服務于林業應用的“遙感與地理信息系統”課程教學改革初探

沈文娟

(南京林業大學 林學院，江蘇 南京 210037)

2019年11月，《國家林業和草原局關于促進林業和草原人工智能發展的指導意見》提出全面推動人工智能技術在林草業中的應用，建設智慧林草，為全面建成小康社會、建設生態文明和美麗中國作出新貢獻。就森林生態系統而言，借助多源遙感和信息技術，運用先進的算法與技術，監測森林變化，實現森林健康評價[1]。森林是陸地生態系統的重要組成部分，在實現碳中和目標中扮演著越來越重要的角色，并提升了在應對氣候變化中的地位和作用。林業承擔國家生態建設和提供社會、經濟所需供給的重要任務，做好林業的調查與監測工作意義重大。

遙感與地理信息技術結合大數據、人工智能技術，使得林業調查與監測從傳統的人力密集型逐漸向智慧型轉變。林業人在進行森林資源調查、林業有害生物監測、森林防火等林業工作時，逐漸從投入大量的人力物力中解放出來。通過加強培訓學習，深化和推動現代化的遙感技術(如無人機、雷達探測)、地理信息系統(GIS)、大數據、深度學習等新技術在林業生態建設中的創新應用，大大降低了人工作業量，并能夠有效監測森林資源動態，預防森林病蟲害和森林火災發生，從而推動了林業高質量發展[2-3]。

傳統的林業監測調查通常以耗時耗力的外業為主，缺乏地理與遙感空間信息采集、分析與監測的環節，在時效性上很難滿足林業資源快速監測的需求，因而在實際的林業生產實踐中要更好地發揮作用還需與智能化、信息化的技術進行緊密結合[3-4]。伴隨著地理學、計算機技術、遙感技術和地圖學等學科的快速發展，數字林業、智慧林業、精準林業等理念的廣泛提及，南京林業大學針對涉林學科及專業(林學、水土保持與荒漠化防治、森林保護)本科生培養計劃方案，分別開設了“林業遙感”“遙感與地理信息系統”“地理信息系統”等專業課，主要目標是讓學生更好地了解和掌握遙感與地理信息系統基礎與前沿知識及軟件操作技能，服務于林業應用。南京林業大學是一所以林科為特色、以多學科為優勢的多科性大學。林學作為重點學科，是江蘇省品牌專業，依托于林學實驗中心，開展了精準林業與數字林業的長期監測與試驗工作。因此，林學學科的“遙感與地理信息系統”課程主要以遙感和地理信息系統基礎、分析與處理為主，在此基礎之上實現兩者的結合，并實現林業領域的多種應用，為數字林業與精準林業等行業發展以及生態文明建設提供人才保障。

1 課程教學現狀

“遙感與地理信息系統”課程屬于交叉性學科，涵蓋“3S”技術等知識的交融。然而研究教學大綱發現課程教學設置時容易將遙感與GIS互成體系，在教學內容、方法及實踐等方面未能緊密結合并挖掘各自的林業應用需求。互成體系的教學模式很難滿足林科背景下人才培養的需求。另外，教學人員知識儲備的差異致使學生缺乏對課程的關注，難以提升學生對課程的興趣，因而也降低了其從事相關課程學習的可能性。上述現狀造成課程教學無法與現代林科人才培養和學科發展的需求同步，因此需要對于遙感與GIS課程教學進行改革，以便改善教學大綱，實現人才培養優化[5]。

