多學(xué)科交叉的林業(yè)地理信息系統(tǒng)教學(xué)改革與實驗設(shè)計

唐雪海，黃慶豐，夏文秀

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，安徽合肥 230036)

2009年2月，國家林業(yè)局正式頒發(fā)《全國林業(yè)信息化建設(shè)綱要(2008—2020年)》和《全國林業(yè)信息化建設(shè)技術(shù)指南(2008—2020年)》，旨在逐步建立起功能齊備、互通共享、高效便捷、穩(wěn)定安全的林業(yè)信息化體系，以便促進林業(yè)決策科學(xué)化、辦公規(guī)范化、監(jiān)督透明化和服務(wù)便捷化，提升林業(yè)信息化水平。2016年3月22日國家林業(yè)局正式印發(fā)了《“互聯(lián)網(wǎng)+”林業(yè)行動計劃——全國林業(yè)信息化 “十三五”發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃提出到2020年全國林業(yè)信息化率達到80%，其中省級林業(yè)信息化率達到80%，縣級林業(yè)信息化率達到60%。林業(yè)地理信息系統(tǒng)課程旨在為各級林業(yè)企事業(yè)單位培養(yǎng)林業(yè)信息化人才。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)開設(shè)地理信息系統(tǒng)課程已20多年，培養(yǎng)方案經(jīng)過多輪修改和完善，課程培養(yǎng)目標(biāo)緊跟市場和行業(yè)需求。隨著“縣級林地保護利用規(guī)劃編制”“林地一張圖”“林地年度變更”“林長制信息管理系統(tǒng)”等業(yè)務(wù)的開展，基層林業(yè)單位對林業(yè)信息化人才的需求愈加迫切[1]。

為全面體現(xiàn)習(xí)近平同志“三農(nóng)”思想和生態(tài)文明精神，深入貫徹落實《中共中央 國務(wù)院關(guān)于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》，教育部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家林業(yè)和草原局于2018年9月17日聯(lián)合出臺了《教育部 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 國家林業(yè)和草原局關(guān)于加強農(nóng)科教結(jié)合實施卓越農(nóng)林人才教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》，意見指出：要根據(jù)不同類型農(nóng)林人才培養(yǎng)目標(biāo)，調(diào)整優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，注重體現(xiàn)學(xué)科交叉融合的課程建設(shè)，提高學(xué)生的綜合實踐能力，培養(yǎng)一批多學(xué)科背景的復(fù)合型高素質(zhì)農(nóng)林人才；加快推進實用技能型農(nóng)林人才培養(yǎng)改革，改革教學(xué)內(nèi)容和課程體系。按照《普通高校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》要求，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)地理信息系統(tǒng)課程已由原來的選修課改為專業(yè)基礎(chǔ)課。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)也于2019年成功獲批國家一流本科專業(yè)建設(shè)試點。根據(jù)建設(shè)要求，地理信息系統(tǒng)課程要圍繞理論教學(xué)和實驗設(shè)計展開詳細研究，為安徽省乃至全國林業(yè)信息化的發(fā)展培養(yǎng)更多的專業(yè)化人才。

1 課程特點和教學(xué)目標(biāo)

最新修訂的2021版人才培養(yǎng)方案中，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)地理信息系統(tǒng)(geographical information system，GIS)是專業(yè)基礎(chǔ)課(必修課)。通過該門課程的學(xué)習(xí)，讓林學(xué)專業(yè)學(xué)生掌握GIS的基本概念、GIS的組成、坐標(biāo)系統(tǒng)類型、投影方式、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型及轉(zhuǎn)換、林地空間數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)采集錯誤類型及修改方式、拓撲構(gòu)建及林地數(shù)據(jù)庫建設(shè)、GIS空間分析方法的應(yīng)用、林地專題圖的制作等內(nèi)容。

1.1 多學(xué)科交叉性較強GIS是一門學(xué)科交叉性較強的技術(shù)，涉及的背景學(xué)科課程較多。若要從應(yīng)用和開發(fā)角度綜合掌握本科課程內(nèi)容，學(xué)生必須要具有測量學(xué)、遙感、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、地圖學(xué)等課程知識儲備。面向林業(yè)行業(yè)應(yīng)用，要對森林資源的信息化管理方式及趨勢充分理解和掌握[2]。因此，林學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案應(yīng)安排好該課程的開課時間，兼顧相關(guān)背景課程與林學(xué)專業(yè)課程的銜接[3]。按照2019版人才培養(yǎng)方案，該課程在第五學(xué)期授課，測量學(xué)、測樹學(xué)、林業(yè)遙感、森林生態(tài)學(xué)等課程安排在第四學(xué)期，這樣就兼顧了理論知識與林業(yè)信息化應(yīng)用的有效銜接。

