GIS与农业交叉学科创新人才培养模式探究

李雪冬,顾 萌,张 梅,王若熙,许慧敏

(长春师范大学地理科学学院,吉林 长春 130032)

多学科相互交叉、相互渗透、高度综合以及系统化、整体化的趋势是当代科学发展的主要特征。构建多学科集成交叉的培养机制,培养适应国家战略需求的复合型创新人才,已经成为高校培养模式改革的重要课题之一[1]。党的二十大报告指出,新时代迫切需要引领未来的创新型人才。地理信息系统(Geographic Information System,GIS)是随着地球信息科学发展而产生的,具有综合性强、交叉性明显、理论与技术并重等特点的一门学科[2]。作为国家大力支持的新兴学科,我国GIS高等教育在成立至今的三十年间飞速发展,针对其专业培养方案至少经历了10次修订和优化。在首届GIS专业教育研讨会上,地理信息系统协会提到了“低年级宽口径、高年级分类培养”的基本培养模式,提出了GIS专业课程体系的设置方案,但关于农业方向的GIS人才培养则没有具体的规划,而GIS技术在农业上的应用是当代发展的一个主流方向,若要促进其范围不断拓展、层次不断深入,需要加快地理信息系统与现代农业科学的融合发展[3]。

吉林省是国家粮食主产区,更是我国黑土地的主要分布区之一,多年来粮食人均占有量、粮食调出量和玉米出口量均居全国第一位。要立足吉林省农业区位的天然优势,从GIS的学科特点出发,构建GIS与农业交叉学科人才培养的全新立体化培养模式,厚积学科交叉潜力,充分发挥区域办学特色,力求培养GIS理论扎实、技术过硬,并且适用于农业发展的专业性人才。

1 GIS与农业交叉学科人才培养的必要性和优势

1.1 农业与GIS交叉学科设置的必要性

在机械化、半机械化设备的支持下,现代农业生产力有了大幅度提升。如今我国仍旧面临严峻的粮食问题,亟需农业生产力进一步提高,数据驱动的智慧化农业生产方式加快了农业生产力的提升[4]。目前,限制农业发展的外部因子凸显,其影响程度甚至超过了土地本身的适应能力和承受能力,传统的农业生产已不能有效解决其自身面临的问题。因此,需要借助多学科优势,促进学科的交叉与融合,以提高农业生产力。

智慧农业是农业生产的高级阶段,集新兴的互联网、云计算和物联网技术为一体,利用空间信息、遥感等高新技术手段来研究土地资源变动、作物生长及生态环境响应等问题。通过智慧农业的推动,不仅开创了新的交叉学科领域,同时也为我国粮食安全提供了技术保障[5-6]。因此,开展农业遥感、农业信息化技术、GIS 技术和基于3S的农情速报等多学科交叉的应用基础研究,可帮助农业生产者在作物育种、长势实时动态监测以及粮食估产等关键技术问题上实现突破,为农业发展提供科技支撑及人才保障。

1.2 农业与GIS交叉学科人才培养模式的优势

在充分调研国内外GIS专业培养模式、教学体系建设以及课程设置基础上,结合长春师范大学发展特点、地域特征以及办学特色,本研究提出了“抓住区域优势,挖掘智能化潜力,服务农业生产”的人才培养目标。通过课程体系调整,充分发掘GIS专业的强交叉性,发挥其边缘性、技术性、综合性等优势,优化农业建设服务体系,构建适合长春师范大学发展的具备农业科学背景的特色人才培养模式(图1)。从重视基础、面向应用、突出重点、尊重特色四个方面入手,搭建交叉学科农业人才发展平台,优化人才培养方案,完善课程体系建设,丰富教学内容和手段,致力打造立体化人才培养模式,开拓创新型人才培养新思路。

图1 GIS与农业交叉学科人才培养框架体系

2 基于神经元重构的课程体系构建与结构优化

2.1 GIS与农业的学科神经元结构

神经元被视为GIS与农业的相关学科知识的最小结构单元。一门课程是由紧密联系的一些概念、定理、方法和原理等独立的专业知识结构组成的,而神经元就可以作为专业知识结构的基础。一门完备的课程是由众多学科的相关神经元组合形成的[7]。在GIS学科领域的神经元,如地球体、地图投影、空间坐标系、大地水准面等;在农业学科的神经元,如育种、作物栽培、灌溉、节水、植物保护技术等。GIS与农业的神经元融合不单纯地指代两门专业或者行业的硬性结合,而是将两个学科分解为独立的神经元,再将神经元进行有机组合,让GIS与农业学科形成一个新的学科体系。将神经元之间的组合作为基本动力,进而表达和推演学科知识体系的内在结构与动态演化。将神经元作为评价单元,不仅可以将GIS与农业学科体系进行有机分解,也可以从神经元层面对GIS与农业学科的交叉运动过程进行形象化解释。

2.2 基于学科基础的神经元离散

基于神经元结构的知识体系优化分为神经元离散与神经元聚合两个过程。专业培养需要构建坚实的学科网络知识体系,将学科与专业培养相联系,必须要将应用逻辑过程中涉及的神经元作为关键环节构建GIS与农业的交叉学科培养体系。首先需要将农业与GIS的学科理论与技能分解为若干个宏观神经元,然后确立神经元推演运动路线,将神经元有序地排列并进行连接,将所得到的神经元链作为主线并与相应课程体系进行融合,形成学科知识链。学科理论的分解,首先要覆盖关键环节,在课程设置上不能有内容的遗漏,同时保证内容的合理性与完整性。在教学逻辑上,课程安排和衔接必须与学科知识的先后顺序和内在逻辑相匹配。神经元分解的合理性是完善课程结构的前提,更是构建神经链优化培养方案的基础。将长春师范大学GIS专业现行的培养方案与人才培养需求相对照,发现存在空间数据处理与编辑、地理模型构建以及专业知识在行业特色方面应用等方面的课程冗余,而在测绘技术、农业基础、开发语言基础等基础特色课程却缺失严重,有关遥感与农业的综合应用、系统集成开发等方面亟待进一步完善。这些问题需要在新的方案中不断修正。