2 教學改革

2.1 提高授課人員素養

林學學科“遙感與地理信息系統”課程的開設需配備具有相應專業背景的教師。此類任課教師既需要有遙感、GIS、地圖學專業背景，還需要有林學知識儲備。因此，理想的專任教師應具有如下專業背景：即地圖學與地理信息系統、森林經理學、林學等，但實際上，同時具備多學科背景的專任教師數量不多。為了更好地勝任課程，任課教師需要投入大量的精力與時間用于備課。基于此，筆者總結出如下幾點提升授課人員備課效率的策略：(1)選取合適的教材與教輔資料，并總結編撰適合該課程的新教材；(2)主動學習校內外相關任課教師的教學內容、方式與方法，比如利用愛課程平臺；(3)積極參加GIS、遙感與林學高校論壇、高校講課競賽、行業研討等；(4)參加教學改革項目，積極總結經驗，探索豐富課堂教學的策略；(5)利用網絡或者國外課題組資源，參照他人的教學形式進行學習轉化。南京林業大學林學院已有教師獲得了專業領域講課競賽的獎項，達到了鍛煉與培養的目的；還有教師建設金課、慕課、精品課程與雙語課程等，執行多種教學項目，以及編撰林業領域專業教材。以此為基礎，為后續的進一步改革提供借鑒與引領。

2.2 改革教學內容

遙感與GIS課程教學是林業信息監測的理論與實踐基礎。通過該課程的理論和實踐教學，使本科階段畢業就業的學生能夠繼續將其所學的遙感與GIS技術及理念應用到林業實際生產中；使繼續攻讀學位的研究生能夠夯實專業基礎，發掘更多的遙感與地理信息技術及其林業應用的科學研究價值，為數字林業與精準林業發展提供理論與技術指導。

2.2.1 理論教學內容改革

林學學科遙感與GIS課程內容通常沿用這兩門課程的知識點，通過這些內容的確能夠了解并掌握遙感和GIS原理與方法，但是難以與林業院校林學人才培養目標緊密掛鉤。以往的遙感與GIS課程實行內容分開講授[6-7]，內容之間連貫性不強，拼湊痕跡嚴重；而且內容陳舊，缺乏林業應用需求及框架設計，很難實現技術與林業應用的有效融合。

鑒于上述問題，筆者提出“基礎—新理念—新方法—創新應用”的多維度教學內容體系，搭建教學框架，面向實際應用(就業)和科學研究(升學)的不同需求分別有所調整。通過突出重點內容，合理引導，培養學生的學習興趣與鉆研科學的精神，最終實現教學與人才培養并舉。具體概念圖如圖1所示，實施內容如表1所示。該教學內容體系重點描述了遙感與GIS及其林業應用，以遙感基礎為培養重點，鋪開陳述地理信息相關知識，以林業應用為需求導向，以科學思維培養為重點，構建林學學科遙感與地理信息系統課程教學改革框架，實現多源遙感、地理信息數據與先進算法融合與集成解決林業需求的目標。

表1 教學內容體系改進的具體情況

圖1 基于“基礎—新理念—新方法—創新應用”

以遙感圖像分類的知識點為例，參照大綱內容，該章節的重點內容為監督分類與非監督分類。其中監督分類主要講解最大似然法和最小距離分類法，非監督分類主要介紹K均值算法和ISODATA迭代自組織算法。然而隨著多源中高分辨率遙感數據的出現與智能技術的發展，目視解譯技術與傳統的分類方法已經不能滿足快速、精準的林業發展需求。筆者在教學過程中發現現今的大學生對于前沿知識的接收度高、吸收能力強，對于新技術有濃厚的興趣。因而筆者以AlphaGo人機大戰為例，引入深度學習技術，進而延伸到林業監測。針對森林精細識別的主題，引導學生討論分析。然后以筆者所提供的案例穿插講解知識點，揭示在人工智能算法層出不窮的情況下，學生應該牢固地掌握基礎知識，謹記在解譯與分類時解譯者專業素養培養的重要性，以及在智能化監測中人扮演的重要角色。總之，在理論教學的基礎上實現培養學生創新意識的目標，使學生養成在知識認知時不唯書本且要超越書本的精神，緊跟林業發展動向，服務國家發展需求。

2.2.2 實踐教學內容改革

遙感與GIS課程實驗教學通常采用教師演示為主的方式，學生模仿跟蹤每個實驗專題消化理論知識使之轉化為動手能力，這為學生求學與求職奠定了實踐基礎。通常實驗主要圍繞遙感與GIS軟件，如ArcGIS、ENVI、EARDAS等，結合一些實踐專題進行訓練并撰寫實驗報告。隨著多源數據、人工智能、大數據等理念的興起，林業信息化要求越來越高，簡單的軟件操作教學已經不能滿足多數據源聯合、海量數據的處理需求，因而順應形勢需要培養學生的信息處理能力，使其具備獨立解決不同的實踐問題的能力。當前實驗教學需要關注與改善之處，筆者認為應該從以下幾方面著手：

