xué)改革實(shí)驗，以探索適合于本專業(yè)GIS課程教學(xué)的模式。

三、教學(xué)改革實(shí)驗

針對環(huán)境科學(xué)專業(yè)的知識結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，緊扣能力目標(biāo)的基本應(yīng)用型要求，將教學(xué)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(xué)中精細(xì)化課程內(nèi)容；梯次二：掌握GIS主流軟件的操作方法和應(yīng)用，主要結(jié)合課程項目的設(shè)計完成該梯次的教學(xué)設(shè)計；梯次三：應(yīng)用階段，在環(huán)境科學(xué)專業(yè)范圍內(nèi)，基于GIS基本功能解決實(shí)際問題。主要在實(shí)驗實(shí)踐環(huán)節(jié)提升學(xué)生的應(yīng)用能力。基于上述三個梯次的教學(xué)總體設(shè)計，教學(xué)的各個環(huán)節(jié)改革與優(yōu)化介紹如下。

1.梯次一：理論課程內(nèi)容與學(xué)時精細(xì)化設(shè)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(qiáng)、多學(xué)科集成，知識點(diǎn)多，學(xué)科與技術(shù)統(tǒng)一性，且發(fā)展與內(nèi)容更新速度快，滲透性和空間抽象性強(qiáng)等特點(diǎn)[8]，針對環(huán)境科學(xué)專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)體系，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，梳理GIS課程體系，選擇兼具概念與實(shí)踐并重的教材《地理信息系統(tǒng)原理、方法和應(yīng)用》（鄔倫主編，科學(xué)出版社），該書詳細(xì)劃分了理論基礎(chǔ)講解、GIS功能介紹與應(yīng)用技術(shù)，有助于教學(xué)內(nèi)容的自由選擇。考慮環(huán)境科學(xué)專業(yè)學(xué)生的背景，將GIS的基本概念、組成、功能及其應(yīng)用領(lǐng)域、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（矢量和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）、空間數(shù)據(jù)采集、空間數(shù)據(jù)處理與分析、GIS空間分析原理與方法及GIS產(chǎn)品制作與輸出作為重點(diǎn)內(nèi)容講解。讓學(xué)生由淺入深，了解GIS具體功能，數(shù)據(jù)的來源與特點(diǎn)，如何將現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)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(qiáng)利用GIS作為輔助決策工具的興趣和學(xué)習(xí)自主性。

針對梯次一的基本要求和課程內(nèi)容選擇，筆者理論教學(xué)課時精簡為32個學(xué)時。具體安排：（1）導(dǎo)論，4個學(xué)時，主要講述GIS的基本概念、組成、演變歷史和發(fā)展趨勢、基本功能、與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系以及GIS主流軟件的認(rèn)識。（2）GIS空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，8個學(xué)時，主要講述空間參照系統(tǒng)、地圖投影、空間數(shù)據(jù)采集、空間數(shù)據(jù)模型、柵格和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編碼方法等。（3）空間數(shù)據(jù)處理，6個學(xué)時，主要講述空間數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)融合、空間插值與拓?fù)潢P(guān)系編輯。（4）空間分析，8個學(xué)時，主要講述空間查詢與量算、空間疊加分析、緩沖區(qū)分析與網(wǎng)絡(luò)分析等。（5）GIS產(chǎn)品可視化與輸出，4個學(xué)時，主要講述地圖制作與輸出、專題地圖設(shè)計。

2.梯次二：理論教學(xué)與專業(yè)實(shí)例設(shè)計。為了加強(qiáng)教學(xué)過程理論與專業(yè)實(shí)際的聯(lián)系，筆者提出將“農(nóng)業(yè)點(diǎn)源大氣污染可視化分析”課題作為專業(yè)實(shí)例設(shè)計，貫穿整個GIS課程教學(xué)過程中，以提高學(xué)生主觀能動性。

