高校生态学专业GIS课程实验教学改革C-H-I模式探讨

王志杰

(贵州大学 生命科学学院，贵阳 贵州 550025)

1 引言

地理信息系统(GIS)是对地理空间数据进行采集、存储、表达、更新、检索、管理、综合分析与输出的计算机应用技术系统[1]。它是以应用为导向的空间信息技术，强调空间实体及其空间关系，注重空间分析与模拟，是重要的地理空间数据管理和分析工具[2]。GIS功能强大，是用于建立、编辑图形和地理数据库并对其进行空间分析的工具的集合，是与人类发展密切关联的一门信息科学与技术，其本身的科学性和经济性的作用不可估量，因此，GIS被认为是21世纪重要的支柱产业之一[3,4]。

随着GIS自身理论和技术的不断发展，以及在生态学中的广泛应用，扩展了生态学研究的深度和广度，为科学研究工作提供了一种既简单又精确的应用方法。GIS是开展宏观生态学科学研究的基础和关键技术[5]，其通过有效的数据集成和混合的数据结构、独特的地理空间分析能力、快速的空间定位检索和复杂的查询功能、强大的图形创造和可视化表达手段以及地理过程的演化模拟等功能来实现对景观生态学、城市生态学、生态监测与评价和规划的数据集成分析[6～8]。除此之外，GIS有管理、模拟、决策、规划、预测和预报等强大功能，这些功能在生态学应用中起到了实质性的作用[9]。

众多一线教学教师和学者，从GIS在生态学中的应用方面开展了深入的研究，结合各自学校和专业的特色进行该课程改革，并取得了良好的效果[10～12]。然而，GIS课程实验教学质量、学生的GIS软件操作技能水平、以及学生娴熟运用GIS解决具体专业问题的能力提升，依然困扰非GIS专业该课程实验教学的主要内容。本文以贵州大学生态学专业为对象，通过对生态学专业GIS课程实验教学现状和存在的问题的梳理，从GIS课程实验教学内容、教学方法和实验评估3个维度，探索性地提出Continuity-Heuristic-Interactive三位一体的“C-H-I”模式，以期通过全方位、多层次的实验教学模式改革，有效促进学生学习GIS的兴趣和热情，夯实GIS软件技能操作水平牢筑GIS理论和技术知识结构体系，提升学生运用GIS解决生态相关科学研究和具体任务的综合能力，为高校生态学专业培养应用型、复合型高水平GIS专业人才积累一条科学、有效地的途径。

2 GIS课程实验教学现状与存在的问题

GIS课程是一门应用性极强的专业课程，在大多数高校的非GIS专业中，该课程的性质大都为专业选修课或专业必修课，课程教学分为理论讲授和实验实训两个部分，其中，在实验教学方面，大都是参照相关的地理信息系统实验教程，通过集中讲授或演示，结合学生课后练习的方式，达到实验教学的目的。归纳起来，传统的GIS课程实验教学存在如下问题。

2.1 实验内容设置分散

传统的GIS课程实验课程内容设置时，往往仅关注分散的知识点的堆砌，实验内容主要有数字化、空间属性数据库建立、矢量和栅格数据空间分析、数字地形分析、地图制图等相关的技术操作的练习，各实验内容多使用不同区域、不同类型的数据，虽然在实验内容整体上体现了GIS课程的基本操作技能培养，如图像校正、裁剪、拼接；数字化及拓扑检查；数据库建立；矢量数据叠置分析、缓冲区分析、网络分析；以及坡度、坡向等地形因子提取分析；地图渲染与地图制图等内容，但由于实验区域和数据各异，实验内容之间没有关联性，无法真正使学生在练习了大量的GIS软件操作后理解不同实验项目之间的相互关系，更遑论掌握和熟练应用GIS解决具体的科学问题。

2.2 实验教学方法单一

传统的课程GIS实验教学多以演示型实验教学为主。在此过程中，学生对相关实验的技术环节很难有深刻的领会和理解。被动的模仿练习，往往无法使学生在自我学习过程中，发现、分析并解决问题。并且，由于GIS软件诸多功能之间大量的功能交叉，学生在模仿练习操作过程中，依照“标准答案”完成具体的实验操作，无法深刻理解GIS软件不同功能之间的内在联系，不能娴熟地运用多种方法解决同一问题，导致某一功能无法完成预期任务后，学生无从下手，进而丧失学习兴趣，使GIS课程实验教学流于形式。

2.3 实验结果评价缺失

实验报告是学生练习GIS软件操作的综合表现，集中反映了教师实验教学的效果、学生掌握GIS软件操作的水平。通过对实验报告的总结和评价，可以及时发现实验教学过程和学生练习软件操作时存在的问题，进而更加有效地提升实验教学质量和学生掌握软件操作技能的水平。然而，传统的GIS实验教学，对实验结果的总结评价严重缺失，通常学生在提交实验报告后，教师根据实验报告的情况，判定成绩作为期末考核的其中一项依据。教师很少通过实验报告去发现、提炼实验教学中存在的问题，并加以改变；学生很难通过实验报告去了解自身的不足，无法提升GIS的综合应用技能。

