“3S技术”课程案例教学的研究

刘 健 余坤勇 赖日文 章若鸿 洪 葳

(福建农林大学林学院,福州 350002)

3S技术,即遥感(Remote Sensing,RS)、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)和地理信息系统(Geographical Information System,GIS)的统称[1]。3S技术已广泛应用于工业、农业、交通、军事、通讯等行业和部门,成为世界各国角逐尖端技术的热点。3S技术的广泛适用性和广阔的发展前景,吸引众多高校纷纷开设“3S技术”课程。各高校在讲授“3S技术”课程的教学实践中,不断地进行教学方法的探索与研究,以促进课程教学质量的提高[2]。

福建农林大学依托于林学专业,从20世纪50—60年代开始就开设了与3S技术相关的课程,到21世纪初,通过较大规模的教学改革,课程得到了长足发展。2007年,“3S技术”课程被确定为福建农林大学校级精品课程;2009年,被确定为福建省精品课程。“3S技术”课程教学团队以此为契机,围绕制约课程发展的瓶颈问题,探索并研究了案例教学模式在课程教学中的应用,以促进学生更有效地理解理论知识、掌握实际操作,使课程教学水平有了新的跨越。

“3S技术”课程案例教学,从学生的角度出发,开展启发式教学;按学生接受新知识的思维方式,强调了基础知识、重点和难点知识,突出演示了3S技术对遥感图像的处理、解译、分类等具体的操作方法,从而增强了学生对3S技术的理解和掌握,提高了学生的实践能力和操作能力;并适时引入3S技术的新成果,以多媒体为教学媒介,以不同地区的多源遥感图像为课件材料,添加了新鲜的知识元素,丰富了教学内容,活跃了课堂气氛,从而调动了学生学习的积极性,挖掘了学生的自学潜力。

一、“3S技术”课程教学分析

为了完善“3S技术”课程教学、选择适合教师教学和贴近学生学习的教学案例,福建农林大学从学生的角度出发,设计了内容客观、重点突出的课程调查问卷(问卷内容略)。通过对参加“3S技术”课程学习的学生进行问卷调查发现,学生普遍感到“3S技术”课程教学内容多、涉及范围广,但安排的课程学时较少,仅通过课程教学难以理解与掌握相关的基础知识;课程的理论讲授过多,动手实践机会相对较少;课程没有结合不同专业学生各自的专业要求,缺乏针对性。

(一)“3S技术”课程的特点

1.内容丰富且涉及范围广

一方面,3S技术涵盖的内容丰富。“3S技术”课程的教学内容包括空间信息技术基础、GPS的构成、全球定位系统定位方法和测量、遥感系统和遥感技术的物理基础、遥感技术系统、遥感图像处理技术、GIS的组成和功能、空间数据的结构、空间数据分析和3S技术的应用等;同时,在教学实践中,还要积极引入3S技术前沿知识,扩充适合不同专业特点的教学内容,所以“3S技术”课程教学涉及范围广。

另一方面,3S技术的应用领域不断扩展,成为多学科交融的纽带。众所周知,林业是与3S技术最为密切的行业之一[3]。在林学专业的教学实践中,信息技术已成为现代林业的重要支撑,3S技术在森林资源调查、规划、管理、监测、评价、预测预报、决策等各个环节中的核心作用已经日益凸显。不仅如此,3S技术在资源环境与城乡规划管理等专业中也发挥着重要作用。从城乡规划、城乡管理、构建数字化城乡体系和城乡防灾监测等方面来看,3S技术将为推动城乡经济、社会和谐发展提供强大动力。

2.信息技术含量高

3S技术是地理信息科学的核心内容,而地理信息科学又是3S技术的广义定义。从广义的角度来看,“3S技术”课程教学内容的信息技术含量高,主要体现在以下方面:第一,3S技术是以GIS作为多种学科集成的基础平台来搜索、存储、管理和分析空间信息数据,以RS、GPS投影测量和GPS作为快速获取和更新地理信息的主要技术手段,并利用地图学和图像图形学实现地理信息的表示、分析和处理以及地理信息成果的表达和显示的集成技术;第二,3S技术是人工智能化的技术体系,如专家系统(ES)和人工神经网络,使数据采集、更新、分析和应用更加自动化、智能化,并采用现代通讯技术为地理信息在各部门的传播和应用提供保证,从而满足决策层次的应用需求;第三,3S技术作为空间信息技术的代名词,包含了卫星通信、航天航空遥感、卫星定位技术和地理信息系统技术等专业领域,已成为当前人类快速获取大区域地球动态和定位信息的唯一手段[4-5]。

