吳秀芹 畢華興

（北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083）

地理信息系統(tǒng)（GIS）為信息的展示與管理提供了一種新的方法，是在計(jì)算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)支持下研究現(xiàn)實(shí)世界（資源與環(huán)境），并對變遷的各類空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)［1－3］。地理信息系統(tǒng)作為集計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、測繪遙感學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)為一體的新興邊緣學(xué)科，迅速地興起和發(fā)展起來，并廣泛地應(yīng)用于地學(xué)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)和環(huán)保等領(lǐng)域。隨著人們對空間信息認(rèn)識的逐步深入以及數(shù)字城市和數(shù)字行業(yè)的發(fā)展，GIS的應(yīng)用范圍將越來越深入、越來越寬廣，從而成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺的技術(shù)工具［4］。

從當(dāng)前的應(yīng)用情況看，林業(yè)對地理信息系統(tǒng)及其相關(guān)人才的需要會越來越多，林業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和人才需求的變化要求林業(yè)院校必須順應(yīng)這一實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整GIS教育的課程體系［5］。因此，北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院自然地理學(xué)科自2004年起為研究生開設(shè)了“地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用”學(xué)位課，主要的教學(xué)對象是剛?cè)雽W(xué)的、有一定地學(xué)和GIS基礎(chǔ)的、在未來的研究或論文寫作過程中將以GIS為工具的研究生。經(jīng)過6年的教學(xué)實(shí)踐與探索，以及通過對其他同類院校相關(guān)課程的了解，筆者認(rèn)為當(dāng)前GIS類課程普遍存在重理論輕實(shí)踐、學(xué)生很難將理論與實(shí)際結(jié)合起來等問題［6－7］。為此，筆者提出 GIS類課程教學(xué)應(yīng)嘗試實(shí)施基于任務(wù)的分步驟教學(xué)模式，以期為開展更優(yōu)良的GIS教育提供借鑒。

一、GIS類課程教學(xué)存在的問題

北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院自然地理學(xué)科地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)為研究生開設(shè)了“GIS原理與應(yīng)用”學(xué)位課程，開課伊始即由筆者主講。6年來，該課程深受學(xué)生喜愛，選課人數(shù)曾多達(dá)90人，并一直居高不下。通過幾年來的授課經(jīng)歷，筆者發(fā)現(xiàn)，無論是本科教學(xué)還是研究生教學(xué)，GIS類課程教學(xué)都存在以下問題。

（一）課堂講授的效果不佳

GIS的操作對象是空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)又分為矢量數(shù)據(jù)的點(diǎn)、線、面以及柵格數(shù)據(jù)。通常，為研究生開設(shè)的GIS類課程，主要講授有關(guān)利用GIS強(qiáng)大的空間分析功能應(yīng)用空間數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析的內(nèi)容。GIS操作對象的抽象性使整個(gè)課程講授過程也非常抽象。因此，對GIS基礎(chǔ)較弱的學(xué)生而言，常常是老師在課堂上講得不亦樂乎、學(xué)生在底下聽得不知所云。這就需要在GIS類課程教學(xué)過程中多借助現(xiàn)代教育手段，如多媒體教學(xué)手段等，把一些抽象的、難以理解的知識直觀化和形象化并與現(xiàn)實(shí)的地物和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來。

（二）教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)缺乏針對性

GIS作為計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，其應(yīng)用的展開包括項(xiàng)目的分析、組織和實(shí)施等。其中，主要涉及的GIS基本功能，如空間校正、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)管理、空間分析、空間數(shù)據(jù)展示等，都需要通過大量的上機(jī)實(shí)際操作才能掌握。但是，當(dāng)前GIS類課程設(shè)置的上機(jī)實(shí)踐學(xué)時(shí)相對較少；再者，上機(jī)實(shí)踐的內(nèi)容及其順序多依據(jù)理論課程的教材，與研究生當(dāng)前的應(yīng)用訓(xùn)練和未來的科研實(shí)踐脫節(jié)。

（三）教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置難以適應(yīng)多專業(yè)生源的需要

GIS作為一門新興的交叉學(xué)科，其課程體系不僅涉及地理學(xué)、測繪學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等基礎(chǔ)性學(xué)科，而且依托于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和遙感技術(shù)。而且，林業(yè)院校的研究生生源在本科階段所打下的相關(guān)基礎(chǔ)各異。因此，研究生階段開設(shè)的GIS類課程的教學(xué)內(nèi)容既要考慮進(jìn)一步充實(shí)GIS廣泛的基礎(chǔ)知識，又要考慮滿足基礎(chǔ)較好的學(xué)生對GIS高級應(yīng)用的需要。如果課程內(nèi)容安排不好，就會導(dǎo)致GIS基礎(chǔ)不好的學(xué)生聽不懂、GIS基礎(chǔ)好的學(xué)生覺得教學(xué)內(nèi)容過于淺顯的局面。這就使教師在有限的教學(xué)課時(shí)內(nèi)合理安排所有教學(xué)內(nèi)容的難度加大。

