(西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西楊凌 712100)

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，簡(jiǎn)稱(chēng)GIS)是對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存貯、加工和分析的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，是從地圖學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，融合計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理科學(xué)、測(cè)繪科學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等學(xué)科的交叉學(xué)科[1]。近20年，GIS技術(shù)蓬勃發(fā)展，已經(jīng)在我國(guó)各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在自然資源調(diào)查和管理中已經(jīng)成為不可或缺的技術(shù)手段。另外，隨著近5年智能手機(jī)的普及，GIS技術(shù)通過(guò)地理位置服務(wù)(location based service，簡(jiǎn)稱(chēng)LBS)已經(jīng)與人們的日常生活息息相關(guān)。

西北農(nóng)林科技大學(xué)從1999年開(kāi)始就為林學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了“GIS導(dǎo)論”課程，并且伴隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，該課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法也與時(shí)俱進(jìn)，不斷地進(jìn)行改革創(chuàng)新[2]，取得了顯著的教學(xué)和科研成果，為GIS技術(shù)在林業(yè)的應(yīng)用培養(yǎng)了大批人才。

一、林學(xué)專(zhuān)業(yè)“GIS導(dǎo)論”課程教學(xué)存在的問(wèn)題

目前，西北農(nóng)林科技大學(xué)的“GIS導(dǎo)論”課程總體框架依然沿用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式。首先，教師在“GIS導(dǎo)論”理論課課堂上，講述GIS的核心理論知識(shí)；其次，在“GIS導(dǎo)論”實(shí)驗(yàn)課上，教授學(xué)生如何使用ArcGIS軟件。但是，目前存在以下3個(gè)方面的問(wèn)題。

(一)部分核心理論知識(shí)與ArcGIS軟件的應(yīng)用之間沒(méi)有直接聯(lián)系

“GIS導(dǎo)論”課程的部分核心理論知識(shí)與ArcGIS軟件的應(yīng)用之間沒(méi)有直接聯(lián)系。比如，柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼(包括游程長(zhǎng)度編碼、塊狀編碼和四叉樹(shù)編碼)和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼(拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)編碼)是“GIS導(dǎo)論”課程的核心理論知識(shí)，需要花費(fèi)2～4個(gè)課時(shí)詳細(xì)講解。但是，在實(shí)際ArcGIS軟件操作中，學(xué)生只需要掌握柵格和矢量的區(qū)別、弄清何為拓?fù)潢P(guān)系，就能很好地使用ArcGIS軟件，基本上體會(huì)不到編碼方式的存在。

另外，有些理論，譬如高斯克呂格投影，盡管教材上沒(méi)有提及，但卻是GIS軟件使用的起點(diǎn)知識(shí)，教師不得不加以講授、補(bǔ)充。這就造成“能用上的知識(shí)沒(méi)時(shí)間講，用不上的知識(shí)講了一大堆”的現(xiàn)象發(fā)生。歸根結(jié)底，是因?yàn)槟壳傲謱W(xué)專(zhuān)業(yè)使用的GIS教材核心理論知識(shí)都源自GIS專(zhuān)業(yè)的經(jīng)典教程，而林學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生沒(méi)有相應(yīng)的前導(dǎo)課程和知識(shí)結(jié)構(gòu)作鋪墊。因此，有必要對(duì)林學(xué)專(zhuān)業(yè)“GIS導(dǎo)論”課程的教材和教學(xué)內(nèi)容做必要的改革。

(二)實(shí)驗(yàn)課時(shí)嚴(yán)重不足

30學(xué)時(shí)的“GIS導(dǎo)論”理論課程基本上能夠完成核心理論知識(shí)的詳解和外延知識(shí)的引導(dǎo)。10學(xué)時(shí)的“GIS導(dǎo)論”實(shí)驗(yàn)課程要教會(huì)學(xué)生使用ArcGIS軟件的全部功能基本上是不可能的，往往還需要學(xué)生和教師額外投入30～50學(xué)時(shí)的時(shí)間來(lái)達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。同時(shí)，由于學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)參差不齊，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)ArcGIS軟件的掌握和操作能力差異大，個(gè)別學(xué)生需要更多的時(shí)間來(lái)完成實(shí)驗(yàn)作業(yè)，致使實(shí)驗(yàn)課時(shí)嚴(yán)重不足。

