面向水文专业GIS课程的教学改革探讨

常文娟　马海波

三峡大学水利与环境学院　湖北宜昌　443002

面向水文专业GIS课程的教学改革探讨

常文娟马海波

三峡大学水利与环境学院湖北宜昌443002

教学环境下如何有效发挥GIS应用软件优势，提升水文专业学生GIS应用能力是新时期教学工作的一项新探索。探讨了面向水文专业地理信息系统课程OBE教学模式，重点阐述了以学生成果产出为导向的OBE教学理念中教学内容优化和“1+1”跨学科授课模式，旨在提升课堂教学质量，培养学生的创新应用能力。

GIS；教学改革；OBE理念

随着数字地球、数字中国、数字水利等概念的提出，工程水利向资源水利、传统水利向现代化水利和可持续发展水利的转变，水利信息化是水利现代化的必由之路。作为全球信息化浪潮重要组成部分的地理信息系统（Geographic Information Systems，简称GIS）已逐步向专业应用层面转换。目前，GIS技术以其强大的空间信息管理与分析功能，广泛应用于数字流域的构建、水文预报与模拟、工程水文计算以及洪旱灾害风险管理等水文水资源研究领域。在高校教学方面，全国开设GIS课程的高校很多，涉及的专业也很多，有GIS专业、测绘专业、资源环境与城乡规划管理专业、水文与水资源工程等专业，为适应行业发展新变化，满足学生专业应用能力培养需求，众多高校根据自身专业定位、专业发展方向，开展了针对性的应用能力培养教学实践。

“十三五”期间高等教育提出了新的战略任务：提高教学水平和创新能力，争创一流大学和一流学科，优化学科专业布局和人才培养机制，具备条件的高校向应用型转变。在此背景下，本文立足于培养面向水文与水资源工程专业（以下简称“水文专业”）的应用型高级工程技术人才，基于OBE（Outcome-Based Education）理念，结合社会对水文专业能力需求在应用能力培养环节开展水文专业GIS课程教学改革研究，力图提升学生熟练运用ArcGIS软件解决水文专业相关问题的能力。

OBE理念是以学生为中心，以学生成果产出为导向，持续质量改进的一种新的教育模式。该模式强调以学生为中心理念要贯穿整个教学设计全过程，教学目标要围绕学生专业能力培养，教学内容要根据学生的期望而设计，课程师资要面向全体学生达成预期目标来配备。基于OBE理念的教学模式就是要更新传统GIS课堂教学理念，将教学与科研相结合，理论研究与实践探索相结合，对现有水文专业GIS应用能力培养教学体系、教学教材建设等方面进行改革，凝练特色，按照专业建设要求提出改革建设方案，依据建设方案进行改革并反馈完善。本文仅就OBE教学模式中以学生成果产出为导向的教学内容优化设计和以学生为中心的授课教师配备进行探讨。

1　教学内容优化

针对GIS课程教学内容授课对象为水文专本科学生，设计突出专业特点的GIS课程教学方案和教学目标，研究协同运用计算机辅助教学方式，创新在教学环境下ArcGIS应用软件的安装与运用，构建系统的基于ArcGIS平台的水文专业应用能力培养教学课程体系，研究从理论到应用的衔接，加强基于GIS的专业拓展应用课程的建设，推进专业人才培养与社会实践相结合。以学生成果产出为导向，开发基于GIS的水文专业拓展课程教学内容优化，具体体现在以下几方面。

（1）设计基于GIS的数字流域构建方案，探讨GIS水文分析模块在流域划分、地形分析、河网提取等方面所采用的算法和原理，实现流域特征（如下垫面特征、水系、河网等）的自动提取以及子流域的划分，为进一步构建数字流域和数字水文模拟提供基础信息平台。

以数字流域构建大作业成果产出为导向，将GIS数字流域构建融入课堂，分为课堂讲解和学生上机操作实践两大部分。GIS数字流域构建主要包括DEM原始高程数据获取，采用Hydrology分析模块河网水系提取及子流域划分等内容，如河网水系提取的主要流程为：①利用GIS洼地填充：Arc Toolbox→Spatial Analyst Tools→Hydrology→Fill；②确定水流流向：Spatial Analyst Tools→Hydrology→Flow Direction；③计算汇流累积量：Spatial Analyst Tools→Hydrology→Flow Accumulation；④依据汇流累积量生成河网：Spatial analyst工具栏→raster calculator栅格计算；⑤汇流累积图上寻找流域出口点：Spatial Analyst Tools→Hydrology→Snap pour point；⑥根据流域出口点提取子流域：Spatial Analyst Tools→Hydrology→watershed；⑦根据流域边界裁出流域水系： Spatial Analyst Tools→Extraction→Extract by Mask。

