“地理信息系統(tǒng)”課程教學(xué)改革探索
——以貴州大學(xué)水土保持與荒漠化防治專業(yè)為例

趙龍山 侯 瑞

(貴州大學(xué)林學(xué)院，貴陽 550025)

“地理信息系統(tǒng)”課程教學(xué)改革探索
——以貴州大學(xué)水土保持與荒漠化防治專業(yè)為例

趙龍山 侯 瑞

(貴州大學(xué)林學(xué)院，貴陽 550025)

為了讓學(xué)生更好地掌握“地理信息系統(tǒng)”課程理論和方法，應(yīng)用研究型教學(xué)理念，對(duì)“地理信息系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容及模式進(jìn)行了改革與優(yōu)化，主要措施如下：①對(duì)“地理信息系統(tǒng)”課程內(nèi)容及各章節(jié)邏輯順序進(jìn)行了梳理與調(diào)整，將原教學(xué)計(jì)劃中8章內(nèi)容整合為4個(gè)專題模塊，并分別對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)性知識(shí)、模型、方法和實(shí)踐應(yīng)用等內(nèi)容；②在教學(xué)過程中采用多媒體+板書相結(jié)合的教學(xué)手段，將“地理信息系統(tǒng)”課程核心內(nèi)容制作成多媒體課件，而分析討論性和拓展性內(nèi)容則采用板書的教學(xué)方式；③在“地理信息系統(tǒng)”課程教學(xué)過程中引入專題討論、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新思維能力；④加強(qiáng)平時(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力的考核，將課堂討論、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力納入考核指標(biāo)，并增加了實(shí)踐能力考核的權(quán)重。通過以上教學(xué)模式改革，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，活躍了課堂教學(xué)氛圍，提高了課堂教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

教學(xué)改革；翻轉(zhuǎn)課堂；水土保持；地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)(geographical information system，簡稱GIS)是以獲取、存儲(chǔ)、管理、分析和顯示部分或整體地理空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它與遙感(RS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)統(tǒng)稱為“3S”。進(jìn)入21世紀(jì)以來，GIS已在資源環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測(cè)、規(guī)劃、政務(wù)管理、地圖制圖、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面被廣泛應(yīng)用。

水土保持與荒漠化防治是研究自然環(huán)境水土流失成因、過程、機(jī)理、危害及影響因素的專業(yè)，并以此為基礎(chǔ)，通過農(nóng)業(yè)耕作、水土保持工程建設(shè)和植被恢復(fù)等水土保持措施的設(shè)計(jì)與布局，實(shí)現(xiàn)水土流失防治和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的目的[1]。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需要，水土保持與荒漠化防治領(lǐng)域?qū)Φ乩硇畔⒓夹g(shù)的需求急劇增加，特別是在一些水利、農(nóng)業(yè)和環(huán)境等行業(yè)部門迫切需要掌握地理信息技術(shù)的高素質(zhì)水土保持與荒漠化防治人才。為了滿足社會(huì)對(duì)水土保持與荒漠化防治專業(yè)人才的要求，近10年來，許多涉農(nóng)高校水土保持與荒漠化防治專業(yè)在制定培養(yǎng)計(jì)劃時(shí)，都將“GIS”課程作為一門必修課程開設(shè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，“GIS”課程已是全國20余所涉農(nóng)高等院校水土保持與荒漠化防治專業(yè)的基礎(chǔ)課程或核心課程。

自20世紀(jì)60年代以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，GIS已經(jīng)發(fā)展成為理論體系完善、方法較為成熟和專業(yè)性較強(qiáng)的應(yīng)用技術(shù)。因此，在全國許多高校都設(shè)立了與GIS相關(guān)的專業(yè)，如地理信息系統(tǒng)、地理信息工程、地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)等。對(duì)于地理信息系統(tǒng)專業(yè)的學(xué)生而言，在學(xué)習(xí)“GIS”課程之前，需先修完“地理學(xué)”“數(shù)據(jù)庫”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“計(jì)算機(jī)編程”“數(shù)學(xué)”等基礎(chǔ)課程[3]。然而，對(duì)于貴州大學(xué)水土保持與荒漠化防治專業(yè)的學(xué)生而言，盡管也為他們開設(shè)了“GIS”課程，但是由于受本專業(yè)培養(yǎng)方案學(xué)時(shí)的限制，在“GIS”課程體系中并不能為該課程開設(shè)先修課程，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程時(shí)非常吃力、學(xué)而不精，嚴(yán)重影響了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。因此，在“GIS”課程實(shí)際教學(xué)過程中，迫切需要對(duì)其教學(xué)模式和內(nèi)容進(jìn)行改革，以提高教學(xué)質(zhì)量。

