面向水文專業(yè)GIS課程的教學(xué)改革探討

常文娟　馬海波

三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院　湖北宜昌　443002

面向水文專業(yè)GIS課程的教學(xué)改革探討

常文娟馬海波

三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院湖北宜昌443002

教學(xué)環(huán)境下如何有效發(fā)揮GIS應(yīng)用軟件優(yōu)勢(shì)，提升水文專業(yè)學(xué)生GIS應(yīng)用能力是新時(shí)期教學(xué)工作的一項(xiàng)新探索。探討了面向水文專業(yè)地理信息系統(tǒng)課程O(píng)BE教學(xué)模式，重點(diǎn)闡述了以學(xué)生成果產(chǎn)出為導(dǎo)向的OBE教學(xué)理念中教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化和“1+1”跨學(xué)科授課模式，旨在提升課堂教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力。

GIS；教學(xué)改革；OBE理念

隨著數(shù)字地球、數(shù)字中國(guó)、數(shù)字水利等概念的提出，工程水利向資源水利、傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代化水利和可持續(xù)發(fā)展水利的轉(zhuǎn)變，水利信息化是水利現(xiàn)代化的必由之路。作為全球信息化浪潮重要組成部分的地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，簡(jiǎn)稱GIS）已逐步向?qū)I(yè)應(yīng)用層面轉(zhuǎn)換。目前，GIS技術(shù)以其強(qiáng)大的空間信息管理與分析功能，廣泛應(yīng)用于數(shù)字流域的構(gòu)建、水文預(yù)報(bào)與模擬、工程水文計(jì)算以及洪旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理等水文水資源研究領(lǐng)域。在高校教學(xué)方面，全國(guó)開(kāi)設(shè)GIS課程的高校很多，涉及的專業(yè)也很多，有GIS專業(yè)、測(cè)繪專業(yè)、資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理專業(yè)、水文與水資源工程等專業(yè)，為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展新變化，滿足學(xué)生專業(yè)應(yīng)用能力培養(yǎng)需求，眾多高校根據(jù)自身專業(yè)定位、專業(yè)發(fā)展方向，開(kāi)展了針對(duì)性的應(yīng)用能力培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐。

“十三五”期間高等教育提出了新的戰(zhàn)略任務(wù)：提高教學(xué)水平和創(chuàng)新能力，爭(zhēng)創(chuàng)一流大學(xué)和一流學(xué)科，優(yōu)化學(xué)科專業(yè)布局和人才培養(yǎng)機(jī)制，具備條件的高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變。在此背景下，本文立足于培養(yǎng)面向水文與水資源工程專業(yè)（以下簡(jiǎn)稱“水文專業(yè)”）的應(yīng)用型高級(jí)工程技術(shù)人才，基于OBE（Outcome-Based Education）理念，結(jié)合社會(huì)對(duì)水文專業(yè)能力需求在應(yīng)用能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)開(kāi)展水文專業(yè)GIS課程教學(xué)改革研究，力圖提升學(xué)生熟練運(yùn)用ArcGIS軟件解決水文專業(yè)相關(guān)問(wèn)題的能力。

OBE理念是以學(xué)生為中心，以學(xué)生成果產(chǎn)出為導(dǎo)向，持續(xù)質(zhì)量改進(jìn)的一種新的教育模式。該模式強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心理念要貫穿整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)全過(guò)程，教學(xué)目標(biāo)要圍繞學(xué)生專業(yè)能力培養(yǎng)，教學(xué)內(nèi)容要根據(jù)學(xué)生的期望而設(shè)計(jì)，課程師資要面向全體學(xué)生達(dá)成預(yù)期目標(biāo)來(lái)配備?；贠BE理念的教學(xué)模式就是要更新傳統(tǒng)GIS課堂教學(xué)理念，將教學(xué)與科研相結(jié)合，理論研究與實(shí)踐探索相結(jié)合，對(duì)現(xiàn)有水文專業(yè)GIS應(yīng)用能力培養(yǎng)教學(xué)體系、教學(xué)教材建設(shè)等方面進(jìn)行改革，凝練特色，按照專業(yè)建設(shè)要求提出改革建設(shè)方案，依據(jù)建設(shè)方案進(jìn)行改革并反饋完善。本文僅就OBE教學(xué)模式中以學(xué)生成果產(chǎn)出為導(dǎo)向的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計(jì)和以學(xué)生為中心的授課教師配備進(jìn)行探討。

