面向农业规划相关专业的GIS课程教学改革与优化研究

蔡 汉, 王 楠, 龚 钰,马 坤

(1.扬州大学,江苏 扬州 225009;2.南京林业大学,江苏 南京 210037)

一、引言

随着互联网、物联网快速发展,海量信息数据不断积累,农业信息化建设已成为支撑现代农业稳定长足发展的关键。[1]目前,我国已全面进入智慧农业时代,跨专业技术交叉应用到农业领域,整体呈现智能化、应用多样化发展趋势。[2]但同时海量数据信息为农业规划带来了新的难题,传统的农业规划技术与方法已满足不了多元化的信息收集、储存、处理和分析,急需有效工具来辅助管理和决策。[3]

地理信息系统(Geographic Information System,GIS)是用于输入、存储、查询、分析和显示地理空间数据的计算机系统,可以利用土壤图、土地利用图、农业资源图、农业生产潜力评价图等相关图件以及区域自然、社会、经济等多方面数据资料进行空间叠加等分析,综合区域内各种农业发展的优势和限制条件,对农业各种产业进行合理布局与优化。[4]

随着GIS技术在农业中的应用越来越广泛,要求从事农业规划相关领域工作的毕业生必须具备一定的GIS基础。[5]据不完全统计,我国100多所农林类本专科院校中,仅有中国农业大学、南京农业大学、西北农林科技大学等23所学校相继开设了GIS相关课程。[6]这表明目前我国直接针对农业规划相关专业GIS课程设置极少,且相关课程内容、教学过程、实践教学等方面的研究也极其短缺。[7]因此,本文在通过分析农业规划类GIS课程教学存在问题的基础上,明确教学目标,探索新的教学方法,然后构建适应农业规划相关专业GIS课程教学内容,灵活设置多层次的实践教学体系,最后巩固完善课程考核,形成“巩固知识-串联知识-运用知识”层层递进的阶梯式教学模式,以期提高农业规划相关专业GIS课程的教学质量和效果,培养优秀的复合型农业规划相关专业人才。

二、农业规划相关专业GIS课程教学中存在的问题

农业规划是指根据某地区一定时期内国民经济发展的需要,在充分考虑现有农业发展状况、自然资源、社会经济条件、生态环境等基础上,对区域范围内未来一定时期农业战略性发展、资源高效利用和空间合理布局所做的总体部署。[8]因此,与农业规划相关的专业是指在上述总体部署工作中参与和涉及的专业,如农村区域发展专业、城乡规划专业等,以及主修农业规划、农业信息化、农业资源管理、农业生态环境等课程的农学、园艺学、环境学、生态学等专业。由于农业规划相关专业涉及学科众多、综合性较强,GIS作为一门新兴课程,如何在教学上建立一套与农业规划相关专业相融合的课程体系,当前面临以下难题:

1. 课程教学目标不明确。根据我国各大农林院校GIS教学现状,课程的开设均建立在各学科专业基础之上,如地理学科开设的GIS课程以自然资源调查与管理为主;计算机学科的以编程设计和系统开发为主;测绘遥感学专业GIS以数字制图、地图设计编绘和遥感影像处理等为主;地理信息学科开设的GIS课程以原理、方法和技术等理论研究、教学和开发应用为主等。[9]直接针对农业方面的GIS课程设置极少,仅有精准农业、区域农业发展等课程开展了GIS相关教学,如何从农业规划的角度明确定位GIS课程教学目标成为当前急需解决的难题。

2. 课程教学体系不完善。在教学内容方面,由于农业规划相关专业与GIS课程涉及领域较广,二者的基础理论知识很难相互融合,导致农业规划相关专业在有关GIS教学方面只能注重案例应用,忽视了对GIS基本原理的讲授。此外,随着计算机技术迅速发展,GIS新技术和新方法不断更新,其插件技术等教学内容在农业规划领域的应用开始滞后。在课程设置方面,由于现阶段农业规划相关专业侧重GIS案例教学,缺乏相关先修基础课程,学生知识结构不成体系,导致课程之间衔接不当、顺序不合理。此外,不同案例之间必然存在基础教学内容重复的问题,以及案例与实际项目存在脱节和过时的问题,因此如何合理安排课程成为GIS教学中的又一重要难题。

