多学科交叉的林业地理信息系统教学改革与实验设计

唐雪海，黄庆丰，夏文秀

(安徽农业大学林学与园林学院，安徽合肥 230036)

2009年2月，国家林业局正式颁发《全国林业信息化建设纲要(2008—2020年)》和《全国林业信息化建设技术指南(2008—2020年)》，旨在逐步建立起功能齐备、互通共享、高效便捷、稳定安全的林业信息化体系，以便促进林业决策科学化、办公规范化、监督透明化和服务便捷化，提升林业信息化水平。2016年3月22日国家林业局正式印发了《“互联网+”林业行动计划——全国林业信息化 “十三五”发展规划》，规划提出到2020年全国林业信息化率达到80%，其中省级林业信息化率达到80%，县级林业信息化率达到60%。林业地理信息系统课程旨在为各级林业企事业单位培养林业信息化人才。安徽农业大学林学专业开设地理信息系统课程已20多年，培养方案经过多轮修改和完善，课程培养目标紧跟市场和行业需求。随着“县级林地保护利用规划编制”“林地一张图”“林地年度变更”“林长制信息管理系统”等业务的开展，基层林业单位对林业信息化人才的需求愈加迫切[1]。

为全面体现习近平同志“三农”思想和生态文明精神，深入贯彻落实《中共中央 国务院关于实施乡村振兴战略的意见》，教育部、农业农村部、国家林业和草原局于2018年9月17日联合出台了《教育部 农业农村部 国家林业和草原局关于加强农科教结合实施卓越农林人才教育培养计划2.0的意见》，意见指出：要根据不同类型农林人才培养目标，调整优化课程结构，注重体现学科交叉融合的课程建设，提高学生的综合实践能力，培养一批多学科背景的复合型高素质农林人才；加快推进实用技能型农林人才培养改革，改革教学内容和课程体系。按照《普通高校本科专业类教学质量国家标准》要求，安徽农业大学林学专业地理信息系统课程已由原来的选修课改为专业基础课。安徽农业大学林学专业也于2019年成功获批国家一流本科专业建设试点。根据建设要求，地理信息系统课程要围绕理论教学和实验设计展开详细研究，为安徽省乃至全国林业信息化的发展培养更多的专业化人才。

1 课程特点和教学目标

最新修订的2021版人才培养方案中，安徽农业大学林学专业地理信息系统(geographical information system，GIS)是专业基础课(必修课)。通过该门课程的学习，让林学专业学生掌握GIS的基本概念、GIS的组成、坐标系统类型、投影方式、空间数据结构类型及转换、林地空间数据的采集、数据采集错误类型及修改方式、拓扑构建及林地数据库建设、GIS空间分析方法的应用、林地专题图的制作等内容。

1.1 多学科交叉性较强GIS是一门学科交叉性较强的技术，涉及的背景学科课程较多。若要从应用和开发角度综合掌握本科课程内容，学生必须要具有测量学、遥感、数据结构、地图学等课程知识储备。面向林业行业应用，要对森林资源的信息化管理方式及趋势充分理解和掌握[2]。因此，林学专业培养方案应安排好该课程的开课时间，兼顾相关背景课程与林学专业课程的衔接[3]。按照2019版人才培养方案，该课程在第五学期授课，测量学、测树学、林业遥感、森林生态学等课程安排在第四学期，这样就兼顾了理论知识与林业信息化应用的有效衔接。

1.2 林业信息化应用范围较广通过梳理当前国家级规划教材内容，地理信息系统教材主要介绍系统基本原理、系统开发流程与方法，涉及具体林业行业应用内容较少。作为一门应用型较强的课程，安徽农业大学林学专业地理信息系统的目标定位非常明确，就是要熟练掌握林业信息化平台中空间数据采集方法、数据采集中错误类型与解决方案[4]。

1.3 数据源传感器平台较多众所周知，空间数据是信息管理系统的核心内容。据统计，空间数据采集的成本占整个林业信息化管理系统建设费用的50%以上。通过地形图获取原始空间数据的方式已经落后，光学遥感、激光雷达、无人机等已成为当前林业空间数据采集的主要方式。由于尺度和坐标系统不一致，也会给数据处理带来一定难度，如何将不同来源的空间数据统一到相同的空间框架下是学生要面对的问题。在整个教学过程中，授课教师应及时将新设备、新技术、新方法介绍给学生，让学生充分认识到地理信息系统技术更新快的特点[5]。

