李雪冬,顧 萌,張 梅,王若熙,許慧敏

(長春師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,吉林 長春 130032)

多學(xué)科相互交叉、相互滲透、高度綜合以及系統(tǒng)化、整體化的趨勢是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的主要特征。構(gòu)建多學(xué)科集成交叉的培養(yǎng)機制,培養(yǎng)適應(yīng)國家戰(zhàn)略需求的復(fù)合型創(chuàng)新人才,已經(jīng)成為高校培養(yǎng)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(lǐng)未來的創(chuàng)新型人才。地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)是隨著地球信息科學(xué)發(fā)展而產(chǎn)生的,具有綜合性強、交叉性明顯、理論與技術(shù)并重等特點的一門學(xué)科[2]。作為國家大力支持的新興學(xué)科,我國GIS高等教育在成立至今的三十年間飛速發(fā)展,針對其專業(yè)培養(yǎng)方案至少經(jīng)歷了10次修訂和優(yōu)化。在首屆GIS專業(yè)教育研討會上,地理信息系統(tǒng)協(xié)會提到了“低年級寬口徑、高年級分類培養(yǎng)”的基本培養(yǎng)模式,提出了GIS專業(yè)課程體系的設(shè)置方案,但關(guān)于農(nóng)業(yè)方向的GIS人才培養(yǎng)則沒有具體的規(guī)劃,而GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用是當(dāng)代發(fā)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(tǒng)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)的融合發(fā)展[3]。

吉林省是國家糧食主產(chǎn)區(qū),更是我國黑土地的主要分布區(qū)之一,多年來糧食人均占有量、糧食調(diào)出量和玉米出口量均居全國第一位。要立足吉林省農(nóng)業(yè)區(qū)位的天然優(yōu)勢,從GIS的學(xué)科特點出發(fā),構(gòu)建GIS與農(nóng)業(yè)交叉學(xué)科人才培養(yǎng)的全新立體化培養(yǎng)模式,厚積學(xué)科交叉潛力,充分發(fā)揮區(qū)域辦學(xué)特色,力求培養(yǎng)GIS理論扎實、技術(shù)過硬,并且適用于農(nóng)業(yè)發(fā)展的專業(yè)性人才。

1 GIS與農(nóng)業(yè)交叉學(xué)科人才培養(yǎng)的必要性和優(yōu)勢

1.1 農(nóng)業(yè)與GIS交叉學(xué)科設(shè)置的必要性

在機械化、半機械化設(shè)備的支持下,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力有了大幅度提升。如今我國仍舊面臨嚴(yán)峻的糧食問題,亟需農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力進一步提高,數(shù)據(jù)驅(qū)動的智慧化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式加快了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提升[4]。目前,限制農(nóng)業(yè)發(fā)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(yīng)能力和承受能力,傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已不能有效解決其自身面臨的問題。因此,需要借助多學(xué)科優(yōu)勢,促進學(xué)科的交叉與融合,以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高級階段,集新興的互聯(lián)網(wǎng)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體,利用空間信息、遙感等高新技術(shù)手段來研究土地資源變動、作物生長及生態(tài)環(huán)境響應(yīng)等問題。通過智慧農(nóng)業(yè)的推動,不僅開創(chuàng)了新的交叉學(xué)科領(lǐng)域,同時也為我國糧食安全提供了技術(shù)保障[5-6]。因此,開展農(nóng)業(yè)遙感、農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)、GIS 技術(shù)和基于3S的農(nóng)情速報等多學(xué)科交叉的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,可幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者在作物育種、長勢實時動態(tài)監(jiān)測以及糧食估產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)問題上實現(xiàn)突破,為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科技支撐及人才保障。

1.2 農(nóng)業(yè)與GIS交叉學(xué)科人才培養(yǎng)模式的優(yōu)勢

在充分調(diào)研國內(nèi)外GIS專業(yè)培養(yǎng)模式、教學(xué)體系建設(shè)以及課程設(shè)置基礎(chǔ)上,結(jié)合長春師范大學(xué)發(fā)展特點、地域特征以及辦學(xué)特色,本研究提出了“抓住區(qū)域優(yōu)勢,挖掘智能化潛力,服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。通過課程體系調(diào)整,充分發(fā)掘GIS專業(yè)的強交叉性,發(fā)揮其邊緣性、技術(shù)性、綜合性等優(yōu)勢,優(yōu)化農(nóng)業(yè)建設(shè)服務(wù)體系,構(gòu)建適合長春師范大學(xué)發(fā)展的具備農(nóng)業(yè)科學(xué)背景的特色人才培養(yǎng)模式(圖1)。從重視基礎(chǔ)、面向應(yīng)用、突出重點、尊重特色四個方面入手,搭建交叉學(xué)科農(nóng)業(yè)人才發(fā)展平臺,優(yōu)化人才培養(yǎng)方案,完善課程體系建設(shè),豐富教學(xué)內(nèi)容和手段,致力打造立體化人才培養(yǎng)模式,開拓創(chuàng)新型人才培養(yǎng)新思路。