(1)夯實傳統實驗教學基礎，提倡新理念與新技術的應用。傳統的實驗教學內容主要依托專業軟件開展地圖、航片與影像等的認知，并進行簡單的圖像處理與分類操作。內容通常較為清晰，但形式較為單一。遙感實驗通常與林業應用關聯度較高，而地理信息系統實驗主要有住房選址分析、棲息地選擇、水文分析和路徑分析等，未見明顯的與林業應用的結合。但是對于林學專業來說，只有緊扣林業發展組織實驗教學，才符合學科交叉動向。筆者建議基于林業監測的野外實驗和內業操作，結合表1和圖1所示的改進內容，重點加強以下知識的學習：①多途徑的圖像預處理技術平臺，如ENVI/IDL、Matlab、QGIS、Python、R等；②人工智能與深度技術用于圖像分析；③自動化圖像處理與分析技術；④開源矢量與柵格空間數據運用；⑤大數據與云平臺技術。筆者以森林變化識別項目作為一個實驗案例[8]，具體如圖2所示。該案例指導學生基于多源遙感圖像(光學和雷達)獲取時間序列范圍內的森林與非森林圖像，并將這些圖像中的持續非森林類別與森林類別按照時間序列空間疊置分析進行制圖顯示，從而實現造林的識別與制圖。在該實驗中不僅讓學生充分認識遙感圖像目標識別、GIS空間分析與統計運算等，還能使其理解林業信息大數據與智能化知識，如海量遙感數據讀取與分析、并行處理、GEE云平臺存儲與分析等。

圖2 森林變化識別的流程圖[8]

(2)探索面向就業的實踐新方式。面向就業的實驗教學通常最具有實際價值，也是準備就業的學生更為關注的事情。比如以南京松翠園林公司的項目為例，據筆者了解，該公司主要從事林地征占用、林業核查等工作。征占用主要是勘察林業項目的紅線，涉及公益林等林地的數量，統計采伐樹木的面積與蓄積。林地核查主要核查造林的面積規格是否達標。在實驗教學中，筆者組織學生去該公司進行為期一周的參觀學習，實踐學習的主要內容包括遙感影像的判讀、目視解譯、野外調查等，提高實踐能力，為就業增添砝碼。

(3)確立新的實驗評價機制。除了使用課程實驗報告作為評價學生實驗掌握的程度外，可借用一些林業遙感與GIS專題專業競賽來提升學生的動手能力。同時，可將創新設計、論文撰寫、科普宣傳、小視頻創作等作為考核評價項目，以實現評價形式的多樣化，可占實驗評價比例的50%。

2.3 改進教學方法

(1)以多媒體教學為主，穿插現代信息技術手段，實現多種教學手段整合。將圖片、動畫、視頻等貫穿在教學中，使得教學形式更為靈動，將深奧的專業知識轉化為淺顯易懂的知識點。另外，網絡課程資源豐富且全面，大學生MOOC建設、雨課堂、知網講座、騰訊講堂、B站學習視頻等在線課程，將國內外知名學校及科研教育機構最具特色的學科知識、技術心得、學習經驗等進行資源共享，不斷縮小學生對于前沿知識接觸的差距，將枯燥無味的知識進行多樣式的轉化。筆者在課堂教學時多選用遙感與地學類的國家級MOOC資源，通過與林業應用整合與改進，針對學生背景不同及知識點掌握的差異，開展有針對性的教學。

