服務于黃河流域生態保護和高質量發展戰略的GIS復合型人才培養模式研究

趙芳

摘? 要：黃河流域生態保護和高質量發展重大科學問題的解決涉及到多個領域、多個學科，其中GIS（地理信息科學）在多學科融合和黃河流域生態環境保護、水沙調度、水資源優化配置、黃河文化的挖掘等方面發揮了重要作用。文章在分析GIS在黃河流域生態保護和高質量發展7大重大科學問題應用基礎上，從培養目標、培養體系、課程設置、教育模式和考評機制5個方面探討了面向黃河流域生態保護和高質量發展戰略的特色GIS教學改革，以此培養GIS復合型人才。

關鍵詞：黃河流域;GIS;復合型人才;教育模式

中圖分類號：C961? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）19-0007-05

Abstract： Solutions of major scientific problems of ecological protection and high-quality development in the Yellow River basin involves multiple fields and disciplines， among which GIS （geographic information science） plays an important role. GIS has been widely used in the integration of multiple disciplines and the ecological environment protection， water and sand regulation， optimal allocation of water resources， and the excavation of Yellow River culture. Applications of GIS in the solutions of the seven main scientific problems on ecological protection and high quality development in the Yellow River basin were firstly analyzed， and then GIS educational reform was explored from educational objectives， educational system， curriculum， education pattern， and appraisal system to develop GIS inter-disciplinary talents to meet the needs of ecological protection and high quality development in the Yellow River Basin.

Keywords： Yellow River basin; GIS; interdisciplinary talents; educational pattern

一、概述

黃河流域源于青藏高原，跨越華北平原和黃土高原，是我國重要的生態地域單元，也是我國“一帶一路”重要經濟帶，中華文明和歷史文化的搖籃。隨著全球變暖和人類活動的加劇，黃河流域出現了土壤沙化[1]、高寒植被破壞[2]、水體污染[3]等生態環境問題，嚴重影響該地區生態平衡，制約了人和自然的和諧。如何“共同抓好大保護，協同推進大治理，讓黃河成為造福人民的幸福河”，不僅是我國生態環境保護的重要問題，也是國家重大發展戰略。

GIS（地理信息科學）作為一門融合計算機科學、地理學、地圖學等的交叉學科，研究解決地理信息的采集、處理、存儲、管理和分析過程中提出的一系列基本問題。GIS因具有空間分析、空間可視化、海量數據集成等優勢，目前已經廣泛應用于生態保護[4]、生態服務評價[5]、水資源管理[6]、水污染監測[7]等領域。在生態保護相關應用中，GIS充分發揮了高效的地理數據管理功能[8]、良好的水資源優化配置功能[6]、環境污染模擬功能[7]等。將GIS與黃河流域生態保護結合起來不僅是GIS學科重要的應用方向，也為黃河流域水環境保護、植被保護、土壤監測等提供了重要的手段和方法。

人才是國家發展建設的重要力量，人才培養是高校建設的基本要求。GIS人才培養是GIS高校建設的重要任務，是雙一流大學建設的重要指標，也是應用GIS技術，解決黃河流域生態保護問題的重要環節。傳統的GIS人才培養側重低年級和高年級差異化培養，低年級設置數理類基礎課，高年級根據學校專業背景開設計算機開發類和地理類等專業課。基于不同學校專業背景培養GIS綜合性人才。針對黃河流域生態保護和高質量發展戰略，左其亭教授設計了黃河流域生態保護和高質量發展的理論基礎與重大科技問題的研究框架[9]，為GIS在黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略的應用提供重要的結合點。本文探索在此基礎上，結合GIS在黃河流域生態保護的應用，探討服務于黃河流域生態保護和高質量發展戰略GIS復合型人才培養模式。

二、黃河流域生態保護與高質量發展與GIS應用

針對左其亭教授提出了黃河流域生態保護和高質量發展戰略的重大科技問題，從生態環境保護、水沙調控和水安全、水資源節約集約利用與管控、高質量發展途徑、黃河文化的挖掘和保護傳承、人與自然和諧發展戰略選擇和戰略實施規劃及保障體系分析GIS的應用。

（一）生態環境保護

生態環境保護涉及多類環境數據，如氣候、地形地貌、植被、土壤、污染物監測等，需要利用GIS強大的地理數據組織管理功能，建立黃河流域不同類型的空間數據庫，比如基礎地理和水污染監測數據庫等，組織和管理生態環境數據。利用GIS建模功能，結合生態環境綜合評價指標，包括地形、氣候、植被和土地生產力等，綜合評價生態保護和生態恢復狀況[10-11]，為生態功能區劃、生態修復決策提供支持。

利用GIS強大的空間分析功能，結合遙感技術獲取的大范圍、高分辨率、多時相的環境數據，研究不同時間段環境因素變化特征和趨勢，快速定位生態環境遭受破壞的區域，進行大面積長時序的黃河濕地面積監測[12-13]、黃河流域水污染監測[14-15]、黃河洪水監測[16]、植被動態監測[17]等。

