趙芳

摘? 要：黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大科學(xué)問題的解決涉及到多個領(lǐng)域、多個學(xué)科，其中GIS（地理信息科學(xué)）在多學(xué)科融合和黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水沙調(diào)度、水資源優(yōu)化配置、黃河文化的挖掘等方面發(fā)揮了重要作用。文章在分析GIS在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展7大重大科學(xué)問題應(yīng)用基礎(chǔ)上，從培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)體系、課程設(shè)置、教育模式和考評機(jī)制5個方面探討了面向黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的特色GIS教學(xué)改革，以此培養(yǎng)GIS復(fù)合型人才。

關(guān)鍵詞：黃河流域;GIS;復(fù)合型人才;教育模式

中圖分類號：C961? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）19-0007-05

Abstract： Solutions of major scientific problems of ecological protection and high-quality development in the Yellow River basin involves multiple fields and disciplines， among which GIS （geographic information science） plays an important role. GIS has been widely used in the integration of multiple disciplines and the ecological environment protection， water and sand regulation， optimal allocation of water resources， and the excavation of Yellow River culture. Applications of GIS in the solutions of the seven main scientific problems on ecological protection and high quality development in the Yellow River basin were firstly analyzed， and then GIS educational reform was explored from educational objectives， educational system， curriculum， education pattern， and appraisal system to develop GIS inter-disciplinary talents to meet the needs of ecological protection and high quality development in the Yellow River Basin.

Keywords： Yellow River basin; GIS; interdisciplinary talents; educational pattern

一、概述

黃河流域源于青藏高原，跨越華北平原和黃土高原，是我國重要的生態(tài)地域單元，也是我國“一帶一路”重要經(jīng)濟(jì)帶，中華文明和歷史文化的搖籃。隨著全球變暖和人類活動的加劇，黃河流域出現(xiàn)了土壤沙化[1]、高寒植被破壞[2]、水體污染[3]等生態(tài)環(huán)境問題，嚴(yán)重影響該地區(qū)生態(tài)平衡，制約了人和自然的和諧。如何“共同抓好大保護(hù)，協(xié)同推進(jìn)大治理，讓黃河成為造福人民的幸福河”，不僅是我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要問題，也是國家重大發(fā)展戰(zhàn)略。

GIS（地理信息科學(xué)）作為一門融合計算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、地圖學(xué)等的交叉學(xué)科，研究解決地理信息的采集、處理、存儲、管理和分析過程中提出的一系列基本問題。GIS因具有空間分析、空間可視化、海量數(shù)據(jù)集成等優(yōu)勢，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生態(tài)保護(hù)[4]、生態(tài)服務(wù)評價[5]、水資源管理[6]、水污染監(jiān)測[7]等領(lǐng)域。在生態(tài)保護(hù)相關(guān)應(yīng)用中，GIS充分發(fā)揮了高效的地理數(shù)據(jù)管理功能[8]、良好的水資源優(yōu)化配置功能[6]、環(huán)境污染模擬功能[7]等。將GIS與黃河流域生態(tài)保護(hù)結(jié)合起來不僅是GIS學(xué)科重要的應(yīng)用方向，也為黃河流域水環(huán)境保護(hù)、植被保護(hù)、土壤監(jiān)測等提供了重要的手段和方法。

人才是國家發(fā)展建設(shè)的重要力量，人才培養(yǎng)是高校建設(shè)的基本要求。GIS人才培養(yǎng)是GIS高校建設(shè)的重要任務(wù)，是雙一流大學(xué)建設(shè)的重要指標(biāo)，也是應(yīng)用GIS技術(shù)，解決黃河流域生態(tài)保護(hù)問題的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的GIS人才培養(yǎng)側(cè)重低年級和高年級差異化培養(yǎng)，低年級設(shè)置數(shù)理類基礎(chǔ)課，高年級根據(jù)學(xué)校專業(yè)背景開設(shè)計算機(jī)開發(fā)類和地理類等專業(yè)課?；诓煌瑢W(xué)校專業(yè)背景培養(yǎng)GIS綜合性人才。針對黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略，左其亭教授設(shè)計了黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的理論基礎(chǔ)與重大科技問題的研究框架[9]，為GIS在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略的應(yīng)用提供重要的結(jié)合點。本文探索在此基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS在黃河流域生態(tài)保護(hù)的應(yīng)用，探討服務(wù)于黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略GIS復(fù)合型人才培養(yǎng)模式。

二、黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展與GIS應(yīng)用

針對左其亭教授提出了黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的重大科技問題，從生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水沙調(diào)控和水安全、水資源節(jié)約集約利用與管控、高質(zhì)量發(fā)展途徑、黃河文化的挖掘和保護(hù)傳承、人與自然和諧發(fā)展戰(zhàn)略選擇和戰(zhàn)略實施規(guī)劃及保障體系分析GIS的應(yīng)用。

