生態學專業地理信息系統課程教學策略探索

張明達，楊予靜

（湖北大學資源環境學院，湖北 武漢 430062）

1 研究背景

地理信息系統（Geographical Information System，GIS）是在計算機軟硬件支持下，對空間數據進行采集、操作、存儲與管理、分析和輸出的技術系統[1]。具有位置信息的空間數據無處不在，GIS已應用于眾多領域，它也成為生態學研究的重要手段。比如，GIS為研究景觀生態的空間結構和動態提供了一個極為有效的工具[2]。湖北大學資源環境學院在生態學專業開設了《GIS軟件原理》本科生課程。通過教學實踐與學生反饋意見，發現具有如下特點：

1.1 GIS課程設置單一

地理信息系統是一門集地理學、計算機科學、遙感學、測繪學、地圖學、空間科學等多學科為一體的交叉學科，且以面向應用為主。目前生態學專業僅開設一門GIS課程，學生在地圖、遙感、空間信息等方面的知識儲備十分薄弱。這就增加了GIS授課難度，一方面要重視GIS基本理論與方法介紹，另一方面也要兼顧相關學科知識。比如，隨著遙感科學與技術的發展，其在景觀生態學、城市生態學等方面的應用越來越多[3]。遙感成像基本原理、遙感數據獲取方式等內容也應融入GIS課程中。

1.2 GIS課程銜接不充分

GIS作為處理和分析空間數據的技術手段，在景觀生態、城市生態等得到廣泛應用。然而，在生態學專業課程體系中，《GIS軟件原理》相對獨立，處于比較弱勢地位，與其他主流課程鮮有銜接。一方面，相關生態學課程忽略與GIS的結合；另一方面，部分課程以介紹宏觀GIS內容為主，缺少實踐教學環節。在地理信息系統課程基礎之上，將其滲透到更多相關的主流生態學課程中，將對提升本科生應用GIS解決生態學問題的能力具有重要意義。

1.3 缺少與生態學掛鉤的GIS教材

目前的地理信息系統教材主要面向地理信息科學專業，存在GIS理論性過強、與生態學專業弱相關等問題。地理信息系統作為地理信息科學專業的核心課程，專業性要求比較高。GIS更多的是作為一種工具提供給生態學學生使用，很多理論內容對這些學生來講偏難、實用性也不強。并且，課程實踐使用的數據和案例與生態學應用場景無關，不能很好體現GIS在課程體系中的作用與意義。

2 教學方法探索

針對以上特點，本文提出一些面向生態學專業的地理信息系統教學策略。

2.1 面向生態學專業的GIS課程設計原則

GIS為生態學專業提供了一個解決生態學問題的實用工具。地理信息系統實踐性非常強[4]，除了學習基本理論和概念外，專業軟件的學習與實踐必不可少。因此在課程設計時，可考慮“降低理論難度、增加實踐課程、強化專題應用”分層次的課程內容設計方法。

（1）降低理論難度，豐富專業應用。地理信息科學是一門綜合性學科，其理論方法十分豐富。針對非GIS專業，復雜的理論會增加課程難度，影響學生的積極性。因此，在GIS課時量一定情況下，對理論內容要抽絲剝繭、盡量精簡，以服務于軟件實踐為導向。此外，增加GIS在生態學領域的應用案例，以學術前沿研究為引子，比如最近發表的有影響力的論文，啟發學生深入思考，主動探索GIS與生態學的結合點，培養學生的創新能力。

（2）增加實踐課程，提升理論理解。GIS課程對實踐操作要求很高，學生不僅要掌握基本理論，也要熟練使用GIS軟件。地理信息科學專業，除了開設地理信息系統原理課程，往往會單獨開設GIS軟件操作與應用，甚至GIS軟件開發與應用類課程。可見GIS軟件學習在GIS課程體系中十分重要。對于以GIS應用為主的生態學專業，更應該增加實踐課比例。實踐課不僅僅是學習軟件操作，更是提升理論認識的良好途徑。在實踐課教學中，注重與理論知識的關聯，提升學生對理論內容的理解，盡可能提高有限課堂時間的教學效果。

（3）強化專題應用，知識融會貫通。專題應用是指綜合運用基礎實踐操作，解決面向特定應用的問題。它是GIS課程與生態學專業深入結合的重要切入點，也是對知識綜合運用的重要手段。因此在實踐課設計時，可以兼顧生態學專業的其他主流課程來設計GIS專題應用。比如，湖北大學資源環境學院生態學專業開設了《生態統計學》《生態系統及景觀生態學》《水文與水資源學》《生態影響評價》等課程，可以在這些課程實踐中，補充一些空間統計分析、水文分析、生態評估等方面的專題應用，彌補GIS課時量不足、課程銜接不充分的問題。

