寓科研能力培养于课程教学之中：研究生课程“3S技术原理与应用”教改探索

冯仲科 王 佳

(北京林业大学林学院,北京 100083)

研究生教育是大学本科教育后更高层次的研究型人才培养的教育阶段。一直以来,研究生课程是否开设、开设多少、如何组织教学等,都是很有争议的问题。综观国内外的观点,仁者见仁,智者见智,观点各异,莫衷一是。因此,在我国研究生教育步入世界大国之际,首先,要认真研讨研究生课程的内容到底与本科生课程有哪些根本的区别,以及如何在讲授方法上和教学过程中体现这些区别,以提升课程教学质量。其次,在探索解决这些问题的同时,还应考虑不同层次学位(博士和硕士)、不同学科(理学学位和文学学位)、不同类型(科学学位和专业学位)研究生课程的特点,以使各类研究生在课程教学中有更多的收获和提升。

“3S技术原理与应用”是20世纪末21世纪初由笔者在北京林业大学研究生院申请设立的1门研究生课程,课程讲授的主要内容是涵盖广义遥感RS(包括卫星遥感、航空摄影测量和地面立体摄影测量)、广义卫星导航系统 GNSS(包括 GPS、GOLNASS、Galileo、北斗系统)、广义地理信息系统GIS(包括决策支持系统、专家系统)等信息技术的3S集成化系统。近年来,高等院校的地学、资源、环境类学科已陆续为研究生开设了该门课程。该门课程在许多高校成为很受研究生关注和好评的课程,如北京林业大学每年选修该课程的研究生多达80余人,包括地理信息系统、森林经理学、生态学、林业工程、森林培育学、森林保护学、土壤学、水土保持与荒漠化防治等学科的硕士生和博士生。作为研究生的选修课,该课程是北京林业大学选修人数较多的课程之一［1-2］。

一、“3S技术原理与应用”研究生课程的特点及其核心教学内容

伴随着北京林业大学研究生培养体系的改革,“3S技术原理与应用”课程的学时数经历了从60学时到48学时再到32学时的压缩过程。由于该课程具有先进性、广义性、扩展性、集成性、交叉性等显著特点,所以针对不同层次、不同学科研究生对课程知识多样性和复杂性的需求与课时数越来越少之间的矛盾,笔者根据教学计划确定的32学时对该课程的教学内容体系及其各部分的具体学时进行了重新设计。

“3S技术原理与应用”课程理论教学的总学时为32学时,各章的教学内容和学时具体分配如下。

1.3S技术导论(4学时)

3S技术导论主要介绍数字林业、精准林业、广义3S(RS、GIS、GPS)集成技术的基本概念和原理以及在林业中的应用现状和前景。其中,①数字林业:1学时;②精准林业:1学时;③广义3S集成技术:2学时。

2.从森林数据采集到林业知识发现(4学时)

“从森林数据采集到林业知识发现”部分主要讲述林业信息化的若干学术问题、林业信息化特征以及数字最优化获取方法和信息表达、森林知识发现与造林决策、景观规划与设计优化和森林资源动态分析。其中,①林业信息化若干学术问题:1学时;②林业信息化特征以及数字最优化获取方法和信息表达:1学时;③森林知识发现与造林决策:1学时;④森林资源动态分析与规划设计:1学时。

3.森林卫星定位导航技术(4学时)

“森林卫星定位导航技术”部分主要讲述GPS定位原理、抗山地林冠干扰GPS综合定位技术及应用。其中,①GPS定位原理:2学时;②抗山地林冠干扰GPS综合定位技术:2学时。

4.GIS空间分析模型与方法(4学时)

“GIS空间分析模型与方法”部分主要讲述GIS空间分析模型原理及其实现方法。其中,①GIS空间分析模型:2学时;②GIS空间分析方法:2学时。

5.遥感原理与森林反演模型(4学时)

“遥感原理与森林反演模型”部分主要讲述遥感的原理、非线性稳健估计与不确定度、森林反演模型原理及方法。其中,①遥感原理:1学时;②非线性稳健估计与不确定度:1学时;③森林反演模型原理及方法:2学时。

6.空间精准定位方法(4学时)