（一）生態(tài)環(huán)境保護(hù)

生態(tài)環(huán)境保護(hù)涉及多類環(huán)境數(shù)據(jù)，如氣候、地形地貌、植被、土壤、污染物監(jiān)測等，需要利用GIS強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)組織管理功能，建立黃河流域不同類型的空間數(shù)據(jù)庫，比如基礎(chǔ)地理和水污染監(jiān)測數(shù)據(jù)庫等，組織和管理生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)。利用GIS建模功能，結(jié)合生態(tài)環(huán)境綜合評價指標(biāo)，包括地形、氣候、植被和土地生產(chǎn)力等，綜合評價生態(tài)保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)狀況[10-11]，為生態(tài)功能區(qū)劃、生態(tài)修復(fù)決策提供支持。

利用GIS強(qiáng)大的空間分析功能，結(jié)合遙感技術(shù)獲取的大范圍、高分辨率、多時相的環(huán)境數(shù)據(jù)，研究不同時間段環(huán)境因素變化特征和趨勢，快速定位生態(tài)環(huán)境遭受破壞的區(qū)域，進(jìn)行大面積長時序的黃河濕地面積監(jiān)測[12-13]、黃河流域水污染監(jiān)測[14-15]、黃河洪水監(jiān)測[16]、植被動態(tài)監(jiān)測[17]等。

（二）水沙調(diào)控與水安全

利用GIS強(qiáng)大的分層管理數(shù)據(jù)功能和便捷的可視化能力，輸入連續(xù)觀測的水沙數(shù)據(jù)，基于水沙運移規(guī)律，結(jié)合強(qiáng)大的空間分析功能比如鄰域和疊加分析等模擬水沙演變和調(diào)控的過程，包括二維平面的展示和三維立體模擬，輔助制定水沙聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案。

水安全領(lǐng)域，借助GIS數(shù)據(jù)組織形式如四叉樹生成方法，基于水文站點數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)模擬洪水過程[18]，比手工生成網(wǎng)格模擬洪水節(jié)省較多時間且減少出錯機(jī)會。疊加土地利用、DEM和社會經(jīng)濟(jì)要素，分析洪水淹沒面積、水深以及造成社會經(jīng)濟(jì)損失，結(jié)合壩堤潰決風(fēng)險評價模型，評估堤壩安全度，預(yù)測潰壩風(fēng)險[19]。結(jié)合水文水動力模型如SWMM和GIS二次開發(fā)功能，輸入排水管網(wǎng)、河道和道路、匯水區(qū)域數(shù)據(jù)，基于積水?dāng)U散算法模擬城市積水深度和積水面積，能夠分析不同的暴雨過程對城市影響[20]。

（三）水資源節(jié)約集約利用與管控

將GIS對數(shù)據(jù)的可視化與水鹽運移模型、智能算法等結(jié)合，借助GIS插值分析、表面分析等空間分析方法，通過設(shè)置不同灌溉條件，模擬水鹽時空變化及其影響因子，分析不同方案對作物產(chǎn)出影響，制定最佳的灌溉方案[21];從不同尺度構(gòu)建灌溉水量優(yōu)化配置模型，預(yù)測不同配水方案的節(jié)水量、灌溉所需時長和費用節(jié)約情況，制定最優(yōu)灌溉措施，對水資源進(jìn)行優(yōu)化配置[22]。

基于GIS建立“旱作農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)”[23]、“灌區(qū)地理信息系統(tǒng)”[24]、“旱情監(jiān)測系統(tǒng)”[25]等對氣象、土壤等地理要素進(jìn)行自動或人工采集，分層輸入地理數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)集成數(shù)學(xué)模型和決策分析模型預(yù)測作物需水量、降水徑流、土壤含水量，制定不同時段、地區(qū)的用水計劃，相比人工管理方式，極大提高了灌區(qū)管理水平和水資源利用效率。

（四）高質(zhì)量發(fā)展途徑

GIS在高質(zhì)量發(fā)展問題可以集成國土資源、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)等多方面因素，評估不同發(fā)展模式對黃河流域生態(tài)保護(hù)影響，設(shè)計最優(yōu)高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和智慧地球概念的提出，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、航空航天技術(shù)的發(fā)展，大到航天遙感和通信的衛(wèi)星，小到街道攝像頭、手機(jī)攝像頭成為地理信息的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，尤其是各類高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)基于移動GIS系統(tǒng)的集成，GIS融合黃河流域資源環(huán)境大數(shù)據(jù)服務(wù)形成高質(zhì)量發(fā)展的產(chǎn)業(yè)鏈，為生態(tài)保護(hù)、水文預(yù)報、防洪管理、水沙調(diào)度等領(lǐng)域提供GIS服務(wù)。

