环境科学专业特色的GIS课程教学改革研究

2014-03-01兰国新陈国维

教育教学论坛 2014年45期

关键词：梯次学时应用型

兰国新，陈国维，潘杰

（重庆三峡学院 a.化学与环境工程学院；b.生命科学与工程学院，重庆万州 404100）

环境科学专业特色的GIS课程教学改革研究

兰国新a，陈国维b，潘杰a

（重庆三峡学院 a.化学与环境工程学院；b.生命科学与工程学院，重庆万州 404100）

文章针对环境科学专业开设GIS课程教学的特色需求，提出GIS教学过程中贯穿专业实例课程化的改革方式，即设置与环境应用相关的课程项目“农业点源大气污染可视化分析”，并贯穿课程内容安排、教学实践方法、能力培养等GIS课程教学过程，以提升环境科学专业学生的实用GIS技能，对推进环境科学专业GIS课程的教学具有很好的参考价值。

环境科学；地理信息系统；教学改革

一、引言

地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS，下同）是以计算机软件、硬件为基础，实现地理信息采集、管理、分析和表现地理空间数据的系统，已经成为地理信息科学的核心[1]，广泛应用于土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、城市规划、经济建设等领域。特别是与遥感技术相结合，GIS正深入解决全球性问题：厄尔尼诺现象与酸雨、核扩散与核废料以及全球气候与环境的变化监测。可以说，GIS已经深入社会生产和生活的各个领域，成为很多领域中新的工作手段和方法[2]。

作为注重学科交叉与渗透的环境科学专业而言，开设GIS课程教学具有一定的前瞻性。将环境科学专业与地理学有机融合，更加凸显环境科学的“大环境”特征，也更能符合全球环境的研究趋势[3]。GIS与环境科学在研究对象和研究方法上具有一定的相似性和互补性，在环境问题愈来愈突出的今天，设计和开发服务于环境应用系统的辅助决策支持工具GIS，将具有极大的发展潜力。目前，我国开设GIS专业的高校和开设GIS课程的专业非常多，开设GIS课程的非专业的数量也在逐渐增加[4]。鉴于GIS课程的学科与技术并重的特点，非GIS专业学生知识结构不完整，如计算机、地图学、地理学、测绘学、程序设计和数据库等知识，导致非GIS专业的学生在学习该课程时抓不住重点，反感理论性知识，缺乏主观能动性[5]。重庆三峡学院化学与环境工程学院经过20多年的发展，环境科学与工程专业建设为重庆市重点学科，并于2013年顺利获批硕士学位授予权。目前学院环境科学专业已经开设了GIS课程，但是从我院目前的课程建设情况来看，该课程的建设仍处于起步阶段，从教学体系、实践模式方面仍面临着前述问题。因此开展课程建设，进行教学研究，顺应学校提出“向应用型科技大学转型”的办学理念以及“培养具有创新精神和实践能力的应用型高级人才”的办学宗旨，已成紧迫的任务。

二、环境科学专业GIS课程教学要求

一般而言，GIS技能主要分为三个层次：基本应用型；综合分析型；开发管理型[6]。其中基本应用型侧重于将GIS作为工具，掌握GIS基本概念，并能够使用l~2种GIS软件进行简单的数据输入、分析和制图工作。环境科学专业作为非地理信息系统专业开设GIS课程，其技能要求定位为基本应用型，即立足环境科学专业基础课程，强调GIS的技术性，侧重于实践教学，针对本专业相关的环境管理、环境规划、环境监测以及环境影响评价等与空间信息相关的问题，掌握GIS工具空间分析操作技能，解决专业相关的问题。因此，实验教学更显重要，通过加强学生实践能力的培养，进而提高学生的自主创新能力。符合应用型人才培养的要求[7]。

根据设定的基本应用型目标，笔者对环境科学专业的GIS课程体系进行了部分的教学改革实验，以探索适合于本专业GIS课程教学的模式。

三、教学改革实验

针对环境科学专业的知识结构特点，紧扣能力目标的基本应用型要求，将教学分为三个梯次，梯次一：要求了解GIS是什么，掌握GIS的基本原理，主要在课堂教学中精细化课程内容；梯次二：掌握GIS主流软件的操作方法和应用，主要结合课程项目的设计完成该梯次的教学设计；梯次三：应用阶段，在环境科学专业范围内，基于GIS基本功能解决实际问题。主要在实验实践环节提升学生的应用能力。基于上述三个梯次的教学总体设计，教学的各个环节改革与优化介绍如下。

