林業地理信息系統課程教學內容設置及教學方法

曹丹 唐代生

[摘 要]文章論述了林業地理信息系統課程教學內容設置的必要性與三個原則，并根據這三個原則設置了該課程的理論教學內容和實驗內容，同時建議增加實習教學環節。最后從激發學生學習興趣和關注學生的教學反饋兩方面探討了這門課程的教學方法。

[關鍵詞]林業地理信息系統;教學內容設置;教學方法

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）09-0049-04

地理信息系統（GIS）是一門集合了地圖學、測量學、地理學、計算機圖形學、數據庫等學科知識的管理空間信息并提供空間信息分析的學科，被廣泛應用于國土、林業、礦產、城市規劃等領域。在林業領域中，應用GIS進行森林資源信息管理、造林規劃、采伐規劃、專題圖編制等已是工作常態，GIS在林業信息化建設中發揮著重要的作用。因此，讓林學專業的學生掌握GIS的基本理論和GIS軟件并能將其應用于解決專業問題是非常有必要的。筆者在2010級至2015級林學專業的6年教學過程中，對中南林業科技大學林學本科專業的林業地理信息系統課程進行了教學改革探索，對其課程的內容進行了設置，并根據教學實踐經驗總結出一些操作性、實用性很強的教學方法。

一、林業地理信息系統課程教學內容設置的必要性

林業地理信息系統課程是林學（營林方向）專業的一門學科基礎選修課，在第4學期開設，原來設置為32學時，其中理論課24學時，機房實驗課8學時。因實驗課學時太少直接影響教學效果，2017年將該課程調整為48學時，其中理論課24學時，機房實驗課24學時。林學專業與林業地理信息系統相關的課程還有測量學和林業遙感，其中測量學（包含GPS）在第3學期開設，理論課學時24個，實驗課學時16個;林業遙感在第5學期開設，理論課學時24個，實驗課學時16個，課程實習半周。其課程設置采用了比較理想的3S構架模式。

地理信息系統本身是一門系統的學科，涉及地理學、計算機和數據庫、測量學等知識，需要解決數據的存儲、處理、顯示等關于數據的全部問題，而林業地理信息系統屬于行業地理信息系統，林學專業的學生只需要懂得在行業內使用，不需要關注數據在電腦后臺是如何存取、顯示圖形等，就像一般的人會電腦操作即可，不需要知道電腦芯片、底層如何運行一樣。因此，教師在組織教學內容時，必須刪除這些行業用戶不用關注的內容。與此同時，有些內容又必須補上。比如地圖學的部分內容，地理信息系統專業的學生因為開設了地圖學課程，所以地理信息系統課程教學計劃里沒有地圖制圖的章節，但這些內容是林學專業經常要用到的，必須加進來。也就是說，有必要根據林學專業對這門課程的要求，跳出地理信息系統課程體系框架去設置教學內容。

二、林業地理信息系統課程教學內容的設置

（一）教學內容的設置原則

1.以應用為導向原則來組織教學內容

林業地理信息系統是一個行業地理信息系統，對學生的要求是掌握GIS基本的理論知識，會使用GIS軟件解決專業問題。因此，在教學內容組織上，必須以林業應用為導向，關注目前地理信息系統在林業中的具體應用，跳出地理信息系統課程本身的理論體系框架，適當刪減、增加相關內容，構建適合本專業的教學內容體系。

從應用性上考慮，GIS的基本理論中所有可以屏蔽用戶的理論比如編碼、算法之類的都可以刪除。在理論體系的各個章節中要側重應用的部分。比如空間數據庫的組織和管理章節，數據庫的四個變遷模式可以刪除，重點講數據庫的分層設計。

考慮到林學專業學生的知識結構及對地理信息系統的使用要求，筆者認為必須加入地圖學的地圖投影、地圖符號、專題地圖表示方法等內容，不過這些內容的引入也不能是全盤引入，需要進行適當的簡化。比如地圖投影，只需概述投影的定義、實質、衡量投影變形性質的三個指標，重點講高斯克呂格投影，介紹一下UTM投影。

2.理論與實驗教學內容緊密結合的原則

林業地理信息系統的理論教學過程和實驗教學過程是相輔相成、互相促進的。

只有在正確理論的指導下，才能做好實驗。在實驗中，只要數據符合軟件要求，軟件都能給出處理結果，但是這個結果對不對，還需要運用理論才能判斷。比如地圖輸出的時候，成果數據使用的工作底圖的比例尺是1[∶]10000，但學生要按1[∶]2000的比例尺進行出圖。軟件可以把這個圖輸出來，但這個圖是不能用的。

實驗的反饋能增進對理論的理解。實驗是一個個具體的操作，把相對抽象的理論教學內容落實到具體的任務上，能大大加深學生對理論的理解程度。

3.林業專業應用案例的選擇原則

地理信息系統專業的教師上課，在舉例的時候大都會選用地理信息系統當中的一些經典案例。林業地理信息系統教學案例必須采用林業應用實例，讓學生切實感受到這門課程“有用”，以激發學生的學習興趣，提高教學效果。