“空间精准定位方法”部分主要讲述全站仪测量技术、数字近景摄影测量、GPS定位技术、罗盘仪定位技术的原理和方法以及应用。其中,①GPS定位技术:1学时;②数字近景摄影测量:1学时;③全站仪测量技术:1学时;④罗盘仪定位技术:1学时。

7.森林生物量专题(4学时)

森林生物量专题主要讲述森林生物量研究的目的和意义以及方法、生物量误差分析基础、单木生物量模型误差分析、样地林木生物量精度评定、三维激光扫描测树原理与方法、生物量参数转换、非线性稳健估计与不确定度、森林生物量模型建立技术及方法。其中,①森林生物量概述:1学时;②森林生物量估计模型的精度分析:1学时;③利用广义3S技术建立森林生物量模型:1学时。

8.数字林场建设专题(4学时)

数字林场建设专题主要讲述数字林场的基本概念和框架、林场数据的获取方法、属性数据库和空间数据库的建立与管理、专题图的输出、森林模型研建方法。其中,①数字林场概念和框架:1学时;②数字林场基础数据获取:1学时;③属性数据和空间数据处理:1学时;④森林模型研建:1学时。

综上所述,“3S技术原理与应用”课程教学内容体系的设计体现了课程内容的基础性、应用性和创新性。

二、“3S技术原理与应用”课程教学中学生科研能力的培养

(一)培养研究生的科学思维能力

“3S技术原理与应用”课程教学内容体系的设计,很好地贯彻了培养研究生科学思维能力的宗旨;课程教学不再是传统的根据教材的章节按部就班地进行,而是以专题的形式组织教学。笔者把广义3S技术分为几个大的专题,在每个专题中,先讲述基础知识,然后引入技术的应用,最后介绍相关技术目前的研究现状和热点问题,从而通过启发式教学循序渐进地引导研究生改变本科生阶段形成的仅注重理论学习的“填鸭式”学习方式,逐步建立科学思维的方式。

例如,在遥感原理与森林反演模型专题中,先从遥感原理讲起,使学生了解遥感图像光学处理的基本理论和一般方法,掌握遥感数字图象的特征、数学和物理基础、具体算法、应用条件和效果等;然后介绍遥感的应用实例和最新的前沿研究和发展成果,力求反映近年来国内外一些重要的遥感数字图象处理和应用理论、方法和技术,以扩大学生的知识面,为其进一步开展理论学习和技术应用打下坚实的基础,培养学生遥感图象处理和技术应用的全面能力;最后引入遥感森林反演模型,如非线性稳健估计模型、神经网络模型、遗传算法模型、专家知识模型、层次分析模型、象元积分模型等,要求学生将具体的模型与遥感图像处理方法结合起来,根据模型的要求处理图像,或者对比实际处理效果来选择具体应用的模型。这样的课程讲授方式既考虑到学生基础理论知识的学习,又兼顾到不同专业学生的不同学习要求;同时,还可以引导学生将数学模型与基础知识有机地结合,从而有利于学生建立良好的“遇到问题—思考办法—探索解决”科学思维模型。

(二)培养研究生的项目设计能力

研究生的应用能力主要体现在其对实际项目的设计能力上。国外的研究生课程非常注重理论教学与实际项目的结合,这也是一直以来国内研究生课程与国外研究生课程的差距所在。因此,“3S技术原理与应用”的课程教学不仅要讲解理论知识,还要介绍实际技术的应用,尤其是要注重学生应用能力的培养。为此,笔者在设计课程教学时特意增加了项目设计内容。

例如,要求学生设计一个具体的数字林场系统。第一步是基础数据的获取,主要方法包括:①航天遥感数据获取法:具有宏观、迅速、实时定位、瞬时同步的优点,适用于立地类型、植被分布类型、植被分布范围等数据的获取。②航空数据获取法:具有视野广阔、航速较快、每次飞行可以连续摄取大量相片等特点,适合编制林相图,以进行大面积的造林工作;其中1∶25000比例尺地形图主要用于一般森林的经理与规划、在高级森林中进行造林工作的设计、拟订森林改种的初步设计等;1∶10000比例尺地形图主要用于拟订各级森林的良种计划和改良抚育措施等。③数字摄影测量法:主要是利用人工和自动化技术,使数字影像经过各种数字摄影测量处理而生成各种数字的和模拟的地图产品;然后可以按常规摄影测量成果硬拷贝输出,也可直接将数字地图输送到GIS或CAD等地图系列软件中使用。④原图扫描矢量化方法:就是将原有的地形图、基本图、林相图、森林资源分布图等通过扫描仪扫描进行矢量化,然后将模拟的纸制图进行数字化而生成电子地图;最后输送到GIS,实现计算机管理。其特点是工效高,但对地物要分层赋予属性。