一、“地理信息系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容的改革

(一)理論教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

理論課教學(xué)是“GIS”課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，盡管現(xiàn)在已有許多教學(xué)模式，如翻轉(zhuǎn)課堂、慕課等，但是通過課堂教學(xué)完成理論知識(shí)教學(xué)仍然是主流模式。因此，在“GIS”課程理論課教學(xué)過程中，教師組織好課堂教學(xué)活動(dòng)既是“GIS”理論課教學(xué)得以正常進(jìn)行的保障，又是學(xué)生系統(tǒng)地掌握“GIS”課程理論知識(shí)的前提。

教材是課程基本知識(shí)的主要載體。對(duì)于初學(xué)者，選擇一本好的教材是非常重要的。目前，已經(jīng)出版發(fā)行的專門介紹地理信息系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)的教材有10余部。這些教材基本都包括：地理信息系統(tǒng)的基本概念、基本原理、地圖投影、空間地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)處理、空間分析、GIS常用模型介紹、GIS應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)字地圖輸出等內(nèi)容。這些內(nèi)容既包括GIS的基本理論，又包括GIS的技術(shù)體系與應(yīng)用方法，但各有側(cè)重。例如，由湯國安等主編、科學(xué)出版社出版的《地理信息系統(tǒng)》，對(duì)于GIS技術(shù)體系與應(yīng)用的介紹較深，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)需要有一定的程序設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)庫等方面的知識(shí)儲(chǔ)備，學(xué)習(xí)難度相對(duì)較大，適合GIS專業(yè)的學(xué)生使用；而對(duì)于非GIS專業(yè)的學(xué)生而言，除了掌握地理信息系統(tǒng)的基本概念、基本原理與方法外，還要通過“GIS”課程的學(xué)習(xí)，提升學(xué)生GIS軟件的應(yīng)用能力，特別是要建立起基于GIS的地學(xué)思維與地學(xué)語言表達(dá)的新模式，為學(xué)生后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)和工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為了實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)，筆者選擇了高等教育出版社出版、黃杏元等編寫的《地理信息系統(tǒng)概論(第3版)》作為理論課教材[4]。該教材是“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材，全書共分8章，43節(jié)。與其他地理信息系統(tǒng)教材相比，該教材內(nèi)容豐富、難度適中、可讀性強(qiáng)。

在“GIS”課程教學(xué)安排過程中，筆者結(jié)合貴州大學(xué)水土保持與荒漠化防治專業(yè)教學(xué)大綱及該課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，篩選出相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，見表1。其教學(xué)內(nèi)容主要包括4個(gè)教學(xué)模塊：模塊①GIS基本知識(shí)；模塊②坐標(biāo)系統(tǒng)和地圖投影；模塊③GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；模塊④GIS模型與應(yīng)用。

表1 “地理信息系統(tǒng)”課程理論教學(xué)內(nèi)容的安排

注：教材為黃杏元等編寫的《地理信息系統(tǒng)概論(第3版)》。

在模塊①中，主要介紹GIS概念、構(gòu)成、發(fā)展趨勢(shì)及地理空間數(shù)據(jù)特征、矢量與柵格數(shù)據(jù)等知識(shí)，分別對(duì)應(yīng)原教材中第1章和第2章2、3、4節(jié)內(nèi)容，學(xué)時(shí)為4個(gè)學(xué)時(shí)。

在模塊②中，主要介紹空間坐標(biāo)系統(tǒng)和地圖投影等知識(shí)，分別對(duì)應(yīng)原教材中第2章第1節(jié)和第8章第2節(jié)的內(nèi)容。另外，為了增加學(xué)生對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，筆者在該部分內(nèi)容中增加了對(duì)北京54和西安80坐標(biāo)系統(tǒng)知識(shí)的介紹，總學(xué)時(shí)為4個(gè)學(xué)時(shí)。

在模塊③中，主要介紹空間數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)和管理原理以及管理方法，分別對(duì)應(yīng)原教材中第3章和第4章的內(nèi)容，為6個(gè)學(xué)時(shí)。

在模塊④中，由于水土保持與荒漠化防治是應(yīng)用性極強(qiáng)的專業(yè)，故模塊④是“GIS”課程的重點(diǎn)，安排10個(gè)學(xué)時(shí)，教學(xué)內(nèi)容包括數(shù)字高程模型(DEM)、空間分析方法及常用模型，分別對(duì)應(yīng)原教材中第5和第6章的內(nèi)容。