3.实践性和综合性强

实践性强不仅是“3S技术”课程教学内容的特点之一,更是3S技术采集、量测、分析、存储、管理、显示、传播以及应用与地理、空间分布相关数据的关键技术手段的要求。在“3S技术”课程教学中,RS、GIS和GPS仪器使用以及软件操作是掌握3S技术的必要环节,也是3S技术的丰富内容和广泛应用的实现方式。3S技术是复杂的、开放的、动态的,是RS、GIS和GPS集成的综合发展的学科。在实践过程中,各个“S”不是独立的,只有突出3S技术的集成性、综合性,加强实践应用,才能发挥其数据收集、空间分析和综合处理的功能,从而为管理和决策提供依据;也才能使学生综合掌握各个“S”在专题研究中的作用,实现3S技术的理论教学与实践教学相结合,从而提升学生的动手能力和实践能力。

(二)“3S技术”课程教学的现状

1.理论与实践没有有效结合

目前,“3S技术”课程的教学课时相对较少,教学内容多以理论教学为主,实验和实习环节受到多方面的限制而无法达到预期效果。高校在大部分专业都安排了“3S技术”课程的实验操作和实习环节,但是,受课程总学时较少的限制,课程实践环节的时间常常得不到保证;同时,由于在动手实践与理论学习之间缺少较完整的、生动的观摩学习,所以学生对3S技术的实际操作与应用并无较强的感性认识,难以将3S技术的理论与应用实践有效地结合起来。

2.与各专业结合的特色不突出

3S技术不是一门独立发展的学科,需要与林学、地理学等其他学科紧密结合。通过学习“3S技术”课程,不同专业的学生应当能够结合本专业的要求实现3S技术在各自专业领域的有效应用。但是,目前“3S技术”课程的教学忽略了不同专业的差异性和各自的应用方向,与各专业结合的特色不突出。例如,无论是在林学、森林资源保护与游憩、水土保持与荒漠化防治等农(林)学专业,还是在资源环境与城乡规划管理、生态学等理学专业;无论是作为专业基础课,还是作为专业选修课,“3S技术”课程的教学内容基本一致,实验和实习环节也没有差异。

二、“3S技术”课程案例教学的重要性与必要性

3S技术是信息时代的前沿技术。在高校的各专业中,3S技术在林业资源调查与管理、土地利用动态监测、湿地生态环境保护、水土保持与荒漠化防治等领域的应用最广。同时,多媒体教学是现代教学形式的象征,具备了高速度、信息量大的特点,几乎成为现代化教学的代名词[4]。近年来,多媒体教学中的案例教学法效果显著,深受一线教师的青睐。案例教学在“3S技术”课程中的应用,可充分运用多媒体教学手段,突出3S技术的特点,激发学生的学习兴趣,提高课程教学质量。

(一)案例教学将3S技术前沿知识引入课堂教学

随着信息技术的发展、数字地球时代的到来,3S技术及其相关领域的前沿技术不断涌现,高校的教学改革也不断深化[6-7]。福建农林大学在“3S技术”课程的教学改革与实践探索中,提出要密切关注3S技术的动态发展,及时更新课程教学内容;要利用案例教学,将最新的科研成果引入课堂。这样,不仅可以做到理论知识的实时更新,而且能够很好地兼顾科研与教学,以教学促进科研,以科研丰富教学。

(二)案例教学贯穿于3S技术理论知识讲授及其实践教学

“3S技术”课程需要为学生创造良好的实验、实习条件,让学生系统、综合地实现理论与实践的连贯和掌握,从而巩固专业基础知识[8]。遥感数据预处理、图像解译与应用、图像分类、GIS空间分析等,都是在3S技术的基础上运用一些遥感图像处理软件(如 ERDAS IMAGING、ArcGIS)进行操作的。对多光谱图像、海量遥感数据和地理空间信息等教学内容,用传统的“粉笔+黑板”式教学是无法完成的。因此,福建农林大学在运用传统教学手段讲授3S技术理论知识的基础上,探索了案例教学模式,以多媒体形式演示了实验的操作过程,将传统与现代的教学手段有机地结合起来。