(三)GIS知識(shí)和技能的深度和廣度不夠

學(xué)以致用是任何一門(mén)課程的終極目標(biāo)。在近5年的林業(yè)“GIS導(dǎo)論”課程考試當(dāng)中，“GIS導(dǎo)論”課程組都會(huì)特意加1～2道論述題來(lái)考查學(xué)生將GIS用于林業(yè)當(dāng)中的想法和思路，但考試效果并不理想。對(duì)部分在本校繼續(xù)攻讀研究生的學(xué)生在科研當(dāng)中對(duì)GIS的使用情況的調(diào)查，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)GIS的使用一般都停留在簡(jiǎn)單的空間分析階段(空間疊置分析和數(shù)字高程模型表面分析)。追根溯源，主要是學(xué)生在“GIS導(dǎo)論”課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)GIS的一些高端分析工具不了解，如地統(tǒng)計(jì)和ArcPy工具。同時(shí)，由于目前的實(shí)習(xí)軟件ArcGIS本身是一個(gè)通用性的平臺(tái)軟件，缺乏與林業(yè)應(yīng)用有關(guān)的功能模塊，致使學(xué)生掌握GIS知識(shí)和技能的深度和廣度不夠。因此，如何在有限的時(shí)間和有限的軟硬件條件下，讓學(xué)生學(xué)到更多的GIS分析功能，了解到更多的林業(yè)應(yīng)用實(shí)例，是“GIS導(dǎo)論”課程需要解決的問(wèn)題。

二、林學(xué)專(zhuān)業(yè)“GIS導(dǎo)論”課程教學(xué)改革的措施

(一)調(diào)整課程使用教材，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

“GIS導(dǎo)論”課程組在近3年的教學(xué)當(dāng)中，調(diào)整了教材內(nèi)容，將Kang-tsung Chang著、陳健飛等翻譯的《地理信息導(dǎo)論》和Maribeth Price著、李玉龍等翻譯的《ArcGIS地理信息教程》2部國(guó)外引進(jìn)教材作為學(xué)生的課外輔助教材。在授課內(nèi)容上也逐步向這2部教材過(guò)渡。該2部教材的特點(diǎn)是以ArcGIS軟件的操作為線索，在軟件的使用中講述必備的GIS理論知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)GIS理論教學(xué)和軟件操作的有機(jī)結(jié)合，淡化了傳統(tǒng)GIS的部分核心理論知識(shí)。同時(shí)，“GIS導(dǎo)論”課程組結(jié)合林業(yè)的GIS應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)ArcGIS的分析工具進(jìn)行了取舍和側(cè)重，比如重點(diǎn)講述了空間疊置分析(多用于立地分類(lèi)研究和制圖)、緩沖區(qū)分析(多用于森林病蟲(chóng)害傳播研究)、數(shù)字地形分析(多用于林業(yè)資源和生態(tài)因子與坡度坡向的關(guān)系研究)，弱化了網(wǎng)絡(luò)分析功能(因?yàn)锳rcGIS對(duì)該功能的實(shí)現(xiàn)在林業(yè)使用難度較大頻率較低)；舍棄了地統(tǒng)計(jì)功能中大部分功能(因?yàn)槌瞬逯涤?jì)算外其他功能并不適合本科教學(xué))。

另外，“GIS導(dǎo)論”課程組在授課內(nèi)容中添加了無(wú)人機(jī)影像處理技術(shù)和激光雷達(dá)點(diǎn)云處理技術(shù)，賦予該課程最前沿的技術(shù)內(nèi)容，頗受學(xué)生的歡迎。

