“新农科”背景下草业科学专业《地理信息系统概论》课程建设与思考

郝媛媛，张德罡，花立民，蒲小鹏

(甘肃农业大学草业学院，甘肃兰州730070)

0 引言

高等农林教育面向“脱贫攻坚、乡村振兴、生态文明和美丽幸福中国建设”等战略需求，主动对接正在全球兴起的第四次产业革命，主动培养能够适应和引领未来农林发展需要的新型人才，是“新农科”建设的主要内容[1]。对于草业科学这一古老而又年轻的农林专业而言，在当前“新农科”建设背景下，更应该着力培养草业现代化的领跑者、牧区振兴的引领者、美丽草原的建设者。地理信息系统(GIS)作为一项应用技术，可在计算机软硬件的支持下实现空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，在解决草业问题上提供新思路、新技术和新方法[2]。现代农业对接第四次产业革命(智能化时代)离不开GIS技术的支持，必须培养能够适应和引领未来农林发展需要的新型人才，包括大量掌握GIS技术的人才。对于“新农科”下的课程体系结构，无论是“三农”情怀通识课程，还是现代科学技术相关课程，甚至是学科专业之间课程的交叉融合和跨界整合，GIS都是一个很好的纽带。因此，在农林院校面向草业科学专业学生开设有关地理信息系统内容的教学，是对草业科学专业内涵的必要扩充，也是贯彻落实“新农科”、响应“安吉共识”“北大仓行动”和“北京指南”的具体要求，同时也对GIS课程教学提出了更高要求。

1 面向草业科学专业学生开展GIS课程的目标

面向草业科学专业学生开展GIS课程的目标主要包括价值、知识、能力和素质目标四个方面(图1)。

图1 面向草业科学专业学生开展GIS课程的目标

1.1 价值方面

树立“学草必要”“学草有用”以及用GIS这一新技术、新理论、新系统保护草地生态系统的正确思想观念。

1.2 知识方面

掌握GIS的基本理论，如GIS的基本概念、组成和功能，地球空间参考、空间数据投影、空间坐标转换、空间尺度、地理格网等GIS基础，空间数据模型、结构、组织和管理以及空间数据采集和处理等方面的基本知识。

1.3 能力方面

具备运用GIS技术有效解决草原“三化(沙化、盐碱化和退化)”、草畜平衡管理决策、草业信息空间分析以及可视化等草业科学相关问题的基本能力。

1.4 素质方面

养成运用GIS相关理论基础分析和研究草业科学相关问题的兴趣和动力，时刻以草地资源保护和可持续发展为学习目标的基本素质。

2 草业科学专业学生学习GIS过程中的问题

在进行草业科学相关问题研究时，GIS是一种有效的工具，能够实现草地空间信息的采集、管理、分析和可视化。但是在草业科学专业培养方案设计中，往往仅将地理信息科学作为一门课程进行讲授，使得学生在学习过程中面临一些问题。

2.1 地理科学理论基础薄弱

草业科学专业在课程设计方面侧重于草地调查规划、草地培育、草地保护、草地生态、牧草及饲料作物育种、栽培、加工贮藏、种子生产加工、草食家畜饲养、牧场经营、草业经济管理、草坪建植与管理等专业和基础知识的学习以及实验操作技能的掌握。测绘、地图、坐标系统、地统计分析等GIS所需地理信息科学基础知识和技能方面有所欠缺，地理学思维相对缺乏。

2.2 空间理解和想象能力亟待提高

学生空间理解和想象能力不足，难以从宏观尺度实现地理对象的抽象化，不能很好地将地学思维转换为计算机语言。尤其是对于概念模型、逻辑模型、物理模型等空间数据模型以及空间数据库的理解尤为不足。

2.3 交叉学科知识储备不足

GIS是一门交叉学科，涉及地理学、数学、计算机科学与技术、测绘科学与技术、地图制图学、数据库理论、软件工程、人工智能等多个学科和领域，而先修课程主要以公共基础课和草学专业课为主，知识储备上无法满足学习GIS的要求。

