馮仲科 王 佳

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,北京 100083)

研究生教育是大學(xué)本科教育后更高層次的研究型人才培養(yǎng)的教育階段。一直以來,研究生課程是否開設(shè)、開設(shè)多少、如何組織教學(xué)等,都是很有爭(zhēng)議的問題。綜觀國(guó)內(nèi)外的觀點(diǎn),仁者見仁,智者見智,觀點(diǎn)各異,莫衷一是。因此,在我國(guó)研究生教育步入世界大國(guó)之際,首先,要認(rèn)真研討研究生課程的內(nèi)容到底與本科生課程有哪些根本的區(qū)別,以及如何在講授方法上和教學(xué)過程中體現(xiàn)這些區(qū)別,以提升課程教學(xué)質(zhì)量。其次,在探索解決這些問題的同時(shí),還應(yīng)考慮不同層次學(xué)位(博士和碩士)、不同學(xué)科(理學(xué)學(xué)位和文學(xué)學(xué)位)、不同類型(科學(xué)學(xué)位和專業(yè)學(xué)位)研究生課程的特點(diǎn),以使各類研究生在課程教學(xué)中有更多的收獲和提升。

“3S技術(shù)原理與應(yīng)用”是20世紀(jì)末21世紀(jì)初由筆者在北京林業(yè)大學(xué)研究生院申請(qǐng)?jiān)O(shè)立的1門研究生課程,課程講授的主要內(nèi)容是涵蓋廣義遙感RS(包括衛(wèi)星遙感、航空攝影測(cè)量和地面立體攝影測(cè)量)、廣義衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) GNSS(包括 GPS、GOLNASS、Galileo、北斗系統(tǒng))、廣義地理信息系統(tǒng)GIS(包括決策支持系統(tǒng)、專家系統(tǒng))等信息技術(shù)的3S集成化系統(tǒng)。近年來,高等院校的地學(xué)、資源、環(huán)境類學(xué)科已陸續(xù)為研究生開設(shè)了該門課程。該門課程在許多高校成為很受研究生關(guān)注和好評(píng)的課程,如北京林業(yè)大學(xué)每年選修該課程的研究生多達(dá)80余人,包括地理信息系統(tǒng)、森林經(jīng)理學(xué)、生態(tài)學(xué)、林業(yè)工程、森林培育學(xué)、森林保護(hù)學(xué)、土壤學(xué)、水土保持與荒漠化防治等學(xué)科的碩士生和博士生。作為研究生的選修課,該課程是北京林業(yè)大學(xué)選修人數(shù)較多的課程之一［1-2］。

一、“3S技術(shù)原理與應(yīng)用”研究生課程的特點(diǎn)及其核心教學(xué)內(nèi)容

伴隨著北京林業(yè)大學(xué)研究生培養(yǎng)體系的改革,“3S技術(shù)原理與應(yīng)用”課程的學(xué)時(shí)數(shù)經(jīng)歷了從60學(xué)時(shí)到48學(xué)時(shí)再到32學(xué)時(shí)的壓縮過程。由于該課程具有先進(jìn)性、廣義性、擴(kuò)展性、集成性、交叉性等顯著特點(diǎn),所以針對(duì)不同層次、不同學(xué)科研究生對(duì)課程知識(shí)多樣性和復(fù)雜性的需求與課時(shí)數(shù)越來越少之間的矛盾,筆者根據(jù)教學(xué)計(jì)劃確定的32學(xué)時(shí)對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容體系及其各部分的具體學(xué)時(shí)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

“3S技術(shù)原理與應(yīng)用”課程理論教學(xué)的總學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí),各章的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)具體分配如下。

1.3S技術(shù)導(dǎo)論(4學(xué)時(shí))

3S技術(shù)導(dǎo)論主要介紹數(shù)字林業(yè)、精準(zhǔn)林業(yè)、廣義3S(RS、GIS、GPS)集成技術(shù)的基本概念和原理以及在林業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景。其中,①數(shù)字林業(yè):1學(xué)時(shí);②精準(zhǔn)林業(yè):1學(xué)時(shí);③廣義3S集成技術(shù):2學(xué)時(shí)。

2.從森林?jǐn)?shù)據(jù)采集到林業(yè)知識(shí)發(fā)現(xiàn)(4學(xué)時(shí))