安徽农业大学林学专业GIS课程的教学目标定位如下：立足安徽省林业信息化发展，为林业企事业单位培养具备扎实理论基础和软件熟练操作能力的森林资源管理信息化应用人才。

2 目前课程教学中存在的问题

2.1 相关课程背景知识不足GIS课程与地理学、测绘科学与技术、计算机科学与技术等学科联系紧密，涉及图形学、测量学、遥感、数据结构、拓扑学等课程。然后，每门课程单独讲授，在地理信息系统课程中仅有少量阐述，所以学生理解起来比较困难。安徽农业大学林学专业培养方案仅包括信息技术基础、测量学和林业遥感课程，好的课题互动效果难以体现[6]。比如，在讲授水系以什么数据结构体现时，学生就很难理解。水系包括湖泊、库塘、河流等，从几何图形来看，水系有面状和线状的，具体应用时可让水系以面状或线状在专业软件里进行表达。

2.2 与核心专业课程间衔接不够紧密在森林资源信息管理平台运行过程中，森林经理学课程的知识点体现得比较充分，如小班的概念及划分、森林调查体系、森林资源空间分布特点等。在2019年安徽农业大学本科人才培养方案中，林学专业的森林经理学课程安排在第五学期，而地理信息系统课程安排在第四学期，因此学生对一些概念还不够了解[7]。

2.3 实验课内容连续性不强软件实训操作是GIS课程学习的重要组成部分，理论知识的全部内容都可以在软件中实现。经调查，大部分高校非GIS专业的实验课程安排24～44学时。2019版林学专业GIS实验课程已经调整为1个学分(30学时)，操作软件采用当前应用较多的ArcGIS平台，这也是目前林业信息管理系统使用的平台。由于设置操作模块较多，有些模块使用的是已有数据(非学生现处理数据)，这就导致训练项目之间没有完全衔接起来。比如地形分析中的坡度、坡向等数据，因为高程点和等高线的采集比较费时，以一个乡镇为例，2个同学需要2 d左右的时间才能完成图形和属性数据的采集。

3 教学内容设计与改革

3.1 理论课教材的选择地理信息系统教材可分为纯基础理论介绍教材和融入编者研究成果的GIS教材2种。2019年以前安徽农业大学林学专业GIS课程教材选用的是黄杏元、马劲松编著的《地理信息系统概论》(第3版)[8]，此教材偏重理论知识的介绍。由于该教材出版时间较早(1990年第1版)，尽管后期进行了更新并于2017年第18次印刷，并没有体现近年来GIS发展趋势的内容。考虑到林学专业与GIS专业在教学目标、背景知识、学生理解能力、应用范围等方面存在的一些差异，2020年开始选择汤国安主编的《地理信息系统教程》(第2版)[9]。此教材能够及时跟踪信息技术的发展，比如在第一章概论地理信息系统发展历程一节中，从20世纪50—60年代地理信息系统的开拓期介绍到21世纪初至今的地理信息系统的大变革时代，内容涵盖物联网与智慧城市、云平台与数据中心、大数据与并行计算、机器学习与人工智能等。这些内容能够与当前大学生关注的热点有效契合，可以提高学生学习的热情。

3.2 教学内容的精心设计地理信息系统理论课内容是比较抽象及枯燥的，如何生动、形象地展示理论内容并有效带动学生的学习积极性是该课程授课教师首先要考虑的工作[8]。笔者充分梳理科研项目中案例，瞄准林业信息化实践应用，跟踪林业信息化的发展热点，精心组织教学内容，突出重难点，强化实际操作。重点掌握的内容包括GIS的概念演化及功能、GIS的空间坐标抽象表达及投影定义、空间数据模型类型及数据结构、空间数据采集方式与错误处理、空间数据拓扑检查与林地数据库构建、常见GIS空间分析理论与方法、GIS与林业生产实际结合应用等，而将林地空间数据库的设计方法、森林资源信息管理平台的开发等内容作为了解内容。由于GIS课程理论性较强，学生在课堂上的理解无法结合林业生产实际。在讲授地形分析的坡度提取时，可结合林地小班数据的树种属性，按照森林资源二类调查的坡度分级方式，按每一类优势树种(组)进行坡度级的统计，可以增加学生对“适地适树”理念的理解，同时也有效衔接了森林生态学、造林学课程的知识点。