例如,通过编制“植被复合指数如NDVI指数的提取以体现比值增强处理应用”和“地物光谱特征分析”教学案例,将典型案例贯穿于理论知识与课程实验教学两者之间,有助于学生理解“遥感系统和遥感技术的物理基础”的理论知识,并进一步掌握“地物光谱反射率的野外测定”的实验操作。再如,通过编制“野外数据采集GPS控制网构建分析”教学案例,加强了“GPS的构成、全球定位系统定位方法和测量”的理论讲授与“手持GPS野外样点数据的采集”的实习内容的紧密结合。由此可见,案例教学不仅是连接理论教学与实践教学的桥梁,而且为教师的课堂演示与学生课后的自学和复习搭建了平台。

(三)案例教学有利于巩固学生的基础知识和拓展实践环节

针对学生在“3S技术”课程学习中普遍感到的基础薄弱、学习难度较大的问题,案例教学提出根据学生的基础和教学现状,调整教学内容,转变教学观念,建立教师引导教学、学生主动学习的启发式教学模式。启发式教学模式在一定程度上巩固了学生的基础知识,同时通过案例教学为学生提供了直观学习和实际操作的机会,使学生所学的理论知识在实验、实习过程中得以应用。

例如,编制的“空间叠加分析”和“地形因子提取”教学案例,对应的“3S技术”课程教学基础知识部分主要包括GIS的组成和功能以及空间数据分析。由于这2个教学案例侧重于介绍3S技术软件在空间数据分析功能方面的操作过程,所以对学生巩固基础知识、进一步深入理解GIS的组成和功能、将知识应用于3S技术实验环节等有很大的帮助。再如,编制的“城市规划空间分析综合应用”教学案例,使学生不仅奠定了扎实的基础知识,而且对空间信息技术和3S技术的应用有了较为全面、系统、宏观的把握。

(四)案例教学以专业特色为基础,有利于强化实践的目的性

案例教学既可以加深学生对共同需求的专业知识的理解;又可以通过设计与不同专业相对应的不同业务部门的案例,以解决“3S技术”课程教学忽视学生各自专业背景的问题。在“3S技术”课程教学过程中,丰富的教学案例为教师提供了选择余地。教师可以根据不同专业的要求,选择与之配套的教学案例进行详细得当的讲解和演示;而学生完全可以根据自己的兴趣和发展要求各取所需、自主学习。

三、“3S技术”课程案例教学的设计

就国内3S技术的教学现状看,多媒体计算机辅助教学已经得到普遍推广[9]。多媒体教学课件的应用与传统的教师授课方式紧密结合,不仅丰富了教学内容,也活跃了课堂气氛,调动了学生学习的积极性,加深了学生对知识的理解和巩固。随着3S技术的日益发展,“3S技术”课程的教学改革与探索也在不断深入,案例教学法开始在“3S技术”课程教学中受到重视。

(一)案例教学的设计思路

“3S技术”课程案例教学的设计思路是:遵循科学、实用、简洁的设计原则,在课程现有教学方式的基础上加以改进,从学生的角度出发,突出“3S技术”课程教学内容丰富、应用领域广泛、信息技术先进、操作实践性强等特点;并在一定程度上解决课程教材更新缓慢、实践教学环节薄弱、与专业的结合不紧密、专业特色不明显等问题,充分发挥案例教学方式的优势[10]。

1.突出3S技术软硬件的操作

RS、GIS和GPS仪器的使用以及软件操作是掌握3S技术的重要环节。基于3S技术操作性强的特点,教学案例的编制一方面以植被NDVI等复合指数提取、缨帽变换提取应用、地物光谱特征分析等为基础分析案例,利用ERDAS IMAGINE遥感图像处理软件进行遥感数据预处理、遥感图像的解译和分类等;另一方面,采用ArcGIS地理信息系统空间分析软件,以城市规划空间分析综合应用为例,进行GIS空间信息技术基础分析,强调3S技术实践应用的综合性。教学案例的选择从遥感系统和遥感技术的物理基础、遥感图像处理技术到GIS的组成和功能、GIS空间数据分析,再扩展到空间信息技术基础和3S技术的应用以及GPS的构成、全球定位系统定位方法和测量,从不同的技术层面突出3S技术及软件的应用和操作。