“從森林?jǐn)?shù)據(jù)采集到林業(yè)知識(shí)發(fā)現(xiàn)”部分主要講述林業(yè)信息化的若干學(xué)術(shù)問題、林業(yè)信息化特征以及數(shù)字最優(yōu)化獲取方法和信息表達(dá)、森林知識(shí)發(fā)現(xiàn)與造林決策、景觀規(guī)劃與設(shè)計(jì)優(yōu)化和森林資源動(dòng)態(tài)分析。其中,①林業(yè)信息化若干學(xué)術(shù)問題:1學(xué)時(shí);②林業(yè)信息化特征以及數(shù)字最優(yōu)化獲取方法和信息表達(dá):1學(xué)時(shí);③森林知識(shí)發(fā)現(xiàn)與造林決策:1學(xué)時(shí);④森林資源動(dòng)態(tài)分析與規(guī)劃設(shè)計(jì):1學(xué)時(shí)。

3.森林衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)(4學(xué)時(shí))

“森林衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)”部分主要講述GPS定位原理、抗山地林冠干擾GPS綜合定位技術(shù)及應(yīng)用。其中,①GPS定位原理:2學(xué)時(shí);②抗山地林冠干擾GPS綜合定位技術(shù):2學(xué)時(shí)。

4.GIS空間分析模型與方法(4學(xué)時(shí))

“GIS空間分析模型與方法”部分主要講述GIS空間分析模型原理及其實(shí)現(xiàn)方法。其中,①GIS空間分析模型:2學(xué)時(shí);②GIS空間分析方法:2學(xué)時(shí)。

5.遙感原理與森林反演模型(4學(xué)時(shí))

“遙感原理與森林反演模型”部分主要講述遙感的原理、非線性穩(wěn)健估計(jì)與不確定度、森林反演模型原理及方法。其中,①遙感原理:1學(xué)時(shí);②非線性穩(wěn)健估計(jì)與不確定度:1學(xué)時(shí);③森林反演模型原理及方法:2學(xué)時(shí)。

6.空間精準(zhǔn)定位方法(4學(xué)時(shí))

“空間精準(zhǔn)定位方法”部分主要講述全站儀測(cè)量技術(shù)、數(shù)字近景攝影測(cè)量、GPS定位技術(shù)、羅盤儀定位技術(shù)的原理和方法以及應(yīng)用。其中,①GPS定位技術(shù):1學(xué)時(shí);②數(shù)字近景攝影測(cè)量:1學(xué)時(shí);③全站儀測(cè)量技術(shù):1學(xué)時(shí);④羅盤儀定位技術(shù):1學(xué)時(shí)。

7.森林生物量專題(4學(xué)時(shí))

森林生物量專題主要講述森林生物量研究的目的和意義以及方法、生物量誤差分析基礎(chǔ)、單木生物量模型誤差分析、樣地林木生物量精度評(píng)定、三維激光掃描測(cè)樹原理與方法、生物量參數(shù)轉(zhuǎn)換、非線性穩(wěn)健估計(jì)與不確定度、森林生物量模型建立技術(shù)及方法。其中,①森林生物量概述:1學(xué)時(shí);②森林生物量估計(jì)模型的精度分析:1學(xué)時(shí);③利用廣義3S技術(shù)建立森林生物量模型:1學(xué)時(shí)。

8.數(shù)字林場(chǎng)建設(shè)專題(4學(xué)時(shí))

數(shù)字林場(chǎng)建設(shè)專題主要講述數(shù)字林場(chǎng)的基本概念和框架、林場(chǎng)數(shù)據(jù)的獲取方法、屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫的建立與管理、專題圖的輸出、森林模型研建方法。其中,①數(shù)字林場(chǎng)概念和框架:1學(xué)時(shí);②數(shù)字林場(chǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取:1學(xué)時(shí);③屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)處理:1學(xué)時(shí);④森林模型研建:1學(xué)時(shí)。

綜上所述,“3S技術(shù)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容體系的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了課程內(nèi)容的基礎(chǔ)性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性。

二、“3S技術(shù)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)中學(xué)生科研能力的培養(yǎng)

(一)培養(yǎng)研究生的科學(xué)思維能力

“3S技術(shù)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容體系的設(shè)計(jì),很好地貫徹了培養(yǎng)研究生科學(xué)思維能力的宗旨;課程教學(xué)不再是傳統(tǒng)的根據(jù)教材的章節(jié)按部就班地進(jìn)行,而是以專題的形式組織教學(xué)。筆者把廣義3S技術(shù)分為幾個(gè)大的專題,在每個(gè)專題中,先講述基礎(chǔ)知識(shí),然后引入技術(shù)的應(yīng)用,最后介紹相關(guān)技術(shù)目前的研究現(xiàn)狀和熱點(diǎn)問題,從而通過啟發(fā)式教學(xué)循序漸進(jìn)地引導(dǎo)研究生改變本科生階段形成的僅注重理論學(xué)習(xí)的“填鴨式”學(xué)習(xí)方式,逐步建立科學(xué)思維的方式。

