(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，簡稱GIS)是對空間數(shù)據(jù)進行采集、存貯、加工和分析的計算機軟硬件系統(tǒng)，是從地圖學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合計算機科學(xué)、地理科學(xué)、測繪科學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計等學(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年智能手機的普及，GIS技術(shù)通過地理位置服務(wù)(location based service，簡稱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年開始就為林學(xué)專業(yè)開設(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)方法也與時俱進，不斷地進行改革創(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)專業(yè)“GIS導(dǎo)論”課程教學(xué)存在的問題

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；其次，在“GIS導(dǎo)論”實驗課上，教授學(xué)生如何使用ArcGIS軟件。但是，目前存在以下3個方面的問題。

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

“GIS導(dǎo)論”課程的部分核心理論知識與ArcGIS軟件的應(yīng)用之間沒有直接聯(lián)系。比如，柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼(包括游程長度編碼、塊狀編碼和四叉樹編碼)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，需要花費2～4個課時詳細(xì)講解。但是，在實際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，盡管教材上沒有提及，但卻是GIS軟件使用的起點知識，教師不得不加以講授、補充。這就造成“能用上的知識沒時間講，用不上的知識講了一大堆”的現(xiàn)象發(fā)生。歸根結(jié)底，是因為目前林學(xué)專業(yè)使用的GIS教材核心理論知識都源自GIS專業(yè)的經(jīng)典教程，而林學(xué)專業(yè)學(xué)生沒有相應(yīng)的前導(dǎo)課程和知識結(jié)構(gòu)作鋪墊。因此，有必要對林學(xué)專業(yè)“GIS導(dǎo)論”課程的教材和教學(xué)內(nèi)容做必要的改革。

(二)實驗課時嚴(yán)重不足

30學(xué)時的“GIS導(dǎo)論”理論課程基本上能夠完成核心理論知識的詳解和外延知識的引導(dǎo)。10學(xué)時的“GIS導(dǎo)論”實驗課程要教會學(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)時的時間來達到實驗教學(xué)的要求。同時，由于學(xué)生的計算機應(yīng)用基礎(chǔ)知識參差不齊，導(dǎo)致學(xué)生對ArcGIS軟件的掌握和操作能力差異大，個別學(xué)生需要更多的時間來完成實驗作業(yè)，致使實驗課時嚴(yán)重不足。

(三)GIS知識和技能的深度和廣度不夠

學(xué)以致用是任何一門課程的終極目標(biāo)。在近5年的林業(yè)“GIS導(dǎo)論”課程考試當(dāng)中，“GIS導(dǎo)論”課程組都會特意加1～2道論述題來考查學(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。對部分在本校繼續(xù)攻讀研究生的學(xué)生在科研當(dāng)中對GIS的使用情況的調(diào)查，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生對GIS的使用一般都停留在簡單的空間分析階段(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)過程中，對GIS的一些高端分析工具不了解，如地統(tǒng)計和ArcPy工具。同時，由于目前的實習(xí)軟件ArcGIS本身是一個通用性的平臺軟件，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知識和技能的深度和廣度不夠。因此，如何在有限的時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)用實例，是“GIS導(dǎo)論”課程需要解決的問題。

二、林學(xué)專業(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部國外引進教材作為學(xué)生的課外輔助教材。在授課內(nèi)容上也逐步向這2部教材過渡。該2部教材的特點是以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，從而實現(xiàn)GIS理論教學(xué)和軟件操作的有機結(jié)合，淡化了傳統(tǒng)GIS的部分核心理論知識。同時，“GIS導(dǎo)論”課程組結(jié)合林業(yè)的GIS應(yīng)用場景，對ArcGIS的分析工具進行了取舍和側(cè)重，比如重點講述了空間疊置分析(多用于立地分類研究和制圖)、緩沖區(qū)分析(多用于森林病蟲害傳播研究)、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(因為ArcGIS對該功能的實現(xiàn)在林業(yè)使用難度較大頻率較低)；舍棄了地統(tǒng)計功能中大部分功能(因為除了插值計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)容中添加了無人機影像處理技術(shù)和激光雷達點云處理技術(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分為兩部分，分階段開展教學(xué)

