趙龍山 侯 瑞

(貴州大學林學院，貴陽 550025)

“地理信息系統(tǒng)”課程教學改革探索
——以貴州大學水土保持與荒漠化防治專業(yè)為例

趙龍山 侯 瑞

(貴州大學林學院，貴陽 550025)

為了讓學生更好地掌握“地理信息系統(tǒng)”課程理論和方法，應用研究型教學理念，對“地理信息系統(tǒng)”課程教學內容及模式進行了改革與優(yōu)化，主要措施如下：①對“地理信息系統(tǒng)”課程內容及各章節(jié)邏輯順序進行了梳理與調整，將原教學計劃中8章內容整合為4個專題模塊，并分別對應基礎性知識、模型、方法和實踐應用等內容；②在教學過程中采用多媒體+板書相結合的教學手段，將“地理信息系統(tǒng)”課程核心內容制作成多媒體課件，而分析討論性和拓展性內容則采用板書的教學方式；③在“地理信息系統(tǒng)”課程教學過程中引入專題討論、翻轉課堂等教學模式，以激發(fā)學生學習的自主性，鍛煉學生創(chuàng)新思維能力；④加強平時學習和實踐能力的考核，將課堂討論、實驗實踐能力納入考核指標，并增加了實踐能力考核的權重。通過以上教學模式改革，充分調動了學生學習的主動性和積極性，活躍了課堂教學氛圍，提高了課堂教學質量和教學效果。

教學改革；翻轉課堂；水土保持；地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)(geographical information system，簡稱GIS)是以獲取、存儲、管理、分析和顯示部分或整體地理空間數據的計算機系統(tǒng)。它與遙感(RS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)統(tǒng)稱為“3S”。進入21世紀以來，GIS已在資源環(huán)境調查、監(jiān)測、規(guī)劃、政務管理、地圖制圖、農業(yè)生產等方面被廣泛應用。

水土保持與荒漠化防治是研究自然環(huán)境水土流失成因、過程、機理、危害及影響因素的專業(yè)，并以此為基礎，通過農業(yè)耕作、水土保持工程建設和植被恢復等水土保持措施的設計與布局，實現(xiàn)水土流失防治和生態(tài)環(huán)境保護的目的[1]。近年來，隨著社會經濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設的需要，水土保持與荒漠化防治領域對地理信息技術的需求急劇增加，特別是在一些水利、農業(yè)和環(huán)境等行業(yè)部門迫切需要掌握地理信息技術的高素質水土保持與荒漠化防治人才。為了滿足社會對水土保持與荒漠化防治專業(yè)人才的要求，近10年來，許多涉農高校水土保持與荒漠化防治專業(yè)在制定培養(yǎng)計劃時，都將“GIS”課程作為一門必修課程開設。據統(tǒng)計[2]，“GIS”課程已是全國20余所涉農高等院校水土保持與荒漠化防治專業(yè)的基礎課程或核心課程。

自20世紀60年代以來，經過幾十年的發(fā)展，GIS已經發(fā)展成為理論體系完善、方法較為成熟和專業(yè)性較強的應用技術。因此，在全國許多高校都設立了與GIS相關的專業(yè)，如地理信息系統(tǒng)、地理信息工程、地圖學與地理信息系統(tǒng)等。對于地理信息系統(tǒng)專業(yè)的學生而言，在學習“GIS”課程之前，需先修完“地理學”“數據庫”“數據結構”“計算機編程”“數學”等基礎課程[3]。然而，對于貴州大學水土保持與荒漠化防治專業(yè)的學生而言，盡管也為他們開設了“GIS”課程，但是由于受本專業(yè)培養(yǎng)方案學時的限制，在“GIS”課程體系中并不能為該課程開設先修課程，導致學生在學習該門課程時非常吃力、學而不精，嚴重影響了人才培養(yǎng)的質量。因此，在“GIS”課程實際教學過程中，迫切需要對其教學模式和內容進行改革，以提高教學質量。

一、“地理信息系統(tǒng)”課程教學內容的改革

(一)理論教學內容的優(yōu)化

理論課教學是“GIS”課程教學的重要環(huán)節(jié)，盡管現(xiàn)在已有許多教學模式，如翻轉課堂、慕課等，但是通過課堂教學完成理論知識教學仍然是主流模式。因此，在“GIS”課程理論課教學過程中，教師組織好課堂教學活動既是“GIS”理論課教學得以正常進行的保障，又是學生系統(tǒng)地掌握“GIS”課程理論知識的前提。

