服务于林业应用的“遥感与地理信息系统”课程教学改革初探

沈文娟

(南京林业大学 林学院，江苏 南京 210037)

2019年11月，《国家林业和草原局关于促进林业和草原人工智能发展的指导意见》提出全面推动人工智能技术在林草业中的应用，建设智慧林草，为全面建成小康社会、建设生态文明和美丽中国作出新贡献。就森林生态系统而言，借助多源遥感和信息技术，运用先进的算法与技术，监测森林变化，实现森林健康评价[1]。森林是陆地生态系统的重要组成部分，在实现碳中和目标中扮演着越来越重要的角色，并提升了在应对气候变化中的地位和作用。林业承担国家生态建设和提供社会、经济所需供给的重要任务，做好林业的调查与监测工作意义重大。

遥感与地理信息技术结合大数据、人工智能技术，使得林业调查与监测从传统的人力密集型逐渐向智慧型转变。林业人在进行森林资源调查、林业有害生物监测、森林防火等林业工作时，逐渐从投入大量的人力物力中解放出来。通过加强培训学习，深化和推动现代化的遥感技术(如无人机、雷达探测)、地理信息系统(GIS)、大数据、深度学习等新技术在林业生态建设中的创新应用，大大降低了人工作业量，并能够有效监测森林资源动态，预防森林病虫害和森林火灾发生，从而推动了林业高质量发展[2-3]。

传统的林业监测调查通常以耗时耗力的外业为主，缺乏地理与遥感空间信息采集、分析与监测的环节，在时效性上很难满足林业资源快速监测的需求，因而在实际的林业生产实践中要更好地发挥作用还需与智能化、信息化的技术进行紧密结合[3-4]。伴随着地理学、计算机技术、遥感技术和地图学等学科的快速发展，数字林业、智慧林业、精准林业等理念的广泛提及，南京林业大学针对涉林学科及专业(林学、水土保持与荒漠化防治、森林保护)本科生培养计划方案，分别开设了“林业遥感”“遥感与地理信息系统”“地理信息系统”等专业课，主要目标是让学生更好地了解和掌握遥感与地理信息系统基础与前沿知识及软件操作技能，服务于林业应用。南京林业大学是一所以林科为特色、以多学科为优势的多科性大学。林学作为重点学科，是江苏省品牌专业，依托于林学实验中心，开展了精准林业与数字林业的长期监测与试验工作。因此，林学学科的“遥感与地理信息系统”课程主要以遥感和地理信息系统基础、分析与处理为主，在此基础之上实现两者的结合，并实现林业领域的多种应用，为数字林业与精准林业等行业发展以及生态文明建设提供人才保障。

1 课程教学现状

“遥感与地理信息系统”课程属于交叉性学科，涵盖“3S”技术等知识的交融。然而研究教学大纲发现课程教学设置时容易将遥感与GIS互成体系，在教学内容、方法及实践等方面未能紧密结合并挖掘各自的林业应用需求。互成体系的教学模式很难满足林科背景下人才培养的需求。另外，教学人员知识储备的差异致使学生缺乏对课程的关注，难以提升学生对课程的兴趣，因而也降低了其从事相关课程学习的可能性。上述现状造成课程教学无法与现代林科人才培养和学科发展的需求同步，因此需要对于遥感与GIS课程教学进行改革，以便改善教学大纲，实现人才培养优化[5]。