1.梯次一：理论课程内容与学时精细化设计。梯次一为课程引入与理论了解阶段，考虑GIS具有综合性强、多学科集成，知识点多，学科与技术统一性，且发展与内容更新速度快，渗透性和空间抽象性强等特点[8]，针对环境科学专业学生的知识结构体系，注重理论与实践相结合，梳理GIS课程体系，选择兼具概念与实践并重的教材《地理信息系统原理、方法和应用》（邬伦主编，科学出版社），该书详细划分了理论基础讲解、GIS功能介绍与应用技术，有助于教学内容的自由选择。考虑环境科学专业学生的背景，将GIS的基本概念、组成、功能及其应用领域、空间数据结构（矢量和栅格数据结构）、空间数据采集、空间数据处理与分析、GIS空间分析原理与方法及GIS产品制作与输出作为重点内容讲解。让学生由浅入深，了解GIS具体功能，数据的来源与特点，如何将现实世界数据化、信息化，如何利用GIS解决身边的问题（如公园选址、交通管理、城市拆迁与洪水分析等），增强利用GIS作为辅助决策工具的兴趣和学习自主性。

针对梯次一的基本要求和课程内容选择，笔者理论教学课时精简为32个学时。具体安排：（1）导论，4个学时，主要讲述GIS的基本概念、组成、演变历史和发展趋势、基本功能、与相关学科的关系以及GIS主流软件的认识。（2）GIS空间数据结构，8个学时，主要讲述空间参照系统、地图投影、空间数据采集、空间数据模型、栅格和矢量数据结构、编码方法等。（3）空间数据处理，6个学时，主要讲述空间数据变换、数据融合、空间插值与拓扑关系编辑。（4）空间分析，8个学时，主要讲述空间查询与量算、空间叠加分析、缓冲区分析与网络分析等。（5）GIS产品可视化与输出，4个学时，主要讲述地图制作与输出、专题地图设计。

2.梯次二：理论教学与专业实例设计。为了加强教学过程理论与专业实际的联系，笔者提出将“农业点源大气污染可视化分析”课题作为专业实例设计，贯穿整个GIS课程教学过程中，以提高学生主观能动性。

国家环保部2012年公布的《环境空气质量标准》（GB3095-2012），首次将PM2.5（年均和日均浓度限值分别为定为0.035mg/m3和0.075 mg/m3）、O3纳入常规空气质量评价，并收紧了PM10、氮氧化物等标准限值，以期“十二五”期间使我国大气PM2.5污染得到缓解，区域大气复合污染得到有效遏制，大气环境质量得到持续改善。选择农业点源大气污染可视化分析，整个课题既贴近现实，又属于环境专业关注的热点问题。这个课题设计内容主要涉及农业点源大气污染源调查、农业区空间分布、人口分布、污染源季节特征、大气污染扩散模式等，结合缓冲区分析得到农业点源大气污染时空分布与影响区域划分。根据这一课题的设计，在课堂教学上提出问题，引导学生总体规划设计，以原有专业知识在解决问题上遇到的瓶颈，自然引导利用GIS技术解决此类问题。将各部分内容分版块划分，贯穿到各章节授课内容中。如导论中以谷歌地球、寻找本拉登实例作为开始，让学生了解实例以及GIS的基本功能，并指出谷歌地球是数据来源之一；空间数据结构与处理讲解中引导学生如何采集与处理农业点源大气污染的相关各类型数据，指出相关的数据转换可在GIS中实现，实验环节就可以亲自操作；空间分析讲解中指出缓冲区分析和空间插值可解决污染影响区域划分和时空分布，在实验环节可以设计操作。

通过上述的专业实例贯穿，可以有效引起学生的自主学习能力和兴趣，感觉GIS就在身边，又产生“技痒”，促进梯次三的实践教学。

3.梯次三：实践教学课题化设计。上机实验是环境科学专业GIS学习的重要环节，依据所设计的课题，在实验过程中得以实现和解决，将大大加强对GIS课程的理论理解与掌握，激发进一步深入学习的动力。具体实验教学内容安排如表1所示。实验学时与教学学时1∶2配套。

三个专业实例化实验设计，基本包含了GIS基本操作技能，在让学生亲自了解GIS的强大功能的同时，更真正体会到了在GIS中的具体操作过程。

四、结语

环境科学专业与地理学有机融合，更加凸显环境科学的“大环境”特征，也更能符合全球环境的研究趋势。加强环境专业GIS教学与改革是顺应我国新时期高等教育“造就一批创新能力强、适应企业发展需要的优秀工程师”的要求。笔者提出GIS教学过程中贯穿专业实例课程化的改革方式，旨在激发学生的学习热情，在实践中增强学生的动手与解决问题的能力，达到基础应用型的技能要求，实现学以致用。