林學專業地理信息系統課程教學改革與實驗設計

唐雪海，黃慶豐，張利萍

(安徽農業大學林學與園林學院，安徽合肥 230036)

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林學專業地理信息系統課程教學改革與實驗設計

唐雪海，黃慶豐，張利萍

(安徽農業大學林學與園林學院，安徽合肥 230036)

摘要根據地理信息系統課程的特點和基本教學目標，探討如何有效激發林學專業學生的學習興趣，培養學生的創新思維，提高學生的實踐能力，以期推動該課程教學方法的改革與創新，提升課程教學質量，培養具有扎實理論基礎與實踐動手能力的林業專門人才。

關鍵詞地理信息系統；教學改革；實驗設計

地理信息系統(Geographic Information System，GIS)是由計算機硬件、軟件和不同方法組成的系統，支持空間數據的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題[1]。GIS是集計算機科學、信息科學、地理科學、測繪學、遙感學、環境科學、空間科學、城市科學和管理科學等學科為一體的新興邊緣學科，經過50多年的發展，已經廣泛應用于國民經濟發展的各個行業[2]。

森林資源具有生長周期的長期性、森林資源分布的地域性、森林資源的再生性、森林成熟的不確定性等特點。傳統的森林資源多采用紙質檔案管理，在對森林資源的空間特征(位置)、屬性特征(林木因子)、時間特征(生長的變化)進行描述時存在諸多不便，而計算機系統合理、有效的動態管理手段則加快了我國林業從粗放型向集約型轉變的速度，實現了林地數據的一體化管理[3]。目前，GIS在森林資源信息管理、造林規劃、森林分類經營區劃、森林調查、林業專題制圖等方面已得到有效應用。筆者主要就安徽農業大學林學本科專業GIS課程展開教學改革和實驗設計的討論。

1教學目標和課程特點

1.1教學目標GIS課程是林學專業本科生的專業選修課程，其教學目標是使林學專業學生掌握GIS的基本概念、GIS的組成、林地空間數據的采集和管理、空間數據的編輯、森林資源數據庫的更新、GIS空間分析方法的使用、林地專題圖的制作。安徽農業大學林學專業GIS課程的教學目標是為林業企事業單位培養能應用GIS為森林資源管理和林業生產活動服務的專門應用人才。

1.2課程特點

1.2.1較強的學科交叉性。GIS集成了多門學科的內容，涉及領域跨度比較大。在GIS課程教學中，要求學生既要具有相關的基礎知識，如地理學、測量學、林業遙感、數據結構、地圖學等課程背景，又要了解林業對信息管理的需求。因此，林學專業的培養方案應安排好課程的開課時間，兼顧基礎課程與行業應用。

1.2.2廣泛的專業應用。GIS涵蓋基礎理論、系統開發和應用模型研究3個方面的研究內容，因此，它既是一門基礎理論科學，又是一門應用性較強的技術性科學[4]。這就要求在具體的 GIS課程教學過程中，教師既要具備扎實的理論功底，也要有較好的授課技巧，力爭把課程中的重點和難點講授清楚。在講解應用GIS方法進行造林樹種選擇的時候，教師可采用GIS軟件在課堂上演示數字地形模型的生成，及坡度、坡向、海拔等地形因子的提取；再根據不同樹種對地形的需求，對坡度圖、坡向圖、海拔分布圖進行疊加分析操作；最后為某一樹種選擇合適的地塊。演示有助于學生具體化地理解理論課的抽象知識。

1.2.3快速的技術發展。自 Roger Tomlison創建世界上第一個地理信息系統以來，GIS 技術的發展和更新速度勢頭迅猛。地理空間數據的獲取和空間數據庫的維護是一項龐大的工程，針對空間數據形式的復雜性和特定的時空特性，獲取數據的基本方式已經從全站儀測量、GPS測量、掃描數字化發展到航空攝影測量、應用衛星影像進行數據提取和轉換等。GPS、RS和GIS的集成為數據庫的時效性提供了保證，而時空數據模型、三維數據模型、分布式空間數據管理、行業信息管理平臺設計等成為當下GIS研究的熱點。林學專業學生應跟蹤GIS發展的趨勢，充分了解林業資源管理平臺的數據來源、采集方式及年度數據庫更新的技術。