2 教学改革

2.1 提高授课人员素养

林学学科“遥感与地理信息系统”课程的开设需配备具有相应专业背景的教师。此类任课教师既需要有遥感、GIS、地图学专业背景，还需要有林学知识储备。因此，理想的专任教师应具有如下专业背景：即地图学与地理信息系统、森林经理学、林学等，但实际上，同时具备多学科背景的专任教师数量不多。为了更好地胜任课程，任课教师需要投入大量的精力与时间用于备课。基于此，笔者总结出如下几点提升授课人员备课效率的策略：(1)选取合适的教材与教辅资料，并总结编撰适合该课程的新教材；(2)主动学习校内外相关任课教师的教学内容、方式与方法，比如利用爱课程平台；(3)积极参加GIS、遥感与林学高校论坛、高校讲课竞赛、行业研讨等；(4)参加教学改革项目，积极总结经验，探索丰富课堂教学的策略；(5)利用网络或者国外课题组资源，参照他人的教学形式进行学习转化。南京林业大学林学院已有教师获得了专业领域讲课竞赛的奖项，达到了锻炼与培养的目的；还有教师建设金课、慕课、精品课程与双语课程等，执行多种教学项目，以及编撰林业领域专业教材。以此为基础，为后续的进一步改革提供借鉴与引领。

2.2 改革教学内容

遥感与GIS课程教学是林业信息监测的理论与实践基础。通过该课程的理论和实践教学，使本科阶段毕业就业的学生能够继续将其所学的遥感与GIS技术及理念应用到林业实际生产中；使继续攻读学位的研究生能够夯实专业基础，发掘更多的遥感与地理信息技术及其林业应用的科学研究价值，为数字林业与精准林业发展提供理论与技术指导。

2.2.1 理论教学内容改革

林学学科遥感与GIS课程内容通常沿用这两门课程的知识点，通过这些内容的确能够了解并掌握遥感和GIS原理与方法，但是难以与林业院校林学人才培养目标紧密挂钩。以往的遥感与GIS课程实行内容分开讲授[6-7]，内容之间连贯性不强，拼凑痕迹严重；而且内容陈旧，缺乏林业应用需求及框架设计，很难实现技术与林业应用的有效融合。

鉴于上述问题，笔者提出“基础—新理念—新方法—创新应用”的多维度教学内容体系，搭建教学框架，面向实际应用(就业)和科学研究(升学)的不同需求分别有所调整。通过突出重点内容，合理引导，培养学生的学习兴趣与钻研科学的精神，最终实现教学与人才培养并举。具体概念图如图1所示，实施内容如表1所示。该教学内容体系重点描述了遥感与GIS及其林业应用，以遥感基础为培养重点，铺开陈述地理信息相关知识，以林业应用为需求导向，以科学思维培养为重点，构建林学学科遥感与地理信息系统课程教学改革框架，实现多源遥感、地理信息数据与先进算法融合与集成解决林业需求的目标。

表1 教学内容体系改进的具体情况

图1 基于“基础—新理念—新方法—创新应用”

以遥感图像分类的知识点为例，参照大纲内容，该章节的重点内容为监督分类与非监督分类。其中监督分类主要讲解最大似然法和最小距离分类法，非监督分类主要介绍K均值算法和ISODATA迭代自组织算法。然而随着多源中高分辨率遥感数据的出现与智能技术的发展，目视解译技术与传统的分类方法已经不能满足快速、精准的林业发展需求。笔者在教学过程中发现现今的大学生对于前沿知识的接收度高、吸收能力强，对于新技术有浓厚的兴趣。因而笔者以AlphaGo人机大战为例，引入深度学习技术，进而延伸到林业监测。针对森林精细识别的主题，引导学生讨论分析。然后以笔者所提供的案例穿插讲解知识点，揭示在人工智能算法层出不穷的情况下，学生应该牢固地掌握基础知识，谨记在解译与分类时解译者专业素养培养的重要性，以及在智能化监测中人扮演的重要角色。总之，在理论教学的基础上实现培养学生创新意识的目标，使学生养成在知识认知时不唯书本且要超越书本的精神，紧跟林业发展动向，服务国家发展需求。