圖1 GIS與農(nóng)業(yè)交叉學(xué)科人才培養(yǎng)框架體系

2 基于神經(jīng)元重構(gòu)的課程體系構(gòu)建與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 GIS與農(nóng)業(yè)的學(xué)科神經(jīng)元結(jié)構(gòu)

神經(jīng)元被視為GIS與農(nóng)業(yè)的相關(guān)學(xué)科知識的最小結(jié)構(gòu)單元。一門課程是由緊密聯(lián)系的一些概念、定理、方法和原理等獨立的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)組成的,而神經(jīng)元就可以作為專業(yè)知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。一門完備的課程是由眾多學(xué)科的相關(guān)神經(jīng)元組合形成的[7]。在GIS學(xué)科領(lǐng)域的神經(jīng)元,如地球體、地圖投影、空間坐標(biāo)系、大地水準(zhǔn)面等;在農(nóng)業(yè)學(xué)科的神經(jīng)元,如育種、作物栽培、灌溉、節(jié)水、植物保護技術(shù)等。GIS與農(nóng)業(yè)的神經(jīng)元融合不單純地指代兩門專業(yè)或者行業(yè)的硬性結(jié)合,而是將兩個學(xué)科分解為獨立的神經(jīng)元,再將神經(jīng)元進行有機組合,讓GIS與農(nóng)業(yè)學(xué)科形成一個新的學(xué)科體系。將神經(jīng)元之間的組合作為基本動力,進而表達和推演學(xué)科知識體系的內(nèi)在結(jié)構(gòu)與動態(tài)演化。將神經(jīng)元作為評價單元,不僅可以將GIS與農(nóng)業(yè)學(xué)科體系進行有機分解,也可以從神經(jīng)元層面對GIS與農(nóng)業(yè)學(xué)科的交叉運動過程進行形象化解釋。

2.2 基于學(xué)科基礎(chǔ)的神經(jīng)元離散

基于神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的知識體系優(yōu)化分為神經(jīng)元離散與神經(jīng)元聚合兩個過程。專業(yè)培養(yǎng)需要構(gòu)建堅實的學(xué)科網(wǎng)絡(luò)知識體系,將學(xué)科與專業(yè)培養(yǎng)相聯(lián)系,必須要將應(yīng)用邏輯過程中涉及的神經(jīng)元作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)構(gòu)建GIS與農(nóng)業(yè)的交叉學(xué)科培養(yǎng)體系。首先需要將農(nóng)業(yè)與GIS的學(xué)科理論與技能分解為若干個宏觀神經(jīng)元,然后確立神經(jīng)元推演運動路線,將神經(jīng)元有序地排列并進行連接,將所得到的神經(jīng)元鏈作為主線并與相應(yīng)課程體系進行融合,形成學(xué)科知識鏈。學(xué)科理論的分解,首先要覆蓋關(guān)鍵環(huán)節(jié),在課程設(shè)置上不能有內(nèi)容的遺漏,同時保證內(nèi)容的合理性與完整性。在教學(xué)邏輯上,課程安排和銜接必須與學(xué)科知識的先后順序和內(nèi)在邏輯相匹配。神經(jīng)元分解的合理性是完善課程結(jié)構(gòu)的前提,更是構(gòu)建神經(jīng)鏈優(yōu)化培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)。將長春師范大學(xué)GIS專業(yè)現(xiàn)行的培養(yǎng)方案與人才培養(yǎng)需求相對照,發(fā)現(xiàn)存在空間數(shù)據(jù)處理與編輯、地理模型構(gòu)建以及專業(yè)知識在行業(yè)特色方面應(yīng)用等方面的課程冗余,而在測繪技術(shù)、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)、開發(fā)語言基礎(chǔ)等基礎(chǔ)特色課程卻缺失嚴(yán)重,有關(guān)遙感與農(nóng)業(yè)的綜合應(yīng)用、系統(tǒng)集成開發(fā)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(jīng)元聚合的知識體系優(yōu)化