2教學中存在的問題

2.1GIS相關背景課程知識缺乏GIS專業的培養體系課程涵蓋計算機圖形學、地圖學、測繪學、遙感、地理學、數據結構、空間數據庫、拓撲學原理等學科，體系化程度高，基礎知識自成系統，學生理解起來較容易。然而，這些課程在林學專業培養方案中涉及極少，如在講授矢量數據結構和柵格數據結構時，學生對數據結構沒有準確的概念，只有在對照軟件打開對應數據時才有直觀的理解，從而導致教學面臨很大的困難，也不能激發學生的學習興趣，學習效果自然不理想[5]。2.2實驗教學學時偏少面向林學專業開設的GIS課程中，軟件操作占有十分重要的地位。GIS課程中的地形圖配準、空間數據矢量化、數據結構轉換、空間分析、森林資源分布圖制作等知識點，都必須在GIS軟件中實際操作，才能使學生真正掌握和理解[6]。目前，安徽農業大學林學專業GIS實驗只安排了0.4個學分(12個學時)的教學任務，操作軟件采用目前主流的ArcGIS。在這樣的實驗課時安排下，學生不可能熟練操作GIS軟件，并用以解決林業生產中的所有問題。筆者針對課時要求只設計了6次實驗內容(表1)。這些實驗內容之間未實現無縫對接，內容跨度較大，有些實驗內容只能使用事先準備好的實驗數據，對學生來說，這些數據是陌生的，實驗項目之間是相互孤立的，缺乏系統性。學生做完實驗后并不明白這幾個實驗之間的關系，以及實驗的目的，導致學生學習興趣低，極大地影響了實驗教學效果。如實驗二、三之間，在采集面狀林地小班數據時，僅讓學生采集少量數據，沒有對相鄰小班、需要切割或整形小班、節點等方面進行深入的編輯處理，也沒有進行數據的拓撲檢查，學生也不清楚自己采集的數據是否正確，精度是否滿足要求。因此，學生實踐能力的培養沒有收到預期的效果。

表1　林學專業GIS實驗課程安排

2.3課程銜接不緊密安徽農業大學在2012年本科人才培養方案中，將GIS課程安排在第4學期，其核心基礎課測量學也在第4學期開課。學生在課程涉及地形圖、坐標系統等方面內容時，理解起來比較困難，需要補上這些知識。林學的專業課在第5、6學期開設，如森林資源管理，在以林地小班、小班屬性為例進行講解的時候，學生也缺乏對這些專業術語的理解。課程之間銜接的不密切嚴重阻礙了學生對GIS在林業上應用的準確掌握。

3教學內容的設計與改革

3.1選擇合適的GIS教材目前出版的GIS教材可以分為純粹基礎理論介紹和融入編者研究成果的教材。考慮到與GIS專業在教學目標、背景知識、學生理解、應用范圍等方面存在很大的差異，選擇GIS教材時，傾向于與林業相配套的教材。考慮到理論教學的時間，把與林業相結合的教材作為主要參考書，結合筆者自編的實驗指導書，實現理論知識與實驗教學的有機統一。

3.2多媒體課件的制作多媒體教學以明顯的優勢已逐步改變了傳統教學方法，成為現代化教學的主要方法和手段。在具體的授課過程中，教師應充分利用現代信息技術，然而這并不意味著完全依靠它。為了加深學生對教學內容的理解，傳統教學手段(粉筆+黑板)仍然是不可缺少的授課方式。GIS的核心內容是以計算機系統和信息科學為主要依托，對于背景知識較少的林學專業學生來說，大部分GIS內容難以在課堂上消化掉，這就要求教師在制作多媒體課件時，要做到圖文并茂、動靜結合，用圖片、音頻、視頻、動畫等多種方式把教材中枯燥的文字信息展示出來，吸引學生的注意力，提高課堂教學效果。

3.3教學時間的合理安排面向林學專業的學生，在講授GIS理論內容時，應充分結合林學的專業知識，同時要求學生具有較好的測量學知識儲備，因此這門課的開課時間應該設置在三年級第2學期測量學及林學專業課程開設之后，這樣學生可以更好地理解空間數據所涉及的坐標系統、高斯克呂格投影、林地數據庫等內容，取得較好的教學效果。在理論課與實驗課的學時比例上，建議把理論課32學時調整為26學時，將實驗課增加到18學時，按照理論課內容合理安排實驗時間。

3.4教學內容的組織充分考慮GIS在林業中的實際運用，對教學內容進行精心組織，突出重難點，如林地數據的采集、傳統林地管理方式到林地數據庫管理的轉變過程、林地小班變更的方法、林業專題圖制作等內容要詳細講解，而林地空間數據庫的設計、森林資源信息管理平臺的開發等內容只要求了解。GIS課程理論性較強，理論教學中的很多內容單純用課件無法在課堂上講解透徹，需要通過軟件操作來加強學生的理解。如講授空間數據的空間特征和屬性特征時，可以在軟件里加載某縣森林資源圖形數據，并打開屬性表查看每個小班對應的屬性字段。

