林学专业地理信息系统课程教学改革与实验设计

唐雪海，黄庆丰，张利萍

(安徽农业大学林学与园林学院，安徽合肥 230036)



林学专业地理信息系统课程教学改革与实验设计

唐雪海，黄庆丰，张利萍

(安徽农业大学林学与园林学院，安徽合肥 230036)

摘要根据地理信息系统课程的特点和基本教学目标，探讨如何有效激发林学专业学生的学习兴趣，培养学生的创新思维，提高学生的实践能力，以期推动该课程教学方法的改革与创新，提升课程教学质量，培养具有扎实理论基础与实践动手能力的林业专门人才。

关键词地理信息系统；教学改革；实验设计

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题[1]。GIS是集计算机科学、信息科学、地理科学、测绘学、遥感学、环境科学、空间科学、城市科学和管理科学等学科为一体的新兴边缘学科，经过50多年的发展，已经广泛应用于国民经济发展的各个行业[2]。

森林资源具有生长周期的长期性、森林资源分布的地域性、森林资源的再生性、森林成熟的不确定性等特点。传统的森林资源多采用纸质档案管理，在对森林资源的空间特征(位置)、属性特征(林木因子)、时间特征(生长的变化)进行描述时存在诸多不便，而计算机系统合理、有效的动态管理手段则加快了我国林业从粗放型向集约型转变的速度，实现了林地数据的一体化管理[3]。目前，GIS在森林资源信息管理、造林规划、森林分类经营区划、森林调查、林业专题制图等方面已得到有效应用。笔者主要就安徽农业大学林学本科专业GIS课程展开教学改革和实验设计的讨论。

1教学目标和课程特点

1.1教学目标GIS课程是林学专业本科生的专业选修课程，其教学目标是使林学专业学生掌握GIS的基本概念、GIS的组成、林地空间数据的采集和管理、空间数据的编辑、森林资源数据库的更新、GIS空间分析方法的使用、林地专题图的制作。安徽农业大学林学专业GIS课程的教学目标是为林业企事业单位培养能应用GIS为森林资源管理和林业生产活动服务的专门应用人才。

1.2课程特点

1.2.1较强的学科交叉性。GIS集成了多门学科的内容，涉及领域跨度比较大。在GIS课程教学中，要求学生既要具有相关的基础知识，如地理学、测量学、林业遥感、数据结构、地图学等课程背景，又要了解林业对信息管理的需求。因此，林学专业的培养方案应安排好课程的开课时间，兼顾基础课程与行业应用。

1.2.2广泛的专业应用。GIS涵盖基础理论、系统开发和应用模型研究3个方面的研究内容，因此，它既是一门基础理论科学，又是一门应用性较强的技术性科学[4]。这就要求在具体的 GIS课程教学过程中，教师既要具备扎实的理论功底，也要有较好的授课技巧，力争把课程中的重点和难点讲授清楚。在讲解应用GIS方法进行造林树种选择的时候，教师可采用GIS软件在课堂上演示数字地形模型的生成，及坡度、坡向、海拔等地形因子的提取；再根据不同树种对地形的需求，对坡度图、坡向图、海拔分布图进行叠加分析操作；最后为某一树种选择合适的地块。演示有助于学生具体化地理解理论课的抽象知识。

1.2.3快速的技术发展。自 Roger Tomlison创建世界上第一个地理信息系统以来，GIS 技术的发展和更新速度势头迅猛。地理空间数据的获取和空间数据库的维护是一项庞大的工程，针对空间数据形式的复杂性和特定的时空特性，获取数据的基本方式已经从全站仪测量、GPS测量、扫描数字化发展到航空摄影测量、应用卫星影像进行数据提取和转换等。GPS、RS和GIS的集成为数据库的时效性提供了保证，而时空数据模型、三维数据模型、分布式空间数据管理、行业信息管理平台设计等成为当下GIS研究的热点。林学专业学生应跟踪GIS发展的趋势，充分了解林业资源管理平台的数据来源、采集方式及年度数据库更新的技术。

