GIS與農業交叉學科創新人才培養模式探究

李雪冬,顧 萌,張 梅,王若熙,許慧敏

(長春師范大學地理科學學院,吉林 長春 130032)

多學科相互交叉、相互滲透、高度綜合以及系統化、整體化的趨勢是當代科學發展的主要特征。構建多學科集成交叉的培養機制,培養適應國家戰略需求的復合型創新人才,已經成為高校培養模式改革的重要課題之一[1]。黨的二十大報告指出,新時代迫切需要引領未來的創新型人才。地理信息系統(Geographic Information System,GIS)是隨著地球信息科學發展而產生的,具有綜合性強、交叉性明顯、理論與技術并重等特點的一門學科[2]。作為國家大力支持的新興學科,我國GIS高等教育在成立至今的三十年間飛速發展,針對其專業培養方案至少經歷了10次修訂和優化。在首屆GIS專業教育研討會上,地理信息系統協會提到了“低年級寬口徑、高年級分類培養”的基本培養模式,提出了GIS專業課程體系的設置方案,但關于農業方向的GIS人才培養則沒有具體的規劃,而GIS技術在農業上的應用是當代發展的一個主流方向,若要促進其范圍不斷拓展、層次不斷深入,需要加快地理信息系統與現代農業科學的融合發展[3]。

吉林省是國家糧食主產區,更是我國黑土地的主要分布區之一,多年來糧食人均占有量、糧食調出量和玉米出口量均居全國第一位。要立足吉林省農業區位的天然優勢,從GIS的學科特點出發,構建GIS與農業交叉學科人才培養的全新立體化培養模式,厚積學科交叉潛力,充分發揮區域辦學特色,力求培養GIS理論扎實、技術過硬,并且適用于農業發展的專業性人才。

1 GIS與農業交叉學科人才培養的必要性和優勢

1.1 農業與GIS交叉學科設置的必要性

在機械化、半機械化設備的支持下,現代農業生產力有了大幅度提升。如今我國仍舊面臨嚴峻的糧食問題,亟需農業生產力進一步提高,數據驅動的智慧化農業生產方式加快了農業生產力的提升[4]。目前,限制農業發展的外部因子凸顯,其影響程度甚至超過了土地本身的適應能力和承受能力,傳統的農業生產已不能有效解決其自身面臨的問題。因此,需要借助多學科優勢,促進學科的交叉與融合,以提高農業生產力。

智慧農業是農業生產的高級階段,集新興的互聯網、云計算和物聯網技術為一體,利用空間信息、遙感等高新技術手段來研究土地資源變動、作物生長及生態環境響應等問題。通過智慧農業的推動,不僅開創了新的交叉學科領域,同時也為我國糧食安全提供了技術保障[5-6]。因此,開展農業遙感、農業信息化技術、GIS 技術和基于3S的農情速報等多學科交叉的應用基礎研究,可幫助農業生產者在作物育種、長勢實時動態監測以及糧食估產等關鍵技術問題上實現突破,為農業發展提供科技支撐及人才保障。

1.2 農業與GIS交叉學科人才培養模式的優勢

在充分調研國內外GIS專業培養模式、教學體系建設以及課程設置基礎上,結合長春師范大學發展特點、地域特征以及辦學特色,本研究提出了“抓住區域優勢,挖掘智能化潛力,服務農業生產”的人才培養目標。通過課程體系調整,充分發掘GIS專業的強交叉性,發揮其邊緣性、技術性、綜合性等優勢,優化農業建設服務體系,構建適合長春師范大學發展的具備農業科學背景的特色人才培養模式(圖1)。從重視基礎、面向應用、突出重點、尊重特色四個方面入手,搭建交叉學科農業人才發展平臺,優化人才培養方案,完善課程體系建設,豐富教學內容和手段,致力打造立體化人才培養模式,開拓創新型人才培養新思路。

圖1 GIS與農業交叉學科人才培養框架體系

2 基于神經元重構的課程體系構建與結構優化

2.1 GIS與農業的學科神經元結構

神經元被視為GIS與農業的相關學科知識的最小結構單元。一門課程是由緊密聯系的一些概念、定理、方法和原理等獨立的專業知識結構組成的,而神經元就可以作為專業知識結構的基礎。一門完備的課程是由眾多學科的相關神經元組合形成的[7]。在GIS學科領域的神經元,如地球體、地圖投影、空間坐標系、大地水準面等;在農業學科的神經元,如育種、作物栽培、灌溉、節水、植物保護技術等。GIS與農業的神經元融合不單純地指代兩門專業或者行業的硬性結合,而是將兩個學科分解為獨立的神經元,再將神經元進行有機組合,讓GIS與農業學科形成一個新的學科體系。將神經元之間的組合作為基本動力,進而表達和推演學科知識體系的內在結構與動態演化。將神經元作為評價單元,不僅可以將GIS與農業學科體系進行有機分解,也可以從神經元層面對GIS與農業學科的交叉運動過程進行形象化解釋。