在上述提取的河网水系基础上，可进行水文模型建模，如采用分布式流域水文模型——SWAT模型，将流域划分为多个子流域，以水文响应单元为基本计算单元，与水文专业核心课程水文预报相结合，通过推求净雨，进行汇流演算，从而确定流域出口断面的流量。本案例将学生所学的专业知识融入到GIS课堂教学之中，引导学生应用GIS解决专业问题，逐步培养学生GIS应用创新能力。

在GIS课程实际教学过程中，教学内容设计与专业紧密结合，以学生成果产出为导向，按照上述思路进行授课，将抽象的数字高程模型（如图1所示）提取为形象的河网水系（如图2所示），构建南盘江上游西桥水文站以上区域的SWAT模型，将全流域划分为36个子流域（如图2所示），进行径流模拟，进一步加深学生的专业认识。通过上机操作实践和课后每人一例的数字流域构建大作业，激发学生学习热情，取得了很好的教学效果。教学质量评价由良好变为优秀，实现我校GIS课程教学向专业拓展的突破。

图1　DEM图

图2　子流域划分图

（2）设计GIS技术在工程水文分析计算中应用专题。利用组建式GIS技术，构建以Hydrology分析模块和3D Analys模块等为依托，耦合图层编辑、空间分析、专题地图制作，提取流域水文参数，进行工程水文计算。例如，在上述提取的河网水系中可计算河长、流域集水面积等流域水文参数，进而由流量、暴雨或推理公式推求设计洪水过程及设计洪水地区组成。

（3）设计GIS在洪/旱灾害风险管理中的应用专题。利用GIS技术空间、属性数据统计分析、管理和可视化功能，开发GIS在防洪/旱灾风险图编制方面的教学案例。如在数字化流域基础上，结合水文预报所学的河道洪水演进马斯京根法，模拟洪水的演进过程（如图3所示）。

图3　河道洪水演进过程

2　“1+1”跨学科授课

目前，多数高校GIS课程主要由GIS专业教师负责讲授，教学模式单一化，即不论所面对学生的专业背景，教师通常按照统一的模式授课，由于授课教师没有其他专业学科背景，授课内容专业针对性不强，缺乏和专业应用的深度融合。部分高校GIS课程由专业课教师负责讲授，由于专业课教师侧重的是GIS的专业应用，对GIS的基础理论知识掌握不足，因此在相应的教学过程中对于GIS基础原理缺乏重点的平铺式讲授。

上述两种不同专业背景教师授课模式直接导致非GIS专业学生学完这门课程后，往往会出现这样的两种情况，一是“只知原理不会应用”；二是“只会软件应用不知原理”。原理和软件应用只知其一，非GIS专业学生在实际工作中不能将GIS与各自专业深度融合。基于此，本文建议针对非GIS专业，如水文专业学生GIS课程授课以课程为导向，授课教师跨学院、跨学科、跨专业，实施“1位GIS专业教师基础理论授课+1位水文专业教师专业应用授课”（简称“1+1”授课模式）跨学科课堂教学模式改革，同时，强调以学生成果产出为导向的教学模式，教师教学和学生学习过程互动持续改进。

由于地信专业和水文专业隶属于两个不同的学科，分别划归不同学院，需学校层面统筹协调，今后GIS课程教学中将努力推动这套“强强联合”的跨学科授课模式。

3　结束语

本文对水文专业GIS课程以学生成果产出为导向的OBE理念教学中教学内容优化和“1+1”跨学科授课模式进行探索。下一阶段将基于OBE理念，通过研究制定切实可行的面向水文专业的GIS应用能力培养体系，并进一步持续改进，强化水文应用能力培养实践教学，创新GIS专业拓展新思路，培养一批适应经济社会发展需求的“高素质、强能力、应用型”的高级专门人才，并集成取得的有效经验和实践效果。

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Study on Teaching Reform of GIS Course in the Major of Hydrology and Water Resources Engineering

Chang Wenjuan， Ma Haibo
College of Hydraulic & Environmental Engineering， China Three Gorges University， Yichang， 443002， China

How to effectively take the advantages of GIS application software in theteaching environment，and upgrade GIS application abil ityofhydrologicalprofessionalundergraduates，is a new teaching exploration of the new period. This paper discusses geographic information system Course forprofessional hydrologybased on Outcome-Based Education teaching pattern.Moreover， focuses on students' achievement output oriented OBE teaching idea for teaching contents optimization and "1 + 1" interdisciplinary teaching pattern， aims to enhance the quality of the class teaching and cultivate the innovativeapplicationability of students.

GIS； teaching reform； OBE concept

2016-05-30

常文娟，博士，讲师。

三峡大学教学研究项目（编号：J2014003）。