多學科交叉的林業地理信息系統教學改革與實驗設計

唐雪海，黃慶豐，夏文秀

(安徽農業大學林學與園林學院，安徽合肥 230036)

2009年2月，國家林業局正式頒發《全國林業信息化建設綱要(2008—2020年)》和《全國林業信息化建設技術指南(2008—2020年)》，旨在逐步建立起功能齊備、互通共享、高效便捷、穩定安全的林業信息化體系，以便促進林業決策科學化、辦公規范化、監督透明化和服務便捷化，提升林業信息化水平。2016年3月22日國家林業局正式印發了《“互聯網+”林業行動計劃——全國林業信息化 “十三五”發展規劃》，規劃提出到2020年全國林業信息化率達到80%，其中省級林業信息化率達到80%，縣級林業信息化率達到60%。林業地理信息系統課程旨在為各級林業企事業單位培養林業信息化人才。安徽農業大學林學專業開設地理信息系統課程已20多年，培養方案經過多輪修改和完善，課程培養目標緊跟市場和行業需求。隨著“縣級林地保護利用規劃編制”“林地一張圖”“林地年度變更”“林長制信息管理系統”等業務的開展，基層林業單位對林業信息化人才的需求愈加迫切[1]。

為全面體現習近平同志“三農”思想和生態文明精神，深入貫徹落實《中共中央 國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》，教育部、農業農村部、國家林業和草原局于2018年9月17日聯合出臺了《教育部 農業農村部 國家林業和草原局關于加強農科教結合實施卓越農林人才教育培養計劃2.0的意見》，意見指出：要根據不同類型農林人才培養目標，調整優化課程結構，注重體現學科交叉融合的課程建設，提高學生的綜合實踐能力，培養一批多學科背景的復合型高素質農林人才；加快推進實用技能型農林人才培養改革，改革教學內容和課程體系。按照《普通高校本科專業類教學質量國家標準》要求，安徽農業大學林學專業地理信息系統課程已由原來的選修課改為專業基礎課。安徽農業大學林學專業也于2019年成功獲批國家一流本科專業建設試點。根據建設要求，地理信息系統課程要圍繞理論教學和實驗設計展開詳細研究，為安徽省乃至全國林業信息化的發展培養更多的專業化人才。

1 課程特點和教學目標

最新修訂的2021版人才培養方案中，安徽農業大學林學專業地理信息系統(geographical information system，GIS)是專業基礎課(必修課)。通過該門課程的學習，讓林學專業學生掌握GIS的基本概念、GIS的組成、坐標系統類型、投影方式、空間數據結構類型及轉換、林地空間數據的采集、數據采集錯誤類型及修改方式、拓撲構建及林地數據庫建設、GIS空間分析方法的應用、林地專題圖的制作等內容。

1.1 多學科交叉性較強GIS是一門學科交叉性較強的技術，涉及的背景學科課程較多。若要從應用和開發角度綜合掌握本科課程內容，學生必須要具有測量學、遙感、數據結構、地圖學等課程知識儲備。面向林業行業應用，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，林學專業培養方案應安排好該課程的開課時間，兼顧相關背景課程與林學專業課程的銜接[3]。按照2019版人才培養方案，該課程在第五學期授課，測量學、測樹學、林業遙感、森林生態學等課程安排在第四學期，這樣就兼顧了理論知識與林業信息化應用的有效銜接。

1.2 林業信息化應用范圍較廣通過梳理當前國家級規劃教材內容，地理信息系統教材主要介紹系統基本原理、系統開發流程與方法，涉及具體林業行業應用內容較少。作為一門應用型較強的課程，安徽農業大學林學專業地理信息系統的目標定位非常明確，就是要熟練掌握林業信息化平臺中空間數據采集方法、數據采集中錯誤類型與解決方案[4]。