2.2 基于學科基礎的神經元離散

基于神經元結構的知識體系優化分為神經元離散與神經元聚合兩個過程。專業培養需要構建堅實的學科網絡知識體系,將學科與專業培養相聯系,必須要將應用邏輯過程中涉及的神經元作為關鍵環節構建GIS與農業的交叉學科培養體系。首先需要將農業與GIS的學科理論與技能分解為若干個宏觀神經元,然后確立神經元推演運動路線,將神經元有序地排列并進行連接,將所得到的神經元鏈作為主線并與相應課程體系進行融合,形成學科知識鏈。學科理論的分解,首先要覆蓋關鍵環節,在課程設置上不能有內容的遺漏,同時保證內容的合理性與完整性。在教學邏輯上,課程安排和銜接必須與學科知識的先后順序和內在邏輯相匹配。神經元分解的合理性是完善課程結構的前提,更是構建神經鏈優化培養方案的基礎。將長春師范大學GIS專業現行的培養方案與人才培養需求相對照,發現存在空間數據處理與編輯、地理模型構建以及專業知識在行業特色方面應用等方面的課程冗余,而在測繪技術、農業基礎、開發語言基礎等基礎特色課程卻缺失嚴重,有關遙感與農業的綜合應用、系統集成開發等方面亟待進一步完善。這些問題需要在新的方案中不斷修正。

2.3 神經元聚合的知識體系優化

專業培養方案優化的重點在于交叉學科人才的培養。要在知識結構方面進行神經元的自上至下的離散與拆分,解析相關的專業課程體系,進而將神經元進行自上而下的聚合,完成課程內容的優化整合。為加強課程之間的聯系,需要對神經元進行聚合。神經元的聚合是指將專業相鄰課程的神經元表示在一個平面上,將專業相鄰課程的神經元按照空間聚類的規則進行表示。鑒于GIS與農業學科各自獨立的問題,以往的培養方案存在著知識神經元的冗余,因此以學科門類進行劃分的培養方案會導致神經元的重復出現,甚至有些神經元頻率出現略高,比如在GIS學科領域坐標系的神經元分別出現在測量學、地圖學、全球定位系統、GIS原理與方法、遙感導論等學科中。

一般而言,相鄰專業課程既相互區別又相互聯系。基于神經元理論的學科體系可以削減冗余重復的神經元,在交叉學科人才培養方面進行神經元的有機融合。基于神經元聚合的課程內容的優化,可以打破傳統的以課程為邊界的體系設定,進而規避課程內容的重復。神經元的聚合是有取舍地進行課程內容的重新結合,而不是追求新課程門類的構建,對于那些多門課程都能用到的基礎神經元,將其聚合為一門新的基礎課程,單獨講解,其他相關課程可以把該部分內容舍去,精煉內容。基于以上舉措,能有效規避課程內容的重復,實現課程的精簡優化。

2.4 搭建立體課程培養模式

立體人才培養模式根據學生群體的具體知識基礎,打造多層次、有針對性的培養目標。但由于這種培養方式過于強調和尊重學生間的差異,在實施的過程中受到一定的阻礙。因此,本研究在立體人才培養的目標下,重點建立立體人才培養課程體系,學生則根據自主選擇進行分流,最終貫徹落實立體化人才培養策略。GIS與農業的交叉學科人才培養具有多元性的特點,主要涉及兩個或者兩個以上的一級學科的融合貫通,培養的人才具有復合型的知識、能力和素質結構,能夠借助GIS的技能以及農業的專業知識背景,解決學科之間的交叉問題。

在課程內容和體系基本建立以后的另一重要環節就是課程的編排和設置。由于課程體系的內在順序和邏輯的銜接度會在一定程度上影響學生對知識的吸收效果,因此在這一環節中要考慮課程知識點與專業整體知識鏈的位置關系、相同類別的知識點與知識點之間的關系(圖2)、課程自身及學生年級的具體特點等,從而實現學科整體體系的協調。

圖2 基于神經元的學科交叉示意圖

課程設置中根據立體培養模式,分別設置各個階段需要達成的主要目標。在第一層次,主要是基礎理論知識的培養。借助公共基礎以及專業基礎課,實現交叉人才培養需求的理論基礎培養目標,基于神經元理論,分別為學生設置專有的特色理論基礎課程。第二層次是以專業主干課為主的理論內容,在該部分會強化專業技能的培養,使學生掌握更高層次的專業操作技能,同時具備更厚重的農業專業背景。有了前兩個層次的基礎,第三個層次著重于信息化農業、智慧農業、人工智能、農業技術、數據挖掘等方面,實現學科之間的交叉融合,對農業方面的GIS技術發展與應用有深入認識。在第四層次,則通過實踐課程,拓展學生的視野,明確發展目標,達到專業素養的提升,最終實現理論知識的具體應用。