（四）教學(xué)體系難以適應(yīng)GIS的發(fā)展更新

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的不斷深化，GIS技術(shù)的發(fā)展也不斷呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)和趨勢。例如，在GIS軟件產(chǎn)品方面，Esri公司的ArcGIS系列產(chǎn)品每2年就召開1次用戶大會，每次產(chǎn)品都會有一些更新和發(fā)展，要么推出新的模塊，要么對已有模塊進(jìn)行改進(jìn)。因此，如果GIS課程教學(xué)體系一成不變的話，則難以適應(yīng)當(dāng)前GIS不斷發(fā)展的趨勢，也不能滿足學(xué)生應(yīng)用相關(guān)技術(shù)和未來就業(yè)的需求。

二、GIS類課程改革的建設(shè)目標(biāo)

要解決GIS類課程教學(xué)存在的問題，筆者認(rèn)為，首先要明確GIS類課程改革的建設(shè)目標(biāo)：①通過課堂講授并結(jié)合課堂演示和上機(jī)實(shí)踐，使學(xué)生真正理解并掌握GIS的理論體系以及了解GIS的發(fā)展前沿和趨勢。②不僅要求學(xué)生掌握一種GIS軟件的核心功能，并具備進(jìn)一步運(yùn)用該軟件的能力；還要求學(xué)生通過該軟件的學(xué)習(xí)能夠觸類旁通，具備學(xué)習(xí)使用其他同類軟件的能力。③要求學(xué)生能夠運(yùn)用ArcGIS技術(shù)解決專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)際問題，并在水土保持與荒漠化防治、城市規(guī)劃、區(qū)域經(jīng)濟(jì)、資源環(huán)境、交通、人口和物流管理等領(lǐng)域能夠勝任與GIS有關(guān)的軟件工程、GIS應(yīng)用和管理等工作。④要求學(xué)生經(jīng)過課程學(xué)習(xí)基本可以獨(dú)立使用GIS類軟件，并能夠運(yùn)用到專業(yè)分析中。

三、GIS類課程改革的創(chuàng)新實(shí)踐

目前，GIS已成為水保學(xué)院、林學(xué)院和園林學(xué)院相關(guān)各專業(yè)學(xué)生開展科研工作和撰寫論文所必備的一種技術(shù)手段。為了進(jìn)一步提高GIS類課程教學(xué)的效果，筆者根據(jù)多年來的教學(xué)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并借鑒前人的研究成果，嘗試在課程教學(xué)中實(shí)施基于任務(wù)的分步驟教學(xué)模式。

（一）課程內(nèi)容的調(diào)整

基于任務(wù)的分步驟教學(xué)模式的特點(diǎn)是：在介紹GIS基本理論的同時(shí)，更加注重其在實(shí)踐中的應(yīng)用；課程的講授順序按照實(shí)際應(yīng)用的步驟來安排；上機(jī)實(shí)習(xí)緊緊圍繞著一個(gè)典型的項(xiàng)目案例，教師以理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式詳細(xì)講解GIS的各項(xiàng)功能，寓理論學(xué)習(xí)于實(shí)踐過程中。根據(jù)基于任務(wù)的分步驟教學(xué)模式的特點(diǎn)，以及GIS類課程選課學(xué)生專業(yè)背景多樣化、GIS基礎(chǔ)和相關(guān)地學(xué)基礎(chǔ)參差不齊、上機(jī)實(shí)踐能力較弱、GIS應(yīng)用需求較強(qiáng)等情況，筆者認(rèn)為，在對課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整時(shí)應(yīng)充分考慮為沒有任何GIS基礎(chǔ)的學(xué)生補(bǔ)習(xí)GIS基本原理等知識，還應(yīng)考慮滿足已有GIS基礎(chǔ)的學(xué)生對更高層次GIS應(yīng)用的需要；并且適當(dāng)安排與授課內(nèi)容相對應(yīng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課，確定課程講授與上機(jī)實(shí)驗(yàn)的課時(shí)比為1∶1。