（4）教材合理取舍，豐富互動手段。選擇教材時，可從GIS相關內容覆蓋全、難度適中，同時涵蓋GIS理論與實踐，兩個角度挑選指定教材。但目前GIS教材主要針對地理信息科學專業學生編寫，并不能完全適用于生態學專業。并且由于軟件迭代升級比較快，實踐內容很難及時更新。這就為教師授課提出了更高的要求，建議以選取的教材為主、GIS專業所用教材為輔，對內容進行綜合取舍。實踐課從應用背景、數據等多個角度向生態學靠攏。由于生態學專業學生GIS基礎薄弱，在上機實踐中難免會遇到很多問題，需要提供更豐富的互動方式，比如課堂提問、撰寫實驗報告；增設研究生課堂助理，輔助答疑等。

2.2 GIS教學內容設計

2.2.1 理論課教學內容設計

根據降低理論難度、豐富專業應用等原則，同時補充GIS相關課程背景知識，將GIS理論課程分為以下幾部分：（1）地理信息系統概論，重點介紹什么是地理信息系統以及GIS在生態學方面的應用；（2）空間數據基礎，著重介紹地理空間坐標系（地理坐標、投影坐標、投影變換），矢量、柵格、DEM等空間數據模型；（3）空間數據的輸入與處理，重點介紹多種空間數據類型的獲取、輸入及處理方法，比如氣象水文、土壤類型、DEM、統計年鑒中的人口經濟等數據；此外，遙感數據作為一類重要數據源，補充其基本介紹；（4）空間分析，介紹矢量、柵格、DEM等不同數據類型的常用分析方法，比如疊加分析、緩沖區分析、網絡分析等；（5）空間數據的可視化與輸出，著重介紹地圖制圖。建議弱化空間數據的壓縮與編碼、空間數據庫、地理信息系統開發等內容。

2.2.2 GIS基礎實踐內容設計

GIS基礎實踐主要目的是讓學生掌握GIS軟件的基本操作和基本功能，可以從數據采集、處理、分析、可視化等GIS功能出發設計軟件實踐。考慮GIS軟件更新迭代快、生態學應用需求、生態學本科生基礎等情況，建議基于所選教材自行設計GIS軟件上機指導，盡量選取與生態學有關的數據，并為學生提供詳細的實驗步驟。同時，為兼顧不同能力的學生，提供擴展操作部分，作為可選內容充實課堂實踐。

每次實踐課可分為四部分：（1）理論知識回顧，教師首先介紹與實踐課相關的基本原理，溫習理論知識；（2）軟件操作演示，教師逐步操作軟件，演示實踐內容，注重與理論知識的關聯，提升學生對理論內容理解；（3）學生練習，GIS軟件學習的關鍵仍是動手操作，課堂要預留足夠時間讓學生自己練習，并及時與學生溝通、查看練習情況，搜集軟件操作時遇到的問題；（4）答疑解惑，對出現的問題進行解答，并引導學生分析出現非預期結果的原因。

2.2.3 GIS專題應用實踐內容設計

結合生態學專業課程，設計GIS專題應用，鞏固GIS理論與實踐教學成果，培養學生應用GIS解決生態學問題的意識與能力。在教學中使用的專題案例可以是：（1）土壤穩定性評估，綜合運用DEM坡度、坡向分析，柵格數據重分類，矢量與柵格數據轉換，加權總和計算，專題圖制作等知識與軟件功能，實現土壤穩定性評估；（2）基于DEM水文分析，介紹DEM的填洼、流量和匯流累積量計算、水系提取、流域提取等內容；（3）生態脆弱性評價，包括構建生態脆弱性指標，將統計年鑒中的人口、人均產值空間化，年均降水、年均氣溫、土壤類型、植被覆蓋等數據的獲取和處理，綜合指標計算等內容。此部分要結合生態學專業課程，不斷豐富與完善。

由于GIS課時量有限，并為了能更好的與生態學專業結合，GIS專題應用可以放到生態學專業課程的實踐內容中，由地理信息科學系老師承擔此部分教學。比如生態脆弱性評價、土壤穩定性評估等可以融入《生態系統及景觀生態學實踐》課中。

3 結語

隨著GIS技術的發展和普及，地理信息系統在眾多領域得到推廣應用。包括湖北大學在內的很多高校，在生態學專業開設了地理信息系統課程。由于在生態學專業中屬于非主流課程，目前存在GIS課程設置單一、內容銜接不充分、缺少合適教材等特點。本文結合教學實踐，對如何在生態學專業開展地理信息系統教學提出了一些想法，對生態學專業開展地理信息系統教學具有一定的借鑒和推廣意義。