由于林學(xué)專業(yè)沒有GIS相關(guān)的前導(dǎo)課程，所以GIS理論知識部分的一些有難度的算法，例如四叉樹編碼、最短路徑算法、面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫等內(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分為2部分來講：第一部分只講和ArcGIS軟件入門操作相關(guān)的理論知識；第二部分在學(xué)生對GIS有了感性認(rèn)識后，再深入講解有難度的內(nèi)容。具體分段安排見表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)的綜合運用案例。以陜西永壽馬蓮灘林場的造林規(guī)劃為目標(biāo)，先用RS進行土地利用現(xiàn)狀解譯，再用GPS進行現(xiàn)地驗證，最后用GIS進行立地分析，充分做到了“適地適樹”，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”課程分階段開展理論知識教學(xué)的內(nèi)容安排

(三)根據(jù)實驗內(nèi)容和任務(wù)不同，對學(xué)生提出不同的要求

由于學(xué)生的個體差異以及只有10個小時的實驗課時，致使最好的學(xué)生也不能徹底完成“GIS導(dǎo)論”實驗課的教學(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GIS領(lǐng)悟最好的學(xué)生擔(dān)任組長，讓3人集體完成一份實驗。比如，“林相圖的數(shù)字化”實驗，由于學(xué)生剛開始接觸GIS軟件，在坐標(biāo)系的定義和拓?fù)渖擅鏁r，部分學(xué)生會力不從心，但是3人一組，學(xué)生通過互相討論和幫助，使實驗進度明顯加快。教學(xué)結(jié)果證明，3人一組克服了GIS建庫工作量大的問題，同時3人一組學(xué)生自主解決問題的能力大大增強，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力，完全可以在10個小時的實驗課時間內(nèi)完成教學(xué)目標(biāo)。但是，這樣會導(dǎo)致部分學(xué)生偷懶，無法體現(xiàn)學(xué)生的能力差異，因此針對不同的實驗內(nèi)容，筆者做了不同的安排，具體情況見表2。

表2 “GIS導(dǎo)論”課程中實驗教學(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購買專門的林業(yè)GIS軟件作為教學(xué)的補充軟件；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不太可取，首先經(jīng)費受限；其次未必滿足林學(xué)專業(yè)高年級本科生的要求。第二種解決辦法是考慮各種實際情況的最可取的解決方案?！癎IS導(dǎo)論”課程組每年都會從GIS的林業(yè)應(yīng)用出發(fā)，組建多個2～3人GIS興趣小組，解決ArcGIS軟件的二次開發(fā)問題。在“GIS導(dǎo)論”課程開始之初，授課教師為每個小組設(shè)立一個切實可行的小目標(biāo)(如林相圖的自動渲染、屬性表中非測量因子的自動計算、森林生態(tài)景觀指標(biāo)的自動計算等)，然后學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過一個學(xué)期的學(xué)習(xí)和摸索實現(xiàn)小目標(biāo)或者超越小目標(biāo)。教學(xué)實踐證明，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)鼓勵學(xué)生使用開源GIS軟件

目前，ArcGIS軟件幾乎壟斷了中國的GIS教學(xué)和科研領(lǐng)域，一方面不利于中國GIS行業(yè)的健康發(fā)展，另一方面限制了學(xué)生對GIS理論知識的理解(畢竟不同的軟件對GIS的實現(xiàn)方式不同，每個軟件都有自己的設(shè)計思路)。因此，“GIS導(dǎo)論”課程組鼓勵學(xué)生自學(xué)和使用開源GIS軟件完成實驗教學(xué)任務(wù)。