專業(yè)培養(yǎng)方案優(yōu)化的重點在于交叉學(xué)科人才的培養(yǎng)。要在知識結(jié)構(gòu)方面進行神經(jīng)元的自上至下的離散與拆分,解析相關(guān)的專業(yè)課程體系,進而將神經(jīng)元進行自上而下的聚合,完成課程內(nèi)容的優(yōu)化整合。為加強課程之間的聯(lián)系,需要對神經(jīng)元進行聚合。神經(jīng)元的聚合是指將專業(yè)相鄰課程的神經(jīng)元表示在一個平面上,將專業(yè)相鄰課程的神經(jīng)元按照空間聚類的規(guī)則進行表示。鑒于GIS與農(nóng)業(yè)學(xué)科各自獨立的問題,以往的培養(yǎng)方案存在著知識神經(jīng)元的冗余,因此以學(xué)科門類進行劃分的培養(yǎng)方案會導(dǎo)致神經(jīng)元的重復(fù)出現(xiàn),甚至有些神經(jīng)元頻率出現(xiàn)略高,比如在GIS學(xué)科領(lǐng)域坐標(biāo)系的神經(jīng)元分別出現(xiàn)在測量學(xué)、地圖學(xué)、全球定位系統(tǒng)、GIS原理與方法、遙感導(dǎo)論等學(xué)科中。

一般而言,相鄰專業(yè)課程既相互區(qū)別又相互聯(lián)系。基于神經(jīng)元理論的學(xué)科體系可以削減冗余重復(fù)的神經(jīng)元,在交叉學(xué)科人才培養(yǎng)方面進行神經(jīng)元的有機融合?；谏窠?jīng)元聚合的課程內(nèi)容的優(yōu)化,可以打破傳統(tǒng)的以課程為邊界的體系設(shè)定,進而規(guī)避課程內(nèi)容的重復(fù)。神經(jīng)元的聚合是有取舍地進行課程內(nèi)容的重新結(jié)合,而不是追求新課程門類的構(gòu)建,對于那些多門課程都能用到的基礎(chǔ)神經(jīng)元,將其聚合為一門新的基礎(chǔ)課程,單獨講解,其他相關(guān)課程可以把該部分內(nèi)容舍去,精煉內(nèi)容?；谝陨吓e措,能有效規(guī)避課程內(nèi)容的重復(fù),實現(xiàn)課程的精簡優(yōu)化。

2.4 搭建立體課程培養(yǎng)模式

立體人才培養(yǎng)模式根據(jù)學(xué)生群體的具體知識基礎(chǔ),打造多層次、有針對性的培養(yǎng)目標(biāo)。但由于這種培養(yǎng)方式過于強調(diào)和尊重學(xué)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(yǎng)的目標(biāo)下,重點建立立體人才培養(yǎng)課程體系,學(xué)生則根據(jù)自主選擇進行分流,最終貫徹落實立體化人才培養(yǎng)策略。GIS與農(nóng)業(yè)的交叉學(xué)科人才培養(yǎng)具有多元性的特點,主要涉及兩個或者兩個以上的一級學(xué)科的融合貫通,培養(yǎng)的人才具有復(fù)合型的知識、能力和素質(zhì)結(jié)構(gòu),能夠借助GIS的技能以及農(nóng)業(yè)的專業(yè)知識背景,解決學(xué)科之間的交叉問題。

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

圖2 基于神經(jīng)元的學(xué)科交叉示意圖

課程設(shè)置中根據(jù)立體培養(yǎng)模式,分別設(shè)置各個階段需要達成的主要目標(biāo)。在第一層次,主要是基礎(chǔ)理論知識的培養(yǎng)。借助公共基礎(chǔ)以及專業(yè)基礎(chǔ)課,實現(xiàn)交叉人才培養(yǎng)需求的理論基礎(chǔ)培養(yǎng)目標(biāo),基于神經(jīng)元理論,分別為學(xué)生設(shè)置專有的特色理論基礎(chǔ)課程。第二層次是以專業(yè)主干課為主的理論內(nèi)容,在該部分會強化專業(yè)技能的培養(yǎng),使學(xué)生掌握更高層次的專業(yè)操作技能,同時具備更厚重的農(nóng)業(yè)專業(yè)背景。有了前兩個層次的基礎(chǔ),第三個層次著重于信息化農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)、人工智能、農(nóng)業(yè)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘等方面,實現(xiàn)學(xué)科之間的交叉融合,對農(nóng)業(yè)方面的GIS技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用有深入認(rèn)識。在第四層次,則通過實踐課程,拓展學(xué)生的視野,明確發(fā)展目標(biāo),達到專業(yè)素養(yǎng)的提升,最終實現(xiàn)理論知識的具體應(yīng)用。