1.3 數據源傳感器平臺較多眾所周知，空間數據是信息管理系統的核心內容。據統計，空間數據采集的成本占整個林業信息化管理系統建設費用的50%以上。通過地形圖獲取原始空間數據的方式已經落后，光學遙感、激光雷達、無人機等已成為當前林業空間數據采集的主要方式。由于尺度和坐標系統不一致，也會給數據處理帶來一定難度，如何將不同來源的空間數據統一到相同的空間框架下是學生要面對的問題。在整個教學過程中，授課教師應及時將新設備、新技術、新方法介紹給學生，讓學生充分認識到地理信息系統技術更新快的特點[5]。

安徽農業大學林學專業GIS課程的教學目標定位如下：立足安徽省林業信息化發展，為林業企事業單位培養具備扎實理論基礎和軟件熟練操作能力的森林資源管理信息化應用人才。

2 目前課程教學中存在的問題

2.1 相關課程背景知識不足GIS課程與地理學、測繪科學與技術、計算機科學與技術等學科聯系緊密，涉及圖形學、測量學、遙感、數據結構、拓撲學等課程。然后，每門課程單獨講授，在地理信息系統課程中僅有少量闡述，所以學生理解起來比較困難。安徽農業大學林學專業培養方案僅包括信息技術基礎、測量學和林業遙感課程，好的課題互動效果難以體現[6]。比如，在講授水系以什么數據結構體現時，學生就很難理解。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，具體應用時可讓水系以面狀或線狀在專業軟件里進行表達。

2.2 與核心專業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，森林經理學課程的知識點體現得比較充分，如小班的概念及劃分、森林調查體系、森林資源空間分布特點等。在2019年安徽農業大學本科人才培養方案中，林學專業的森林經理學課程安排在第五學期，而地理信息系統課程安排在第四學期，因此學生對一些概念還不夠了解[7]。

2.3 實驗課內容連續性不強軟件實訓操作是GIS課程學習的重要組成部分，理論知識的全部內容都可以在軟件中實現。經調查，大部分高校非GIS專業的實驗課程安排24～44學時。2019版林學專業GIS實驗課程已經調整為1個學分(30學時)，操作軟件采用當前應用較多的ArcGIS平臺，這也是目前林業信息管理系統使用的平臺。由于設置操作模塊較多，有些模塊使用的是已有數據(非學生現處理數據)，這就導致訓練項目之間沒有完全銜接起來。比如地形分析中的坡度、坡向等數據，因為高程點和等高線的采集比較費時，以一個鄉鎮為例，2個同學需要2 d左右的時間才能完成圖形和屬性數據的采集。

3 教學內容設計與改革

3.1 理論課教材的選擇地理信息系統教材可分為純基礎理論介紹教材和融入編者研究成果的GIS教材2種。2019年以前安徽農業大學林學專業GIS課程教材選用的是黃杏元、馬勁松編著的《地理信息系統概論》(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，并沒有體現近年來GIS發展趨勢的內容。考慮到林學專業與GIS專業在教學目標、背景知識、學生理解能力、應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《地理信息系統教程》(第2版)[9]。此教材能夠及時跟蹤信息技術的發展，比如在第一章概論地理信息系統發展歷程一節中，從20世紀50—60年代地理信息系統的開拓期介紹到21世紀初至今的地理信息系統的大變革時代，內容涵蓋物聯網與智慧城市、云平臺與數據中心、大數據與并行計算、機器學習與人工智能等。這些內容能夠與當前大學生關注的熱點有效契合，可以提高學生學習的熱情。

3.2 教學內容的精心設計地理信息系統理論課內容是比較抽象及枯燥的，如何生動、形象地展示理論內容并有效帶動學生的學習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，瞄準林業信息化實踐應用，跟蹤林業信息化的發展熱點，精心組織教學內容，突出重難點，強化實際操作。重點掌握的內容包括GIS的概念演化及功能、GIS的空間坐標抽象表達及投影定義、空間數據模型類型及數據結構、空間數據采集方式與錯誤處理、空間數據拓撲檢查與林地數據庫構建、常見GIS空間分析理論與方法、GIS與林業生產實際結合應用等，而將林地空間數據庫的設計方法、森林資源信息管理平臺的開發等內容作為了解內容。由于GIS課程理論性較強，學生在課堂上的理解無法結合林業生產實際。在講授地形分析的坡度提取時，可結合林地小班數據的樹種屬性，按照森林資源二類調查的坡度分級方式，按每一類優勢樹種(組)進行坡度級的統計，可以增加學生對“適地適樹”理念的理解，同時也有效銜接了森林生態學、造林學課程的知識點。