教材是課程基本知識的主要載體。對于初學者，選擇一本好的教材是非常重要的。目前，已經出版發(fā)行的專門介紹地理信息系統(tǒng)相關知識的教材有10余部。這些教材基本都包括：地理信息系統(tǒng)的基本概念、基本原理、地圖投影、空間地理數據結構、空間數據庫、空間數據處理、空間分析、GIS常用模型介紹、GIS應用系統(tǒng)設計、數字地圖輸出等內容。這些內容既包括GIS的基本理論，又包括GIS的技術體系與應用方法，但各有側重。例如，由湯國安等主編、科學出版社出版的《地理信息系統(tǒng)》，對于GIS技術體系與應用的介紹較深，學生學習時需要有一定的程序設計與數據庫等方面的知識儲備，學習難度相對較大，適合GIS專業(yè)的學生使用；而對于非GIS專業(yè)的學生而言，除了掌握地理信息系統(tǒng)的基本概念、基本原理與方法外，還要通過“GIS”課程的學習，提升學生GIS軟件的應用能力，特別是要建立起基于GIS的地學思維與地學語言表達的新模式，為學生后續(xù)的專業(yè)學習和工作奠定堅實的基礎。

為了實現(xiàn)上述教學目標，筆者選擇了高等教育出版社出版、黃杏元等編寫的《地理信息系統(tǒng)概論(第3版)》作為理論課教材[4]。該教材是“十一五”國家級規(guī)劃教材，全書共分8章，43節(jié)。與其他地理信息系統(tǒng)教材相比，該教材內容豐富、難度適中、可讀性強。

在“GIS”課程教學安排過程中，筆者結合貴州大學水土保持與荒漠化防治專業(yè)教學大綱及該課程的知識結構，篩選出相關教學內容，見表1。其教學內容主要包括4個教學模塊：模塊①GIS基本知識；模塊②坐標系統(tǒng)和地圖投影；模塊③GIS數據結構；模塊④GIS模型與應用。

表1 “地理信息系統(tǒng)”課程理論教學內容的安排

注：教材為黃杏元等編寫的《地理信息系統(tǒng)概論(第3版)》。

在模塊①中，主要介紹GIS概念、構成、發(fā)展趨勢及地理空間數據特征、矢量與柵格數據等知識，分別對應原教材中第1章和第2章2、3、4節(jié)內容，學時為4個學時。

在模塊②中，主要介紹空間坐標系統(tǒng)和地圖投影等知識，分別對應原教材中第2章第1節(jié)和第8章第2節(jié)的內容。另外，為了增加學生對坐標系統(tǒng)的認識，筆者在該部分內容中增加了對北京54和西安80坐標系統(tǒng)知識的介紹，總學時為4個學時。

在模塊③中，主要介紹空間數據獲取、存儲和管理原理以及管理方法，分別對應原教材中第3章和第4章的內容，為6個學時。

在模塊④中，由于水土保持與荒漠化防治是應用性極強的專業(yè)，故模塊④是“GIS”課程的重點，安排10個學時，教學內容包括數字高程模型(DEM)、空間分析方法及常用模型，分別對應原教材中第5和第6章的內容。

通過以上教學內容的調整和優(yōu)化，既突出了“GIS”課程的重點，又增強了課堂教學的邏輯性，更有利于學生學習和掌握基本理論知識。

(二)實驗教學內容的優(yōu)化

實驗課是課程教學的重要組成部分，實驗課教學內容的設計與實施關系到該門課程整體教學質量的高低和人才培養(yǎng)水平的問題。因此，在“GIS”課程實驗教學內容的選擇上，筆者不僅要緊扣理論教學內容，而且還要盡可能涵蓋當前GIS技術的各項功能，如空間地理數據獲取、存儲、管理、分析和顯示等。

“GIS”課程實驗共安排4次實驗，其實驗內容和學時分配見表2?！癎IS”實驗課程在實驗室進行，實驗條件包括微型計算機、GIS平臺和實驗數據。其中，GIS平臺主要為ArcGIS軟件(10.2版)；實驗數據包括若干數字高程模型、水系圖、植被覆蓋圖、衛(wèi)星遙感影像和一幅中國土壤侵蝕類型分區(qū)圖。

表2 “地理信息系統(tǒng)”課程實驗教學內容的安排

為了提高學生對GIS理論與方法的應用能力，筆者在實驗1中重點訓練了矢量數據和柵格數據的獲取方法、數據精度分析、空間拓撲關系編輯和數字高程模型(DEM)建立等技能，其對應的理論教學模塊為①和③的知識內容。在實驗2中，主要講授了地理數據坐標系統(tǒng)建立和地圖投影轉換內容，加深學生對不同坐標系統(tǒng)和投影方法異同的理解，實驗2是對理論教學中模塊②相關知識的實踐和拓展。實驗3涉及地圖制圖方面的內容，包括比例尺選擇、地圖標注、地圖符號設計、圖例、圖廓、經緯網、圖斑顏色等地圖整飾原則及地圖輸出。地圖制圖是GIS的主要功能之一，通過實驗3的學習訓練，讓學生掌握GIS制圖流程與基本原則、地圖輸出及注意事項等。實驗4主要包括空間數據插值、空間數據疊加、緩沖區(qū)分析、網絡分析、水文分析及GIS建模方法。以上4個實驗，都需要學生獨立完成，并提交實驗報告，作為實驗環(huán)節(jié)考核的依據。

