高校生態學專業GIS課程實驗教學改革C-H-I模式探討

王志杰

(貴州大學 生命科學學院，貴陽 貴州 550025)

1 引言

地理信息系統(GIS)是對地理空間數據進行采集、存儲、表達、更新、檢索、管理、綜合分析與輸出的計算機應用技術系統[1]。它是以應用為導向的空間信息技術，強調空間實體及其空間關系，注重空間分析與模擬，是重要的地理空間數據管理和分析工具[2]。GIS功能強大，是用于建立、編輯圖形和地理數據庫并對其進行空間分析的工具的集合，是與人類發展密切關聯的一門信息科學與技術，其本身的科學性和經濟性的作用不可估量，因此，GIS被認為是21世紀重要的支柱產業之一[3,4]。

隨著GIS自身理論和技術的不斷發展，以及在生態學中的廣泛應用，擴展了生態學研究的深度和廣度，為科學研究工作提供了一種既簡單又精確的應用方法。GIS是開展宏觀生態學科學研究的基礎和關鍵技術[5]，其通過有效的數據集成和混合的數據結構、獨特的地理空間分析能力、快速的空間定位檢索和復雜的查詢功能、強大的圖形創造和可視化表達手段以及地理過程的演化模擬等功能來實現對景觀生態學、城市生態學、生態監測與評價和規劃的數據集成分析[6～8]。除此之外，GIS有管理、模擬、決策、規劃、預測和預報等強大功能，這些功能在生態學應用中起到了實質性的作用[9]。

眾多一線教學教師和學者，從GIS在生態學中的應用方面開展了深入的研究，結合各自學校和專業的特色進行該課程改革，并取得了良好的效果[10～12]。然而，GIS課程實驗教學質量、學生的GIS軟件操作技能水平、以及學生嫻熟運用GIS解決具體專業問題的能力提升，依然困擾非GIS專業該課程實驗教學的主要內容。本文以貴州大學生態學專業為對象，通過對生態學專業GIS課程實驗教學現狀和存在的問題的梳理，從GIS課程實驗教學內容、教學方法和實驗評估3個維度，探索性地提出Continuity-Heuristic-Interactive三位一體的“C-H-I”模式，以期通過全方位、多層次的實驗教學模式改革，有效促進學生學習GIS的興趣和熱情，夯實GIS軟件技能操作水平牢筑GIS理論和技術知識結構體系，提升學生運用GIS解決生態相關科學研究和具體任務的綜合能力，為高校生態學專業培養應用型、復合型高水平GIS專業人才積累一條科學、有效地的途徑。

2 GIS課程實驗教學現狀與存在的問題

GIS課程是一門應用性極強的專業課程，在大多數高校的非GIS專業中，該課程的性質大都為專業選修課或專業必修課，課程教學分為理論講授和實驗實訓兩個部分，其中，在實驗教學方面，大都是參照相關的地理信息系統實驗教程，通過集中講授或演示，結合學生課后練習的方式，達到實驗教學的目的。歸納起來，傳統的GIS課程實驗教學存在如下問題。

2.1 實驗內容設置分散

傳統的GIS課程實驗課程內容設置時，往往僅關注分散的知識點的堆砌，實驗內容主要有數字化、空間屬性數據庫建立、矢量和柵格數據空間分析、數字地形分析、地圖制圖等相關的技術操作的練習，各實驗內容多使用不同區域、不同類型的數據，雖然在實驗內容整體上體現了GIS課程的基本操作技能培養，如圖像校正、裁剪、拼接；數字化及拓撲檢查；數據庫建立；矢量數據疊置分析、緩沖區分析、網絡分析；以及坡度、坡向等地形因子提取分析；地圖渲染與地圖制圖等內容，但由于實驗區域和數據各異，實驗內容之間沒有關聯性，無法真正使學生在練習了大量的GIS軟件操作后理解不同實驗項目之間的相互關系，更遑論掌握和熟練應用GIS解決具體的科學問題。

2.2 實驗教學方法單一

傳統的課程GIS實驗教學多以演示型實驗教學為主。在此過程中，學生對相關實驗的技術環節很難有深刻的領會和理解。被動的模仿練習，往往無法使學生在自我學習過程中，發現、分析并解決問題。并且，由于GIS軟件諸多功能之間大量的功能交叉，學生在模仿練習操作過程中，依照“標準答案”完成具體的實驗操作，無法深刻理解GIS軟件不同功能之間的內在聯系，不能嫻熟地運用多種方法解決同一問題，導致某一功能無法完成預期任務后，學生無從下手，進而喪失學習興趣，使GIS課程實驗教學流于形式。

2.3 實驗結果評價缺失

實驗報告是學生練習GIS軟件操作的綜合表現，集中反映了教師實驗教學的效果、學生掌握GIS軟件操作的水平。通過對實驗報告的總結和評價，可以及時發現實驗教學過程和學生練習軟件操作時存在的問題，進而更加有效地提升實驗教學質量和學生掌握軟件操作技能的水平。然而，傳統的GIS實驗教學，對實驗結果的總結評價嚴重缺失，通常學生在提交實驗報告后，教師根據實驗報告的情況，判定成績作為期末考核的其中一項依據。教師很少通過實驗報告去發現、提煉實驗教學中存在的問題，并加以改變；學生很難通過實驗報告去了解自身的不足，無法提升GIS的綜合應用技能。