國家環(huán)保部2012年公布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（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(guī)空氣質(zhì)量評價，并收緊了PM10、氮氧化物等標(biāo)準(zhǔn)限值，以期“十二五”期間使我國大氣PM2.5污染得到緩解，區(qū)域大氣復(fù)合污染得到有效遏制，大氣環(huán)境質(zhì)量得到持續(xù)改善。選擇農(nóng)業(yè)點(diǎn)源大氣污染可視化分析，整個課題既貼近現(xiàn)實(shí)，又屬于環(huán)境專業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。這個課題設(shè)計內(nèi)容主要涉及農(nóng)業(yè)點(diǎn)源大氣污染源調(diào)查、農(nóng)業(yè)區(qū)空間分布、人口分布、污染源季節(jié)特征、大氣污染擴(kuò)散模式等，結(jié)合緩沖區(qū)分析得到農(nóng)業(yè)點(diǎn)源大氣污染時空分布與影響區(qū)域劃分。根據(jù)這一課題的設(shè)計，在課堂教學(xué)上提出問題，引導(dǎo)學(xué)生總體規(guī)劃設(shè)計，以原有專業(yè)知識在解決問題上遇到的瓶頸，自然引導(dǎo)利用GIS技術(shù)解決此類問題。將各部分內(nèi)容分版塊劃分，貫穿到各章節(jié)授課內(nèi)容中。如導(dǎo)論中以谷歌地球、尋找本拉登實(shí)例作為開始，讓學(xué)生了解實(shí)例以及GIS的基本功能，并指出谷歌地球是數(shù)據(jù)來源之一；空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與處理講解中引導(dǎo)學(xué)生如何采集與處理農(nóng)業(yè)點(diǎn)源大氣污染的相關(guān)各類型數(shù)據(jù)，指出相關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可在GIS中實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗環(huán)節(jié)就可以親自操作；空間分析講解中指出緩沖區(qū)分析和空間插值可解決污染影響區(qū)域劃分和時空分布，在實(shí)驗環(huán)節(jié)可以設(shè)計操作。

通過上述的專業(yè)實(shí)例貫穿，可以有效引起學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和興趣，感覺GIS就在身邊，又產(chǎn)生“技癢”，促進(jìn)梯次三的實(shí)踐教學(xué)。

3.梯次三：實(shí)踐教學(xué)課題化設(shè)計。上機(jī)實(shí)驗是環(huán)境科學(xué)專業(yè)GIS學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，依據(jù)所設(shè)計的課題，在實(shí)驗過程中得以實(shí)現(xiàn)和解決，將大大加強(qiáng)對GIS課程的理論理解與掌握，激發(fā)進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)的動力。具體實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容安排如表1所示。實(shí)驗學(xué)時與教學(xué)學(xué)時1∶2配套。

三個專業(yè)實(shí)例化實(shí)驗設(shè)計，基本包含了GIS基本操作技能，在讓學(xué)生親自了解GIS的強(qiáng)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(jié)語

環(huán)境科學(xué)專業(yè)與地理學(xué)有機(jī)融合，更加凸顯環(huán)境科學(xué)的“大環(huán)境”特征，也更能符合全球環(huán)境的研究趨勢。加強(qiáng)環(huán)境專業(yè)GIS教學(xué)與改革是順應(yīng)我國新時期高等教育“造就一批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)企業(yè)發(fā)展需要的優(yōu)秀工程師”的要求。筆者提出GIS教學(xué)過程中貫穿專業(yè)實(shí)例課程化的改革方式，旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，在實(shí)踐中增強(qiáng)學(xué)生的動手與解決問題的能力，達(dá)到基礎(chǔ)應(yīng)用型的技能要求，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。

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G642.0

A

1674-9324（2014）45-0236-03

蘭國新（1984-），男，山東德州人，重慶三峽學(xué)院講師，博士，從事遙感應(yīng)用、環(huán)境污染遙感監(jiān)測等方面的研究。

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