新農科背景下“3+N”的三維GIS課程實踐教學改革研究

摘" 要：新農科背景下，涉農高校肩負著培養強農興農實踐人才的重要使命。為推進新農科高質量建設，涉農高校需要積極推動三維GIS實踐教學改革，解決傳統農林院校在三維GIS實踐教學中存在的教學理念、課程建設模式、教學實施模式以及育人平臺建設等方面的問題。研究針對GIS和新農科交叉技術人才培養的需求，提出“3+N”的三維GIS實踐教學改革路徑，探討學科交叉育人模式改革、信息化教學環境和資源重塑、教學實施模式優化和協同育人平臺建設等視角的改革措施，并對其教學效果進行評價。這些經驗可以推廣到其他課程中。

關鍵詞：三維GIS；虛擬仿真實驗；教學改革；項目化教學；信息化教學

中圖分類號：G642" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）24-0141-04

Abstract： In the context of New Agricultural Science， agriculture-related colleges and universities shoulder the mission of training practical talents for strengthening agriculture and invigorating agriculture. In order to promote the high-quality construction of New Agricultural Science， agriculture-related colleges and universities need to actively promote the practical teaching reform of three-dimensional GIS and solve the problems existing in the practical teaching of three-dimensional GIS in traditional agricultural and forestry colleges， such as teaching concept， curriculum construction mode， teaching implementation mode and the construction of education platform. In order to meet the needs of cross-technical personnel training of GIS and New Agricultural Science， this paper puts forward the practical teaching reform path of three-dimensional GIS， discusses the reform measures from the perspectives of interdisciplinary education mode reform， information-based teaching environment and resources reconstruction， teaching implementation mode optimization， and collaborative education platform construction， and evaluates its teaching effect. These experiences can be extended to other courses.

Keywords： 3D GIS; virtual simulation experiment; teaching reform; project-based teaching; information-based teaching

2023年中央一號文件首次將建設農業強國作為戰略重點提出[1]。新農科背景下，急需培養交叉學科知識融合的人才，而涉農高校在培養高素質農業人才和現代農業科技成果產出方面具有重要作用[2]。三維GIS是地理信息科學專業大三年級的專業進階課程，課程圍繞地理空間數據采集、建模、處理等過程開展，實踐教學是地理信息科學（GIS）人才培養的重要途徑[3]。然而，傳統的三維GIS實踐教學內容單調、學科交叉融合不夠。因此，開展新農科背景下三維GIS實踐教學改革，為培養新時代“三農”和GIS人才提供支撐。

1" 傳統三維GIS實踐教學存在的主要問題

1.1" 傳統三維GIS課程育人理念陳舊

農林類高校傳統GIS專業課程育人偏重三維GIS理論教學，對實踐教學關注度有待提高，對能力為重、全過程、立體育人的理念還有待強化。首先，重傳統理論知識與技術、輕實踐的農林學科三維GIS實踐教學理念難以適應新時代新農科新型課程育人的需要；二是傳統三維GIS實踐教學課程育人培養模式中實踐課和理論課分離，上課時間間隔較遠，學生難以將理論和實踐知識融會貫通，難以適應新農科背景下對專業型、復合型、創新型人才的培養需求。三是傳統三維GIS實踐教學知識和技術較為陳舊、實驗和實踐課時不夠、比例不協調，與農業農村產業融合發展需求結合不緊密，難以適應新農科對實踐人才分類培養的要求。

1.2" 實踐教學體系交叉融合程度不夠

“細”而“窄”的農林院校三維GIS課程建設模式，鮮少的三維GIS技術在農林行業的應用案例，難以適應新農科課程交叉融合的需要。首先，傳統三維GIS實踐教學更加關注于課程本身的地學類知識，新時代新農科背景下三維GIS人才的培養需著眼于農林知識、三維GIS、人工智能和虛擬仿真等不同學科的深度交叉融合，實踐教學軟硬件環境的建設和選擇應該充分考慮三維GIS融入農林類產業鏈的全部過程。其次，三維GIS應用于新農科專業的實踐教學資源庫缺乏。傳統的三維GIS實踐教學資源多集中于地理、地質等領域，而森林火災現場這種危險性大、突然性強的場景，難以在事發時帶學生現場實踐，缺乏農林行業與三維GIS深度交叉融合的虛擬仿真模型庫、虛擬仿真實驗庫，學生難以身臨其境地真實體驗三維GIS相關知識。再次，三維GIS相關的技術迭代周期短、更新快與現代信息技術的發展緊密聯系，需要學生具備較強的軟件開發能力和三維模型構建能力，目前缺乏與時俱進的科教融合軟件庫和思政案例庫引領三維GIS實踐教學。