2.2.2 实践教学内容改革

遥感与GIS课程实验教学通常采用教师演示为主的方式，学生模仿跟踪每个实验专题消化理论知识使之转化为动手能力，这为学生求学与求职奠定了实践基础。通常实验主要围绕遥感与GIS软件，如ArcGIS、ENVI、EARDAS等，结合一些实践专题进行训练并撰写实验报告。随着多源数据、人工智能、大数据等理念的兴起，林业信息化要求越来越高，简单的软件操作教学已经不能满足多数据源联合、海量数据的处理需求，因而顺应形势需要培养学生的信息处理能力，使其具备独立解决不同的实践问题的能力。当前实验教学需要关注与改善之处，笔者认为应该从以下几方面着手：

(1)夯实传统实验教学基础，提倡新理念与新技术的应用。传统的实验教学内容主要依托专业软件开展地图、航片与影像等的认知，并进行简单的图像处理与分类操作。内容通常较为清晰，但形式较为单一。遥感实验通常与林业应用关联度较高，而地理信息系统实验主要有住房选址分析、栖息地选择、水文分析和路径分析等，未见明显的与林业应用的结合。但是对于林学专业来说，只有紧扣林业发展组织实验教学，才符合学科交叉动向。笔者建议基于林业监测的野外实验和内业操作，结合表1和图1所示的改进内容，重点加强以下知识的学习：①多途径的图像预处理技术平台，如ENVI/IDL、Matlab、QGIS、Python、R等；②人工智能与深度技术用于图像分析；③自动化图像处理与分析技术；④开源矢量与栅格空间数据运用；⑤大数据与云平台技术。笔者以森林变化识别项目作为一个实验案例[8]，具体如图2所示。该案例指导学生基于多源遥感图像(光学和雷达)获取时间序列范围内的森林与非森林图像，并将这些图像中的持续非森林类别与森林类别按照时间序列空间叠置分析进行制图显示，从而实现造林的识别与制图。在该实验中不仅让学生充分认识遥感图像目标识别、GIS空间分析与统计运算等，还能使其理解林业信息大数据与智能化知识，如海量遥感数据读取与分析、并行处理、GEE云平台存储与分析等。

图2 森林变化识别的流程图[8]

(2)探索面向就业的实践新方式。面向就业的实验教学通常最具有实际价值，也是准备就业的学生更为关注的事情。比如以南京松翠园林公司的项目为例，据笔者了解，该公司主要从事林地征占用、林业核查等工作。征占用主要是勘察林业项目的红线，涉及公益林等林地的数量，统计采伐树木的面积与蓄积。林地核查主要核查造林的面积规格是否达标。在实验教学中，笔者组织学生去该公司进行为期一周的参观学习，实践学习的主要内容包括遥感影像的判读、目视解译、野外调查等，提高实践能力，为就业增添砝码。

(3)确立新的实验评价机制。除了使用课程实验报告作为评价学生实验掌握的程度外，可借用一些林业遥感与GIS专题专业竞赛来提升学生的动手能力。同时，可将创新设计、论文撰写、科普宣传、小视频创作等作为考核评价项目，以实现评价形式的多样化，可占实验评价比例的50%。

2.3 改进教学方法

(1)以多媒体教学为主，穿插现代信息技术手段，实现多种教学手段整合。将图片、动画、视频等贯穿在教学中，使得教学形式更为灵动，将深奥的专业知识转化为浅显易懂的知识点。另外，网络课程资源丰富且全面，大学生MOOC建设、雨课堂、知网讲座、腾讯讲堂、B站学习视频等在线课程，将国内外知名学校及科研教育机构最具特色的学科知识、技术心得、学习经验等进行资源共享，不断缩小学生对于前沿知识接触的差距，将枯燥无味的知识进行多样式的转化。笔者在课堂教学时多选用遥感与地学类的国家级MOOC资源，通过与林业应用整合与改进，针对学生背景不同及知识点掌握的差异，开展有针对性的教学。