2.4 类型设置及学时安排不够合理

当前，甘肃农业大学草业学院草业科学专业人才培养方案中GIS课程为大学三年级第一学期专业限选课，2个学分，共48学时，其中理论课40学时，实践课8学时。基础理论课程占比较高，而操作实验、应用案例操作等实践课时太少，相比于兰州大学36学时理论、18学时实践的课程设置，远远不能满足GIS这门技术类课程的教学需求。

3 面向草业科学专业学生开展GIS课程的教学内容及形式改革

3.1 调整培养方案，增加实践占比

培养方案是高校落实人才培养总要求、开展教学教育活动的纲领性文件，也是高校育人能力和改革方向的载体[3]。针对现有培养方案GIS课程类型设置及学时安排不够合理的问题，应在新的培养方案中对GIS课程进行调整，适当增加实践课程的占比，甚至同时增加理论和实践课程的学时。

3.2 注重混合式模式，丰富教学内容

混合式教学就是利用网络大数据技术重塑教学模式[4]，除了传统的线下课堂教师单方面讲授外，还要求学生通过视频、APP等媒体线上预习、复习和讨论。相比于传统的教学模式，混合式教学不但能够促进和加深学生对专业理论知识的理解，而且有助于培养其独立思考能力、辩证思维能力和公共性学术认知等素养[5]。随着“互联网+”技术的兴起和发展，线上线下混合式教学已逐渐取代传统的教学模式，成为现行教学的主流方式[6]。

就草业科学专业《地理信息系统》课程为例，除了线下课堂教学以外，甘肃农业大学利用在线教育综合平台开设《地理信息系统概论》在线课程，利用互联网资源及时向学生分享与所授课程相关的课程资料和视频，丰富教学内容，以帮助学生理解和消化所学知识。

3.3 引入新教学理念，拓宽教学思路

与传统教学(Learning Based Learning)“以教师为主体、以讲课为中心”的教学形式不同，新教学理念(模型)往往“以学生为主体、以问题为中心”，更加注重学生的参与性以及解决问题能力的培养。目前教学中常用的新型的、先进的教学理念(模型)主要有STEAM(Science、Technology、Engineering、Art、Mathematics)[7-10]、PBL(Problem-based Learning)[11-13]、CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate)[14-16]、ESA(Engage、Study、Activate)[17-19]和BOPPPS(Bridge in、Objective、Preassessment、Participatory learning、Postassessment、Summary)[20-22]等。各教学理念(模型)各有特色，在实际教学过程中，针对不同的教学内容灵活透彻地运用某一种或某几种教学理念(模型)无疑是拓宽教学思路、提高教学质量的最佳途径。

BOPPPS是一种以学生为中心、鼓励和激发学生学习兴趣，使学生主动投入或参与学习的教学模式[20-22]。以ArcGIS专题制图为例，引入BOPPPS教学理念(图2)：首先通过大量精美的、有特色的专题地图产品引入主题(导入)，然后确定学习目标，接着提出问题并针对所提问题展开讨论(前测)，进而带领学生实践操作(参与式学习)，再次让学生绘制感兴趣的专题地图并进行展示和点评(后测)，最后对本次课程进行总结。这种模式不但拓宽了教学思路，而且增加了教学的自主性、开放性、探究性、全员性、交互性和系统性[4]以及学生的学习兴趣和学习效果。

图2 BOPPPS模型及其在ArcGIS专题制图中的设计

3.4 多元化教学模式，活跃课堂氛围

在课堂教学过程中，除了传统的讲授式教学模式以外，还可以灵活运用引导启发式、讨论式、辩论式、参与式、任务驱动式、演示式、示例式、混合式、多维互动式等多元化的教学模式。