1.3" 實踐教學模式單一

傳統的三維GIS實踐教學實施模式，難以適應新農科課程對優質交叉融合教學模式的需要。第一，傳統單一化的線下教學模式，理論和實踐不協同。在傳統的三維GIS實踐教學過程中，老師通過現場演示現存案例，同學們跟著老師制作的軟件操作流程進行上機操作，由于課程時間短，學生數量多，學生難以對案例進行充分的練習和拓展，對實踐內容的原理和邏輯也是一知半解。第二，線上教學質量較難保障，實驗操作指導困難。線上實踐教學過程替補了線下教學的部分空白，但是新農科背景下的線上實踐教學場景、模型、環境和平臺都不夠完善，學生容易出現技能上的問題，三維GIS相關軟件和技術更新快，目前缺乏全新的實踐教學模式不斷更新教學資源。第三，實踐教學過程過度依賴實踐教材和老師講授，沒有充分考慮學生個體差異和實際需求，導致學生缺乏主動探究和獨立思考的機會，容易導致思維方式單一和創新力不足。

1.4" 實踐育人平臺缺乏

傳統單人作戰的農林三維GIS課程育人平臺建設，難以適應新農科協同育人的需要。首先，缺乏協同育人環境和工具，校企合作不夠緊密。三維GIS課程教學團隊需要加強與農林行業企業的合作，以確保教學內容與實際行業需求相匹配，目前存在合作程度不高、交流不暢等問題，難以提供協同育人工作所需的資源和工具。其次，課程協同育人模式不完善。三維GIS課程需要構建多機構參與的協同育人模式，以保證多方面資源的整合和優化。目前缺乏針對協同育人的教學模式和實踐操作，無法引導學生適應協同工作和合作的學習環境，無法滿足學生從實踐中獲取經驗、解決問題、提升創新能力的需要。再次，缺乏課程教學隊伍的梯隊結構。新農科背景下三維GIS課程教學團隊需要培養具有各級別、各專業領域教師和企業導師的課程教學隊伍，以滿足不同層次和領域的教學需求。目前存在師資力量不穩定、師資結構不合理等實踐育人師資隊伍問題。

2" 解決路徑

為了應對新農科背景下三維GIS實踐教學中存在的問題，課程教學團隊聚焦立德樹人的教學理念，改革課程育人模式，打造新農科背景下三維GIS實踐教學的“穩定器”；聚焦課程內容的交叉融合，重塑教學環境和資源體系，利用最新的信息化技術賦能，研發教學資源與優秀案例庫，打造新農科背景下三維GIS實踐教學的“加速器”；聚焦行業需求，優化課程教學實施模式，打造三維GIS實踐教學的“助推器”；聚焦產學研用融合，搭建課程育人平臺，打造三維GIS實踐教學的“孵化器”。

2.1" 聚焦立德樹人，改革課程育人模式

三維GIS課程育人是新農科教育的重要一環，貫徹落實立德樹人的理念，以改革課程育人模式為手段，打造新農科教育的“穩定器”，從而推動農業現代化和農村振興。要實現這一目標，三維GIS實踐教學應該緊緊圍繞新農業、新鄉村、新農民、新生態發展需求展開。為此，我們可以采取以下措施：一是重塑課程育人教學理念，確立學生為本、立德為先、能力為重、全面發展的教育教學理念，并形成全方位育人的立體結構、全過程育人的貫通效應。同時，應該注重培養學生的人文素養、創新能力、實踐能力和團隊合作精神，以此為基礎實現課程育人目標。二是改革課程育人模式，構建新農科三維GIS專業人才就業型、創業型、學術型教學模塊和專業型、復合型、創新型教學模塊，并采用模塊嵌模塊的方式，集成價值塑造、能力培養、知識傳授于一體的課程育人模式，從而實現基礎教育、專業教育和實踐教育的有機結合。三是因材施教，根據學生特點，在教學體系中拓展人才分類培養模式，對接農業農村產業融合發展新需求，針對性地改革三維GIS課程教學育人模式。

新農科三維GIS課程育人是新農科教育的重要組成部分，應該根據新農業、新鄉村、新農民、新生態的發展需求，不斷改進教育教學模式，培養符合新時代要求的新農科人才，為農業現代化和農村振興發揮更大的作用。

2.2" 聚焦三維GIS交叉融合，重塑教學環境和資源體系

結合湖南省“七山一水二分田”的省情，聚焦農林院校三維GIS交叉融合，課程教學團隊著重關注農林學科知識與大數據、人工智能和信息科學在教學環境、教學內容、教學資源方面的交叉融合，拓展傳統農林學科知識的內涵，促進三維GIS課程中地理信息采集、處理、三維建模與可視化等教學重點和難點知識與傳統農林行業問題的深度融合與有機銜接，重塑新農科背景下三維GIS實踐課程內容體系，形成了8個層層遞進的主題實驗教學項目。利用信息化賦能，構建“3+N”的全時空、多維度信息化教學空間。其中“3”是指依托國家級森林防火虛擬仿真實驗教學中心的硬件設備、實踐教學網站和在線課程。“N”指的是教學團隊帶領學生自主建設的農林業天空地一體化監測在線教學平臺、科教融合軟件、智慧教學系統等多個教學平臺。