在教学实践方面,目前农业规划相关专业的GIS课程实践仍局限于在课堂上案例教学内容的框架下进行相应的操作模仿,以及课后作业练习,没有将实践内容拓展至实验室和户外,甚至绝大部分院校没有针对农业规划相关专业配备相应的实验室和仪器设备,导致GIS实践课程难以与农业规划类学科发展趋势步调一致。

此外,GIS教材选择也存在诸多问题,由于各类相关教材是由编者结合自己学校的需要进行编写,基础理论、案例教学和实验设计等内容均与农业规划相关专业课程不一致,出现知识脱节、内容繁冗的现象。加上GIS作为一门新兴课程,现阶段能够编制针对性GIS教材的农业规划相关专业教师较少，因此如何完善教材和加强师资队伍建设也是目前迫切需要解决的问题。

3. 课程考核机制不合理。我国各大农林院校针对农业规划相关专业开设的GIS课程大多采用与其他课程相一致的考核机制,即平时考核和最终考试相结合,两部分各占总成绩的50%；平时考核更多倾向于课堂问答、实验报告和阶段性作业,最终考试采用笔试方式。然而,GIS课程的实践性较为特殊,不能将其当作一门软件技术的教学,更应将其视为实验性课程。特别是跨多学科的农业规划相关专业GIS课程,不仅需要掌握GIS的基本原理和案例,而且需要结合实验室仪器设备识别和操作、户外基地测量和信息收集、课后数据处理和分析等内容进行考核，因此如何改革当前的考核方式和分值权重成为该课程的又一问题。

三、农业规划相关专业GIS课程改革目标

农业规划相关专业GIS课程目的是在完成地理信息系统原理、数字图像学、地图学、编程语言、系统开发设计、数据库原理、计算机科学理论等综合基础课程之后,将GIS与农业规划深度融合,强调GIS课程的针对性、实用性,充分发挥其工具作用,以满足在农业资源、农业气候、农业种植、农业产业、农业景观、农业生态等农业规划相关专业方面的应用要求,形成以区域分析、空间规划、综合决策为主的农业规划相关专业GIS课程教学目标,为各农林科研院所、高等学校、土地规划等部门培养人才。

因此,农业规划相关专业学生需要通过这门课的学习,在掌握GIS基本原理、方法和工具基础上,进一步研究GIS与数据库在农业规划方面的设计与二次开发。同时,在应用型人才培养模式下,学生还要熟练掌握主要的GIS软件及其操作,通过结合GIS技术在农业规划中的应用,有效解决农业规划相关专业中涉及的现状分析、可行性分析、产业空间布局、基础设施规划、农业景观规划、生态环境保护规划等问题,并具备农业规划实际项目中的组织和管理能力。

四、农业规划相关专业GIS课程教学优化

考虑农业规划相关专业GIS课程教学中存在的问题和挑战,应依据具体教学目标,构建“理论-实践-科研-理论”循环式教学体系(图1),强化学生的应用与开发能力,提高学生的科研素质。

1. 重构基础知识框架。为解决现有农业规划相关专业的GIS课程基础知识难融合、教学内容与课程安排交叉重叠等导致的知识难理解记忆、学生学习积极性差等问题,需打破现有教材的知识框架,在GIS课程原有基本概念、要素组成、发展过程、坐标投影、数据结构等先修知识结构的基础上,根据农业规划基本原理、方法与过程,相对应地从GIS的基本原理、主要工具与功能、研究对象以及数据采集、存贮、管理、处理、检索、分析和显示过程等方面,重构GIS课程基础知识框架,以利于农业规划相关专业与GIS基础理论的融合,提高学生GIS基础知识的学习效率,为科学合理制定教学内容、编排教学课程奠定基础。