（五）黃河文化的挖掘和保護(hù)傳承

歷史資料是黃河文化挖掘和保護(hù)傳承的重要數(shù)據(jù)源，利用GIS為歷史文化添加位置信息、時序信息和屬性信息等基礎(chǔ)地理信息，有助于深入分析黃河歷史文化的遷移和傳播途徑。集成歷史時期的地理環(huán)境，研究黃河文化的成因和起源，因地制宜保護(hù)和開發(fā)黃河文化，促進(jìn)黃河歷史的傳承和延續(xù)。

（六）人與自然和諧發(fā)展戰(zhàn)略選擇

黃河流域人與自然和諧發(fā)展需要兼顧資源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境，這也是評估人和自然和諧發(fā)展的重要指標(biāo)，基于GIS量化資源開發(fā)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)相關(guān)的各類因素，構(gòu)建資源地理、經(jīng)濟(jì)地理、環(huán)境地理數(shù)據(jù)庫，研究人與自然和諧發(fā)展評估模型，制定資源經(jīng)濟(jì)環(huán)境和諧發(fā)展戰(zhàn)略。

（七）戰(zhàn)略實施規(guī)劃及保障體系

黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略規(guī)劃及實施包含生態(tài)功能區(qū)劃、水資源優(yōu)化配置、資源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展規(guī)劃等。GIS的優(yōu)勢在于將這些規(guī)劃制定使用的各類指標(biāo)添加空間、時間和屬性信息，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集手段獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合GIS強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)管理和分析功能，集成戰(zhàn)略規(guī)劃模型和決策分析模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算、分析和時空模擬，為國家戰(zhàn)略的規(guī)劃和實施提供了新的思路和方法。

三、服務(wù)于黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的GIS復(fù)合型人才培養(yǎng)

黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的實施不僅需要水文學(xué)與水資源、水工程與水安全等學(xué)科提供理論基礎(chǔ)，也需要GIS技術(shù)和手段。針對黃河流域生態(tài)環(huán)境特點，結(jié)合黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略重大科技問題對GIS人才的需求，從培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)體系、課程設(shè)置、教育模式和考評機(jī)制五個方面探討了面向黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的特色GIS教學(xué)改革。

（一）培養(yǎng)目標(biāo)

服務(wù)于黃河流域生態(tài)保護(hù)國家戰(zhàn)略的GIS復(fù)合型人才不僅要靈活掌握GIS基本理論，強(qiáng)化GIS基本技能，還要求學(xué)生熟悉基本水量平衡原理、水沙關(guān)系調(diào)控理論、水安全理論、人地關(guān)系理論等建立專業(yè)的水環(huán)境綜合評估模型、水資源優(yōu)化配置模型、人和自然和諧發(fā)展評估模型等，結(jié)合GPS、遙感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、測繪技術(shù)等解決黃河流域生態(tài)保護(hù)、水安全、水環(huán)境保護(hù)、人與自然和諧發(fā)展相關(guān)的重大科學(xué)問題。

（二）培養(yǎng)體系

服務(wù)于黃河流域生態(tài)保護(hù)國家戰(zhàn)略的GIS復(fù)合型人才培養(yǎng)體系如圖1所示，在系統(tǒng)學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課、核心課程的基礎(chǔ)上，利用項目和課題為牽引，實現(xiàn)學(xué)生的知識、能力和素質(zhì)的一體化培養(yǎng)。擬采用“2+1+1”的培養(yǎng)方案，設(shè)置第一、二學(xué)年為基礎(chǔ)教育階段，以公共基礎(chǔ)課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)為主。要求學(xué)生掌握較扎實的自然科學(xué)基礎(chǔ)知識、較好的人文社會科學(xué)基礎(chǔ)知識和外語語言綜合能力，根據(jù)其研究方向，學(xué)習(xí)GIS、水利和環(huán)境領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)課程，比如GIS概論、遙感導(dǎo)論、地圖學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文水資源、水環(huán)境學(xué)等。

第三學(xué)年為分多元培養(yǎng)階段，鼓勵學(xué)生選擇研究方向和指導(dǎo)老師，并參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽項目、“挑戰(zhàn)杯”項目或自選課題，選修應(yīng)用類課程，比如環(huán)境影響評價、水污染控制、GIS應(yīng)用專題、遙感地學(xué)應(yīng)用與分析等，進(jìn)行專門化專業(yè)技能學(xué)習(xí)和實踐，其中理論教學(xué)、實際應(yīng)用和獨立研究相互依托、相互輔助，建立從理論、實踐到研究的教育鏈條，重點培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用GIS專業(yè)理論解決黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展科學(xué)問題的的能力，使學(xué)生獲得有意義的科學(xué)研究體驗，培養(yǎng)未來GIS復(fù)合型人才的綜合品質(zhì)。第四學(xué)年為科研素質(zhì)提升階段，該階段學(xué)生通過畢業(yè)論文，鍛煉獨立研究能力，為學(xué)生進(jìn)入更高層次研究階段或工作崗位打下堅實的基礎(chǔ)。