2.2.1" 信息化賦能構建多維度多場景交叉融合的教學環境

持續推進軟硬件教學環境供給側結構性改革，搭建具有新農科特質的三維GIS實踐課程教學環境。教學團隊在2014年成功申請了首批國家級森林防火虛擬仿真實驗教學中心[4]。依托該中心建設的衛星地面接收站平臺、數據處理平臺和數據展示平臺等實踐教學軟硬件模塊，從農林行業三維地理信息數據獲取、處理到可視化，全流程培養學生的動手能力和科學思維[5]。此外，教學團隊基于Cesium和WebGIS技術自主研發衛星監測在線教學平臺，通過交互式情景動畫將抽象的農林業知識點具象化，引導學生按步驟進行數據處理，幫助他們系統地掌握衛星遙感數據獲取、分析、處理的全過程。提高學生的學習效果，激發他們對專業知識的興趣和熱情。通過構建多維度多場景的教學環境，為學生提供更豐富、更便捷的學習資源，以優化教學效果。

2.2.2" 信息化賦能構建交叉融合的教學資源庫

在教學資源方面，教學團隊增加多學科滲透、專業知識與技術集成、過程動態與前言展望等內容，精心構建了5個主題，涵蓋了1 200多個教學資源。搭建在線課程、虛擬仿真模型庫、虛擬仿真實驗庫、思政案例庫和科教融合軟件庫等教學資源模塊。

在線課程：教學團隊針對每節課程的內容設置了問題導入、理論講解、實踐操作、在線仿真、結果分析、優秀實驗報告鑒賞和資源拓展7個板塊。包含了專業基礎課模塊、學科交叉核心模塊、專業通識模塊、實踐教學模塊、學科產業動態與前沿模塊，為學生的理論學習和學科交叉實驗實踐提供全方位的支持。

虛擬仿真模型庫：教學團隊自主研發動畫模型資源，涵蓋了從災前監測到災后三維損失評估的整個過程。這些模型將知識形象化和時序化呈現，旨在解決三維GIS算法和知識抽象難題。

虛擬仿真實驗庫：依托自主研發的森林防火知識培訓、森林火災蔓延、森林火災緊急避險和森林火災指揮撲救等桌面端離線實驗軟件，用于實驗模擬和沉浸式體驗，以解決三維場景構建復雜和模型交互困難的問題[6]。

思政案例庫：教學團隊將科學防災和課程思政育人的理念融入其中。自主建設的思政案例庫收集整理了包含科學家精神、社會各界撲救森林火災過程、學術動態和“三農”情懷等蘊含豐富思政元素的素材，以切實提升育人實效。

科教融合三維GIS軟件庫：圍繞培養交叉融合的鄉村振興緊缺人才，由教學團隊帶領學生共同開發具有新農科特質的三維GIS科教融合軟件，包括林火多源遙感監測預警信息平臺、遙感數據處理平臺、城市森林公園三維漫游系統、舟山普濟寺虛擬導游系統、高仿真樹木建模、火行為模擬系統、可燃物模擬系統、森林火災損失評估模擬系統、可燃物煙霧土壤仿真系統、撲火機具滅火效率模擬及森林生長與發生模擬。旨在培養學生交叉學科知識整合能力，解決現場教學實踐場地缺乏、危險性大和實驗開展困難等問題。

三維GIS課程教學資源通過增加多學科滲透、專業技術與知識集成，構建對接農林業發展，具有跨學科特色、實踐教育功能縱向拓展、橫向融合的信息化教學資源體系。為學生提供全面、立體的學習體驗，幫助他們更好地理解理論知識，提高實踐操作技能和教學育人的實際效果。

2.3" 聚焦行業需求，優化課程教學實施模式

2.3.1" 項目化教學引領

針對三維GIS課程特點，教學團隊通過國家級和省部級科研項目引領，帶領有興趣的學生團隊自主研發教學資源，改進教學環境，秉持項目化教學的理念，將小組探究、混合教學以及實地考察等多樣化的教學方法緊密結合起來。促進理論學習、實踐教學和虛擬仿真三者之間的有機銜接，實現課程教學的整體推進和高效協同。為學生提供更加豐富和多元化的學習體驗，有助于激發學生的學習興趣、提升綜合能力。