2. 完善课程教学内容。依据农业规划相关专业GIS课程改革目标,针对GIS课程内容复杂、应用多样、农业规划相关专业背景差异大等问题,坚持“明确专业技能、抽取关键知识、形成核心内容”的原则,结合重构的基础知识框架,构建“结构合理、重点突出、特色鲜明、系统实用”的GIS教学内容。[10]

本文通过分析国内出版的各类GIS相关教材获知,大部分框架内容均围绕GIS的基本原理(概念定义、结构组成、类型特征)、功能应用(数据采集、存储编辑、空间分析、图文输出、二次开发等)进行组织。然而,根据农业规划相关专业培养方案情况可知,学生已具备测量学、气象学、资源学、地图学等理论知识,同时,在区位规划、资源评价、产业布局等应用方面要求学生应具备较高的空间分析能力。因此,在完善GIS课程教学内容时,应针对交叉重复、偏离重点的部分进行精简、删除和调整,对涉及空间分析的部分进行深化整合与创新拓展。以高教出版社2008年黄杏元等编著的《地理信息系统概论》(第三版)[11]、2017年张新长等编著的《地理信息系统概论》[12]和2019年汤安国编著的《地理信息系统教程》(第二版)[13]为例,课程教学内容完善主要包括以下四个方面:一是精简GIS基础理论课程中与农业规划相关专业已修的“地理信息系统”“遥感导论”“数学建模”等课程交叉重复的教学内容,用较少的学时对理论部分简单介绍,突出GIS的功能部分内容。二是删除GIS空间分析功能外部分涉及算法、模型设计等内容,如地图投影、矢量与栅格转换等算法;空间数据库概念、逻辑、物理等模型及其设计;空间时态数据库原理与模型;地理信息标准化与评价等。三是调整关于数据编辑处理、空间查询、输出开发等功能应用方面的基础理论知识课程,如在简介空间查询教学课程之前仍需加强空间拓扑相关知识教学,才有利于进一步对基于空间分析的方式进行讲解。四是深化整合GIS空间分析在农业规划中的应用技术,创新拓展系统应用等模型开发与设计的教学内容,如农业产业选择模型、农业生产潜力评价分析模型、农作物适宜性评价分析模型、区位交通规划模型等;农业灾害预警与控制相关插件;智慧农业“一张图”式资源数据库管理等。

3. 创新课程教学方法。目前GIS正经历着由“以技术为中心”向“以数据为中心”和“以基础平台开发为核心”向“以GIS应用为目的”方向的转变,如何让学生在掌握扎实的专业基础理论知识后,从新的教学方式中进一步开拓视野,寻找解决问题的新方法和新思路成为GIS课程未来的趋势。[14]因此,在教学方式方面,需要在GIS基础理论知识教学阶段,采用借助多媒体演示融合其他课程内容,以及鼓励学生提出问题、诱导思考并解决问题的启发式和互动式课堂教学形式,激励学生查阅农业规划相关资料,了解未来的农业发展方向并阐述观点。此外,GIS课程教学方式随着计算技术的发展而不断丰富变化。[15]在计算机技术迅速发展的时代,GIS课程的教学方式和手段应以多媒体教学为核心,结合农业规划相关专业技术需求,融入三维立体影像显示系统、视听环境系统、人机交互系统、互联网互动系统等教学模式,进一步为学生提供更丰富全面的知识和信息,营造良好的课堂气氛,提高教学效果。

4. 拓展实践设计应用。目前,农业规划主要侧重于重点项目与产业发展结合布局,空间规划的定量程度不高,缺乏适宜性分析、空间相互关系分析、地形分析与空间选址分析等。[16]这要求GIS课程教学在与具体实践项目相结合的基础上,仍需进一步拓展实践课程的设计应用教学。主要包括以下三个方面:一是拓展实验式实践教学。基于现有基础知识案例教学,匹配专业的GIS实验室,增设GIS相关软件、系统与仪器设备的认知、操作课程,并结合农业规划实际项目,进一步增设现场测量、土地资源现状调查、气候环境信息采集等相关户外实践课程,培养学生设备操作、软件应用等横向思维与综合能力。二是拓展科研式实践教学,强化理论与实践的结合。增设实践总结与讨论课程,反馈农业规划中对于定量化空间评价分析的问题,进一步从科研的角度引导学生参与科研立项,同时,学生可以跨年级、跨专业组合,并形成高年级带动低年级的良性循环,培养学生的团队协作能力,提升农业规划相关专业学生的多途径实践。三是拓展竞赛式实践教学。增设GIS竞赛辅导课程,针对“Super-Map杯”、“全国高校GIS大赛”、“ESRI杯-中国大学生GIS软件开发大赛”等具有影响力的GIS竞赛,结合农业规划相关专业知识,系统培养训练学生GIS技能,提高学生GIS在农业规划方面的综合应用能力。