1.2 林業(yè)信息化應(yīng)用范圍較廣通過梳理當(dāng)前國家級規(guī)劃教材內(nèi)容，地理信息系統(tǒng)教材主要介紹系統(tǒng)基本原理、系統(tǒng)開發(fā)流程與方法，涉及具體林業(yè)行業(yè)應(yīng)用內(nèi)容較少。作為一門應(yīng)用型較強的課程，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)地理信息系統(tǒng)的目標(biāo)定位非常明確，就是要熟練掌握林業(yè)信息化平臺中空間數(shù)據(jù)采集方法、數(shù)據(jù)采集中錯誤類型與解決方案[4]。

1.3 數(shù)據(jù)源傳感器平臺較多眾所周知，空間數(shù)據(jù)是信息管理系統(tǒng)的核心內(nèi)容。據(jù)統(tǒng)計，空間數(shù)據(jù)采集的成本占整個林業(yè)信息化管理系統(tǒng)建設(shè)費用的50%以上。通過地形圖獲取原始空間數(shù)據(jù)的方式已經(jīng)落后，光學(xué)遙感、激光雷達、無人機等已成為當(dāng)前林業(yè)空間數(shù)據(jù)采集的主要方式。由于尺度和坐標(biāo)系統(tǒng)不一致，也會給數(shù)據(jù)處理帶來一定難度，如何將不同來源的空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的空間框架下是學(xué)生要面對的問題。在整個教學(xué)過程中，授課教師應(yīng)及時將新設(shè)備、新技術(shù)、新方法介紹給學(xué)生，讓學(xué)生充分認識到地理信息系統(tǒng)技術(shù)更新快的特點[5]。

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)GIS課程的教學(xué)目標(biāo)定位如下：立足安徽省林業(yè)信息化發(fā)展，為林業(yè)企事業(yè)單位培養(yǎng)具備扎實理論基礎(chǔ)和軟件熟練操作能力的森林資源管理信息化應(yīng)用人才。

2 目前課程教學(xué)中存在的問題

2.1 相關(guān)課程背景知識不足GIS課程與地理學(xué)、測繪科學(xué)與技術(shù)、計算機科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科聯(lián)系緊密，涉及圖形學(xué)、測量學(xué)、遙感、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、拓撲學(xué)等課程。然后，每門課程單獨講授，在地理信息系統(tǒng)課程中僅有少量闡述，所以學(xué)生理解起來比較困難。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案僅包括信息技術(shù)基礎(chǔ)、測量學(xué)和林業(yè)遙感課程，好的課題互動效果難以體現(xiàn)[6]。比如，在講授水系以什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)時，學(xué)生就很難理解。水系包括湖泊、庫塘、河流等，從幾何圖形來看，水系有面狀和線狀的，具體應(yīng)用時可讓水系以面狀或線狀在專業(yè)軟件里進行表達。

2.2 與核心專業(yè)課程間銜接不夠緊密在森林資源信息管理平臺運行過程中，森林經(jīng)理學(xué)課程的知識點體現(xiàn)得比較充分，如小班的概念及劃分、森林調(diào)查體系、森林資源空間分布特點等。在2019年安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)本科人才培養(yǎng)方案中，林學(xué)專業(yè)的森林經(jīng)理學(xué)課程安排在第五學(xué)期，而地理信息系統(tǒng)課程安排在第四學(xué)期，因此學(xué)生對一些概念還不夠了解[7]。

2.3 實驗課內(nèi)容連續(xù)性不強軟件實訓(xùn)操作是GIS課程學(xué)習(xí)的重要組成部分，理論知識的全部內(nèi)容都可以在軟件中實現(xiàn)。經(jīng)調(diào)查，大部分高校非GIS專業(yè)的實驗課程安排24～44學(xué)時。2019版林學(xué)專業(yè)GIS實驗課程已經(jīng)調(diào)整為1個學(xué)分(30學(xué)時)，操作軟件采用當(dāng)前應(yīng)用較多的ArcGIS平臺，這也是目前林業(yè)信息管理系統(tǒng)使用的平臺。由于設(shè)置操作模塊較多，有些模塊使用的是已有數(shù)據(jù)(非學(xué)生現(xiàn)處理數(shù)據(jù))，這就導(dǎo)致訓(xùn)練項目之間沒有完全銜接起來。比如地形分析中的坡度、坡向等數(shù)據(jù)，因為高程點和等高線的采集比較費時，以一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為例，2個同學(xué)需要2 d左右的時間才能完成圖形和屬性數(shù)據(jù)的采集。