3.3 授课方式及教学课件改革线下多媒体教学是当前大学课堂教学的主要方法和手段，但不是唯一手段。随着教育部对高等学校教学改革的推进，线上教学和优质教学资源共享已充分渗透到课程教学中。在具体的授课过程中，很多教师已利用泛雅、雨课堂、学堂在线等平台自主设计线上教学模式，学校也鼓励教师应充分利用MOOC等平台的资源[10]。笔者前期利用腾讯课堂并结合MOOC资源开展线上教学，线下也在PPT课件中体现教学内容的图文并茂、动静结合，以达到激发学生的学习兴趣、提高课堂教学效果的目的。

3.4 以赛促教、以赛促学为激发学生学习该课程的兴趣，从2018年开始笔者梳理了当前涉及地理信息系统的专业比赛，并鼓励和组织学生积极参赛，也取得了一些效果。比如，指导2016级林学专业学生章慧青、牛一鸣、蒋欢参加2019年安徽省大学生GIS应用技能大赛并获优胜奖；指导2017级林学专业学生李尤、王海熠、汪子轩参加2019年全国高校GIS技能大赛，3位同学均获MapGIS工程师资格证；指导2017级林学专业学生李尤、王海熠参加2020年安徽省大学生GIS应用技能大赛，获得三等奖；指导2018级林学专业学生李帅、宫勋参加2021年安徽省第十一届大学生GIS技能大赛，获得三等奖，笔者获优秀指导教师称号。这些经历作为思政内容融合在后面的课堂教学内容中，也能够带动更多学生参加相关比赛，以达到“以赛促教、以赛促学”的目的[11]。

4 实验模块优化设计

通过分析前期实验课程中的一些不足，优化后的GIS实验课程将以一个县的森林资源为研究对象，以地形图、遥感影像为辅助底图，对班级同学进行分组，每组负责一个乡镇，每组之间进行独立的空间数据采集、数据处理(合并、融合等)、拓扑检查等。将各组数据进行合并，形成完整的数据图层，再分发给每位同学，独立完成最后的数据库建设和县级森林资源专题图制作。

笔者将林学专业GIS实验教学内容分为一般性实验、分析性实验和综合性实验3个模块，实验课时为30学时。依据这3个模块，建立层次递进、内容渐进的综合实验教学体系。具体模块划分见表1。

表1 林学专业GIS实验内容设计 Table 1 Experiment content design of GIS for forestry major

一般性实验：主要训练学生操作ArcGIS软件的能力，训练内容包括软件体系介绍、地形图的配准、图层建立、空间参考选择、空间数据采集、属性数据录入、图层合并、数据质量检查与错误修改、熟悉ArcScene用户界面。

分析性实验：训练内容包括矢量数据的裁剪、融合、相交、空间链接、交集取反、更新等工具的使用，栅格数据的裁剪，点线面类型缓冲区的操作过程， 基于TIN、DEM数据的坡度、坡向等地形因子的提取。

综合性实验：主要训练学生对ArcGIS空间分析模块的应用，综合性实验内容包括综合应用叠加分析、缓冲区分析等空间分析方法，解决相关专业生产实践中的具体问题，比如林地小班图层与相关基础数据的叠加分析操作、造林树种候选地的选择、林业专题图制作等。

在一般性实验和分析性实验中，笔者借鉴了汤国安等编著的《ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程》[12]中的一些操作方法，但是所有实验数据均为学生现场操作获取。每次实验课结束时现场提交各自实验结果，教师根据出勤率、课堂操作表现和上机测试表现，综合评定学生实验课程成绩。

5 结语

作为一门面向农业院校林学专业的课程，地理信息系统课程教学目标是培养学生的软件操作能力，让学生毕业后能顺利开展林业信息化业务。笔者在梳理该课程近些年教学过程中存在问题的基础上，结合当前课程改革方向和林学专业人才培养目标，精心设计GIS课程教学内容，优化实验模块，旨在激发林学专业学生对GIS课程的兴趣[13]。随着GIS课程体系的发展变化和林业发展趋势，相关教学内容也将及时更新和调整。在以后的教学中，笔者将结合当前教育部提出的课程改革方向，探索并建立线上线下混合教学方式，合理植入MOOC平台优质教学资源，切实提高教学效果，立足安徽林业信息化发展，为区域林业企事业单位培养具备扎实理论基础和软件熟练操作能力的森林资源管理信息化应用人才。