3 GIS課程實驗教學C-H-I模式

針對傳統GIS課程實驗教學在實驗內容、教學方法和實驗結果評價等方面存在的問題，本文提出連續性(Continuity)實驗內容設計、啟發性(Heuristic)實驗教學方法和互動式(Interactive)實驗結果評價三位一體的C-H-I實驗教學模式，以使學生通過GIS課程實驗學習和訓練，在掌握GIS軟件基本操作技能的基礎上，切實提高GIS軟件應用技能水平，能嫻熟地運用GIS解決具體專業問題。

3.1 連續性實驗內容設計

圍繞GIS課程實驗教學的基本要求和需要學生掌握的基本技能，設計1～2個綜合型實驗項目，整合相關實驗內容和技術操作，并根據工作量大小，拆解為若干個小實驗。學生依次完成各個小實驗，逐個掌握相應的GIS軟件操作技能，最終完成綜合型實驗項目。即通過連續性實驗內容設計，促使學生在掌握各小實驗基本技能操作的基礎上，深刻領會和理解不同實驗之間的內在關聯性和邏輯性，強化學生對GIS軟件技能操作的理論和技術知識體系，實現嫻熟運用GIS解決具體科學問題的基本素養，達到既積跬步，又至千里的教學目的。另一方面，還可以最大程度地避免學生對實驗任務的僥幸心理，促使學生必須精益求精的完成每一個實驗內容，以保證下一個實驗內容的順利開展，養成“學會、學好、學精、學成”的良好學習習慣和學習態度。

3.2 啟發性實驗教學方法

在實驗教學過程中，盡可能減少演示性操作講解。在各具體實驗操作講解之前，首先從整體上說明若干個小實驗與綜合型實驗之間的邏輯關系；然后重點講解各實驗內容所用到的功能或工具，以及各功能和工具在操作過程中的注意事項與可能出現的問題及其解決方案；在此基礎上，通過引導性的示范操作，采取邊示范，邊鼓勵學生積極思考的方式，由學生根據自身知識儲備和個人理解提出相應的解決辦法，師生共同見證操作結果。對于有分歧的解決方案，鼓勵學生大膽嘗試，在嘗試中共同發現優劣并分析其中的內在原因，達到切實掌握和理解各軟件功能和工具的運行規律和操作技能的目的。通過啟發性實驗教學，徹底改變傳統的“教師講，學生被動接受”的填鴨式教學模式，轉變為學生“主動參與課堂，積極融入課堂”的互動性教學模式，促使學生發揮主觀能動性進行自我思考，培養學生的發散思維，培育學生勇于創新、敢于嘗試的探索和鉆研意識。

3.3 互動式實驗結果評價

改變傳統的實驗結果(報告)由教師判分入檔的考核模式，對所有學生的實驗報告和數據成果，采取師生共同探討分析的方式，逐個展示每個學生的數據結果，從數據格式、數據內容、呈現方式、報告撰寫等方面，由全體師生共同觀摩研討，發現和發掘各實驗中亮點特色和存在的問題，對于共性問題，進行二次講解和剖析，務必使學生徹底掌握該類問題的操作技能；對于個別的典型問題，深入剖析和揭示其出現的原因和可能的解決辦法，使學生深刻理解該類問題的操作規范；對于實驗中表現突出的好成果，共同學習和鑒賞，使學生切實了解相關操作應該達到的效果。通過師生互動點評的方式，一方面，可以及時發現學生在實驗操作過程中存在的問題和不足，通過相互學習，促使所有人在具體操作過程中規避可能出現的狀況，達到他山之石可以攻玉的共同進步目的；另一方面，可以促使教師及時發現實驗教學中的不足，及時予以補救性講授；可以促使學生及時發現自身與其他同學的差距，形成“趕比超”的學習氛圍。此外，對于每個學生實驗成果中的亮點，秉承“每個人都需要被肯定”的心理學理論，通過當眾表揚和肯定，激發學生的學習熱情，提升學生的自信心，達到寓教于樂、事半功倍的效果。

4 結語

GIS是解決宏觀生態學問題的基礎和關鍵技術[5]。高校生態學專業開設GIS課程，其主要目的是使學生通過GIS相關理論、技術和方法的學習和實踐，掌握一種解決生態專業領域科學問題的新技術和新方法，以提高學生未來從事宏觀生態相關科學研究和服務社會的綜合能力，培養生態學專業的GIS應用型、復合型高水平人才[13]。根據生態學專業的特點和培養目標，在生態學專業的GIS課程實驗教學過程中，除了GIS的相關基礎理論知識的講授外，通過實驗內容的連續性設計優化、啟發性教學方法引導和互動性實驗結果評價，著重學生的GIS空間思維和邏輯思維培育，GIS理論和技術知識結構體系構建，GIS軟件基本操作基礎夯實，學習興趣和熱情的培養，綜合實際應用和操作技能水平提升，以切實有效地促進學生GIS專業技能，提高GIS課程實驗教學質量，實現非GIS專業學生能嫻熟運用GIS理論和技術解決具體專業問題的要求。