以空间数据结构为例，在学习栅格数据结构和矢量数据结构时，由学生组成红蓝两支辩论队，围绕“栅格数据结构优于矢量数据结构VS矢量数据结构优于栅格数据结构”展开辩论，学生兴趣浓厚，从课前的查阅资料进行辩论前的准备，到课堂上的唇枪舌剑，再到课后的意犹未尽，既活跃了课堂气氛，又让学生在轻松愉悦的氛围下不知不觉掌握了所学知识并加以融会贯通。

3.5 加强过程性考核，巩固学习成果

过程性考核是对学生日常学习过程中的表现、所取得的成绩以及所反映出的情感、态度、策略等方面的发展做出的评价考核。2018年8月，教育部印发《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》(教高函〔2018〕8号)，强调“要切实加强学习过程考核，加大过程性考核成绩在课程总成绩中的比重”。实施过程性考核应遵循过程性、理解性、评价性和发展性4个原则[23]。于学生而言，出勤、课前预习、课堂提问及讨论、课堂笔记、课后作业、综合性大作业、探究性小论文、团队作业、专题调研报告、教学实践活动、阶段性测验、课程设计等多元化的过程性考核方式[24-25]，不但能够激发学习动力，循序渐进地巩固学习成果，而且有利于调控学习过程，使学生获得成就感，增强自信心，培养合作精神。于教师而言，通过“评价诊断、反馈信息、修正问题、提高质量”等阶段，能够改进教学方法，提高教学效果。

要求学生就所学知识绘制思维导图是过程性考核的一种有效方式，有助于巩固学习成果。以空间数据结构为例，通过思维导图可以掌握学生对于章节内容以及知识点的掌握程度，包括知识点是否覆盖全面、理解的深入透彻等等，在教师和学生查漏补缺的过程中共同进步(学生强化知识短板，教师提高教学效果)。

3.6 聚焦前沿性研究，激发学习兴趣

在授课过程中，结合教师自己的研究方向，以案例形式向学生介绍牧草生长发育模拟、草地生态服务价值模拟、草畜平衡动态模拟、牧区雪灾预警模拟、牧草病虫鼠害监测及防控以及草地植被遥感动态监测等草业科学领域的最新研究进展，或者让学生聆听国内外专家的学术讲座或学术论坛，来认识本领域的科技前沿，激发学生的学习兴趣，更好地引导学生进行职业的深入思考，增强服务“新农科、新草业”的动力。

笔者就以上6项前沿领域针对2017—2019级草业科学专业学生展开调查，要求学生选出最感兴趣的3项。105份调查问卷结果表明，不同年级(图3A)、不同性别(图3B)的学生所感兴趣的前沿领域不同，在实际授课过程中应充分考虑学生的兴趣点，针对不同班级及学生的男女比例情况有所侧重。另外，可以在教学过程中根据学生兴趣分组并下发任务，让相同兴趣的学生通过讨论、查阅资料、制作并展示PPT等活动充分调动学习积极性。

3.7 理论与实践并进，强化应用能力

实践教学是GIS专业人才培养中不可或缺的重要环节。充分利用USGS(https：//earth expiorer.usgs.gov/)、地理空间数据云(http：//www.gscloud.cn/)、国家地球系统科学数据中心共享服务平台(http：//www.geodata.cn/)、中国科学院资源环境科学与数据中心(https：//www.resdc.cn/)等国内外地理数据共享平台，QGIS、PostGIS等开源GIS软件，以及ArcGIS Online、地图汇等在线GIS应用平台提供的大量免费数据和软件，提高实践教学效率。鼓励学生参与到具体的科研项目中并积极申报SIETP项目，或者通过“以赛促学”的方式鼓励学生多参与各个级别的“三创”赛、“甘青宁”创新创业大赛、全国大学生自然资源科技作品大赛、“互联网+”、“挑战杯”等各种科技竞赛以及ESRI、Map GIS、Supermap等公司组织的各种开发大赛。在整个实践过程中，教师要充分发挥“引导员”的作用，把握GIS实践任务的内容和方向，合理掌控任务进度，为学生指明如何从现实世界通往GIS世界的道路，让学生在实践中巩固和提升空间思维、软件操作和协作分析能力，以达到课后强化应用的目的。