以北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院自然地理學(xué)科為研究生開設(shè)的“地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用”學(xué)位課為例，調(diào)整后的課程教學(xué)內(nèi)容主要包括“基礎(chǔ)篇”“實(shí)習(xí)篇”和“應(yīng)用篇”3部分。①“基礎(chǔ)篇”主要針對GIS和地學(xué)基礎(chǔ)較弱的學(xué)生，具體內(nèi)容包括GIS經(jīng)典概念和理論的介紹、GIS軟件產(chǎn)品的介紹和評述；相關(guān)地學(xué)背景知識的補(bǔ)充介紹。其中，GIS經(jīng)典概念和理論介紹部分相對以往的傳統(tǒng)教學(xué)更為注重深層次的剖析，并通過更多的實(shí)例介紹培養(yǎng)學(xué)生的理論應(yīng)用能力；地學(xué)基礎(chǔ)知識的補(bǔ)充介紹只講授與GIS課程相關(guān)的地圖投影等內(nèi)容，也是結(jié)合應(yīng)用加以講解。②“實(shí)習(xí)篇”的具體內(nèi)容主要包括上機(jī)操作以及與其相對應(yīng)的理論部分（如數(shù)據(jù)獲取、空間分析和制圖輸出等）的講授。③“應(yīng)用篇”的具體內(nèi)容主要包括GIS在某一領(lǐng)域的應(yīng)用案例教學(xué)和專題講座。調(diào)整后的課程內(nèi)容更強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用性、先進(jìn)性和動(dòng)態(tài)性，力求做到教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)技術(shù)在使用上的同步更新。

在課程教學(xué)過程中，筆者還對一些相對簡單的內(nèi)容（如容易理解的概念和GIS的基本功能等）進(jìn)行總結(jié)，然后印成學(xué)習(xí)資料分發(fā)給學(xué)生，使沒有GIS基礎(chǔ)的學(xué)生通過自學(xué)就能夠掌握這部分基礎(chǔ)知識。這樣，在課堂上只要講授一些較經(jīng)典又很難理解的章節(jié)（如GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和GIS空間分析功能等）就可以了。

自開課以來，“地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用”學(xué)位課還2次邀請北京大學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的專家擔(dān)任主講；同時(shí)，在外校專家講座之外，由北京林業(yè)大學(xué)的任課教師或校內(nèi)相關(guān)教師承擔(dān)1次GIS應(yīng)用于地學(xué)或水土保持與荒漠化防治方面的講座。此外，課程還聘請交通行業(yè)GIS應(yīng)用、地學(xué)GIS應(yīng)用、林業(yè)GIS應(yīng)用等領(lǐng)域的知名專家為學(xué)生做專題報(bào)告；并通過增加專題報(bào)告后的討論時(shí)間，為學(xué)生與專家之間的充分交流創(chuàng)造條件，從而使學(xué)生充分了解當(dāng)前GIS應(yīng)用的前沿領(lǐng)域。

（二）目標(biāo)導(dǎo)向型分步驟教學(xué)的實(shí)施

以北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院為研究生開設(shè)的“地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用”學(xué)位課為例，筆者在實(shí)施目標(biāo)導(dǎo)向型分步驟教學(xué)時(shí)，首先選取與水土保持和地學(xué)相關(guān)的GIS應(yīng)用案例，并準(zhǔn)備與案例相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；然后重新安排教學(xué)順序，按照“數(shù)據(jù)獲?。ㄈ蝿?wù)開始）—數(shù)據(jù)空間分析—制圖輸出（任務(wù)結(jié)束）”實(shí)際操作步驟安排相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。

其次，采取課堂講授與上機(jī)實(shí)踐交叉進(jìn)行的做法。在課程教學(xué)中，實(shí)踐課和課堂講授選用統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并按照GIS任務(wù)實(shí)施的具體步驟安排上機(jī)實(shí)踐內(nèi)容，從而使實(shí)習(xí)內(nèi)容與每次的課堂講授內(nèi)容都相對應(yīng)。這使學(xué)生的每一次上機(jī)實(shí)踐都能進(jìn)行有目標(biāo)的練習(xí)。同時(shí)，將學(xué)生能力的培養(yǎng)貫穿于課程教學(xué)的全過程，針對GIS功能龐大且靈活、同一目標(biāo)可運(yùn)用多種工具實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生通過不同的途徑實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)，從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)GIS軟件功能的同時(shí)提高解決實(shí)際問題的能力。

（三）GIS學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)

GIS系列軟件的功能極其龐大，GIS更新的速度又非常快，所以僅靠一門課來學(xué)習(xí)和掌握GIS是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這就要求GIS類課程必須培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)GIS的能力，而非僅僅限于學(xué)習(xí)一門課程。因此，在“地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用”課程的課堂講授和上機(jī)實(shí)踐過程中，筆者堅(jiān)持將學(xué)生GIS學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)貫穿始終，注重引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)了解GIS及其系列軟件、掌握基本的GIS操作要領(lǐng)、了解進(jìn)一步學(xué)習(xí)GIS的途徑和方法。