（二）水沙調控與水安全

利用GIS強大的分層管理數據功能和便捷的可視化能力，輸入連續觀測的水沙數據，基于水沙運移規律，結合強大的空間分析功能比如鄰域和疊加分析等模擬水沙演變和調控的過程，包括二維平面的展示和三維立體模擬，輔助制定水沙聯合優化調度方案。

水安全領域，借助GIS數據組織形式如四叉樹生成方法，基于水文站點數據、地形數據和基礎設施數據模擬洪水過程[18]，比手工生成網格模擬洪水節省較多時間且減少出錯機會。疊加土地利用、DEM和社會經濟要素，分析洪水淹沒面積、水深以及造成社會經濟損失，結合壩堤潰決風險評價模型，評估堤壩安全度，預測潰壩風險[19]。結合水文水動力模型如SWMM和GIS二次開發功能，輸入排水管網、河道和道路、匯水區域數據，基于積水擴散算法模擬城市積水深度和積水面積，能夠分析不同的暴雨過程對城市影響[20]。

（三）水資源節約集約利用與管控

將GIS對數據的可視化與水鹽運移模型、智能算法等結合，借助GIS插值分析、表面分析等空間分析方法，通過設置不同灌溉條件，模擬水鹽時空變化及其影響因子，分析不同方案對作物產出影響，制定最佳的灌溉方案[21];從不同尺度構建灌溉水量優化配置模型，預測不同配水方案的節水量、灌溉所需時長和費用節約情況，制定最優灌溉措施，對水資源進行優化配置[22]。

基于GIS建立“旱作農業決策支持系統”[23]、“灌區地理信息系統”[24]、“旱情監測系統”[25]等對氣象、土壤等地理要素進行自動或人工采集，分層輸入地理數據庫，系統集成數學模型和決策分析模型預測作物需水量、降水徑流、土壤含水量，制定不同時段、地區的用水計劃，相比人工管理方式，極大提高了灌區管理水平和水資源利用效率。

（四）高質量發展途徑

GIS在高質量發展問題可以集成國土資源、生態環境和社會經濟等多方面因素，評估不同發展模式對黃河流域生態保護影響，設計最優高質量發展戰略。隨著“互聯網+”和智慧地球概念的提出，以及物聯網技術、航空航天技術的發展，大到航天遙感和通信的衛星，小到街道攝像頭、手機攝像頭成為地理信息的數據采集系統，尤其是各類高分辨率衛星數據基于移動GIS系統的集成，GIS融合黃河流域資源環境大數據服務形成高質量發展的產業鏈，為生態保護、水文預報、防洪管理、水沙調度等領域提供GIS服務。

（五）黃河文化的挖掘和保護傳承

歷史資料是黃河文化挖掘和保護傳承的重要數據源，利用GIS為歷史文化添加位置信息、時序信息和屬性信息等基礎地理信息，有助于深入分析黃河歷史文化的遷移和傳播途徑。集成歷史時期的地理環境，研究黃河文化的成因和起源，因地制宜保護和開發黃河文化，促進黃河歷史的傳承和延續。

（六）人與自然和諧發展戰略選擇

黃河流域人與自然和諧發展需要兼顧資源、經濟和環境，這也是評估人和自然和諧發展的重要指標，基于GIS量化資源開發、經濟發展和環境保護相關的各類因素，構建資源地理、經濟地理、環境地理數據庫，研究人與自然和諧發展評估模型，制定資源經濟環境和諧發展戰略。

（七）戰略實施規劃及保障體系

黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略規劃及實施包含生態功能區劃、水資源優化配置、資源-環境-經濟和諧發展規劃等。GIS的優勢在于將這些規劃制定使用的各類指標添加空間、時間和屬性信息，利用先進的數據采集手段獲取相關數據，并結合GIS強大的地理數據管理和分析功能，集成戰略規劃模型和決策分析模型，進行數據的計算、分析和時空模擬，為國家戰略的規劃和實施提供了新的思路和方法。

三、服務于黃河流域生態保護和高質量發展戰略的GIS復合型人才培養

黃河流域生態保護和高質量發展戰略的實施不僅需要水文學與水資源、水工程與水安全等學科提供理論基礎，也需要GIS技術和手段。針對黃河流域生態環境特點，結合黃河流域生態保護和高質量發展戰略重大科技問題對GIS人才的需求，從培養目標、培養體系、課程設置、教育模式和考評機制五個方面探討了面向黃河流域生態保護和高質量發展戰略的特色GIS教學改革。

（一）培養目標

服務于黃河流域生態保護國家戰略的GIS復合型人才不僅要靈活掌握GIS基本理論，強化GIS基本技能，還要求學生熟悉基本水量平衡原理、水沙關系調控理論、水安全理論、人地關系理論等建立專業的水環境綜合評估模型、水資源優化配置模型、人和自然和諧發展評估模型等，結合GPS、遙感技術、網絡技術、測繪技術等解決黃河流域生態保護、水安全、水環境保護、人與自然和諧發展相關的重大科學問題。