(二)按照由淺入深將理論知識(shí)分為兩部分，分階段開(kāi)展教學(xué)

由于林學(xué)專(zhuān)業(yè)沒(méi)有GIS相關(guān)的前導(dǎo)課程，所以GIS理論知識(shí)部分的一些有難度的算法，例如四叉樹(shù)編碼、最短路徑算法、面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫(kù)等內(nèi)容，學(xué)生往往難以接受。因此，“GIS導(dǎo)論”課程組嘗試將理論知識(shí)分為2部分來(lái)講：第一部分只講和ArcGIS軟件入門(mén)操作相關(guān)的理論知識(shí)；第二部分在學(xué)生對(duì)GIS有了感性認(rèn)識(shí)后，再深入講解有難度的內(nèi)容。具體分段安排見(jiàn)表1。

在第二部分“綜合案例分析”章節(jié)，“GIS導(dǎo)論”課程組刻意設(shè)計(jì)了地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和遙感系統(tǒng)(RS)的綜合運(yùn)用案例。以陜西永壽馬蓮灘林場(chǎng)的造林規(guī)劃為目標(biāo)，先用RS進(jìn)行土地利用現(xiàn)狀解譯，再用GPS進(jìn)行現(xiàn)地驗(yàn)證，最后用GIS進(jìn)行立地分析，充分做到了“適地適樹(shù)”，體現(xiàn)了“3S”技術(shù)在現(xiàn)代化林業(yè)中的應(yīng)用潛力，增大了GIS空間分析功能在林業(yè)中的應(yīng)用深度，從林分立地質(zhì)量和森林景觀格局角度為林業(yè)規(guī)劃提供了量化依據(jù)，從而提高了學(xué)生的GIS技術(shù)綜合應(yīng)用能力。

表1 “GIS導(dǎo)論”課程分階段開(kāi)展理論知識(shí)教學(xué)的內(nèi)容安排

(三)根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和任務(wù)不同，對(duì)學(xué)生提出不同的要求

由于學(xué)生的個(gè)體差異以及只有10個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)，致使最好的學(xué)生也不能徹底完成“GIS導(dǎo)論”實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)目標(biāo)。因此，“GIS導(dǎo)論”課程組根據(jù)學(xué)生理論課堂學(xué)習(xí)情況，將學(xué)生每3人分為一組，并選出該組對(duì)GIS領(lǐng)悟最好的學(xué)生擔(dān)任組長(zhǎng)，讓3人集體完成一份實(shí)驗(yàn)。比如，“林相圖的數(shù)字化”實(shí)驗(yàn)，由于學(xué)生剛開(kāi)始接觸GIS軟件，在坐標(biāo)系的定義和拓?fù)渖擅鏁r(shí)，部分學(xué)生會(huì)力不從心，但是3人一組，學(xué)生通過(guò)互相討論和幫助，使實(shí)驗(yàn)進(jìn)度明顯加快。教學(xué)結(jié)果證明，3人一組克服了GIS建庫(kù)工作量大的問(wèn)題，同時(shí)3人一組學(xué)生自主解決問(wèn)題的能力大大增強(qiáng)，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力，完全可以在10個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)目標(biāo)。但是，這樣會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生偷懶，無(wú)法體現(xiàn)學(xué)生的能力差異，因此針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，筆者做了不同的安排，具體情況見(jiàn)表2。