4實驗模塊設計

針對目前存在的問題，筆者把林學專業的GIS實驗教學內容設計為一般性實驗、分析性實驗和綜合性實驗3個模塊，實驗課時設計為18學時。從這3個模塊來建立層次漸進、內容深入綜合的實驗教學體系[4]，具體模塊劃分見表2。

4.1一般性實驗主要訓練學生操作ArcGIS軟件的能力，訓練內容包括地形圖配準、圖層建立、空間參考設置、數據采集、屬性編輯、圖層合并、數據的質量檢查等。

4.2分析性實驗分析性實驗主要訓練學生對ArcGIS空間分析模塊的運用，結合林業特點，其內容包括點、線、面實體類型緩沖區的建立，DEM生成及地形因子的提取，林地小班圖層與相關基礎數據的疊加分析操作，造林樹種候選地的選擇等。

4.3綜合性實驗以安徽農業大學校園為例，采用分組形式，組員之間配合，實驗步驟為校園地形圖的配準-數據采集-拓撲檢查-空間數據庫建立-林業專題圖制作。一方面檢驗一般性實驗和分析性實驗的效果，另一方面考核學生在給定時間內完成綜合性實驗的效率，訓練學生綜合應用GIS知識解決林業相關問題的能力。

考慮到數據量，在一般性實驗和分析性實驗中，筆者借鑒湯國安教授《ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程》的一些案例[7]，以某鄉鎮森林資源和相關基礎數據為操作對象，每位學生獨立完成實驗內容，教師根據學生在3個模塊中的表現及最終提交的實驗報告進行打分，準確評定學生在GIS實驗課中的表現及對ArcGIS軟件的掌握程度。

表2　林學專業GIS實驗模塊設計

5結語

GIS在林業信息化、地籍管理、環境工程、城市規劃、資源配置等方面已得到廣泛應用[8]。高等學校的非GIS專業課程教學應與時俱進，采取與林業緊密結合的多樣化教學方法，改革和優化教學方法，加強對學生GIS基本技能的掌握和分析應用能力的培養，激發林學專業學生對GIS課程的興趣，培養面向林業應用的非GIS專業綜合人才。

參考文獻

[1] 黃杏元，馬勁松.地理信息系統概論[M].3版.北京：高等教育出版社，2008.

[2] 李陽東，楊曉明.地理信息系統實踐課程建設與改革[J].教育教學論壇，2016(2)：106-107.

[3] 溫小榮，彭世揆，佘光輝，等.地理信息系統在我國林業上應用的進展[J].南京林業大學學報(自然科學版)，2005，29(2)：73-78.

[4] 岳書平，閆業超.地理信息系統課程新型教學方法初探[J].地理空間信息，2015，13(4)：176-179.

[5] 呂慧華，周峰.環境地理信息系統課程教學改革與探索[J].課程教材改革，2014(14)：127-128.

[6] 王小東，張剛.地理信息系統課程實驗教學方法研究[J].測繪與空間地理信息，2015，38(8)：4-6.

[7] 湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程[M].北京：科學出版社，2012.

[8] 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)：11-13.

基金項目安徽農業大學2014年教學研究項目(森林經理學科本科課程教學改革研究，非GIS專業地理信息系統課程教學改革與試驗體系設計)；安徽省省級教學研究項目(2014jyxm085)。

作者簡介唐雪海(1983- )，男，安徽阜陽人，講師，博士，從事森林資源動態監測研究。

收稿日期2016-04-18

中圖分類號S-01

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)15-278-03

Course Teaching Reform and Experimental Design of Geographic Information System in the Specialty of Forestry

TANG Xue-hai, HUANG Qing-feng, ZHANG Li-ping

(School of Forestry and Landscape, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230036)

AbstractAccording to the course characteristics and basic teaching target of Geographic Information System, we preliminarily discussed on how to effectively stimulate the learning interest of students in the Specialty of Forestry, to cultivate the innovative thinking of students, and to enhance the students' ability of practice. Therefore, reform and innovation of course teaching were promoted, so as to enhance the teaching quality of this course, and to cultivate forestry specialized personnel with solid theoretical foundation and practical ability.

Key wordsGeographic Information System; Teaching reform; Experimental design