（四）增加“GIS軟件課內(nèi)限時(shí)操作”的考核內(nèi)容

“地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用”課程的考核除了延續(xù)以往通過課后的GIS項(xiàng)目設(shè)計(jì)對學(xué)生進(jìn)行考核之外，還增加了“GIS軟件課內(nèi)限時(shí)操作”的考核內(nèi)容。經(jīng)過多輪教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)，以往僅依據(jù)學(xué)生課后的GIS項(xiàng)目設(shè)計(jì)評定課程成績的方式存在教師評分較費(fèi)時(shí)、學(xué)生間GIS項(xiàng)目設(shè)計(jì)雷同的情況時(shí)有發(fā)生等不足；而增加“GIS軟件課內(nèi)限時(shí)操作”考核內(nèi)容有利于相對客觀地考核學(xué)生對課程內(nèi)容的掌握程度，為公正地評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況提供了有力的依據(jù)，同時(shí)課內(nèi)外考核相結(jié)合的方式對課程教學(xué)效果的提高也產(chǎn)生了積極的推動(dòng)作用。

四、GIS類課程改革的總結(jié)及建議

北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院為研究生開設(shè)的“地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用”學(xué)位課實(shí)施目標(biāo)導(dǎo)向型分步驟教學(xué)已1個(gè)學(xué)期，教學(xué)效果較以前明顯提高。學(xué)生對GIS的學(xué)習(xí)更有針對性，并且積極性較高；學(xué)生的GIS學(xué)習(xí)能力得到較大的提高，凡選修“地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用”課程的學(xué)生在課后都基本可以獨(dú)立應(yīng)用GIS相關(guān)軟件解決專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際問題。經(jīng)過第1輪的課程教學(xué)改革實(shí)踐，并基于近幾年的授課經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為今后GIS類課程的教學(xué)還應(yīng)在以下幾方面有所突破。

（一）編寫具有專業(yè)特色的教材

目前，有關(guān)GIS理論和實(shí)踐的教材較多，但針對不同專業(yè)領(lǐng)域的GIS教材相對較少。因此，筆者建議，應(yīng)根據(jù)林業(yè)院校相關(guān)專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)以及選課學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)的特點(diǎn)，盡快編寫針對性較強(qiáng)的適合不同專業(yè)領(lǐng)域要求的內(nèi)部教材或正式教材。這類教材的內(nèi)容除了應(yīng)包含一些必要的GIS知識點(diǎn)之外，更為重要的是要具有專業(yè)特點(diǎn)，并應(yīng)包括較多的專業(yè)案例。

（二）注重教學(xué)與實(shí)踐的結(jié)合

針對研究生的GIS類課程應(yīng)更多地增加討論時(shí)間和與外界交流的機(jī)會，這也是“地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用”研究生學(xué)位課目前的欠缺之處。由于GIS領(lǐng)域的專家學(xué)者科研工作和相關(guān)業(yè)務(wù)繁重，再加上學(xué)校的教學(xué)經(jīng)費(fèi)有限，所以目前還只能通過開設(shè)講座的形式增加學(xué)生與處于前沿領(lǐng)域的專家學(xué)者進(jìn)行探討與交流的機(jī)會。但是，筆者建議，今后在條件允許的情況下，還應(yīng)盡量安排學(xué)生去國家基礎(chǔ)地理信息中心等相關(guān)部門實(shí)習(xí)參觀，并盡量多地安排相關(guān)學(xué)者與學(xué)生進(jìn)行更為廣泛的面對面交流。

（三）進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量

目前，GIS類課程上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的增加趕不上學(xué)生人數(shù)的增加，這限制了相關(guān)實(shí)驗(yàn)課的開設(shè)和內(nèi)容的選擇，進(jìn)而影響了課程教學(xué)質(zhì)量的提高。因此，筆者建議，高校要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面“做文章”，通過開放中心實(shí)驗(yàn)室、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室等，為學(xué)生的學(xué)習(xí)創(chuàng)造更多的機(jī)會；同時(shí)，要注重改進(jìn)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法和手段，以學(xué)為中心開展啟發(fā)式教學(xué)，組織興趣小組鼓勵(lì)學(xué)生開展知識創(chuàng)新活動(dòng)，利用多媒體手段、網(wǎng)絡(luò)資源等促進(jìn)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提高。

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