二、“地理信息系統(tǒng)”課程教學模式的改革

(一)研究型教學模式

“GIS”是一門綜合性較強的課程，教學內容較豐富，具有科學和技術的統(tǒng)一性、空間的抽象性以及研究對象的空間變化尺度大等特點。如果采用傳統(tǒng)的教學模式，很難取得良好的教學效果，尤其對于一些實踐性強的教學內容，如GIS地圖制圖、數字高程模型等。因此，必須對“GIS”課程教學模式進行改革，打破原來以教師講授為主，重理論、輕實踐的教學模式，引入學生課前自學、課中研討、課后實驗的研究型教學模式，提高學生學習的主動性和積極性。

研究型教學模式是當前廣泛采用的一種培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教學模式，其主要特點是將學習、研究和實踐進行緊密結合，充分發(fā)揮教師主導、學生主體的作用。在“GIS”課程教學過程中，筆者針對學生缺乏先修課程知識、課程內容繁多、課時有限、重理論輕實踐、教學模式單一、考核方式不合理等問題，結合當前水土保持與荒漠化防治專業(yè)發(fā)展趨勢與貴州大學人才培養(yǎng)的要求，提出了“GIS”課程研究型教學模式構建的思路，見圖1[5]。其具體做法是依據“GIS”課程教學地位、目標、要求及研究型教學的特點和方法，將“GIS”課程教學環(huán)節(jié)分為理論教學和實驗教學2大部分，在每個部分安排相應的教學活動。通過各教學活動的實施，讓學生掌握GIS的基本理論與方法，并能夠運用這些知識對實際案例進行分析推演。

圖1 “地理信息系統(tǒng)”課程研究型教學模式的構建

(二)翻轉課堂教學模式

在“GIS”課程課堂教學活動中，筆者借鑒翻轉課堂教學模式的優(yōu)點，增加了課題研討環(huán)節(jié)。首先，筆者結合課題的實際情況提出若干問題；其次，讓學生針對這些問題查閱相關資料；最后，通過學生與學生之間、學生與教師之間相互提問和解答，引導學生進行獨立思考，得出結論。這樣做既活躍了課堂氣氛，又增強了學生探究問題的主動性。

三、“地理信息系統(tǒng)”課程考核與評價指標的改革

考核是檢驗學生對課程知識掌握程度的直接手段，同時也是反映教師教學效果的重要途徑之一。在“GIS”課程教學內容與教學模式改革的基礎上，筆者對考核與評價指標進行了相應的調整，增加了平時學習情況和實驗(實踐)能力的考核，見表3。將平時課堂出勤率、參與課堂討論及實驗環(huán)節(jié)納入了考核指標，并增加了平時成績占總成績的權重，目的是鼓勵學生多動手，提高學生應用GIS知識解決實際問題的能力。

表3 “地理信息系統(tǒng)”課程考核與評價指標的內容

四、“地理信息系統(tǒng)”課程教學改革的效果

“GIS”課程教學內容與教學模式改革取得了明顯的教學效果。在專業(yè)知識方面，優(yōu)化了“GIS”課程知識體系，加深了學生對“GIS”課程主要內容的理解，提高了學生應用GIS理論知識解決實際問題的能力；在教學活動方面，采用研究型教學模式，增強了學生學習的主動性，上課期間學生參與課堂討論、師生互動頻次較以往明顯提高。除個別學生因病缺課外，學生出勤率達到100%。筆者對“GIS”課程考核成績分析得出，改革后“GIS”課程及格率達98%以上，其中最高分96分，平均成績?yōu)?2.7分，特別是在試卷論述題的作答中，學生基本都能應用GIS原理對問題進行詳細分析，并給出合理的解決方案。學生掌握了ArcGIS軟件的操作技能，已有12名學生分3組申請了“大學生科技創(chuàng)新能力建設”項目。

總之，“GIS”課程是一門綜合性較強的課程，其內容較豐富，具有科學和技術的統(tǒng)一性、空間的抽象性。對于非GIS專業(yè)學生而言，教師要在有限的教學時間安排下，根據水土保持與荒漠化防治專業(yè)自身的發(fā)展特點和人才培養(yǎng)目標，結合“GIS”課程的知識結構，建立一套適合“GIS”課程的教學方法和考核體系是當務之急。

[1] 吳發(fā)啟，王健.水土保持與荒漠化防治專業(yè)課程體系的建設[J].水土保持通報，2006，26(4)：56-63.

[2] 吳發(fā)啟，王健.水土保持與荒漠化防治專業(yè)本科培養(yǎng)方案中課程設置問題的探討[J].中國林業(yè)教育，2012,30(3)：24-27.

[3] 鄭貴洲，吳信才.對面向21世紀地理信息系統(tǒng)教育的思考[J].中國地質教育，2001(4)：54-56.

[4] 黃杏元,馬勁松.地理信息系統(tǒng)概論[M].3版.北京：高等教育出版社，2008：1-247.

[5] 史東梅，諶云,龍?zhí)珪?“土壤侵蝕原理”研究型教學方法[J].中國水土保持科學，2011，9(2)：116-120.

(責任編輯 孫艷玲)

貴州大學本科教學工程建設項目——“地理信息系統(tǒng)”課程教學模式改革，項目編號JG201634。