2教学中存在的问题

2.1GIS相关背景课程知识缺乏GIS专业的培养体系课程涵盖计算机图形学、地图学、测绘学、遥感、地理学、数据结构、空间数据库、拓扑学原理等学科，体系化程度高，基础知识自成系统，学生理解起来较容易。然而，这些课程在林学专业培养方案中涉及极少，如在讲授矢量数据结构和栅格数据结构时，学生对数据结构没有准确的概念，只有在对照软件打开对应数据时才有直观的理解，从而导致教学面临很大的困难，也不能激发学生的学习兴趣，学习效果自然不理想[5]。2.2实验教学学时偏少面向林学专业开设的GIS课程中，软件操作占有十分重要的地位。GIS课程中的地形图配准、空间数据矢量化、数据结构转换、空间分析、森林资源分布图制作等知识点，都必须在GIS软件中实际操作，才能使学生真正掌握和理解[6]。目前，安徽农业大学林学专业GIS实验只安排了0.4个学分(12个学时)的教学任务，操作软件采用目前主流的ArcGIS。在这样的实验课时安排下，学生不可能熟练操作GIS软件，并用以解决林业生产中的所有问题。笔者针对课时要求只设计了6次实验内容(表1)。这些实验内容之间未实现无缝对接，内容跨度较大，有些实验内容只能使用事先准备好的实验数据，对学生来说，这些数据是陌生的，实验项目之间是相互孤立的，缺乏系统性。学生做完实验后并不明白这几个实验之间的关系，以及实验的目的，导致学生学习兴趣低，极大地影响了实验教学效果。如实验二、三之间，在采集面状林地小班数据时，仅让学生采集少量数据，没有对相邻小班、需要切割或整形小班、节点等方面进行深入的编辑处理，也没有进行数据的拓扑检查，学生也不清楚自己采集的数据是否正确，精度是否满足要求。因此，学生实践能力的培养没有收到预期的效果。

表1　林学专业GIS实验课程安排

2.3课程衔接不紧密安徽农业大学在2012年本科人才培养方案中，将GIS课程安排在第4学期，其核心基础课测量学也在第4学期开课。学生在课程涉及地形图、坐标系统等方面内容时，理解起来比较困难，需要补上这些知识。林学的专业课在第5、6学期开设，如森林资源管理，在以林地小班、小班属性为例进行讲解的时候，学生也缺乏对这些专业术语的理解。课程之间衔接的不密切严重阻碍了学生对GIS在林业上应用的准确掌握。

3教学内容的设计与改革

3.1选择合适的GIS教材目前出版的GIS教材可以分为纯粹基础理论介绍和融入编者研究成果的教材。考虑到与GIS专业在教学目标、背景知识、学生理解、应用范围等方面存在很大的差异，选择GIS教材时，倾向于与林业相配套的教材。考虑到理论教学的时间，把与林业相结合的教材作为主要参考书，结合笔者自编的实验指导书，实现理论知识与实验教学的有机统一。

3.2多媒体课件的制作多媒体教学以明显的优势已逐步改变了传统教学方法，成为现代化教学的主要方法和手段。在具体的授课过程中，教师应充分利用现代信息技术，然而这并不意味着完全依靠它。为了加深学生对教学内容的理解，传统教学手段(粉笔+黑板)仍然是不可缺少的授课方式。GIS的核心内容是以计算机系统和信息科学为主要依托，对于背景知识较少的林学专业学生来说，大部分GIS内容难以在课堂上消化掉，这就要求教师在制作多媒体课件时，要做到图文并茂、动静结合，用图片、音频、视频、动画等多种方式把教材中枯燥的文字信息展示出来，吸引学生的注意力，提高课堂教学效果。

3.3教学时间的合理安排面向林学专业的学生，在讲授GIS理论内容时，应充分结合林学的专业知识，同时要求学生具有较好的测量学知识储备，因此这门课的开课时间应该设置在三年级第2学期测量学及林学专业课程开设之后，这样学生可以更好地理解空间数据所涉及的坐标系统、高斯克吕格投影、林地数据库等内容，取得较好的教学效果。在理论课与实验课的学时比例上，建议把理论课32学时调整为26学时，将实验课增加到18学时，按照理论课内容合理安排实验时间。

3.4教学内容的组织充分考虑GIS在林业中的实际运用，对教学内容进行精心组织，突出重难点，如林地数据的采集、传统林地管理方式到林地数据库管理的转变过程、林地小班变更的方法、林业专题图制作等内容要详细讲解，而林地空间数据库的设计、森林资源信息管理平台的开发等内容只要求了解。GIS课程理论性较强，理论教学中的很多内容单纯用课件无法在课堂上讲解透彻，需要通过软件操作来加强学生的理解。如讲授空间数据的空间特征和属性特征时，可以在软件里加载某县森林资源图形数据，并打开属性表查看每个小班对应的属性字段。