在“GIS導(dǎo)論”實驗課上，學(xué)生可以在ArcGIS軟件和開源GIS軟件二選一，也可以同時使用這兩種軟件進行實驗。教學(xué)實踐表明，部分學(xué)生不但用ArcGIS完成了5個教學(xué)實驗，而且還觸類旁通用開源的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GIS核心理論知識的理解，也為日后的工作和科研提供一個額外的選項。

開源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”課堂上對學(xué)生加以適當(dāng)引導(dǎo)和鼓勵，那么用開源軟件完成教學(xué)實習(xí)內(nèi)容綽綽有余，用開源GIS工具包搭建一個初級功能的GIS平臺也不是不可能，見表3。開源是軟件行業(yè)的大勢所趨，有必要在“GIS導(dǎo)論”課程上加以引導(dǎo)和推廣。

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

(一)學(xué)生對GIS理論知識和軟件的掌握程度明顯提高

通過成績分析，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的“GIS導(dǎo)論”課程考試成績中實踐部分的成績比過去提高了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%的時間，而且大幅度提高了學(xué)生對軟件的操作能力。調(diào)查顯示，能夠獨立完成GIS空間數(shù)據(jù)庫建立和GIS四大分析功能的學(xué)生人數(shù)比過去增加40%，同時所有的學(xué)生都在教師的指導(dǎo)下完成了教學(xué)實驗任務(wù)，掌握了ArcGIS軟件的基本功能。

表3 目前常用的開源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

筆者對學(xué)生的實驗報告進行了分析，發(fā)現(xiàn)通過合理的分組，學(xué)生的創(chuàng)造力和自主學(xué)習(xí)能力明顯增強，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驗的基礎(chǔ)上，對GIS空間分析功能進行組合創(chuàng)新，進一步挖掘了GIS在林業(yè)上的應(yīng)用潛力。同時，分組協(xié)作也加強了學(xué)生的團隊意識和合作意識，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)用的興趣愛好生，帶動了班級的學(xué)習(xí)熱情

“GIS導(dǎo)論”課程教學(xué)改革以來，每學(xué)年上課，教師都要求學(xué)生自發(fā)成立GIS興趣小組，并對學(xué)生進行分組指導(dǎo)。通過這種方式，已經(jīng)培養(yǎng)了50名熱愛林業(yè)GIS學(xué)習(xí)和應(yīng)用的興趣愛好生，他們在該課程學(xué)習(xí)中發(fā)揮了示范帶頭作用，激發(fā)了整個班級學(xué)習(xí)GIS的熱情，從而實現(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GIS興趣小組(2人一組，共4人)，其中一組依照國家林業(yè)局《林業(yè)工程制圖標(biāo)準(zhǔn)(2014版)》來制作ArcGIS林業(yè)符號庫，已經(jīng)完成過半，既促進了學(xué)生的GIS操作能力，又為后續(xù)的教學(xué)和科研解決了一個現(xiàn)實問題；另外一組依照《陜西省森林資源二類調(diào)查技術(shù)方案》在ArcGIS中設(shè)計了一系列的表格和字段，對于一些需要計算的字段(如平均樹高、平均胸徑、材積、生物量等)也利用ArcPy軟件(ArcGIS自帶的Python模塊)開發(fā)了自動填充功能，部分已用于“測樹學(xué)”和“森林經(jīng)理”課程。這將有助于GIS在林業(yè)實踐中的應(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GIS興趣小組的投入力度，目標(biāo)從簡單到復(fù)雜、從應(yīng)用到開發(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)實案例。同時，“GIS導(dǎo)論”課程組也計劃開展以科研為目的GIS興趣小組，充分挖掘ArcGIS的地統(tǒng)計功能在林業(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)。

資助項目：西北農(nóng)林科技大學(xué)2017年教育教學(xué)改革專項項目“仿慕課的課件設(shè)計”，項目編號201722。