例如,在遙感原理與森林反演模型專題中,先從遙感原理講起,使學(xué)生了解遙感圖像光學(xué)處理的基本理論和一般方法,掌握遙感數(shù)字圖象的特征、數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)、具體算法、應(yīng)用條件和效果等;然后介紹遙感的應(yīng)用實(shí)例和最新的前沿研究和發(fā)展成果,力求反映近年來國(guó)內(nèi)外一些重要的遙感數(shù)字圖象處理和應(yīng)用理論、方法和技術(shù),以擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面,為其進(jìn)一步開展理論學(xué)習(xí)和技術(shù)應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),培養(yǎng)學(xué)生遙感圖象處理和技術(shù)應(yīng)用的全面能力;最后引入遙感森林反演模型,如非線性穩(wěn)健估計(jì)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、遺傳算法模型、專家知識(shí)模型、層次分析模型、象元積分模型等,要求學(xué)生將具體的模型與遙感圖像處理方法結(jié)合起來,根據(jù)模型的要求處理圖像,或者對(duì)比實(shí)際處理效果來選擇具體應(yīng)用的模型。這樣的課程講授方式既考慮到學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)的學(xué)習(xí),又兼顧到不同專業(yè)學(xué)生的不同學(xué)習(xí)要求;同時(shí),還可以引導(dǎo)學(xué)生將數(shù)學(xué)模型與基礎(chǔ)知識(shí)有機(jī)地結(jié)合,從而有利于學(xué)生建立良好的“遇到問題—思考辦法—探索解決”科學(xué)思維模型。

(二)培養(yǎng)研究生的項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力

研究生的應(yīng)用能力主要體現(xiàn)在其對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)能力上。國(guó)外的研究生課程非常注重理論教學(xué)與實(shí)際項(xiàng)目的結(jié)合,這也是一直以來國(guó)內(nèi)研究生課程與國(guó)外研究生課程的差距所在。因此,“3S技術(shù)原理與應(yīng)用”的課程教學(xué)不僅要講解理論知識(shí),還要介紹實(shí)際技術(shù)的應(yīng)用,尤其是要注重學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。為此,筆者在設(shè)計(jì)課程教學(xué)時(shí)特意增加了項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容。

例如,要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)具體的數(shù)字林場(chǎng)系統(tǒng)。第一步是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取,主要方法包括:①航天遙感數(shù)據(jù)獲取法:具有宏觀、迅速、實(shí)時(shí)定位、瞬時(shí)同步的優(yōu)點(diǎn),適用于立地類型、植被分布類型、植被分布范圍等數(shù)據(jù)的獲取。②航空數(shù)據(jù)獲取法:具有視野廣闊、航速較快、每次飛行可以連續(xù)攝取大量相片等特點(diǎn),適合編制林相圖,以進(jìn)行大面積的造林工作;其中1∶25000比例尺地形圖主要用于一般森林的經(jīng)理與規(guī)劃、在高級(jí)森林中進(jìn)行造林工作的設(shè)計(jì)、擬訂森林改種的初步設(shè)計(jì)等;1∶10000比例尺地形圖主要用于擬訂各級(jí)森林的良種計(jì)劃和改良撫育措施等。③數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量法:主要是利用人工和自動(dòng)化技術(shù),使數(shù)字影像經(jīng)過各種數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理而生成各種數(shù)字的和模擬的地圖產(chǎn)品;然后可以按常規(guī)攝影測(cè)量成果硬拷貝輸出,也可直接將數(shù)字地圖輸送到GIS或CAD等地圖系列軟件中使用。④原圖掃描矢量化方法:就是將原有的地形圖、基本圖、林相圖、森林資源分布圖等通過掃描儀掃描進(jìn)行矢量化,然后將模擬的紙制圖進(jìn)行數(shù)字化而生成電子地圖;最后輸送到GIS,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理。其特點(diǎn)是工效高,但對(duì)地物要分層賦予屬性。

第二步是森林資源數(shù)據(jù)庫的建立。在林業(yè)系統(tǒng),建設(shè)以數(shù)據(jù)庫為核心的各類信息系統(tǒng),對(duì)提高林業(yè)企業(yè)的效益、改善林業(yè)部門的管理具有實(shí)實(shí)在在的意義。森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是小班調(diào)查數(shù)據(jù),所以要建立以森林資源二類調(diào)查小班記錄卡片為基礎(chǔ)的森林資源數(shù)據(jù)庫,包括小班影像庫、小班空間數(shù)據(jù)庫、小班屬性數(shù)據(jù)庫等。利用數(shù)據(jù)庫可以存放每個(gè)小班的各種屬性數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)等。

