林学专业“GIS导论”课程教学改革初探

(西北农林科技大学林学院，陕西杨凌 712100)

地理信息系统(geographic information system，简称GIS)是对空间数据进行采集、存贮、加工和分析的计算机软硬件系统，是从地图学基础上发展起来的，融合计算机科学、地理科学、测绘科学和数理统计等学科的交叉学科[1]。近20年，GIS技术蓬勃发展，已经在我国各行各业得到了广泛的应用，尤其在自然资源调查和管理中已经成为不可或缺的技术手段。另外，随着近5年智能手机的普及，GIS技术通过地理位置服务(location based service，简称LBS)已经与人们的日常生活息息相关。

西北农林科技大学从1999年开始就为林学专业开设了“GIS导论”课程，并且伴随着GIS技术的不断发展，该课程教学内容和教学方法也与时俱进，不断地进行改革创新[2]，取得了显著的教学和科研成果，为GIS技术在林业的应用培养了大批人才。

一、林学专业“GIS导论”课程教学存在的问题

目前，西北农林科技大学的“GIS导论”课程总体框架依然沿用了传统的教学模式。首先，教师在“GIS导论”理论课课堂上，讲述GIS的核心理论知识；其次，在“GIS导论”实验课上，教授学生如何使用ArcGIS软件。但是，目前存在以下3个方面的问题。

(一)部分核心理论知识与ArcGIS软件的应用之间没有直接联系

“GIS导论”课程的部分核心理论知识与ArcGIS软件的应用之间没有直接联系。比如，栅格数据结构编码(包括游程长度编码、块状编码和四叉树编码)和矢量数据结构编码(拓扑结构编码)是“GIS导论”课程的核心理论知识，需要花费2～4个课时详细讲解。但是，在实际ArcGIS软件操作中，学生只需要掌握栅格和矢量的区别、弄清何为拓扑关系，就能很好地使用ArcGIS软件，基本上体会不到编码方式的存在。

另外，有些理论，譬如高斯克吕格投影，尽管教材上没有提及，但却是GIS软件使用的起点知识，教师不得不加以讲授、补充。这就造成“能用上的知识没时间讲，用不上的知识讲了一大堆”的现象发生。归根结底，是因为目前林学专业使用的GIS教材核心理论知识都源自GIS专业的经典教程，而林学专业学生没有相应的前导课程和知识结构作铺垫。因此，有必要对林学专业“GIS导论”课程的教材和教学内容做必要的改革。

(二)实验课时严重不足

30学时的“GIS导论”理论课程基本上能够完成核心理论知识的详解和外延知识的引导。10学时的“GIS导论”实验课程要教会学生使用ArcGIS软件的全部功能基本上是不可能的，往往还需要学生和教师额外投入30～50学时的时间来达到实验教学的要求。同时，由于学生的计算机应用基础知识参差不齐，导致学生对ArcGIS软件的掌握和操作能力差异大，个别学生需要更多的时间来完成实验作业，致使实验课时严重不足。

(三)GIS知识和技能的深度和广度不够

学以致用是任何一门课程的终极目标。在近5年的林业“GIS导论”课程考试当中，“GIS导论”课程组都会特意加1～2道论述题来考查学生将GIS用于林业当中的想法和思路，但考试效果并不理想。对部分在本校继续攻读研究生的学生在科研当中对GIS的使用情况的调查，笔者发现学生对GIS的使用一般都停留在简单的空间分析阶段(空间叠置分析和数字高程模型表面分析)。追根溯源，主要是学生在“GIS导论”课程学习过程中，对GIS的一些高端分析工具不了解，如地统计和ArcPy工具。同时，由于目前的实习软件ArcGIS本身是一个通用性的平台软件，缺乏与林业应用有关的功能模块，致使学生掌握GIS知识和技能的深度和广度不够。因此，如何在有限的时间和有限的软硬件条件下，让学生学到更多的GIS分析功能，了解到更多的林业应用实例，是“GIS导论”课程需要解决的问题。