3 GIS與農(nóng)業(yè)交叉課程體系和實踐性教學(xué)方式的銜接

3.1 競賽驅(qū)動教學(xué)

GIS是與信息技術(shù)息息相關(guān)、與多個學(xué)科領(lǐng)域有交叉融合的一門實踐性學(xué)科,是多領(lǐng)域、多學(xué)科交叉融合的學(xué)科。GIS與農(nóng)業(yè)的交叉,則是利用GIS學(xué)科適用性、操作性強的特點,實現(xiàn)GIS與農(nóng)業(yè)的有機結(jié)合,進而推進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[8]。傳統(tǒng)的課堂授課模式忽視實踐教學(xué),使學(xué)生難以從根本上掌握和應(yīng)用知識點。實驗設(shè)計教學(xué)在一定程度上可以解決上述問題,但仍受其學(xué)時以及整體性和指向性不足的限制,造成學(xué)生學(xué)習(xí)知識不連貫問題,難以把握知識點的內(nèi)在聯(lián)系,在創(chuàng)新思維和實踐能力方面有欠缺,難以滿足行業(yè)對人才實用性的現(xiàn)實需求。

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

3.2 案例導(dǎo)向教學(xué)

在構(gòu)建新的GIS與農(nóng)業(yè)交叉學(xué)科培養(yǎng)體系中,教學(xué)模式也需要進行調(diào)整,重點發(fā)揮學(xué)生主體作用,將問題驅(qū)動理念貫穿于教學(xué)全過程,逐步打造精品實驗教學(xué)和案例教學(xué)。在理論教學(xué)中,充分利用案例教學(xué)的優(yōu)勢是極其重要的。交叉學(xué)科與課程案例相結(jié)合的教學(xué)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(fā)揮案例的指向性、實踐性和趣味性作用。關(guān)于案例驅(qū)動教學(xué)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(dǎo)向制成一個綜合案例,教師要對案例中的知識點內(nèi)容設(shè)置是否完善合理、知識單元之間的銜接是否恰當(dāng)?shù)确矫孢M行評估,最后形成高質(zhì)量的案例素材。案例導(dǎo)向教學(xué)可以較好地體現(xiàn)專業(yè)知識體系,還可以對GIS系統(tǒng)設(shè)計步驟和模式產(chǎn)生積極影響,進而為未來各項工作的實施打下堅實基礎(chǔ)。另外,案例設(shè)計包含了GIS與農(nóng)業(yè)的融合,具有較高的應(yīng)用性,因此可以將案例設(shè)計較快轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)應(yīng)用。

3.3 行業(yè)銜接教學(xué)

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展,GIS與農(nóng)業(yè)交叉學(xué)科的市場需求不斷擴大,GIS與農(nóng)業(yè)學(xué)科的融合也在不斷推進[10]。為滿足市場需求,加快推進學(xué)科融合,長春師范大學(xué)與農(nóng)業(yè)、氣象、國土部門以及相關(guān)企業(yè)聯(lián)合成立教學(xué)指導(dǎo)委員會并制定復(fù)合型人才培養(yǎng)方案,大力培養(yǎng)學(xué)科交叉型人才。在培養(yǎng)過程中,重視學(xué)生所學(xué)知識技能在實踐中的應(yīng)用,鼓勵學(xué)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(yǎng)人才以服務(wù)社會發(fā)展為目標(biāo)。行業(yè)銜接是高校培養(yǎng)落地型人才的關(guān)鍵步驟,在高校人才就業(yè)中也起到重要作用。行業(yè)銜接措施的落地,可以增強學(xué)生在學(xué)校與崗位銜接中的適應(yīng)性,有利于學(xué)生快速融入就業(yè)崗位。構(gòu)建雙導(dǎo)師制、開放式教學(xué)、校企合作均是實現(xiàn)行業(yè)銜接教學(xué)的有效路徑。雙導(dǎo)師制可以讓學(xué)生全方位地掌握理論知識向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)換。開放式教學(xué)在一定程度上讓學(xué)生接觸到具體工作環(huán)境,實現(xiàn)在崗位上開展教學(xué)。校企合作,讓高校學(xué)生通過參與企業(yè)的項目研究,了解企業(yè)的技術(shù)需求,從而促進人才培養(yǎng)更好地與社會需求接軌。此外,通過與企業(yè)技術(shù)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(xué)能力,促進教師隊伍素質(zhì)的提高,為行業(yè)銜接教學(xué)奠定基礎(chǔ),為培養(yǎng)復(fù)合型農(nóng)業(yè)應(yīng)用人才提供師資保障。

4 結(jié)語

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