（二）理論教學內容及其學時設置

第一章，導論，1學時，主要講授GIS的產生、組成、功能、3S技術在林業中的應用。

第二章，GIS數學基礎，4學時，主要講授地理坐標系統、高程系統、高斯克呂格投影和UTM投影方法、54/80/2000/WGS84坐標系的相互轉換、地形圖分幅編號、地形圖識圖。選用案例：小班勾繪中立地因子信息識別，地形圖上外業工作線路選擇。

第三章，空間數據結構，2學時，主要講授地理實體及空間數據的特征、柵格數據結構的基本特點、矢量數據結構的基本特點、實體式和拓撲式結構對后續空間分析的區別、柵格數據和矢量數據的對比。選用案例：某林場的數字柵格地圖及林場遙感圖、坡度圖、林業二調數據。

第四章，數據采集與處理，4學時，主要講授數據的采集方法（遙感的目視判讀+現場調查手工填寫及平板錄入）、屬性數據的編碼、空間數據的編輯（點、線、面）、空間數據的檢查（點、線、面拓撲規則的應用，屬性值域設置，邏輯規則檢查）、數據的格式轉換（CAD、MapGIS、ArcGIS）、矢量柵格數據結構轉換的應用、柵格數據重分類的典型應用。選用案例：林業二類資源調查小班勾繪，即傳統地形圖勾繪與平板勾繪方式、林業二類資源調查編碼庫、造林數據檢查、石漠化數據的邏輯規則、林業二類調查和石漠化評價中的坡度分級。

第五章，空間數據組織，3學時，主要講授GIS層的組織形式、數據庫的分層及每層的數據結構設計。選用案例：湖南省森林公園數據庫建設。

第六章，空間查詢與空間分析，6學時，主要講授空間查詢、疊置分析、緩沖區分析、網絡分析、DEM的創建及地形分析。選用案例：林業資源管理查詢、退耕還林查詢、年度間造林疊置檢查、分行政區域的森林資源統計疊置分析、自然保護區緩沖區分析、森林可砍伐區域分析、森林防火系統中的救火路徑、森林小班平均坡度與坡向的提取。

第七章，地圖制圖，4學時，主要講授專題地圖表達方法、地圖用色、地圖符號、屬性數據的分類分級處理、地圖排版配置、森林專題地圖制作。選用案例：森林資源分布圖、林相圖的制作。

（三）實驗教學內容設置

筆者結合自己多年的實驗教學經驗，根據工作流程設置了實驗教學內容，實驗各個項目之間彼此聯系，且與理論教學內容聯系緊密。實驗設置如表1所示。

（四）增加實習教學環節

如果說實驗教會了學生使用軟件的話，那么實習就是讓學生靈活運用所學知識解決實際問題的教學過程，是真正把GIS用起來解決專業問題的教學過程。

1.數據依據真實場景制作，成果要求可用。比如矢量化勾繪小班操作的時候，因為沒有去過現場，大部分學生勾繪小班圖形時只考慮了林地和非林地、地形信息，屬性數據的填寫也是模擬的。而在實際工作中，需要依據小班的立地條件、森林生長狀況等來勾繪小班，屬性也必須是按照實際情況如實填寫，生產出來的數據要符合生產質量要求，是要能夠使用的，學生的責任感就會不同。最關鍵的是，依據實際場景來做數據，結果如果不正確，學生就會溯源數據的生成過程，思考錯誤的原因，在這個思考過程中，會大大增強學生對數據的敏感性。

2.林學專業的實習場地通常是比較大的范圍，需要分組分工合作，對數據的分發、匯總等處理環節是一種好的演練，同時也可以讓學生有大數據處理的經歷。

目前在林學專業的綜合實習里沒有安排林業地理信息系統課程的實習，這就使學生沒有實際操作的機會。學生學完了這門課程后，通常知道一些基本理論，也會用一些功能，但是面臨具體的任務時，比如要些什么數據，怎么安排數據處理流程，數據是不是可以用等，常常不知道從哪里下手。這是因為實驗時采用的數據是設計好的數據，學生只是依據實驗操作流程進行操作，沒有積累數據準備和數據處理設計的經驗。因此，筆者建議增加實習教學環節。如果課程體系實在安排不下，也建議在林學專業實習的過程中增加地理信息系統應用這一項內容，讓學生把地理信息系統用來解決專業問題。

另外，本課程安排在大三上學期，這時候還沒有上森林經理、林業遙感等課程，筆者在舉例的時候，學生還不明白小班是什么概念，因此覺得講小班勾繪案例比較困難。遙感作為GIS的重要數據源，在林業調查監測中有很重要的作用，但因為開設在GIS課程后面，講例子的時候學生也是似懂非懂。因此，地理信息系統課程應該安排在大三下學期，且必須排在這兩門課程后面。課程學完后，馬上就進入專業綜合實習，教學效果會更好。