2.强调理论教学与实践环节的紧密结合

“3S技术”课程教学以课堂理论教学为出发点,并延伸到实践教学环节,通过案例教学连接理论知识讲授与实践教学2个环节,以巩固学生的基础知识。在理论教学中,GPS基础控制网建立的理论与技术、数字图像的预处理和信息的提取、GIS空间分析功能的实现等知识点是“3S技术”课程的重点和难点内容;而实践教学的知识点主要包括手持GPS的定位、信息采集、面积测量,差分GPS控制网的布设,遥感图像预处理,遥感图像专题信息提取,GIS空间数据结构建设,专题图的编制等内容。在设计教学案例时,既要反映理论知识的重点和难点,又要包含实践操作的主要环节。例如,“野外数据采集GPS控制网构建分析”和“水土保持侵蚀模数综合应用”这2个教学案例,就很好地强调了3S技术理论教学与实践环节的紧密结合。

3.强调将科研成果引进课堂教学

把科研成果引入课堂,是科研成果推广的一种体现。对“3S技术”这门涵盖了较多抽象知识且操作性很强的课程而言,面临的首要问题是“如何把科研成果引入课堂并使学生容易接受和消化”,也就是要求编制的教学案例应有利于学生较快地、全面地掌握引入课堂的科研成果,做到使学生“知源、知取、知用”。

例如,在讲授“比值增强处理”时,学生比较容易理解比值增强的作用及原理,但难以理解比值增强后的图与原图在感性上有什么样的变化和差异。这时,如果将相关的科研成果制作成教学案例,在相应的理论知识点上有针对性地展示,引导学生思考、理解;并利用学生熟悉的专业研究领域增强案例教学的感染力,则可以提高学生学习理论知识和解决实际问题的意识、兴趣和水平,发挥科研成果引进课堂的重要作用。

4.强调与各专业相结合的特色教学

在设计“3S技术”课程教学案例时,必须从专业背景知识、实验操作过程和实际应用3个方面展示3S技术在不同专业领域的综合应用,突出与各专业相结合的特色教学。因此,“3S技术”课程要根据所面向的不同专业,以3S技术的最新科研成果为素材,利用学生所熟悉的专业研究领域,结合各专业学生各自的信息技术基础,选择能够综合反应专业特色的典型案例。例如,“水土保持侵蚀模数综合应用”“城市规划空间分析综合应用”和“生态学景观格局分析综合应用”分别是适用于水土保持与荒漠化防治、资源环境与城乡规划管理和生态学专业的教学案例。

(二)案例教学的案例选择

3S技术的教学重点不仅包括信息技术基础、3S技术的概念和原理,还包括3S技术在经济社会各领域的应用。“3S技术”是一门理论与实际紧密结合的学科,具有很强的实际操作性和学科综合性。对“3S技术”课程来说,其教学实践所需要讲解的知识点具有容量大、范围广的特点,所以在制作多媒体教学案例时,无法做到面面俱到。因此,选择既具有3S技术教学典型性又能体现其实际操作性和综合应用性特点的教学案例,就成为“3S技术”教学课件设计的关键。

第一,从教学的角度来考虑,将“3S技术”课程的知识点进行整理、分类、筛选,所选择的教学案例要能够反映教学的重点、难点,特别是要涵盖大量出现在信息技术基础操作中的知识点;同时,要能够及时地将3S技术的前沿知识和最新的科研成果引进课堂,以拓宽学生的知识面。

第二,从学生学习的角度出发,收集学生难以理解的、认识模糊的知识点,所选择的教学案例要突出3S技术及应用软件的基础操作;要以学生熟悉的环境作为研究区域,选择具有综合应用性特点的素材,以增强案例教学的感染力。

第三,从课程本身的知识点出发,所选择的教学案例要兼顾到知识点的全面性,既要有3S技术的数据信息处理知识,又要包括3S技术的综合应用知识;同时,还要突出GPS基础控制网建立的理论与技术、数字图像的预处理和信息的提取、GIS空间分析功能的实现等重点和难点知识,突出不同专业的特色。这样才能使案例教学发挥全面的作用。