3 GIS课程实验教学C-H-I模式

针对传统GIS课程实验教学在实验内容、教学方法和实验结果评价等方面存在的问题，本文提出连续性(Continuity)实验内容设计、启发性(Heuristic)实验教学方法和互动式(Interactive)实验结果评价三位一体的C-H-I实验教学模式，以使学生通过GIS课程实验学习和训练，在掌握GIS软件基本操作技能的基础上，切实提高GIS软件应用技能水平，能娴熟地运用GIS解决具体专业问题。

3.1 连续性实验内容设计

围绕GIS课程实验教学的基本要求和需要学生掌握的基本技能，设计1～2个综合型实验项目，整合相关实验内容和技术操作，并根据工作量大小，拆解为若干个小实验。学生依次完成各个小实验，逐个掌握相应的GIS软件操作技能，最终完成综合型实验项目。即通过连续性实验内容设计，促使学生在掌握各小实验基本技能操作的基础上，深刻领会和理解不同实验之间的内在关联性和逻辑性，强化学生对GIS软件技能操作的理论和技术知识体系，实现娴熟运用GIS解决具体科学问题的基本素养，达到既积跬步，又至千里的教学目的。另一方面，还可以最大程度地避免学生对实验任务的侥幸心理，促使学生必须精益求精的完成每一个实验内容，以保证下一个实验内容的顺利开展，养成“学会、学好、学精、学成”的良好学习习惯和学习态度。

3.2 启发性实验教学方法

在实验教学过程中，尽可能减少演示性操作讲解。在各具体实验操作讲解之前，首先从整体上说明若干个小实验与综合型实验之间的逻辑关系；然后重点讲解各实验内容所用到的功能或工具，以及各功能和工具在操作过程中的注意事项与可能出现的问题及其解决方案；在此基础上，通过引导性的示范操作，采取边示范，边鼓励学生积极思考的方式，由学生根据自身知识储备和个人理解提出相应的解决办法，师生共同见证操作结果。对于有分歧的解决方案，鼓励学生大胆尝试，在尝试中共同发现优劣并分析其中的内在原因，达到切实掌握和理解各软件功能和工具的运行规律和操作技能的目的。通过启发性实验教学，彻底改变传统的“教师讲，学生被动接受”的填鸭式教学模式，转变为学生“主动参与课堂，积极融入课堂”的互动性教学模式，促使学生发挥主观能动性进行自我思考，培养学生的发散思维，培育学生勇于创新、敢于尝试的探索和钻研意识。

3.3 互动式实验结果评价

改变传统的实验结果(报告)由教师判分入档的考核模式，对所有学生的实验报告和数据成果，采取师生共同探讨分析的方式，逐个展示每个学生的数据结果，从数据格式、数据内容、呈现方式、报告撰写等方面，由全体师生共同观摩研讨，发现和发掘各实验中亮点特色和存在的问题，对于共性问题，进行二次讲解和剖析，务必使学生彻底掌握该类问题的操作技能；对于个别的典型问题，深入剖析和揭示其出现的原因和可能的解决办法，使学生深刻理解该类问题的操作规范；对于实验中表现突出的好成果，共同学习和鉴赏，使学生切实了解相关操作应该达到的效果。通过师生互动点评的方式，一方面，可以及时发现学生在实验操作过程中存在的问题和不足，通过相互学习，促使所有人在具体操作过程中规避可能出现的状况，达到他山之石可以攻玉的共同进步目的；另一方面，可以促使教师及时发现实验教学中的不足，及时予以补救性讲授；可以促使学生及时发现自身与其他同学的差距，形成“赶比超”的学习氛围。此外，对于每个学生实验成果中的亮点，秉承“每个人都需要被肯定”的心理学理论，通过当众表扬和肯定，激发学生的学习热情，提升学生的自信心，达到寓教于乐、事半功倍的效果。

4 结语

GIS是解决宏观生态学问题的基础和关键技术[5]。高校生态学专业开设GIS课程，其主要目的是使学生通过GIS相关理论、技术和方法的学习和实践，掌握一种解决生态专业领域科学问题的新技术和新方法，以提高学生未来从事宏观生态相关科学研究和服务社会的综合能力，培养生态学专业的GIS应用型、复合型高水平人才[13]。根据生态学专业的特点和培养目标，在生态学专业的GIS课程实验教学过程中，除了GIS的相关基础理论知识的讲授外，通过实验内容的连续性设计优化、启发性教学方法引导和互动性实验结果评价，着重学生的GIS空间思维和逻辑思维培育，GIS理论和技术知识结构体系构建，GIS软件基本操作基础夯实，学习兴趣和热情的培养，综合实际应用和操作技能水平提升，以切实有效地促进学生GIS专业技能，提高GIS课程实验教学质量，实现非GIS专业学生能娴熟运用GIS理论和技术解决具体专业问题的要求。