图3 不同年级、不同性别学生感兴趣前沿领域占比

本科生导师制是督促学生学以致用，强化应用能力的有效方式之一。在学生入校之初即可根据自己的个人兴趣自由选择相关方向的导师，参与该导师的科研项目以提前培养科研兴趣。以笔者指导的一名本科生为例(图4)，学生在申请校级SIETP之时，还比较迷茫，仅对GIS有点兴趣，但并没有明确的方向，对于撰写申请书也毫无经验。此时，需要指导教师指定题目和方向，帮助其明确研究思路和技术路线，细化数据下载、预处理到分析的步骤。随着项目的持续推进以及学生对于GIS课程的学习，学生对于理论知识和实践操作越来越熟悉，总结成果撰写论文的过程中科技论文写作水平逐步提高，PPT制作、演讲和临机应变等能力在各种竞赛中得到锻炼和加强。项目顺利完成后，学生已经能够将课程内容融会贯通，主动探讨自己的想法以及下一篇论文的思路，并利用寒假完成数据分析和论文初稿的撰写工作。在此过程中进一步强化了理论知识，熟练了操作技能，提高了科技论文写作水平。期间，作为唯一做报告的本科生两次参加学院研究生学术论坛，是对自我的挑战，也是对GIS知识的强化。两年的学习和实践，使该生找到了自己的兴趣所在，明确了考研的专业方向，并成功进入理想大学开启了新阶段的学习和生活。同样的，还有许多学生通过本科生导师制明确了人生目标和方向，教师要做的就是充分发挥好“引导员”的作用，让学生在理论和实践学习中实现自我价值。

图4 GIS理论与实践综合应用人才培养实例

3.8 融入思政元素，培养时代新人

2020年6月，教育部发布的《高等学校课程思政建设指导纲要》指出，高校课程思政要做到全程融入课堂教学建设，并在所有学科专业中全面开展。因此，挖掘GIS课程的思政元素，在GIS课程知识点中找到丰富的思想政治教育内容，是GIS“课程思政”的重要任务。

GIS作为一门新兴的交叉学科，集理论和应用于一体，蕴含了很多值得深度挖掘的思政元素。例如专题地图制作过程中，可以让学生在地图上寻找自己家乡所在位置，并向大家介绍家乡的地域特色、历史沿革和自然人文景观，以增强学生的家国情怀；强调在地图制作以及公开发表(出版)过程中应遵守《中华人民共和国测绘法》的相关规定，并根据《地图审核管理规定》按要求获得审图号以提高版权保护意识，激发学生利用GIS服务国家安全的爱国意识。在GIS技术支持下以地图的形式讲解新型冠状病毒肺炎扩散情况，引导学生认识维护公共安全的重要性；介绍地形图时重点强调其保密性，以提高学生测绘的保密意识；运用GIS的空间分析功能展示我国退耕还林、防沙治沙、流域综合治理等生态恢复工程的恢复成效，向学生灌输“山水林田湖草沙共治，人与自然和谐共生”的生态平衡和发展理念；通过向学生介绍我国北斗导航定位系统的研发过程和作用潜移默化培养学生的社会责任感、工匠精神、勇于担当和甘于奉献精神、创新精神以及团队合作意识，贯彻“富强、爱国、和谐”等社会主义价值观。

4 结语

“新农科”背景下的草业科学专业学生地理信息系统本科教学，更应着眼于更新知识体系，重组专业结构，创新教学方式，丰富教学内容，拓宽教学思路，活跃课堂氛围，聚焦前沿研究以及强化应用能力，实现学生综合素质的全面提升。以推动农业科学与信息科学和工程技术的深度交叉融合，拓展传统农业，尤其是传统草学学科的内涵，构建高等农林院校草业科学教育的新理念、新模式，以此推动复合型草业科学人才的培养。