最后一步是建立數(shù)字林業(yè)管理系統(tǒng)。通過林場(chǎng)數(shù)字化建設(shè),把森林資源信息動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)規(guī)劃為3層結(jié)構(gòu):①數(shù)據(jù)層:包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫,即把林相圖、地形圖和各類專題圖等分層數(shù)字化后存入空間數(shù)據(jù)庫,把調(diào)查數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息、專業(yè)數(shù)表等輸入屬性數(shù)據(jù)庫。②公共層:作為公共信息平臺(tái),不僅可以通過小班號(hào)連接實(shí)現(xiàn)森林資源檔案管理,包括資源檔案錄入、更新處理、查詢、統(tǒng)計(jì)臺(tái)賬、臺(tái)賬輸出等;還可以實(shí)現(xiàn)森林資源林相圖管理,包括林相圖入庫檢查和檔案信息自動(dòng)掛接、查詢和統(tǒng)計(jì)、更新管理等。③應(yīng)用層:主要包括森林資源檔案管理系統(tǒng)、森林資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、天然林資源保護(hù)工程管理信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、森林防火指揮系統(tǒng)、營(yíng)林生產(chǎn)管理和預(yù)測(cè)決策系統(tǒng)以及其他相關(guān)專業(yè)系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)森林資源一體化查詢、變更管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、專題制圖、統(tǒng)計(jì)輸出等,以及實(shí)現(xiàn)防火信息管理、火情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、防火指揮決策等。

在“3S技術(shù)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)中,要求學(xué)生完成上述實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì),不僅有利于提高研究生的動(dòng)手能力和實(shí)踐水平,而且有利于深化研究生對(duì)課程理論知識(shí)的理解。

(三)培養(yǎng)研究生的科研創(chuàng)新能力

科研創(chuàng)新能力是研究生應(yīng)具備的最重要的能力之一,科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也是最能體現(xiàn)研究生教育區(qū)別于本科教育的地方。從“985”“211”高校到普通高等院校,都把研究生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作為研究生教育的根本。因此,“3S技術(shù)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)也非常重視研究生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng),在教學(xué)內(nèi)容方面,引入了很多目前先進(jìn)的思想和技術(shù)方法、手段,如三維激光掃描測(cè)樹技術(shù)等;在教學(xué)方法方面,注重理論與實(shí)際的結(jié)合,強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。例如,先講授三維激光掃描系統(tǒng)的基本原理,然后結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目引出其在林業(yè)上的具體應(yīng)用方式;最后要求研究生實(shí)際應(yīng)用三維激光掃描系統(tǒng)完成測(cè)站設(shè)計(jì)、掃描、控制標(biāo)靶中心的獲取、坐標(biāo)配準(zhǔn)、三維建模等全過程,并在采得數(shù)據(jù)后,根據(jù)自己的想法進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理、特征提取等。這樣,學(xué)生既可以了解這一最新技術(shù)在林業(yè)上的應(yīng)用方法,也可以實(shí)際鍛煉自己的科研創(chuàng)新能力。把新的思想、技術(shù)、方法納入課程教學(xué)內(nèi)容,尤其是其中一些內(nèi)容是最新科研成果的總結(jié)和概括,甚至于某些成果已被鑒定為世界領(lǐng)先水平,這對(duì)拓寬學(xué)生的眼界、使學(xué)生充分了解3S技術(shù)目前的研究進(jìn)展和掌握學(xué)科發(fā)展的動(dòng)態(tài)等都是非常有意義的。

“3S技術(shù)原理與應(yīng)用”是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程,切實(shí)可行的教學(xué)方案設(shè)計(jì)是培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才的關(guān)鍵。因此,筆者在調(diào)查、比較的基礎(chǔ)上,提出了以提高研究生科研能力為目的的“3S技術(shù)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)方案。但是,由于3S技術(shù)的發(fā)展非常迅速,所以在實(shí)際的課程教學(xué)中還需要不斷改進(jìn)和調(diào)整課程教學(xué)方案,以滿足社會(huì)對(duì)研究生層次的專門人才的需求。

［1］張曉麗.林業(yè)院校GIS專業(yè)人才培養(yǎng)模式及課程體系建設(shè)［J］.中國(guó)林業(yè)教育,2008,26(3):13-16.

［2］馮仲科.林業(yè)3S理論、技術(shù)的教學(xué)與科研［J］.中國(guó)林業(yè)教育,2001,19(3):12-14.