(2)以专题案例介绍为主，通过分组主题讨论，培养学生的集体协作、创新思维与能力。比如从行业顶级学科期刊选取近年来有学科代表性的案例，因为上述期刊所呈现的综述内容、方法、技术与应用能代表行业最权威的创新思路。通过阅读文献，学习他人的先进理念，并进行消化转化，这是培养科研思维最便捷的方式，也是帮助学生接触前沿科学最直接的途径[9]。笔者在文献案例选择时通常结合当下国内国际时事，避免造成学生的听觉疲劳；同时考虑本科生对于知识的认知还比较浅，选用的文献难易适中，主要从摘要、前言、研究领域方面展开，理解方法的物理含义，进而逐步推进。

(3)开展双语教学。比如，在专业课知识讲授时，配上英文标注。此外，选择与课程相关的文献和外文书籍，训练阅读能力，强化学生专业英语学习的能力。现有的专业软件以英文版居多，遥感与地理信息数据源、处理平台起源国外，提高专业英语水平既能帮助学生熟练使用软件，也有利于他们掌握国际前沿动向[10]。笔者在教学时会重点要求学生掌握专业术语，主要采用英文标注的颜色突出显示、板书时着重强调、有针对性地强调实验内容等形式，通过反复训练加深记忆。反馈证明该方式使得学生学习目的更为明确，学习效果良好。

(4)通过讲座的形式拓展传统课堂，使课堂教学形式呈现多元化，提升课堂教学内容的层次性。在整个教学过程中可设置1—2次讲座。网络讲座、培训或者其他院校的专业讲座都可以作为选择的对象，如武大、北大、北师大定量遥感暑期学校，湾区GeoInsiderWebinar、武汉大学GeoScience Cafe系列在线或线下讲座等。网络视频回放或者推送讲座信息的形式较为方便快捷，教师依据这些全面描述科研理念与方向的重要素材，给学生补充知识点，可以有效扩大学生视野，把学生从书本中解放出来，扩宽知识面，为未来职业规划做好铺垫。

(5)以课后兴趣培养为引导，培养学生创业创新技能。指导学生参加学科竞赛、撰写专业论文、发明创造等。以往的教学评价主要以作业完成度、出勤率、考试成绩来衡量，现在可引导学生参加多种学科竞赛、创新比赛，重点培养学生创新思维，与课程关联的表现都将作为考评指标，为此从考试的考评比例中分出10%作为权重。省级或校级大学生创新是一项很好的实践锻炼项目，每年均有本科生申报参与这类项目。在项目的实施过程中，学生能够独立收集资料，运用所学撰写科研论文，动手发明创造，训练创新思维，为后续的求职求学提供了多种可能。

3 结语

为了落实上述教学改革的措施，南京林业大学林学院结合学校与学科的实际情况，重新编写了课程与实验讲义，并在“老带新”的模式下，形成了教师教学水平梯度，通过分享各自的教学经验，共同探讨林学学科“遥感与地理信息系统”课程教学改革，逐步提高理论与实践教学的水平。目前，“遥感与地理信息系统”课程改革已经取得一定效果，未来仍需在以下三个方面作出更多的努力：

(1)融入课程思政，提升育人功能。在专业课中融入思政内容，把大学生培养成有本领、有情怀、有担当的社会主义建设者，已成为社会共识，因此，在“遥感与地理信息系统”课程中，不但要结合林业行业的需求，还要充分挖掘其中的思政元素，努力实现立德树人的目标。

(2)推动学科交叉，创新教学理念。引入多学科交叉的理念，重点培养学生关注地理信息和遥感技术的最新发展动态，不断学习地理空间智能，重视研究信息学、计算机科学和空间工程中地理信息系统和遥感之间的协同作用，以及它们在林业领域与其他系统(人类系统、物理系统和网络空间)交互的应用[11]。

(3)紧扣学科热点，助力林业发展。紧跟国家与国际层面地理信息与遥感技术学科前沿知识，全面剖析问题与机遇，不断深入了解时空大数据分析、不确定性建模和地理可视化以及人工智能等，学习和利用遥感数据集、解译及其处理技术，协同两者的优势与潜力为林业发展的新机遇提供先进理念与科学支撑。