（二）培養體系

服務于黃河流域生態保護國家戰略的GIS復合型人才培養體系如圖1所示，在系統學習專業基礎課、核心課程的基礎上，利用項目和課題為牽引，實現學生的知識、能力和素質的一體化培養。擬采用“2+1+1”的培養方案，設置第一、二學年為基礎教育階段，以公共基礎課程和專業基礎課程學習為主。要求學生掌握較扎實的自然科學基礎知識、較好的人文社會科學基礎知識和外語語言綜合能力，根據其研究方向，學習GIS、水利和環境領域的專業基礎課程，比如GIS概論、遙感導論、地圖學、生態學、水文水資源、水環境學等。

第三學年為分多元培養階段，鼓勵學生選擇研究方向和指導老師，并參與創新創業大賽項目、“挑戰杯”項目或自選課題，選修應用類課程，比如環境影響評價、水污染控制、GIS應用專題、遙感地學應用與分析等，進行專門化專業技能學習和實踐，其中理論教學、實際應用和獨立研究相互依托、相互輔助，建立從理論、實踐到研究的教育鏈條，重點培養學生應用GIS專業理論解決黃河流域生態保護和高質量發展科學問題的的能力，使學生獲得有意義的科學研究體驗，培養未來GIS復合型人才的綜合品質。第四學年為科研素質提升階段，該階段學生通過畢業論文，鍛煉獨立研究能力，為學生進入更高層次研究階段或工作崗位打下堅實的基礎。

（三）課程設置

課程體系包括基礎類課程和核心課程，其中基礎類課程包括公共基礎課程，如數理統計類、英語類、政治類課程等，以及專業基礎課程包括GIS類基礎課程，如地圖學、遙感導論、測量學、GIS原理與方法，黃河流域生態保護類基礎課程如水文水資源、環境保護、生態學、水環境學等，主要開設于大一、大二階段。專業核心課程包括GIS核心課程如：遙感圖形處理、GIS設計與開發、GIS應用專題、GIS空間分析、遙感地學應用與分析，黃河流生態保護核心課程如環境影響評價、水污染控制等，主要開設于大三階段。

（四）教育模式

GIS教學多采用傳統授課方式，GIS理論課由教師在課堂講解，實踐環節由教師根據理論部分設計，通常為了鞏固基礎理論知識，與國家重大課題和重要需求往往脫節。本研究教育模式改革首先需要教師不斷提升自己，結合國家重大戰略確定研究目標，提高創新能力和科研水平。針對黃河流域生態保護和高質量發展重大課題確定學生的創新創業研究方向和畢業論文題目，如表1所示，提升學生的科研水平。

同時定期邀請地理學、水利工程和環境等領域的專家開展講座和學術報告，鼓勵學生參與并進行學術交流。教師課后設置的作業從傳統的給出問題，學生筆頭做答到給出話題，學生查閱資料后課堂討論，加深學生學習的積極性和主動性。另外通過查閱文獻資料進一步了解GIS在黃河流域生態保護的應用情況及前沿發展動態，拓展知識。隨著校企合作受到越來越多的重視，需要逐步完善與其他相關的行業單位之間的協同育人體系，實現GIS復合型人才的培養與需求機構的有效對接。

（五）考評機制

完善GIS學科的考評機制。傳統的考核方式必修課為理論考試加上機報告的，選修課通常為課程論文或研究報告。在考核環節應該增加學生的科研水平和GIS技術開發水平的考核，在黃河流域生態保護和高質量發展戰略下，引導開發水平高的學生向GIS設計開發工程師、GIS產業化方向發展，科研能力強的學生著力于黃河流域生態環境保護重大科學問題的解決，選擇研究課題，提高創新能力。

四、結束語

本文首先分析了GIS在黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略7個重大科學問題的應用，研究了黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略對GIS人才的需求，設計了GIS專業人才的培養目標;提出了利用項目制和課題為牽引，全面實現學生的知識-能力-素質的一體化人才培養體系和教育模式;探索了結合GIS和黃河流域生態保護的基礎課程和核心課程體系;完善了傳統GIS學科的考評機制，助力于面向國家黃河流域生態保護和高質量發展的GIS復合型人才的培養。

本文是在左其亭教授設計的黃河流域生態保護和高質量發展的研究框架的基礎上結合作者在水利信息技術專業的經驗，以及GIS在水文水資源、水沙調控和水安全等領域的應用設計的教學改革文章，希望以黃河流域生態保護和高質量發展為契機，培養GIS復合型人才。未來還需要在GIS專業、水文學和水資源、環境科學等領域進行深入的實踐，探索多專業交叉的專業型和綜合性人才培養模式。

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