4实验模块设计

针对目前存在的问题，笔者把林学专业的GIS实验教学内容设计为一般性实验、分析性实验和综合性实验3个模块，实验课时设计为18学时。从这3个模块来建立层次渐进、内容深入综合的实验教学体系[4]，具体模块划分见表2。

4.1一般性实验主要训练学生操作ArcGIS软件的能力，训练内容包括地形图配准、图层建立、空间参考设置、数据采集、属性编辑、图层合并、数据的质量检查等。

4.2分析性实验分析性实验主要训练学生对ArcGIS空间分析模块的运用，结合林业特点，其内容包括点、线、面实体类型缓冲区的建立，DEM生成及地形因子的提取，林地小班图层与相关基础数据的叠加分析操作，造林树种候选地的选择等。

4.3综合性实验以安徽农业大学校园为例，采用分组形式，组员之间配合，实验步骤为校园地形图的配准-数据采集-拓扑检查-空间数据库建立-林业专题图制作。一方面检验一般性实验和分析性实验的效果，另一方面考核学生在给定时间内完成综合性实验的效率，训练学生综合应用GIS知识解决林业相关问题的能力。

考虑到数据量，在一般性实验和分析性实验中，笔者借鉴汤国安教授《ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程》的一些案例[7]，以某乡镇森林资源和相关基础数据为操作对象，每位学生独立完成实验内容，教师根据学生在3个模块中的表现及最终提交的实验报告进行打分，准确评定学生在GIS实验课中的表现及对ArcGIS软件的掌握程度。

表2　林学专业GIS实验模块设计

5结语

GIS在林业信息化、地籍管理、环境工程、城市规划、资源配置等方面已得到广泛应用[8]。高等学校的非GIS专业课程教学应与时俱进，采取与林业紧密结合的多样化教学方法，改革和优化教学方法，加强对学生GIS基本技能的掌握和分析应用能力的培养，激发林学专业学生对GIS课程的兴趣，培养面向林业应用的非GIS专业综合人才。

参考文献

[1] 黄杏元，马劲松.地理信息系统概论[M].3版.北京：高等教育出版社，2008.

[2] 李阳东，杨晓明.地理信息系统实践课程建设与改革[J].教育教学论坛，2016(2)：106-107.

[3] 温小荣，彭世揆，佘光辉，等.地理信息系统在我国林业上应用的进展[J].南京林业大学学报(自然科学版)，2005，29(2)：73-78.

[4] 岳书平，闫业超.地理信息系统课程新型教学方法初探[J].地理空间信息，2015，13(4)：176-179.

[5] 吕慧华，周峰.环境地理信息系统课程教学改革与探索[J].课程教材改革，2014(14)：127-128.

[6] 王小东，张刚.地理信息系统课程实验教学方法研究[J].测绘与空间地理信息，2015，38(8)：4-6.

[7] 汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2012.

[8] 黄木易.非GIS专业地理信息系统课程教学改革及优化实践[J].现代农业科技，2011(10)：11-13.

基金项目安徽农业大学2014年教学研究项目(森林经理学科本科课程教学改革研究，非GIS专业地理信息系统课程教学改革与试验体系设计)；安徽省省级教学研究项目(2014jyxm085)。

作者简介唐雪海(1983- )，男，安徽阜阳人，讲师，博士，从事森林资源动态监测研究。

收稿日期2016-04-18

中图分类号S-01

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)15-278-03

Course Teaching Reform and Experimental Design of Geographic Information System in the Specialty of Forestry

TANG Xue-hai, HUANG Qing-feng, ZHANG Li-ping

(School of Forestry and Landscape, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230036)

AbstractAccording to the course characteristics and basic teaching target of Geographic Information System, we preliminarily discussed on how to effectively stimulate the learning interest of students in the Specialty of Forestry, to cultivate the innovative thinking of students, and to enhance the students' ability of practice. Therefore, reform and innovation of course teaching were promoted, so as to enhance the teaching quality of this course, and to cultivate forestry specialized personnel with solid theoretical foundation and practical ability.

Key wordsGeographic Information System; Teaching reform; Experimental design