综上所述,笔者在选择“3S技术”课程教学案例素材时,首先从RS技术基础出发,主要涉及遥感影像处理、信息采集等知识点;进而联系GIS和GPS,设计4个综合应用性案例(主要涵盖空间信息分析方面的知识)。这样,共建立了10个教学案例(详见表1)。

表1 “3S技术”课程教学案例

(三)案例教学课件的制作

1.资料收集

案例教学课件的资料收集,应以学生熟悉的环境为研究区域,要有助于背景知识、基础原理的理解以及操作方法在实际中的应用。福建农林大学制作的“3S技术”课程案例教学课件,多采用福建农林大学的校园影像图和福建省内的相关资料,具体包括福建农林大学QuickBird等影像、DEM 数据,龙岩市遥感影像、DEM数据、土地利用现状图,漳浦县DEM数据等。

2.课件制作

案例教学课件的制作,主要选用 WebEX Recorder录制软件、Swish Max课件制作软件等,遵循需求、科学、实用、简洁的设计原则;具体内容包括动画制作与文档编辑、修缮2部分。

(1)动画制作

录制案例是“3S技术”案例教学课件制作的主体部分,是运用录制软件WebEX Recorder,将ERDAS IMAGINE对遥感影像进行解译、光谱增强处理、地形分析、信息提取等操作步骤,在 Windows Desktop下的演示过程都录制下来[11]。这样,学生在自学或课后复习的时候,就可以通过多媒体播放再现课堂上教师的操作过程,又直观又方便;同时,教师在课前录制好案例的操作过程,也便于在课堂上演示,有利于活跃课堂气氛。

(2)文档编辑、修缮

编辑完善案例教学课件,基本上可分为2个部分:一是运用Swish Max课件制作软件编写案例相关的背景文字,并加上各种特效,以美化课件。二是利用WebEX Recording Editor编辑工具对所录制案例的操作文件进行修改,例如删除一些不必要的部分,修改部分差错,或是加入一段录像等;更为重要的是将Swish Max制作的文字信息与 WebEX Recorder录制的案例操作过程一一对应。

福建农林大学在林学、生态学、资源环境与城乡规划管理、水土保持与荒漠化防治等专业开设了“3S技术”课程。“3S技术”课程教学团队从学生的角度出发,针对学生学习3S技术所面临的难题,结合各专业的特色,探索并研究了案例教学模式在课程教学中的应用。案例教学为“3S技术”课程教学提供了新方案、新模式,初步解决了“3S技术”教学实践过程中存在的问题;将科研成果引入课堂教学,充分发挥了助学、助教功能,有利于丰富教学内容、激发学生兴趣、提高教学效率、提升教学效果。随着3S技术的不断发展,“3S技术”课程教学必须跟上技术发展的步伐,而案例教学应继续以“实用”与“创新”为核心,推进“3S技术”课程教学改革和探索的深入。

[1]李德仁.论RS、GPS与GIS集成的定义、理论与关键技术[J].遥感学报,1997(1):64-68.

[2]沙晋明,林志垒,陈芬.遥感课程的教学改革[J].福建地理,2002,17(2):27-28.

[3]刘桂芳,卢鹤立.从数字地球系统看3S技术[J].安阳师范学院学报,2005(2):109-111.

[4]曾文英,王明文.3S技术的发展、现状及其趋势综述[J].新余高专学报,2003,8(2):16-24.

[5]T UCKER C J,TOWNSHEND J R,GOFF T E.Africa land cover classification using satellite data[J].Science,1985,22(7):369-375.

[6]王功文,陈建平.“3S”技术课程在地球科学领域中的教学实践探讨[J].中国地质教育,2007(1):54-56.

[7]LYON J G,YUAN D,LUNET TA R S,et al.A change detection experiment using vegetation indices[J].Photogrammetic Engineering and Remote Sensing,1998,64(2):143-150.

[8]刘健,赖日文,余坤勇,等.“3S技术”课程教学实习的改革与实践[J].福建农林大学学报:哲学社会科学版,2007,10(6):83-85.

[9]张晓丽,冯仲科.林学专业3S技术课程体系研究与实践[J].中国林业教育,2007,25(2):55-58.

[10]赵晔.新课程对课堂教学改革的要求[J].中国科技信息,2005(16):222.

[11]郝光荣,葛平新.“3S”教育与可持续发展[J].中国人口、资源与环境,2001,11(52):154-155.