三、林業地理信息系統課程教學方法探討

好的課程教學體系是保證課程教學效果的前提條件，有效的教學方法是保證良好教學效果的有力手段。應用型的課程必須激發學生的學習興趣，高度重視收集學生對教學效果的反饋，及時、合理地調整教學方法。

（一）激發學生的學習興趣

林業地理信息系統課程目前是林學專業的學科基礎選修課，有些學生在學習的時候并沒有足夠重視，所以這門課程更需要在端正學生學習動機、激發學生的學習興趣、調動學生學習的積極主動性、充分利用課堂的時間讓學生掌握基礎知識上下功夫。

1.課程考核方式由閉卷改為開卷。以前課程考核采用閉卷考試（70%）+平時成績（30%）的方式，這種考核方式下學生不太看重平時成績，不注意課堂聽講，更愿意在考試前突擊復習。現在改為開卷考試（50%）+平時成績（50%）的方式，開卷考試不用背知識點，重在理解應用，比閉卷考試更受學生歡迎。

2.實驗課考核變實驗報告考核方式為實驗作業考核方式。以前實驗課的成績一般是根據實驗報告和出勤率來定，而實驗報告寫得都大同小異，教師難以從中獲取足夠的反饋信息。采用作業考核的方式后，絕大部分學生都很認真地聽講，還主動地錄像，獨立完成作業。學生普遍反映上實驗課很緊張，一點都不輕松，實驗效果良好。

3.課件美化。雖然教學內容是最重要的，但良好的表現形式會使教學效果得到提升。一個制作精美的課件更能讓學生愿意聽講、集中注意力和提高興趣。

（二）注重教學效果的反饋

教學效果的不斷提高依賴于及時掌握學生的接受程度，因此要重視來自學生的教學效果反饋。目前筆者主要從以下幾個方面來獲得教學效果反饋。

1.作業。作業是課堂教學效果的反饋形式之一，能直接反映學生對課堂內容的掌握程度。目前理論課一般會布置4個作業，分別是計算圖幅號并畫接圖表、典型地貌手繪及常見地形圖符號識別、空間數據分層設計和空間分析。作業要及時批改，及時講解，對于抄襲作業的學生要在其作業本上提醒，這樣能有效杜絕作業抄襲現象。

實驗課的考核方式改變后，教師可以通過實驗作業的完成質量獲取足夠的反饋信息，以便及時調整教學進度和方法。

2.提問。提問分課前的回顧性提問和課中的提問。提問會營造出上課的壓力感，引導學生積極思考問題，促使學生做筆記。根據學生對課前回顧性提問的回答可以了解學生對上節課內容的掌握程度。課中提問能發揮學生在教學中的主體作用，增加教師與學生的互動，方便教師了解學生的思維方式，開展啟發式或互動式教學，強化學生對知識點的理解能力。比如，通過課堂提問可以知道學生對數據庫分層設計的理解情況，發現大部分學生一個是層的立體概念還未建立，一個是屬性表結構與數據記錄混淆。于是，筆者在這節課的教學過程中，請了幾個學生回答問題，并與全班學生一起探討得出結論。經過這個教學過程后，80%以上的學生的課后作業能達標了，以前沒有經過這一教學過程就會有相當一部分學生的作業不達標。這說明通過課中提問來及時掌握學生思維方式后進行啟發式或互動式教學的效果是很明顯的。

3.設計反饋內容。在一些學生容易犯錯的知識點上故意讓學生得到錯誤信息，然后再引導糾正，實踐證明這樣做的教學效果良好。比如，考慮到學生很容易在投影坐標系統上犯錯，于是教師在地形圖配準實驗中演示時用一張34度帶加代號投影的地形圖的配準，設計讓學生操作一張38度帶加代號的地形圖和一張38度帶不加代號的勘界圖進行配準。有些學生肯定會按教師講解的數據去選擇坐標系統，這就會出現錯誤。學生犯錯誤后，由教師引導糾正，學生印象更深刻，教學效果更好。

四、結語

本文根據林學專業對林業地理信息系統課程的要求，考慮到地理信息系統課程具有系統性和行業應用性的特點，設置了比較符合林學專業實際的教學內容。筆者根據自己6年的教學經驗，提出了一些激發學生學習興趣和關注學生教學反饋的方法，這些方法能有效地提升教學效果。

林業地理信息系統課程對林學專業來說是一門工具性的課程，這個工具是否能用好，取決于用戶對數據的理解程度。數據是GIS的血液，數據的比例尺與研究尺度、數據的時效性、數據的精度、空間分析中數據的有效匹配性等，都將直接影響到數據的使用效果。如何才能正確地使用數據，不是只講一個數據質量評價這種專題就能做到的，它需要在相應的教學過程中反復強調。

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[責任編輯：龐丹丹]