通過以上教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整和優(yōu)化，既突出了“GIS”課程的重點(diǎn)，又增強(qiáng)了課堂教學(xué)的邏輯性，更有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握基本理論知識(shí)。

(二)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)課是課程教學(xué)的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與實(shí)施關(guān)系到該門課程整體教學(xué)質(zhì)量的高低和人才培養(yǎng)水平的問題。因此，在“GIS”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的選擇上，筆者不僅要緊扣理論教學(xué)內(nèi)容，而且還要盡可能涵蓋當(dāng)前GIS技術(shù)的各項(xiàng)功能，如空間地理數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)、管理、分析和顯示等。

“GIS”課程實(shí)驗(yàn)共安排4次實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配見表2。“GIS”實(shí)驗(yàn)課程在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)條件包括微型計(jì)算機(jī)、GIS平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中，GIS平臺(tái)主要為ArcGIS軟件(10.2版)；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括若干數(shù)字高程模型、水系圖、植被覆蓋圖、衛(wèi)星遙感影像和一幅中國土壤侵蝕類型分區(qū)圖。

表2 “地理信息系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的安排

為了提高學(xué)生對(duì)GIS理論與方法的應(yīng)用能力，筆者在實(shí)驗(yàn)1中重點(diǎn)訓(xùn)練了矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的獲取方法、數(shù)據(jù)精度分析、空間拓?fù)潢P(guān)系編輯和數(shù)字高程模型(DEM)建立等技能，其對(duì)應(yīng)的理論教學(xué)模塊為①和③的知識(shí)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)2中，主要講授了地理數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)建立和地圖投影轉(zhuǎn)換內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)不同坐標(biāo)系統(tǒng)和投影方法異同的理解，實(shí)驗(yàn)2是對(duì)理論教學(xué)中模塊②相關(guān)知識(shí)的實(shí)踐和拓展。實(shí)驗(yàn)3涉及地圖制圖方面的內(nèi)容，包括比例尺選擇、地圖標(biāo)注、地圖符號(hào)設(shè)計(jì)、圖例、圖廓、經(jīng)緯網(wǎng)、圖斑顏色等地圖整飾原則及地圖輸出。地圖制圖是GIS的主要功能之一，通過實(shí)驗(yàn)3的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，讓學(xué)生掌握GIS制圖流程與基本原則、地圖輸出及注意事項(xiàng)等。實(shí)驗(yàn)4主要包括空間數(shù)據(jù)插值、空間數(shù)據(jù)疊加、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析、水文分析及GIS建模方法。以上4個(gè)實(shí)驗(yàn)，都需要學(xué)生獨(dú)立完成，并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，作為實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考核的依據(jù)。

二、“地理信息系統(tǒng)”課程教學(xué)模式的改革

(一)研究型教學(xué)模式

“GIS”是一門綜合性較強(qiáng)的課程，教學(xué)內(nèi)容較豐富，具有科學(xué)和技術(shù)的統(tǒng)一性、空間的抽象性以及研究對(duì)象的空間變化尺度大等特點(diǎn)。如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，很難取得良好的教學(xué)效果，尤其對(duì)于一些實(shí)踐性強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容，如GIS地圖制圖、數(shù)字高程模型等。因此，必須對(duì)“GIS”課程教學(xué)模式進(jìn)行改革，打破原來以教師講授為主，重理論、輕實(shí)踐的教學(xué)模式，引入學(xué)生課前自學(xué)、課中研討、課后實(shí)驗(yàn)的研究型教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

研究型教學(xué)模式是當(dāng)前廣泛采用的一種培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教學(xué)模式，其主要特點(diǎn)是將學(xué)習(xí)、研究和實(shí)踐進(jìn)行緊密結(jié)合，充分發(fā)揮教師主導(dǎo)、學(xué)生主體的作用。在“GIS”課程教學(xué)過程中，筆者針對(duì)學(xué)生缺乏先修課程知識(shí)、課程內(nèi)容繁多、課時(shí)有限、重理論輕實(shí)踐、教學(xué)模式單一、考核方式不合理等問題，結(jié)合當(dāng)前水土保持與荒漠化防治專業(yè)發(fā)展趨勢(shì)與貴州大學(xué)人才培養(yǎng)的要求，提出了“GIS”課程研究型教學(xué)模式構(gòu)建的思路，見圖1[5]。其具體做法是依據(jù)“GIS”課程教學(xué)地位、目標(biāo)、要求及研究型教學(xué)的特點(diǎn)和方法，將“GIS”課程教學(xué)環(huán)節(jié)分為理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)2大部分，在每個(gè)部分安排相應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)。通過各教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施，讓學(xué)生掌握GIS的基本理論與方法，并能夠運(yùn)用這些知識(shí)對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行分析推演。