表2 “GIS導(dǎo)論”課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織和安排

(四)組建GIS興趣小組

盡管ArcGIS軟件功能強(qiáng)大，是目前大部分高校GIS課程的首選軟件，但是畢竟是GIS通用軟件，沒(méi)有與林業(yè)相關(guān)的功能模塊，限制了ArcGIS軟件在林業(yè)中應(yīng)用的深度。為此筆者提出如下解決辦法：①購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)門(mén)的林業(yè)GIS軟件作為教學(xué)的補(bǔ)充軟件；②根據(jù)學(xué)生的興趣和需求在ArcGIS的基礎(chǔ)上二次開(kāi)發(fā)需要的與林業(yè)相關(guān)的功能模塊。第一種解決辦法其實(shí)不太可取，首先經(jīng)費(fèi)受限；其次未必滿足林學(xué)專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生的要求。第二種解決辦法是考慮各種實(shí)際情況的最可取的解決方案。“GIS導(dǎo)論”課程組每年都會(huì)從GIS的林業(yè)應(yīng)用出發(fā)，組建多個(gè)2～3人GIS興趣小組，解決ArcGIS軟件的二次開(kāi)發(fā)問(wèn)題。在“GIS導(dǎo)論”課程開(kāi)始之初，授課教師為每個(gè)小組設(shè)立一個(gè)切實(shí)可行的小目標(biāo)(如林相圖的自動(dòng)渲染、屬性表中非測(cè)量因子的自動(dòng)計(jì)算、森林生態(tài)景觀指標(biāo)的自動(dòng)計(jì)算等)，然后學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過(guò)一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)和摸索實(shí)現(xiàn)小目標(biāo)或者超越小目標(biāo)。教學(xué)實(shí)踐證明，只要學(xué)生有興趣、肯鉆研，就能完成相關(guān)的教學(xué)任務(wù)。

(五)鼓勵(lì)學(xué)生使用開(kāi)源GIS軟件

目前，ArcGIS軟件幾乎壟斷了中國(guó)的GIS教學(xué)和科研領(lǐng)域，一方面不利于中國(guó)GIS行業(yè)的健康發(fā)展，另一方面限制了學(xué)生對(duì)GIS理論知識(shí)的理解(畢竟不同的軟件對(duì)GIS的實(shí)現(xiàn)方式不同，每個(gè)軟件都有自己的設(shè)計(jì)思路)。因此，“GIS導(dǎo)論”課程組鼓勵(lì)學(xué)生自學(xué)和使用開(kāi)源GIS軟件完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。

在“GIS導(dǎo)論”實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生可以在ArcGIS軟件和開(kāi)源GIS軟件二選一，也可以同時(shí)使用這兩種軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教學(xué)實(shí)踐表明，部分學(xué)生不但用ArcGIS完成了5個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，而且還觸類(lèi)旁通用開(kāi)源的QGIS完成了與ArcGIS軟件同樣的任務(wù)。這將有助于學(xué)生加深對(duì)GIS核心理論知識(shí)的理解，也為日后的工作和科研提供一個(gè)額外的選項(xiàng)。

開(kāi)源GIS軟件和GIS工具包近幾年已經(jīng)逐步完善[3]，如果能在“GIS導(dǎo)論”課堂上對(duì)學(xué)生加以適當(dāng)引導(dǎo)和鼓勵(lì)，那么用開(kāi)源軟件完成教學(xué)實(shí)習(xí)內(nèi)容綽綽有余，用開(kāi)源GIS工具包搭建一個(gè)初級(jí)功能的GIS平臺(tái)也不是不可能，見(jiàn)表3。開(kāi)源是軟件行業(yè)的大勢(shì)所趨，有必要在“GIS導(dǎo)論”課程上加以引導(dǎo)和推廣。

三、林學(xué)專(zhuān)業(yè)“GIS導(dǎo)論”課程教學(xué)改革的效果

(一)學(xué)生對(duì)GIS理論知識(shí)和軟件的掌握程度明顯提高

通過(guò)成績(jī)分析，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的“GIS導(dǎo)論”課程考試成績(jī)中實(shí)踐部分的成績(jī)比過(guò)去提高了50%。另外，該課程網(wǎng)絡(luò)視頻教程的上線，為教師的教學(xué)工作節(jié)省了30%的時(shí)間，而且大幅度提高了學(xué)生對(duì)軟件的操作能力。調(diào)查顯示，能夠獨(dú)立完成GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)建立和GIS四大分析功能的學(xué)生人數(shù)比過(guò)去增加40%，同時(shí)所有的學(xué)生都在教師的指導(dǎo)下完成了教學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，掌握了ArcGIS軟件的基本功能。