3 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計與改革

3.1 理論課教材的選擇地理信息系統(tǒng)教材可分為純基礎(chǔ)理論介紹教材和融入編者研究成果的GIS教材2種。2019年以前安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)GIS課程教材選用的是黃杏元、馬勁松編著的《地理信息系統(tǒng)概論》(第3版)[8]，此教材偏重理論知識的介紹。由于該教材出版時間較早(1990年第1版)，盡管后期進行了更新并于2017年第18次印刷，并沒有體現(xiàn)近年來GIS發(fā)展趨勢的內(nèi)容。考慮到林學(xué)專業(yè)與GIS專業(yè)在教學(xué)目標(biāo)、背景知識、學(xué)生理解能力、應(yīng)用范圍等方面存在的一些差異，2020年開始選擇湯國安主編的《地理信息系統(tǒng)教程》(第2版)[9]。此教材能夠及時跟蹤信息技術(shù)的發(fā)展，比如在第一章概論地理信息系統(tǒng)發(fā)展歷程一節(jié)中，從20世紀(jì)50—60年代地理信息系統(tǒng)的開拓期介紹到21世紀(jì)初至今的地理信息系統(tǒng)的大變革時代，內(nèi)容涵蓋物聯(lián)網(wǎng)與智慧城市、云平臺與數(shù)據(jù)中心、大數(shù)據(jù)與并行計算、機器學(xué)習(xí)與人工智能等。這些內(nèi)容能夠與當(dāng)前大學(xué)生關(guān)注的熱點有效契合，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

3.2 教學(xué)內(nèi)容的精心設(shè)計地理信息系統(tǒng)理論課內(nèi)容是比較抽象及枯燥的，如何生動、形象地展示理論內(nèi)容并有效帶動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性是該課程授課教師首先要考慮的工作[8]。筆者充分梳理科研項目中案例，瞄準(zhǔn)林業(yè)信息化實踐應(yīng)用，跟蹤林業(yè)信息化的發(fā)展熱點，精心組織教學(xué)內(nèi)容，突出重難點，強化實際操作。重點掌握的內(nèi)容包括GIS的概念演化及功能、GIS的空間坐標(biāo)抽象表達及投影定義、空間數(shù)據(jù)模型類型及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)采集方式與錯誤處理、空間數(shù)據(jù)拓撲檢查與林地數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、常見GIS空間分析理論與方法、GIS與林業(yè)生產(chǎn)實際結(jié)合應(yīng)用等，而將林地空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法、森林資源信息管理平臺的開發(fā)等內(nèi)容作為了解內(nèi)容。由于GIS課程理論性較強，學(xué)生在課堂上的理解無法結(jié)合林業(yè)生產(chǎn)實際。在講授地形分析的坡度提取時，可結(jié)合林地小班數(shù)據(jù)的樹種屬性，按照森林資源二類調(diào)查的坡度分級方式，按每一類優(yōu)勢樹種(組)進行坡度級的統(tǒng)計，可以增加學(xué)生對“適地適樹”理念的理解，同時也有效銜接了森林生態(tài)學(xué)、造林學(xué)課程的知識點。

3.3 授課方式及教學(xué)課件改革線下多媒體教學(xué)是當(dāng)前大學(xué)課堂教學(xué)的主要方法和手段，但不是唯一手段。隨著教育部對高等學(xué)校教學(xué)改革的推進，線上教學(xué)和優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享已充分滲透到課程教學(xué)中。在具體的授課過程中，很多教師已利用泛雅、雨課堂、學(xué)堂在線等平臺自主設(shè)計線上教學(xué)模式，學(xué)校也鼓勵教師應(yīng)充分利用MOOC等平臺的資源[10]。筆者前期利用騰訊課堂并結(jié)合MOOC資源開展線上教學(xué)，線下也在PPT課件中體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的圖文并茂、動靜結(jié)合，以達到激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高課堂教學(xué)效果的目的。