圖1 “地理信息系統(tǒng)”課程研究型教學(xué)模式的構(gòu)建

(二)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

在“GIS”課程課堂教學(xué)活動(dòng)中，筆者借鑒翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)，增加了課題研討環(huán)節(jié)。首先，筆者結(jié)合課題的實(shí)際情況提出若干問題；其次，讓學(xué)生針對(duì)這些問題查閱相關(guān)資料；最后，通過學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與教師之間相互提問和解答，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考，得出結(jié)論。這樣做既活躍了課堂氣氛，又增強(qiáng)了學(xué)生探究問題的主動(dòng)性。

三、“地理信息系統(tǒng)”課程考核與評(píng)價(jià)指標(biāo)的改革

考核是檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)掌握程度的直接手段，同時(shí)也是反映教師教學(xué)效果的重要途徑之一。在“GIS”課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式改革的基礎(chǔ)上，筆者對(duì)考核與評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，增加了平時(shí)學(xué)習(xí)情況和實(shí)驗(yàn)(實(shí)踐)能力的考核，見表3。將平時(shí)課堂出勤率、參與課堂討論及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)納入了考核指標(biāo)，并增加了平時(shí)成績占總成績的權(quán)重，目的是鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)手，提高學(xué)生應(yīng)用GIS知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

表3 “地理信息系統(tǒng)”課程考核與評(píng)價(jià)指標(biāo)的內(nèi)容

四、“地理信息系統(tǒng)”課程教學(xué)改革的效果

“GIS”課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式改革取得了明顯的教學(xué)效果。在專業(yè)知識(shí)方面，優(yōu)化了“GIS”課程知識(shí)體系，加深了學(xué)生對(duì)“GIS”課程主要內(nèi)容的理解，提高了學(xué)生應(yīng)用GIS理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力；在教學(xué)活動(dòng)方面，采用研究型教學(xué)模式，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，上課期間學(xué)生參與課堂討論、師生互動(dòng)頻次較以往明顯提高。除個(gè)別學(xué)生因病缺課外，學(xué)生出勤率達(dá)到100%。筆者對(duì)“GIS”課程考核成績分析得出，改革后“GIS”課程及格率達(dá)98%以上，其中最高分96分，平均成績?yōu)?2.7分，特別是在試卷論述題的作答中，學(xué)生基本都能應(yīng)用GIS原理對(duì)問題進(jìn)行詳細(xì)分析，并給出合理的解決方案。學(xué)生掌握了ArcGIS軟件的操作技能，已有12名學(xué)生分3組申請(qǐng)了“大學(xué)生科技創(chuàng)新能力建設(shè)”項(xiàng)目。

總之，“GIS”課程是一門綜合性較強(qiáng)的課程，其內(nèi)容較豐富，具有科學(xué)和技術(shù)的統(tǒng)一性、空間的抽象性。對(duì)于非GIS專業(yè)學(xué)生而言，教師要在有限的教學(xué)時(shí)間安排下，根據(jù)水土保持與荒漠化防治專業(yè)自身的發(fā)展特點(diǎn)和人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合“GIS”課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，建立一套適合“GIS”課程的教學(xué)方法和考核體系是當(dāng)務(wù)之急。

[1] 吳發(fā)啟，王健.水土保持與荒漠化防治專業(yè)課程體系的建設(shè)[J].水土保持通報(bào)，2006，26(4)：56-63.

[2] 吳發(fā)啟，王健.水土保持與荒漠化防治專業(yè)本科培養(yǎng)方案中課程設(shè)置問題的探討[J].中國林業(yè)教育，2012,30(3)：24-27.

[3] 鄭貴洲，吳信才.對(duì)面向21世紀(jì)地理信息系統(tǒng)教育的思考[J].中國地質(zhì)教育，2001(4)：54-56.

[4] 黃杏元,馬勁松.地理信息系統(tǒng)概論[M].3版.北京：高等教育出版社，2008：1-247.

[5] 史東梅，諶云,龍?zhí)珪?huì).“土壤侵蝕原理”研究型教學(xué)方法[J].中國水土保持科學(xué)，2011，9(2)：116-120.

(責(zé)任編輯 孫艷玲)

貴州大學(xué)本科教學(xué)工程建設(shè)項(xiàng)目——“地理信息系統(tǒng)”課程教學(xué)模式改革，項(xiàng)目編號(hào)JG201634。