3 GIS與農業交叉課程體系和實踐性教學方式的銜接

3.1 競賽驅動教學

GIS是與信息技術息息相關、與多個學科領域有交叉融合的一門實踐性學科,是多領域、多學科交叉融合的學科。GIS與農業的交叉,則是利用GIS學科適用性、操作性強的特點,實現GIS與農業的有機結合,進而推進農業生產[8]。傳統的課堂授課模式忽視實踐教學,使學生難以從根本上掌握和應用知識點。實驗設計教學在一定程度上可以解決上述問題,但仍受其學時以及整體性和指向性不足的限制,造成學生學習知識不連貫問題,難以把握知識點的內在聯系,在創新思維和實踐能力方面有欠缺,難以滿足行業對人才實用性的現實需求。

教學競賽是解決上述問題的又一選擇[9]。地理信息相關學科競賽一般是在具有較強影響力的學術協會和部門的支持下,由各組織或企業發起的。支持地理學科競賽的有中國地理信息產業協會、中國測繪學等權威部門。地理信息相關學科競賽主要有“Super Map杯”全國高校 GIS 大賽、“易智瑞杯”中國大學生 GIS 軟件開發競賽、“挑戰杯”全國大學生GIS 應用技能大賽等。競賽不僅可以提升學生對專業知識的理解和掌握程度,而且可以在競賽當中培養學生的創新思維,激發專業熱情,增強他們解決問題的實踐能力。此外,還可以促進指導教師緊跟學術前沿,鞏固知識和提升知識儲備量。關于學科競賽仍有問題需要注意,如參賽的群體通常只是少數較為積極的學生團隊,受眾面不廣,且學科競賽參賽類別和選題等通常由指導教師確定,學生缺少自主選擇權,選擇范圍較窄,在合理性和目的性上仍有待完善。因此構建完善的競賽驅動教學體系,亟需解決上述問題。

3.2 案例導向教學

在構建新的GIS與農業交叉學科培養體系中,教學模式也需要進行調整,重點發揮學生主體作用,將問題驅動理念貫穿于教學全過程,逐步打造精品實驗教學和案例教學。在理論教學中,充分利用案例教學的優勢是極其重要的。交叉學科與課程案例相結合的教學方法將基本概念與基本操作二者并重。一般在理解概念之前,先有直觀感受,再將基本概念和基本操作融合;還可以將基本操作的演示放在基本概念提出之前,發揮案例的指向性、實踐性和趣味性作用。關于案例驅動教學的素材選取,可以以教師團隊的科研成果及人才在實際工作開展過程中的需求為導向制成一個綜合案例,教師要對案例中的知識點內容設置是否完善合理、知識單元之間的銜接是否恰當等方面進行評估,最后形成高質量的案例素材。案例導向教學可以較好地體現專業知識體系,還可以對GIS系統設計步驟和模式產生積極影響,進而為未來各項工作的實施打下堅實基礎。另外,案例設計包含了GIS與農業的融合,具有較高的應用性,因此可以將案例設計較快轉化為實際生產應用。

3.3 行業銜接教學

隨著農業技術的發展,GIS與農業交叉學科的市場需求不斷擴大,GIS與農業學科的融合也在不斷推進[10]。為滿足市場需求,加快推進學科融合,長春師范大學與農業、氣象、國土部門以及相關企業聯合成立教學指導委員會并制定復合型人才培養方案,大力培養學科交叉型人才。在培養過程中,重視學生所學知識技能在實踐中的應用,鼓勵學生積極參與實踐活動,在實踐中獲得真知、增長才干。高校培養人才以服務社會發展為目標。行業銜接是高校培養落地型人才的關鍵步驟,在高校人才就業中也起到重要作用。行業銜接措施的落地,可以增強學生在學校與崗位銜接中的適應性,有利于學生快速融入就業崗位。構建雙導師制、開放式教學、校企合作均是實現行業銜接教學的有效路徑。雙導師制可以讓學生全方位地掌握理論知識向實際應用轉換。開放式教學在一定程度上讓學生接觸到具體工作環境,實現在崗位上開展教學。校企合作,讓高校學生通過參與企業的項目研究,了解企業的技術需求,從而促進人才培養更好地與社會需求接軌。此外,通過與企業技術人員的交流,可以獲取更多的社會市場信息,加強已有的師資隊伍的教育教學能力,促進教師隊伍素質的提高,為行業銜接教學奠定基礎,為培養復合型農業應用人才提供師資保障。

4 結語

人才培養是高等教育的關鍵。隨著科技進步,人才需求也在發生著變化,交叉學科人才的需求逐漸凸顯,人才培養模式亟待優化。本研究立足吉林省農業大省的地位以及黑土地保護的背景,探討師范院校GIS學科的發展方向,旨在打造具有地方特色、凸顯GIS學科的發展體系,打造順應地方發展需求的GIS與農業交叉實踐性人才培養模式。本研究分析了GIS與農業交叉學科培養的必要性,設計了總體培養框架,提出基于神經元的學科交叉體系,論述了GIS與農業學科的神經元結構,并著重討論神經元的離散與聚合對學科體系優化的貢獻,著力打造立體化的人才培養模式。最后,本研究進一步提出GIS與農業交叉學科課程體系銜接的實踐教學模式,加強學生的應用實踐能力。