1　教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

針對(duì)GIS課程教學(xué)內(nèi)容授課對(duì)象為水文專本科學(xué)生，設(shè)計(jì)突出專業(yè)特點(diǎn)的GIS課程教學(xué)方案和教學(xué)目標(biāo)，研究協(xié)同運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)方式，創(chuàng)新在教學(xué)環(huán)境下ArcGIS應(yīng)用軟件的安裝與運(yùn)用，構(gòu)建系統(tǒng)的基于ArcGIS平臺(tái)的水文專業(yè)應(yīng)用能力培養(yǎng)教學(xué)課程體系，研究從理論到應(yīng)用的銜接，加強(qiáng)基于GIS的專業(yè)拓展應(yīng)用課程的建設(shè)，推進(jìn)專業(yè)人才培養(yǎng)與社會(huì)實(shí)踐相結(jié)合。以學(xué)生成果產(chǎn)出為導(dǎo)向，開(kāi)發(fā)基于GIS的水文專業(yè)拓展課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化，具體體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）設(shè)計(jì)基于GIS的數(shù)字流域構(gòu)建方案，探討GIS水文分析模塊在流域劃分、地形分析、河網(wǎng)提取等方面所采用的算法和原理，實(shí)現(xiàn)流域特征（如下墊面特征、水系、河網(wǎng)等）的自動(dòng)提取以及子流域的劃分，為進(jìn)一步構(gòu)建數(shù)字流域和數(shù)字水文模擬提供基礎(chǔ)信息平臺(tái)。

以數(shù)字流域構(gòu)建大作業(yè)成果產(chǎn)出為導(dǎo)向，將GIS數(shù)字流域構(gòu)建融入課堂，分為課堂講解和學(xué)生上機(jī)操作實(shí)踐兩大部分。GIS數(shù)字流域構(gòu)建主要包括DEM原始高程數(shù)據(jù)獲取，采用Hydrology分析模塊河網(wǎng)水系提取及子流域劃分等內(nèi)容，如河網(wǎng)水系提取的主要流程為：①利用GIS洼地填充：Arc Toolbox→Spatial Analyst Tools→Hydrology→Fill；②確定水流流向：Spatial Analyst Tools→Hydrology→Flow Direction；③計(jì)算匯流累積量：Spatial Analyst Tools→Hydrology→Flow Accumulation；④依據(jù)匯流累積量生成河網(wǎng)：Spatial analyst工具欄→raster calculator柵格計(jì)算；⑤匯流累積圖上尋找流域出口點(diǎn)：Spatial Analyst Tools→Hydrology→Snap pour point；⑥根據(jù)流域出口點(diǎn)提取子流域：Spatial Analyst Tools→Hydrology→watershed；⑦根據(jù)流域邊界裁出流域水系： Spatial Analyst Tools→Extraction→Extract by Mask。

在上述提取的河網(wǎng)水系基礎(chǔ)上，可進(jìn)行水文模型建模，如采用分布式流域水文模型——SWAT模型，將流域劃分為多個(gè)子流域，以水文響應(yīng)單元為基本計(jì)算單元，與水文專業(yè)核心課程水文預(yù)報(bào)相結(jié)合，通過(guò)推求凈雨，進(jìn)行匯流演算，從而確定流域出口斷面的流量。本案例將學(xué)生所學(xué)的專業(yè)知識(shí)融入到GIS課堂教學(xué)之中，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用GIS解決專業(yè)問(wèn)題，逐步培養(yǎng)學(xué)生GIS應(yīng)用創(chuàng)新能力。

在GIS課程實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與專業(yè)緊密結(jié)合，以學(xué)生成果產(chǎn)出為導(dǎo)向，按照上述思路進(jìn)行授課，將抽象的數(shù)字高程模型（如圖1所示）提取為形象的河網(wǎng)水系（如圖2所示），構(gòu)建南盤(pán)江上游西橋水文站以上區(qū)域的SWAT模型，將全流域劃分為36個(gè)子流域（如圖2所示），進(jìn)行徑流模擬，進(jìn)一步加深學(xué)生的專業(yè)認(rèn)識(shí)。通過(guò)上機(jī)操作實(shí)踐和課后每人一例的數(shù)字流域構(gòu)建大作業(yè)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，取得了很好的教學(xué)效果。教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)由良好變?yōu)閮?yōu)秀，實(shí)現(xiàn)我校GIS課程教學(xué)向?qū)I(yè)拓展的突破。

圖1　DEM圖

圖2　子流域劃分圖

（2）設(shè)計(jì)GIS技術(shù)在工程水文分析計(jì)算中應(yīng)用專題。利用組建式GIS技術(shù)，構(gòu)建以Hydrology分析模塊和3D Analys模塊等為依托，耦合圖層編輯、空間分析、專題地圖制作，提取流域水文參數(shù)，進(jìn)行工程水文計(jì)算。例如，在上述提取的河網(wǎng)水系中可計(jì)算河長(zhǎng)、流域集水面積等流域水文參數(shù)，進(jìn)而由流量、暴雨或推理公式推求設(shè)計(jì)洪水過(guò)程及設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成。