第二步是森林资源数据库的建立。在林业系统,建设以数据库为核心的各类信息系统,对提高林业企业的效益、改善林业部门的管理具有实实在在的意义。森林资源调查数据统计的基础数据是小班调查数据,所以要建立以森林资源二类调查小班记录卡片为基础的森林资源数据库,包括小班影像库、小班空间数据库、小班属性数据库等。利用数据库可以存放每个小班的各种属性数据和几何数据等。

最后一步是建立数字林业管理系统。通过林场数字化建设,把森林资源信息动态管理系统规划为3层结构:①数据层:包括空间数据库和属性数据库,即把林相图、地形图和各类专题图等分层数字化后存入空间数据库,把调查数据、管理数据、社会经济信息、专业数表等输入属性数据库。②公共层:作为公共信息平台,不仅可以通过小班号连接实现森林资源档案管理,包括资源档案录入、更新处理、查询、统计台账、台账输出等;还可以实现森林资源林相图管理,包括林相图入库检查和档案信息自动挂接、查询和统计、更新管理等。③应用层:主要包括森林资源档案管理系统、森林资源监测系统、天然林资源保护工程管理信息网络系统、森林防火指挥系统、营林生产管理和预测决策系统以及其他相关专业系统,从而实现森林资源一体化查询、变更管理、动态监测、专题制图、统计输出等,以及实现防火信息管理、火情预测预报、防火指挥决策等。

在“3S技术原理与应用”课程教学中,要求学生完成上述实际项目的设计,不仅有利于提高研究生的动手能力和实践水平,而且有利于深化研究生对课程理论知识的理解。

(三)培养研究生的科研创新能力

科研创新能力是研究生应具备的最重要的能力之一,科研创新能力的培养也是最能体现研究生教育区别于本科教育的地方。从“985”“211”高校到普通高等院校,都把研究生科研创新能力的培养作为研究生教育的根本。因此,“3S技术原理与应用”课程教学也非常重视研究生科研创新能力的培养,在教学内容方面,引入了很多目前先进的思想和技术方法、手段,如三维激光扫描测树技术等;在教学方法方面,注重理论与实际的结合,强调学生实际应用能力的培养。例如,先讲授三维激光扫描系统的基本原理,然后结合实际项目引出其在林业上的具体应用方式;最后要求研究生实际应用三维激光扫描系统完成测站设计、扫描、控制标靶中心的获取、坐标配准、三维建模等全过程,并在采得数据后,根据自己的想法进行后期数据处理、特征提取等。这样,学生既可以了解这一最新技术在林业上的应用方法,也可以实际锻炼自己的科研创新能力。把新的思想、技术、方法纳入课程教学内容,尤其是其中一些内容是最新科研成果的总结和概括,甚至于某些成果已被鉴定为世界领先水平,这对拓宽学生的眼界、使学生充分了解3S技术目前的研究进展和掌握学科发展的动态等都是非常有意义的。

“3S技术原理与应用”是一门理论与实践紧密结合的课程,切实可行的教学方案设计是培养高素质专业人才的关键。因此,笔者在调查、比较的基础上,提出了以提高研究生科研能力为目的的“3S技术原理与应用”课程教学方案。但是,由于3S技术的发展非常迅速,所以在实际的课程教学中还需要不断改进和调整课程教学方案,以满足社会对研究生层次的专门人才的需求。

［1］张晓丽.林业院校GIS专业人才培养模式及课程体系建设［J］.中国林业教育,2008,26(3):13-16.

［2］冯仲科.林业3S理论、技术的教学与科研［J］.中国林业教育,2001,19(3):12-14.