空間信息形勢下的GIS課程教學改革與實驗模塊優化設計

唐雪海，黃慶豐

(安徽農業大學林學與園林學院，安徽合肥 230036)

地理信息系統(Geographical Information System，GIS)是由計算機硬件、軟件和不同方法組成的系統，該系統設計來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]。傳統的紙質管理森林資源的方式在對林地的空間特征(位置)、屬性特征(林木因子)、時間特征(林地、林木消長)進行描述時存在許多不足[2-3]，林地“一張圖”的出現則顛覆了林地管理的傳統方式，它被看作是現代林業信息管理的經典力作，并將引領林業管理整體升級。安徽農業大學林學本科專業培養方案中與GIS相關的課程較少，僅有林業遙感和測量學兩門課程，而GIS又具有很強的技術性和實踐性，知識點較多，學生學習難度較大[4]。因此，筆者通過研究非專業GIS課程的特點及林學專業人才培養模式，對安徽農業大學林學專業GIS理論課程內容進行調整和實驗模塊優化設計，緊密結合當前林業發展實際，充分考慮用人單位的需求，形成完整統一的林業發展新形勢下的課程內容體系架構。

1 課程特點與教學目標

安徽農業大學林學專業培養方案中GIS課程是林學專業本科生的專業選修課程，考慮到當前林業發展的趨勢和資源管理的特點，在具體的教學安排過程中，GIS課程是作為必修課來看待的。通過該門課程的學習，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、空間數據和屬性數據的編輯、森林資源數據庫的更新、GIS空間分析方法的使用、林地專題圖的制作等內容。GIS 課程的特點體現在以下幾個方面：

1.2多學科交叉GIS是一門學科交叉性較強的技術，涉及的學科課程較多，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、遙感、數據結構、地圖學等課程背景，又要對森林資源的信息化管理方式及趨勢充分地理解和掌握[5]。因此，林學專業培養方案應安排好本門課程的開課時間，兼顧相關課程與林學專業課程的銜接。

1.3較強的專業應用大部分GIS教材主要從基本原理、系統開發和行業應用3個方面的研究內容進行編寫，安徽農業大學林學專業地理信息系統的課程定位非常明確，就是要與林業進行結合，尤其是把GIS作為工具和手段充分地應用在森林資源經營與管理中。

1.4多源的空間數據來源空間數據是信息管理系統的核心，傳統的矢量化方式獲取原始空間數據的時代已經過去，航空攝影測量、遙感自動獲取、無人機快速建模等成為空間數據的重要來源，這里面涉及的每個內容都對應著以一門或多門課程，學生不可能全面掌握每個方面的內容，但是教師在對應知識點的講授過程要提到，要讓學生充分認識到涉及地理信息系統課程很多內容的設備、來源、方法等更新非常快。

因此，安徽農業大學林學專業GIS課程的教學目標定位為：為林業企事業單位培養具備應用GIS為森林資源管理和林業生產實踐活動服務的專門應用人才。

2 教學中存在的問題

對于林學專業的學生來說，筆者經過前期的教學總結，GIS課程教學主要存在以下問題：

2.1相關課程背景知識偏少GIS專業的培養體系涵蓋計算機圖形學、地圖學、測繪學、遙感、地理學、數據結構、空間數據庫、拓撲學原理等課程，基礎知識自成系統，每門課程都有對應充足學時進行講授，然后再到地理信息系統課程的時候，學生理解起來自然容易。但是，上述課程在安徽農業大學林學專業培養方案里面涉及極少，教師在講授時就很難與學生互動。比如，在講授道路以什么數據結構在計算機里進行表達更節省數據量時，學生就對數據結構沒有一個直觀的理解，只有在軟件里打開對應數據時才有視覺上的理解，但是這種認識仍然是表面的、膚淺的，課堂效果自然不好[6]。

2.2專業課程銜接不緊密2012年安徽農業大學本科人才培養方案中，地理信息系統課程安排在第4學期，測量學、林業遙感在第4學期，林學專業專業課如測樹學、森林經理學、造林學在第5、6學期，且測量學往往比地理信息系統開課滯后，導致在涉及地形圖比例尺、坐標系統、投影方式等方面內容時，測量學這一塊的內容還沒有講授到，學生理解起來比較困難，還要花1～2個學時去補充這些知識點；在以小班調查內容為例講解空間數據的時候，學生又缺乏這些專業術語的理解[7]。總之，相關課程之間銜接的不合理，阻礙了GIS課程的進度和學生對行業應用的準確理解。

2.3實驗課時偏少眾所周知，軟件的操作是GIS這門課程學習的重要組成部分，理論知識的全部內容都可以在軟件中進行實現，經過調查，大部分GIS專業的實驗課程內容安排的學時至少為32個學時。2012版林學專業GIS實驗課程僅安排了12個學時，采用目前主流的ArcGIS平臺操作軟件，要想熟練操作GIS軟件，并掌握應用地理信息系統軟件解決林業生產中的所有問題顯然是遠遠不夠的。因此，筆者只設計了6次實驗內容，具體分配見表1。這6次實驗內容之間內容跨度較大，不能體現實驗內容的連續，所以，有些實驗內容只能使用現有的實驗數據，對于學生來說，這些數據是陌生的，實驗項目之間是相互孤立的，缺乏連續性和系統性，學生只能被動的操作，做完后仍然不明白這幾個實驗之間的關系，究竟這些實驗內容有什么作用，導致學生學習興趣低，極大影響實驗教學效果。如實驗二、三之間，在采集面狀林地小班數據時，僅讓學生采集了很少的數據，沒有對相鄰小班、需要切割或整形的小班、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數據是否正確，精度是否滿足要求。這些方面在培養學生實踐能力方面沒有起到良好的效果，學生也僅是按照當時教師操作的步驟重新演示一遍。