3.4 以賽促教、以賽促學(xué)為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，從2018年開始筆者梳理了當(dāng)前涉及地理信息系統(tǒng)的專業(yè)比賽，并鼓勵和組織學(xué)生積極參賽，也取得了一些效果。比如，指導(dǎo)2016級林學(xué)專業(yè)學(xué)生章慧青、牛一鳴、蔣歡參加2019年安徽省大學(xué)生GIS應(yīng)用技能大賽并獲優(yōu)勝獎；指導(dǎo)2017級林學(xué)專業(yè)學(xué)生李尤、王海熠、汪子軒參加2019年全國高校GIS技能大賽，3位同學(xué)均獲MapGIS工程師資格證；指導(dǎo)2017級林學(xué)專業(yè)學(xué)生李尤、王海熠參加2020年安徽省大學(xué)生GIS應(yīng)用技能大賽，獲得三等獎；指導(dǎo)2018級林學(xué)專業(yè)學(xué)生李帥、宮勛參加2021年安徽省第十一屆大學(xué)生GIS技能大賽，獲得三等獎，筆者獲優(yōu)秀指導(dǎo)教師稱號。這些經(jīng)歷作為思政內(nèi)容融合在后面的課堂教學(xué)內(nèi)容中，也能夠帶動更多學(xué)生參加相關(guān)比賽，以達到“以賽促教、以賽促學(xué)”的目的[11]。

4 實驗?zāi)K優(yōu)化設(shè)計

通過分析前期實驗課程中的一些不足，優(yōu)化后的GIS實驗課程將以一個縣的森林資源為研究對象，以地形圖、遙感影像為輔助底圖，對班級同學(xué)進行分組，每組負責(zé)一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，每組之間進行獨立的空間數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理(合并、融合等)、拓撲檢查等。將各組數(shù)據(jù)進行合并，形成完整的數(shù)據(jù)圖層，再分發(fā)給每位同學(xué)，獨立完成最后的數(shù)據(jù)庫建設(shè)和縣級森林資源專題圖制作。

筆者將林學(xué)專業(yè)GIS實驗教學(xué)內(nèi)容分為一般性實驗、分析性實驗和綜合性實驗3個模塊，實驗課時為30學(xué)時。依據(jù)這3個模塊，建立層次遞進、內(nèi)容漸進的綜合實驗教學(xué)體系。具體模塊劃分見表1。

表1 林學(xué)專業(yè)GIS實驗內(nèi)容設(shè)計 Table 1 Experiment content design of GIS for forestry major

一般性實驗：主要訓(xùn)練學(xué)生操作ArcGIS軟件的能力，訓(xùn)練內(nèi)容包括軟件體系介紹、地形圖的配準(zhǔn)、圖層建立、空間參考選擇、空間數(shù)據(jù)采集、屬性數(shù)據(jù)錄入、圖層合并、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與錯誤修改、熟悉ArcScene用戶界面。

分析性實驗：訓(xùn)練內(nèi)容包括矢量數(shù)據(jù)的裁剪、融合、相交、空間鏈接、交集取反、更新等工具的使用，柵格數(shù)據(jù)的裁剪，點線面類型緩沖區(qū)的操作過程， 基于TIN、DEM數(shù)據(jù)的坡度、坡向等地形因子的提取。

綜合性實驗：主要訓(xùn)練學(xué)生對ArcGIS空間分析模塊的應(yīng)用，綜合性實驗內(nèi)容包括綜合應(yīng)用疊加分析、緩沖區(qū)分析等空間分析方法，解決相關(guān)專業(yè)生產(chǎn)實踐中的具體問題，比如林地小班圖層與相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的疊加分析操作、造林樹種候選地的選擇、林業(yè)專題圖制作等。

在一般性實驗和分析性實驗中，筆者借鑒了湯國安等編著的《ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程》[12]中的一些操作方法，但是所有實驗數(shù)據(jù)均為學(xué)生現(xiàn)場操作獲取。每次實驗課結(jié)束時現(xiàn)場提交各自實驗結(jié)果，教師根據(jù)出勤率、課堂操作表現(xiàn)和上機測試表現(xiàn)，綜合評定學(xué)生實驗課程成績。

5 結(jié)語

作為一門面向農(nóng)業(yè)院校林學(xué)專業(yè)的課程，地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的軟件操作能力，讓學(xué)生畢業(yè)后能順利開展林業(yè)信息化業(yè)務(wù)。筆者在梳理該課程近些年教學(xué)過程中存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前課程改革方向和林學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，精心設(shè)計GIS課程教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化實驗?zāi)K，旨在激發(fā)林學(xué)專業(yè)學(xué)生對GIS課程的興趣[13]。隨著GIS課程體系的發(fā)展變化和林業(yè)發(fā)展趨勢，相關(guān)教學(xué)內(nèi)容也將及時更新和調(diào)整。在以后的教學(xué)中，筆者將結(jié)合當(dāng)前教育部提出的課程改革方向，探索并建立線上線下混合教學(xué)方式，合理植入MOOC平臺優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，切實提高教學(xué)效果，立足安徽林業(yè)信息化發(fā)展，為區(qū)域林業(yè)企事業(yè)單位培養(yǎng)具備扎實理論基礎(chǔ)和軟件熟練操作能力的森林資源管理信息化應(yīng)用人才。