5. 强化师资队伍建设。农业规划相关专业与GIS专业学科交叉性较强,要求教师不仅自身具备跨学科知识与技术能力,而且应注重不同学科之间的交流。[17]因此,要针对农业规划相关专业教师,加大培训力度,鼓励和支持教师参加挂职锻炼或师资培训,提升教师GIS课程的教学能力和专业技能;校内GIS专业教师要紧密结合GIS行业在农业方面的应用需求,实时掌握GIS发展动态;从学校或学院层面统筹协调推动跨学科、跨学院和跨专业授课,构建“1+1”授课模式,即“1位GIS专业教师基础理论授课+1位农业规划相关专业教师应用授课”,增强教师层面的学科交流。此外,农业规划相关专业教师与GIS专业教师在长期的教学与科研实践中,应将积累的大量的图形、图像素材以及统计资料,根据课程教学内容需要进行整合,建立GIS教学素材数据库,制作具有典型实例的多媒体课件,实现理论教学和实际项目相联系的目的,让学生更形象、更全面、更深入地掌握和了解农业规划GIS应用。

6. 调整课程考核机制。课程考核是双向的检验过程。科学合理的考核机制不仅可以检验学生掌握知识的程度,提高学生学习效率和学习兴趣,而且是考评教师教学质量的重要标准,有利于教师对教学方法的自我总结。[18]GIS课程注重实践应用,同时为了培养学生GIS科研、设计与开发能力,考核方式与内容应体现发散性思维的培养、综合应用能力和解决问题能力的训练。[19]因此,本文采用课堂考核(10%)、实验操作(40%)、专题案例(20%)、研究性论文(10%)和最终笔试(20%)总分100分的考核机制,其中,课堂考核主要通过课堂提问(到课率、课堂讨论和回答问题情况等,5%)和课程作业(5%)的具体考核形式并严格记录成绩,引导学生搜集相关资料,提高学生的研究兴趣;实验操作主要根据实验内容(仪器设备认知、操作步骤、实验结果等)、问题回答等过程截图(10%)、实验报告(20%)和户外调研数据库(10%)等具体内容进行评分,重点检测学生独立解决问题的能力;专题案例主要对以小组为单位完成的农业规划案例成果进行考核,重点测验学生综合分析能力;研究性论文则主要以GIS在农业规划相关方面的应用为标题,考核学生针对农业规划相关专业GIS方面的科学探索能力。此外,教学过程中学校和学院安排督导组老师听课，课程结束后组织学生评教。这些评价就是对教师授课的考核,所有的评价都将是教师改进教学的宝贵资源。

五、结束语

随着信息化快速发展,地理信息技术(GIS)为农业资源调查、农地空间规划、智慧农业建设等领域提供了崭新的数据处理、模拟分析及可视化表达方法。GIS技术在农业领域的广泛应用,要求农业规划相关专业毕业生必须具备一定的GIS基础,而我国农业规划相关专业GIS课程体系处于初步建设阶段,急需探索新的教学手段和方法。因此,教学过程中,应充分结合农业规划相关专业特点,从构建基础知识框架、完善教学内容、创新课程教学方法、拓展实践设计应用、强化师资队伍和调整课程考核机制等方面,构建“理论-实践-科研-理论”的循环式教学模式,力争实现农业规划相关专业GIS课程改革与教学优化,以期为我国农业发展、智慧农业建设培养高质量GIS技术人才。