（三）課程設(shè)置

課程體系包括基礎(chǔ)類課程和核心課程，其中基礎(chǔ)類課程包括公共基礎(chǔ)課程，如數(shù)理統(tǒng)計類、英語類、政治類課程等，以及專業(yè)基礎(chǔ)課程包括GIS類基礎(chǔ)課程，如地圖學(xué)、遙感導(dǎo)論、測量學(xué)、GIS原理與方法，黃河流域生態(tài)保護(hù)類基礎(chǔ)課程如水文水資源、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)學(xué)、水環(huán)境學(xué)等，主要開設(shè)于大一、大二階段。專業(yè)核心課程包括GIS核心課程如：遙感圖形處理、GIS設(shè)計與開發(fā)、GIS應(yīng)用專題、GIS空間分析、遙感地學(xué)應(yīng)用與分析，黃河流生態(tài)保護(hù)核心課程如環(huán)境影響評價、水污染控制等，主要開設(shè)于大三階段。

（四）教育模式

GIS教學(xué)多采用傳統(tǒng)授課方式，GIS理論課由教師在課堂講解，實踐環(huán)節(jié)由教師根據(jù)理論部分設(shè)計，通常為了鞏固基礎(chǔ)理論知識，與國家重大課題和重要需求往往脫節(jié)。本研究教育模式改革首先需要教師不斷提升自己，結(jié)合國家重大戰(zhàn)略確定研究目標(biāo)，提高創(chuàng)新能力和科研水平。針對黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大課題確定學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)研究方向和畢業(yè)論文題目，如表1所示，提升學(xué)生的科研水平。

同時定期邀請地理學(xué)、水利工程和環(huán)境等領(lǐng)域的專家開展講座和學(xué)術(shù)報告，鼓勵學(xué)生參與并進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。教師課后設(shè)置的作業(yè)從傳統(tǒng)的給出問題，學(xué)生筆頭做答到給出話題，學(xué)生查閱資料后課堂討論，加深學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。另外通過查閱文獻(xiàn)資料進(jìn)一步了解GIS在黃河流域生態(tài)保護(hù)的應(yīng)用情況及前沿發(fā)展動態(tài)，拓展知識。隨著校企合作受到越來越多的重視，需要逐步完善與其他相關(guān)的行業(yè)單位之間的協(xié)同育人體系，實現(xiàn)GIS復(fù)合型人才的培養(yǎng)與需求機(jī)構(gòu)的有效對接。

（五）考評機(jī)制

完善GIS學(xué)科的考評機(jī)制。傳統(tǒng)的考核方式必修課為理論考試加上機(jī)報告的，選修課通常為課程論文或研究報告。在考核環(huán)節(jié)應(yīng)該增加學(xué)生的科研水平和GIS技術(shù)開發(fā)水平的考核，在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略下，引導(dǎo)開發(fā)水平高的學(xué)生向GIS設(shè)計開發(fā)工程師、GIS產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，科研能力強(qiáng)的學(xué)生著力于黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)重大科學(xué)問題的解決，選擇研究課題，提高創(chuàng)新能力。

四、結(jié)束語

本文首先分析了GIS在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略7個重大科學(xué)問題的應(yīng)用，研究了黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略對GIS人才的需求，設(shè)計了GIS專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo);提出了利用項目制和課題為牽引，全面實現(xiàn)學(xué)生的知識-能力-素質(zhì)的一體化人才培養(yǎng)體系和教育模式;探索了結(jié)合GIS和黃河流域生態(tài)保護(hù)的基礎(chǔ)課程和核心課程體系;完善了傳統(tǒng)GIS學(xué)科的考評機(jī)制，助力于面向國家黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的GIS復(fù)合型人才的培養(yǎng)。

本文是在左其亭教授設(shè)計的黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的研究框架的基礎(chǔ)上結(jié)合作者在水利信息技術(shù)專業(yè)的經(jīng)驗，以及GIS在水文水資源、水沙調(diào)控和水安全等領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計的教學(xué)改革文章，希望以黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展為契機(jī)，培養(yǎng)GIS復(fù)合型人才。未來還需要在GIS專業(yè)、水文學(xué)和水資源、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行深入的實踐，探索多專業(yè)交叉的專業(yè)型和綜合性人才培養(yǎng)模式。

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