二、林学专业“GIS导论”课程教学改革的措施

(一)调整课程使用教材，优化教学内容

“GIS导论”课程组在近3年的教学当中，调整了教材内容，将Kang-tsung Chang著、陈健飞等翻译的《地理信息导论》和Maribeth Price著、李玉龙等翻译的《ArcGIS地理信息教程》2部国外引进教材作为学生的课外辅助教材。在授课内容上也逐步向这2部教材过渡。该2部教材的特点是以ArcGIS软件的操作为线索，在软件的使用中讲述必备的GIS理论知识，从而实现GIS理论教学和软件操作的有机结合，淡化了传统GIS的部分核心理论知识。同时，“GIS导论”课程组结合林业的GIS应用场景，对ArcGIS的分析工具进行了取舍和侧重，比如重点讲述了空间叠置分析(多用于立地分类研究和制图)、缓冲区分析(多用于森林病虫害传播研究)、数字地形分析(多用于林业资源和生态因子与坡度坡向的关系研究)，弱化了网络分析功能(因为ArcGIS对该功能的实现在林业使用难度较大频率较低)；舍弃了地统计功能中大部分功能(因为除了插值计算外其他功能并不适合本科教学)。

另外，“GIS导论”课程组在授课内容中添加了无人机影像处理技术和激光雷达点云处理技术，赋予该课程最前沿的技术内容，颇受学生的欢迎。

(二)按照由浅入深将理论知识分为两部分，分阶段开展教学

由于林学专业没有GIS相关的前导课程，所以GIS理论知识部分的一些有难度的算法，例如四叉树编码、最短路径算法、面向对象的空间数据库等内容，学生往往难以接受。因此，“GIS导论”课程组尝试将理论知识分为2部分来讲：第一部分只讲和ArcGIS软件入门操作相关的理论知识；第二部分在学生对GIS有了感性认识后，再深入讲解有难度的内容。具体分段安排见表1。

在第二部分“综合案例分析”章节，“GIS导论”课程组刻意设计了地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)和遥感系统(RS)的综合运用案例。以陕西永寿马莲滩林场的造林规划为目标，先用RS进行土地利用现状解译，再用GPS进行现地验证，最后用GIS进行立地分析，充分做到了“适地适树”，体现了“3S”技术在现代化林业中的应用潜力，增大了GIS空间分析功能在林业中的应用深度，从林分立地质量和森林景观格局角度为林业规划提供了量化依据，从而提高了学生的GIS技术综合应用能力。

表1 “GIS导论”课程分阶段开展理论知识教学的内容安排

(三)根据实验内容和任务不同，对学生提出不同的要求

由于学生的个体差异以及只有10个小时的实验课时，致使最好的学生也不能彻底完成“GIS导论”实验课的教学目标。因此，“GIS导论”课程组根据学生理论课堂学习情况，将学生每3人分为一组，并选出该组对GIS领悟最好的学生担任组长，让3人集体完成一份实验。比如，“林相图的数字化”实验，由于学生刚开始接触GIS软件，在坐标系的定义和拓扑生成面时，部分学生会力不从心，但是3人一组，学生通过互相讨论和帮助，使实验进度明显加快。教学结果证明，3人一组克服了GIS建库工作量大的问题，同时3人一组学生自主解决问题的能力大大增强，激发了学生的创造力，完全可以在10个小时的实验课时间内完成教学目标。但是，这样会导致部分学生偷懒，无法体现学生的能力差异，因此针对不同的实验内容，笔者做了不同的安排，具体情况见表2。

表2 “GIS导论”课程中实验教学的组织和安排

(四)组建GIS兴趣小组

尽管ArcGIS软件功能强大，是目前大部分高校GIS课程的首选软件，但是毕竟是GIS通用软件，没有与林业相关的功能模块，限制了ArcGIS软件在林业中应用的深度。为此笔者提出如下解决办法：①购买专门的林业GIS软件作为教学的补充软件；②根据学生的兴趣和需求在ArcGIS的基础上二次开发需要的与林业相关的功能模块。第一种解决办法其实不太可取，首先经费受限；其次未必满足林学专业高年级本科生的要求。第二种解决办法是考虑各种实际情况的最可取的解决方案。“GIS导论”课程组每年都会从GIS的林业应用出发，组建多个2～3人GIS兴趣小组，解决ArcGIS软件的二次开发问题。在“GIS导论”课程开始之初，授课教师为每个小组设立一个切实可行的小目标(如林相图的自动渲染、属性表中非测量因子的自动计算、森林生态景观指标的自动计算等)，然后学生在教师的指导下，通过一个学期的学习和摸索实现小目标或者超越小目标。教学实践证明，只要学生有兴趣、肯钻研，就能完成相关的教学任务。