表1 林學專業GIS實驗課時安排

3 教學內容的設計與改革

3.1課程教材的選擇目前出版的地理信息系統教材可以分為純粹基礎理論介紹和融入編者研究成果的GIS教材，當前安徽農業大學林學專業GIS課程教材選用的是黃杏元、馬勁松編著，高等教育出版社出版的《地理信息系統概論》(第三版)，此教材偏重理論知識的介紹，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的一些差異，下一步將考慮選擇理論知識與林業行業應用相結合的理論教學教材，實驗指導書則由筆者自編。

3.2多媒體課件的制作多媒體教學是目前課堂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，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)仍然是不可缺少的輔助授課方式。地理信息系統的核心內容則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，一些GIS的主要內容還是難以在課堂上及時消化，制作多媒體課件時，筆者將充分考慮到PPT內容的圖文并茂、動靜結合，用圖片、音頻、視頻、動畫等多種新媒體方式把教材中枯燥的文字信息形象展示出來，并充分融入筆者的一些項目案例，以達到激發學生學習興趣、提高課堂教學效果的目的。

3.3課程開課時間及學時調整安徽農業大學林學專業培養方案在2017年上半年進行了微調，借此契機，綜合考慮林學專業課程設置及與本門課程相關的一些課程，地理信息系統的開課時間調整到了第5學期，測量學、林業遙感、測樹學和森林經理學就會在地理信息系統之前或同時開課，這樣學生可以更好地理解坐標系統、投影方式、地形圖比例尺、小班、森林資源等內容，能夠提高教學效果。理論課學分由2個學分調整為1.5個學分，相應地學時由32個學時調整為24個學時；實驗課學分由0.4個學分調整為1.0個學分，相應地學時由12個學時調整為30個學時。

3.4教學內容的精心組織充分考慮GIS在林業中的實踐應用，緊跟林業信息化的發展步伐，對教學內容進行精心組織，力爭做到重難點突出，重點掌握的內容為：GIS的組成、基本功能、應用功能，GIS的數據結構、空間數據的處理、林地數據庫的構建、空間分析、具體應用等，而對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作為了解。由于GIS課程理論性較強，對于學生來說，理論教學中的一些內容單純通過課件無法在課堂上理解透徹，需要在講授到具體內容的時候結合軟件操作來加深學生的理解，如在講到空間數據的空間特征和屬性特征的關系時，可以在軟件里先添加某區域森林資源圖形數據，然后把對應圖形的屬性表鏈接到圖形里，最后打開屬性表查看每個小班圖形對應的屬性信息。

4 實驗模塊優化設計

通過分析前期實驗課程中的一些不足，優化后的GIS實驗課程將以安徽省某山區縣一個鄉鎮的森林資源和相關基礎數據為操作對象，把班級學生進行分組，每組負責一個或幾個行政村的數據處理，每組中的成員負責部分區域的地形圖配準、數據采集等工作，然后同組之間進行數據合并，完成數據的編輯、拓撲檢查、森林資源數據庫建立等工作；最后，所有組的數據進行匯總，每位學生分別進行數據的質量檢查并完成鄉鎮級林業專題圖的制作。

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30學時。依據這3個模塊建立層次遞進、內容漸進的綜合實驗教學體系[4]，具體模塊劃分見表2。

表2 林學專業GIS實驗模塊優化設計

一般性實驗：主要訓練學生對ArcGIS軟件基本功能的操作，包括各個程序的使用對象及目的、空間數據的瀏覽、地形圖的配準、圖層的建立、空間參考的設置、空間數據的采集、屬性數據的編輯、圖層處理、空間數據的質量檢查等。

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，分析性實驗的內容包括：矢量數據的裁剪、融合、拼接、交叉、合并等工具的使用；柵格數據的裁剪；點、線、面實體類型緩沖區的建立及應用；DEM的生成及地形因子的提取；應用適宜性分析模型解決造林樹種候選地的選擇等。

綜合性實驗：匯總形成完整的鄉鎮數據，進行數據質量檢查并制作多幅林業專題圖。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。

在一般性實驗和分析性實驗中，筆者將借鑒湯國安教授編著的《ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程》一書中的一些操作方法[8]，所有學生在每次實驗課結束時現場提交各自實驗結果，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，綜合評定其GIS實驗課程成績。

5 結語

非GIS專業地理信息系統課程定位于培養面向林業行業服務的專門應用人才。筆者在分析前期課程體系的特點及存在的問題的基礎上，結合林學專業的培養目標，對GIS課程教學內容進行了調整并對實驗模塊進行優化設計，旨在激發林學專業學生對GIS課程的興趣，使理論課程和實驗內容具有現勢性和連貫性。隨著GIS課程體系的發展變化和林業發展的趨勢，相關教學內容也將及時進行更新和調整，在以后的教學中，筆者將不斷總結教學經驗，提高教學效果，為林業企事業單位培養更多的森林資源信息管理應用人員。

[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] 蔡忠亮，李小歡，謝彩云，等.地理信息系統專業實驗課程的優化設計[J].測繪通報，2015(7)：124-127.

[5] 孫建平，李恕宏，韓雪.非GIS專業《地理信息系統概論》課程教學思考[J].赤峰學院學報(自然科學版)，2016，32(1)：252-254.

[6] 呂慧華，周峰.環境地理信息系統課程教學改革與探索[J].中國電力教育，2014(14)：127-128.

[7] 吳政庭，嚴泰來，洪本善，等.互動式教學用于地理信息系統課程的方法研究[J].測繪通報，2015(2)：129-132，135.

[8] 湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程[M].2版.北京：科學出版社，2017.