表3 目前常用的開(kāi)源GIS軟件和GIS工具包

(二)激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造力

筆者對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)通過(guò)合理的分組，學(xué)生的創(chuàng)造力和自主學(xué)習(xí)能力明顯增強(qiáng)，約50%的學(xué)生在制圖階段所使用的技術(shù)已經(jīng)超越了“GIS導(dǎo)論”課程課堂講述的內(nèi)容，制圖效果接近標(biāo)準(zhǔn)的林業(yè)用圖；部分學(xué)習(xí)小組在完成該課程實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)GIS空間分析功能進(jìn)行組合創(chuàng)新，進(jìn)一步挖掘了GIS在林業(yè)上的應(yīng)用潛力。同時(shí)，分組協(xié)作也加強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和合作意識(shí)，為學(xué)生今后走上工作崗位打好了基礎(chǔ)。

(三)培養(yǎng)了GIS學(xué)習(xí)和應(yīng)用的興趣愛(ài)好生，帶動(dòng)了班級(jí)的學(xué)習(xí)熱情

“GIS導(dǎo)論”課程教學(xué)改革以來(lái)，每學(xué)年上課，教師都要求學(xué)生自發(fā)成立GIS興趣小組，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組指導(dǎo)。通過(guò)這種方式，已經(jīng)培養(yǎng)了50名熱愛(ài)林業(yè)GIS學(xué)習(xí)和應(yīng)用的興趣愛(ài)好生，他們?cè)谠撜n程學(xué)習(xí)中發(fā)揮了示范帶頭作用，激發(fā)了整個(gè)班級(jí)學(xué)習(xí)GIS的熱情，從而實(shí)現(xiàn)了課外教學(xué)反哺課內(nèi)教學(xué)的效果。例如，“GIS導(dǎo)論”課程組今年組織的2個(gè)GIS興趣小組(2人一組，共4人)，其中一組依照國(guó)家林業(yè)局《林業(yè)工程制圖標(biāo)準(zhǔn)(2014版)》來(lái)制作ArcGIS林業(yè)符號(hào)庫(kù)，已經(jīng)完成過(guò)半，既促進(jìn)了學(xué)生的GIS操作能力，又為后續(xù)的教學(xué)和科研解決了一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題；另外一組依照《陜西省森林資源二類(lèi)調(diào)查技術(shù)方案》在ArcGIS中設(shè)計(jì)了一系列的表格和字段，對(duì)于一些需要計(jì)算的字段(如平均樹(shù)高、平均胸徑、材積、生物量等)也利用ArcPy軟件(ArcGIS自帶的Python模塊)開(kāi)發(fā)了自動(dòng)填充功能，部分已用于“測(cè)樹(shù)學(xué)”和“森林經(jīng)理”課程。這將有助于GIS在林業(yè)實(shí)踐中的應(yīng)用，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，“GIS導(dǎo)論”課程組打算繼續(xù)加大對(duì)GIS興趣小組的投入力度，目標(biāo)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從應(yīng)用到開(kāi)發(fā)，不斷為GIS的林業(yè)應(yīng)用積累產(chǎn)品，為后續(xù)的GIS教學(xué)提供更好的數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)案例。同時(shí)，“GIS導(dǎo)論”課程組也計(jì)劃開(kāi)展以科研為目的GIS興趣小組，充分挖掘ArcGIS的地統(tǒng)計(jì)功能在林業(yè)中的應(yīng)用潛力，為林業(yè)科研單位培養(yǎng)優(yōu)秀的林業(yè)GIS應(yīng)用研究人才奠定基礎(chǔ)。

資助項(xiàng)目：西北農(nóng)林科技大學(xué)2017年教育教學(xué)改革專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“仿慕課的課件設(shè)計(jì)”，項(xiàng)目編號(hào)201722。