(五)鼓励学生使用开源GIS软件

目前，ArcGIS软件几乎垄断了中国的GIS教学和科研领域，一方面不利于中国GIS行业的健康发展，另一方面限制了学生对GIS理论知识的理解(毕竟不同的软件对GIS的实现方式不同，每个软件都有自己的设计思路)。因此，“GIS导论”课程组鼓励学生自学和使用开源GIS软件完成实验教学任务。

在“GIS导论”实验课上，学生可以在ArcGIS软件和开源GIS软件二选一，也可以同时使用这两种软件进行实验。教学实践表明，部分学生不但用ArcGIS完成了5个教学实验，而且还触类旁通用开源的QGIS完成了与ArcGIS软件同样的任务。这将有助于学生加深对GIS核心理论知识的理解，也为日后的工作和科研提供一个额外的选项。

开源GIS软件和GIS工具包近几年已经逐步完善[3]，如果能在“GIS导论”课堂上对学生加以适当引导和鼓励，那么用开源软件完成教学实习内容绰绰有余，用开源GIS工具包搭建一个初级功能的GIS平台也不是不可能，见表3。开源是软件行业的大势所趋，有必要在“GIS导论”课程上加以引导和推广。

三、林学专业“GIS导论”课程教学改革的效果

(一)学生对GIS理论知识和软件的掌握程度明显提高

通过成绩分析，笔者发现学生的“GIS导论”课程考试成绩中实践部分的成绩比过去提高了50%。另外，该课程网络视频教程的上线，为教师的教学工作节省了30%的时间，而且大幅度提高了学生对软件的操作能力。调查显示，能够独立完成GIS空间数据库建立和GIS四大分析功能的学生人数比过去增加40%，同时所有的学生都在教师的指导下完成了教学实验任务，掌握了ArcGIS软件的基本功能。

表3 目前常用的开源GIS软件和GIS工具包

(二)激发了学生的自主学习能力和创造力

笔者对学生的实验报告进行了分析，发现通过合理的分组，学生的创造力和自主学习能力明显增强，约50%的学生在制图阶段所使用的技术已经超越了“GIS导论”课程课堂讲述的内容，制图效果接近标准的林业用图；部分学习小组在完成该课程实验的基础上，对GIS空间分析功能进行组合创新，进一步挖掘了GIS在林业上的应用潜力。同时，分组协作也加强了学生的团队意识和合作意识，为学生今后走上工作岗位打好了基础。

(三)培养了GIS学习和应用的兴趣爱好生，带动了班级的学习热情

“GIS导论”课程教学改革以来，每学年上课，教师都要求学生自发成立GIS兴趣小组，并对学生进行分组指导。通过这种方式，已经培养了50名热爱林业GIS学习和应用的兴趣爱好生，他们在该课程学习中发挥了示范带头作用，激发了整个班级学习GIS的热情，从而实现了课外教学反哺课内教学的效果。例如，“GIS导论”课程组今年组织的2个GIS兴趣小组(2人一组，共4人)，其中一组依照国家林业局《林业工程制图标准(2014版)》来制作ArcGIS林业符号库，已经完成过半，既促进了学生的GIS操作能力，又为后续的教学和科研解决了一个现实问题；另外一组依照《陕西省森林资源二类调查技术方案》在ArcGIS中设计了一系列的表格和字段，对于一些需要计算的字段(如平均树高、平均胸径、材积、生物量等)也利用ArcPy软件(ArcGIS自带的Python模块)开发了自动填充功能，部分已用于“测树学”和“森林经理”课程。这将有助于GIS在林业实践中的应用，提升了学生的学习兴趣。因此，“GIS导论”课程组打算继续加大对GIS兴趣小组的投入力度，目标从简单到复杂、从应用到开发，不断为GIS的林业应用积累产品，为后续的GIS教学提供更好的数据和现实案例。同时，“GIS导论”课程组也计划开展以科研为目的GIS兴趣小组，充分挖掘ArcGIS的地统计功能在林业中的应用潜力，为林业科研单位培养优秀的林业GIS应用研究人才奠定基础。

资助项目：西北农林科技大学2017年教育教学改革专项项目“仿慕课的课件设计”，项目编号201722。