(2)以專題案例介紹為主，通過分組主題討論，培養學生的集體協作、創新思維與能力。比如從行業頂級學科期刊選取近年來有學科代表性的案例，因為上述期刊所呈現的綜述內容、方法、技術與應用能代表行業最權威的創新思路。通過閱讀文獻，學習他人的先進理念，并進行消化轉化，這是培養科研思維最便捷的方式，也是幫助學生接觸前沿科學最直接的途徑[9]。筆者在文獻案例選擇時通常結合當下國內國際時事，避免造成學生的聽覺疲勞；同時考慮本科生對于知識的認知還比較淺，選用的文獻難易適中，主要從摘要、前言、研究領域方面展開，理解方法的物理含義，進而逐步推進。

(3)開展雙語教學。比如，在專業課知識講授時，配上英文標注。此外，選擇與課程相關的文獻和外文書籍，訓練閱讀能力，強化學生專業英語學習的能力。現有的專業軟件以英文版居多，遙感與地理信息數據源、處理平臺起源國外，提高專業英語水平既能幫助學生熟練使用軟件，也有利于他們掌握國際前沿動向[10]。筆者在教學時會重點要求學生掌握專業術語，主要采用英文標注的顏色突出顯示、板書時著重強調、有針對性地強調實驗內容等形式，通過反復訓練加深記憶。反饋證明該方式使得學生學習目的更為明確，學習效果良好。

(4)通過講座的形式拓展傳統課堂，使課堂教學形式呈現多元化，提升課堂教學內容的層次性。在整個教學過程中可設置1—2次講座。網絡講座、培訓或者其他院校的專業講座都可以作為選擇的對象，如武大、北大、北師大定量遙感暑期學校，灣區GeoInsiderWebinar、武漢大學GeoScience Cafe系列在線或線下講座等。網絡視頻回放或者推送講座信息的形式較為方便快捷，教師依據這些全面描述科研理念與方向的重要素材，給學生補充知識點，可以有效擴大學生視野，把學生從書本中解放出來，擴寬知識面，為未來職業規劃做好鋪墊。

(5)以課后興趣培養為引導，培養學生創業創新技能。指導學生參加學科競賽、撰寫專業論文、發明創造等。以往的教學評價主要以作業完成度、出勤率、考試成績來衡量，現在可引導學生參加多種學科競賽、創新比賽，重點培養學生創新思維，與課程關聯的表現都將作為考評指標，為此從考試的考評比例中分出10%作為權重。省級或校級大學生創新是一項很好的實踐鍛煉項目，每年均有本科生申報參與這類項目。在項目的實施過程中，學生能夠獨立收集資料，運用所學撰寫科研論文，動手發明創造，訓練創新思維，為后續的求職求學提供了多種可能。

3 結語

為了落實上述教學改革的措施，南京林業大學林學院結合學校與學科的實際情況，重新編寫了課程與實驗講義，并在“老帶新”的模式下，形成了教師教學水平梯度，通過分享各自的教學經驗，共同探討林學學科“遙感與地理信息系統”課程教學改革，逐步提高理論與實踐教學的水平。目前，“遙感與地理信息系統”課程改革已經取得一定效果，未來仍需在以下三個方面作出更多的努力：

(1)融入課程思政，提升育人功能。在專業課中融入思政內容，把大學生培養成有本領、有情懷、有擔當的社會主義建設者，已成為社會共識，因此，在“遙感與地理信息系統”課程中，不但要結合林業行業的需求，還要充分挖掘其中的思政元素，努力實現立德樹人的目標。

(2)推動學科交叉，創新教學理念。引入多學科交叉的理念，重點培養學生關注地理信息和遙感技術的最新發展動態，不斷學習地理空間智能，重視研究信息學、計算機科學和空間工程中地理信息系統和遙感之間的協同作用，以及它們在林業領域與其他系統(人類系統、物理系統和網絡空間)交互的應用[11]。

(3)緊扣學科熱點，助力林業發展。緊跟國家與國際層面地理信息與遙感技術學科前沿知識，全面剖析問題與機遇，不斷深入了解時空大數據分析、不確定性建模和地理可視化以及人工智能等，學習和利用遙感數據集、解譯及其處理技術，協同兩者的優勢與潛力為林業發展的新機遇提供先進理念與科學支撐。