2.3.2" 數字化賦能

數字化是課程育人提高要素生產率的關鍵途徑。三維GIS課程借助自主研發的教學資源與國家級森林防火虛擬仿真實驗教學中心的軟硬件環境，在教學過程中，教學團隊采用線上線下相結合的混合教學模式。在課前階段，教師積極督促學生領取實踐任務，并在教師的引導下認真進行線上自學及虛擬仿真實驗的初步探究。教師根據學生的學習成果和進度，實時調整教學計劃，以確保教學效果的最優化。

在實踐教學過程中，教師充分運用信息化教學手段，如重難點剖析和虛擬仿真演示等，以幫助學生更深入地理解和掌握知識點。同時，教師還利用國家級森林防火虛擬仿真實驗教學中心的設施和資源，指導學生進行實驗數據的收集、數據處理以及三維建模等工作，從而實現實驗目標的有效驗證。

在課程結束后，學生撰寫實踐報告，并將其提交到教學平臺上，以便開展教師點評和同伴之間的互評活動。數字化賦能線上線下相結合的混合教學模式，既充分調動了學生的學習積極性，也提高了課程的教學效果。

2.3.3" 實踐活動筑基

在實踐教學過程中，教學團隊積極鼓勵學生參與實踐活動，如學科競賽、實踐基地考察和產學研項目等，將課堂所學的理論和技術應用到實際工作中，實現知識的轉化與輸出，提高自身的實踐經驗和技能水平。同時，學生可以更加深入地了解相關領域的最新發展動態、拓展視野，激發自己的學術興趣和求知欲。既增強了學生的動手能力，也提高了創新意識和團隊協作能力，為未來的發展奠定了堅實的基礎。

2.4" 聚焦產學研用融合，搭建課程育人平臺

開展農林行業校企合作，擴大產學研用課程育人朋友圈。三維GIS課程教學團隊根據學科發展特點和需要，重點在農林業領域和天立泰、湖南省地質測繪院等單位布局產學研合作基地，不斷擴大朋友圈，在課程內容和資源建設、科教成果轉化、課程實習和就業創業等方面開展合作，為學生開展實習和就業打基礎。

加強與行業、企業聯動，構建多機構參與的三維GIS課程協同育人新模式，推進國家級森林防火虛擬仿真實驗教學中心建設集協同創新、成果示范、學生協同培養等多功能于一體的綜合性課程育人平臺，使其成為產學研用融合，農林科教協同的育人示范中心，為學生提供進科研、進企業、進山頭的綜合實踐教學平臺，培養一批知農愛農強農興農意識深植的優秀人才。

圍繞新時代新農科專業知識的新要求，堅持引育并舉、專兼結合的方式優化課程教學隊伍的梯隊結構，在產學研合作單位中選擇一批具有學科交叉知識、技術能手、創新經驗的企業管理者、高級技術人才擔任兼職導師，建立健全校內外聯合培養機制，支撐課程育人平臺建設。

3" 結論與展望

新農科背景下，通過三維GIS實踐教學改革，聚焦立德樹人，改革課程育人模式，聚焦三維GIS交叉融合，重塑教學環境和資源體系，聚焦行業需求，優化課程教學實施模式，聚焦產學研用融合，搭建課程育人平臺。充分利用信息化教學手段的優勢，突破傳統教學模式中的諸多局限性，從而實現教學內容、教學環境、教學資源和教學實施全方位優化，近五年來，三維GIS課程教學團隊經過不斷的改革和探索，指導學生獲得計算機設計大賽全國一等獎1項、中南賽區一等獎1項，指導學生獲得全國GIS應用技能大賽特等獎3項、一等獎1項、二等獎1項。教學團隊獲得三維GIS相關的國家自然科學基金4項、省部級科技進步二等獎1項、省普通高校教師信息化教學競賽一等獎1項，改革效果初顯。為新農科背景下的地理信息科學專業教育提供了新的發展方向，對于培養服務“三農”與鄉村振興的地理信息科學人才具有深遠的意義。

盡管當前的教學改革已經取得了一定的成果，但仍然需要進一步完善和優化。在未來的教學實踐過程中，我們將更加關注教學團隊的建設，著力提高教學質量和效果。同時，教學團隊也將持續關注新技術和新理念在三維GIS課程教學中的運用，不斷更新教學資源，提高教學水平。此外，我們將進一步加強與產業界、科研院所等相關單位的合作，以提高學生的實踐能力和就業競爭力。積極參與國內外教育教學改革的研討和交流活動，及時掌握國際前沿教學理念和技術發展動態，為推動農林院校三維GIS課程教學的持續發展和進步貢獻更多的力量。

因此，新農科背景下，從三維GIS學科交叉、信息化教學平臺建設、教學模式優化和協同育人平臺建設等視角開展三維GIS實踐教學改革，打造新農科三維GIS實踐教學引擎，為農林行業現代化建設提供交叉融合的復合型人才支撐，助力中國式現代化農業強國建設。

參考文獻：

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