3.3 授課方式及教學課件改革線下多媒體教學是當前大學課堂教學的主要方法和手段，但不是唯一手段。隨著教育部對高等學校教學改革的推進，線上教學和優質教學資源共享已充分滲透到課程教學中。在具體的授課過程中，很多教師已利用泛雅、雨課堂、學堂在線等平臺自主設計線上教學模式，學校也鼓勵教師應充分利用MOOC等平臺的資源[10]。筆者前期利用騰訊課堂并結合MOOC資源開展線上教學，線下也在PPT課件中體現教學內容的圖文并茂、動靜結合，以達到激發學生的學習興趣、提高課堂教學效果的目的。

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

4 實驗模塊優化設計

通過分析前期實驗課程中的一些不足，優化后的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，對班級同學進行分組，每組負責一個鄉鎮，每組之間進行獨立的空間數據采集、數據處理(合并、融合等)、拓撲檢查等。將各組數據進行合并，形成完整的數據圖層，再分發給每位同學，獨立完成最后的數據庫建設和縣級森林資源專題圖制作。

筆者將林學專業GIS實驗教學內容分為一般性實驗、分析性實驗和綜合性實驗3個模塊，實驗課時為30學時。依據這3個模塊，建立層次遞進、內容漸進的綜合實驗教學體系。具體模塊劃分見表1。

表1 林學專業GIS實驗內容設計 Table 1 Experiment content design of GIS for forestry major

一般性實驗：主要訓練學生操作ArcGIS軟件的能力，訓練內容包括軟件體系介紹、地形圖的配準、圖層建立、空間參考選擇、空間數據采集、屬性數據錄入、圖層合并、數據質量檢查與錯誤修改、熟悉ArcScene用戶界面。

分析性實驗：訓練內容包括矢量數據的裁剪、融合、相交、空間鏈接、交集取反、更新等工具的使用，柵格數據的裁剪，點線面類型緩沖區的操作過程， 基于TIN、DEM數據的坡度、坡向等地形因子的提取。

綜合性實驗：主要訓練學生對ArcGIS空間分析模塊的應用，綜合性實驗內容包括綜合應用疊加分析、緩沖區分析等空間分析方法，解決相關專業生產實踐中的具體問題，比如林地小班圖層與相關基礎數據的疊加分析操作、造林樹種候選地的選擇、林業專題圖制作等。

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地理信息系統空間分析實驗教程》[12]中的一些操作方法，但是所有實驗數據均為學生現場操作獲取。每次實驗課結束時現場提交各自實驗結果，教師根據出勤率、課堂操作表現和上機測試表現，綜合評定學生實驗課程成績。

5 結語

作為一門面向農業院校林學專業的課程，地理信息系統課程教學目標是培養學生的軟件操作能力，讓學生畢業后能順利開展林業信息化業務。筆者在梳理該課程近些年教學過程中存在問題的基礎上，結合當前課程改革方向和林學專業人才培養目標，精心設計GIS課程教學內容，優化實驗模塊，旨在激發林學專業學生對GIS課程的興趣[13]。隨著GIS課程體系的發展變化和林業發展趨勢，相關教學內容也將及時更新和調整。在以后的教學中，筆者將結合當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方式，合理植入MOOC平臺優質教學資源，切實提高教學效果，立足安徽林業信息化發展，為區域林業企事業單位培養具備扎實理論基礎和軟件熟練操作能力的森林資源管理信息化應用人才。