（3）設(shè)計(jì)GIS在洪/旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理中的應(yīng)用專題。利用GIS技術(shù)空間、屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、管理和可視化功能，開(kāi)發(fā)GIS在防洪/旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)圖編制方面的教學(xué)案例。如在數(shù)字化流域基礎(chǔ)上，結(jié)合水文預(yù)報(bào)所學(xué)的河道洪水演進(jìn)馬斯京根法，模擬洪水的演進(jìn)過(guò)程（如圖3所示）。

圖3　河道洪水演進(jìn)過(guò)程

2　“1+1”跨學(xué)科授課

目前，多數(shù)高校GIS課程主要由GIS專業(yè)教師負(fù)責(zé)講授，教學(xué)模式單一化，即不論所面對(duì)學(xué)生的專業(yè)背景，教師通常按照統(tǒng)一的模式授課，由于授課教師沒(méi)有其他專業(yè)學(xué)科背景，授課內(nèi)容專業(yè)針對(duì)性不強(qiáng)，缺乏和專業(yè)應(yīng)用的深度融合。部分高校GIS課程由專業(yè)課教師負(fù)責(zé)講授，由于專業(yè)課教師側(cè)重的是GIS的專業(yè)應(yīng)用，對(duì)GIS的基礎(chǔ)理論知識(shí)掌握不足，因此在相應(yīng)的教學(xué)過(guò)程中對(duì)于GIS基礎(chǔ)原理缺乏重點(diǎn)的平鋪式講授。

上述兩種不同專業(yè)背景教師授課模式直接導(dǎo)致非GIS專業(yè)學(xué)生學(xué)完這門課程后，往往會(huì)出現(xiàn)這樣的兩種情況，一是“只知原理不會(huì)應(yīng)用”；二是“只會(huì)軟件應(yīng)用不知原理”。原理和軟件應(yīng)用只知其一，非GIS專業(yè)學(xué)生在實(shí)際工作中不能將GIS與各自專業(yè)深度融合?；诖?，本文建議針對(duì)非GIS專業(yè)，如水文專業(yè)學(xué)生GIS課程授課以課程為導(dǎo)向，授課教師跨學(xué)院、跨學(xué)科、跨專業(yè)，實(shí)施“1位GIS專業(yè)教師基礎(chǔ)理論授課+1位水文專業(yè)教師專業(yè)應(yīng)用授課”（簡(jiǎn)稱“1+1”授課模式）跨學(xué)科課堂教學(xué)模式改革，同時(shí)，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生成果產(chǎn)出為導(dǎo)向的教學(xué)模式，教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程互動(dòng)持續(xù)改進(jìn)。

由于地信專業(yè)和水文專業(yè)隸屬于兩個(gè)不同的學(xué)科，分別劃歸不同學(xué)院，需學(xué)校層面統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，今后GIS課程教學(xué)中將努力推動(dòng)這套“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”的跨學(xué)科授課模式。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)水文專業(yè)GIS課程以學(xué)生成果產(chǎn)出為導(dǎo)向的OBE理念教學(xué)中教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化和“1+1”跨學(xué)科授課模式進(jìn)行探索。下一階段將基于OBE理念，通過(guò)研究制定切實(shí)可行的面向水文專業(yè)的GIS應(yīng)用能力培養(yǎng)體系，并進(jìn)一步持續(xù)改進(jìn)，強(qiáng)化水文應(yīng)用能力培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)，創(chuàng)新GIS專業(yè)拓展新思路，培養(yǎng)一批適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求的“高素質(zhì)、強(qiáng)能力、應(yīng)用型”的高級(jí)專門人才，并集成取得的有效經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐效果。

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Study on Teaching Reform of GIS Course in the Major of Hydrology and Water Resources Engineering

Chang Wenjuan， Ma Haibo
College of Hydraulic & Environmental Engineering， China Three Gorges University， Yichang， 443002， China

How to effectively take the advantages of GIS application software in theteaching environment，and upgrade GIS application abil ityofhydrologicalprofessionalundergraduates，is a new teaching exploration of the new period. This paper discusses geographic information system Course forprofessional hydrologybased on Outcome-Based Education teaching pattern.Moreover， focuses on students' achievement output oriented OBE teaching idea for teaching contents optimization and "1 + 1" interdisciplinary teaching pattern， aims to enhance the quality of the class teaching and cultivate the innovativeapplicationability of students.

GIS； teaching reform； OBE concept

2016-05-30

常文娟，博士，講師。

三峽大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：J2014003）。