2.3 神经元聚合的知识体系优化

专业培养方案优化的重点在于交叉学科人才的培养。要在知识结构方面进行神经元的自上至下的离散与拆分,解析相关的专业课程体系,进而将神经元进行自上而下的聚合,完成课程内容的优化整合。为加强课程之间的联系,需要对神经元进行聚合。神经元的聚合是指将专业相邻课程的神经元表示在一个平面上,将专业相邻课程的神经元按照空间聚类的规则进行表示。鉴于GIS与农业学科各自独立的问题,以往的培养方案存在着知识神经元的冗余,因此以学科门类进行划分的培养方案会导致神经元的重复出现,甚至有些神经元频率出现略高,比如在GIS学科领域坐标系的神经元分别出现在测量学、地图学、全球定位系统、GIS原理与方法、遥感导论等学科中。

一般而言,相邻专业课程既相互区别又相互联系。基于神经元理论的学科体系可以削减冗余重复的神经元,在交叉学科人才培养方面进行神经元的有机融合。基于神经元聚合的课程内容的优化,可以打破传统的以课程为边界的体系设定,进而规避课程内容的重复。神经元的聚合是有取舍地进行课程内容的重新结合,而不是追求新课程门类的构建,对于那些多门课程都能用到的基础神经元,将其聚合为一门新的基础课程,单独讲解,其他相关课程可以把该部分内容舍去,精炼内容。基于以上举措,能有效规避课程内容的重复,实现课程的精简优化。

2.4 搭建立体课程培养模式

立体人才培养模式根据学生群体的具体知识基础,打造多层次、有针对性的培养目标。但由于这种培养方式过于强调和尊重学生间的差异,在实施的过程中受到一定的阻碍。因此,本研究在立体人才培养的目标下,重点建立立体人才培养课程体系,学生则根据自主选择进行分流,最终贯彻落实立体化人才培养策略。GIS与农业的交叉学科人才培养具有多元性的特点,主要涉及两个或者两个以上的一级学科的融合贯通,培养的人才具有复合型的知识、能力和素质结构,能够借助GIS的技能以及农业的专业知识背景,解决学科之间的交叉问题。

在课程内容和体系基本建立以后的另一重要环节就是课程的编排和设置。由于课程体系的内在顺序和逻辑的衔接度会在一定程度上影响学生对知识的吸收效果,因此在这一环节中要考虑课程知识点与专业整体知识链的位置关系、相同类别的知识点与知识点之间的关系(图2)、课程自身及学生年级的具体特点等,从而实现学科整体体系的协调。

图2 基于神经元的学科交叉示意图

课程设置中根据立体培养模式,分别设置各个阶段需要达成的主要目标。在第一层次,主要是基础理论知识的培养。借助公共基础以及专业基础课,实现交叉人才培养需求的理论基础培养目标,基于神经元理论,分别为学生设置专有的特色理论基础课程。第二层次是以专业主干课为主的理论内容,在该部分会强化专业技能的培养,使学生掌握更高层次的专业操作技能,同时具备更厚重的农业专业背景。有了前两个层次的基础,第三个层次着重于信息化农业、智慧农业、人工智能、农业技术、数据挖掘等方面,实现学科之间的交叉融合,对农业方面的GIS技术发展与应用有深入认识。在第四层次,则通过实践课程,拓展学生的视野,明确发展目标,达到专业素养的提升,最终实现理论知识的具体应用。

3 GIS与农业交叉课程体系和实践性教学方式的衔接

3.1 竞赛驱动教学

GIS是与信息技术息息相关、与多个学科领域有交叉融合的一门实践性学科,是多领域、多学科交叉融合的学科。GIS与农业的交叉,则是利用GIS学科适用性、操作性强的特点,实现GIS与农业的有机结合,进而推进农业生产[8]。传统的课堂授课模式忽视实践教学,使学生难以从根本上掌握和应用知识点。实验设计教学在一定程度上可以解决上述问题,但仍受其学时以及整体性和指向性不足的限制,造成学生学习知识不连贯问题,难以把握知识点的内在联系,在创新思维和实践能力方面有欠缺,难以满足行业对人才实用性的现实需求。

教学竞赛是解决上述问题的又一选择[9]。地理信息相关学科竞赛一般是在具有较强影响力的学术协会和部门的支持下,由各组织或企业发起的。支持地理学科竞赛的有中国地理信息产业协会、中国测绘学等权威部门。地理信息相关学科竞赛主要有“Super Map杯”全国高校 GIS 大赛、“易智瑞杯”中国大学生 GIS 软件开发竞赛、“挑战杯”全国大学生GIS 应用技能大赛等。竞赛不仅可以提升学生对专业知识的理解和掌握程度,而且可以在竞赛当中培养学生的创新思维,激发专业热情,增强他们解决问题的实践能力。此外,还可以促进指导教师紧跟学术前沿,巩固知识和提升知识储备量。关于学科竞赛仍有问题需要注意,如参赛的群体通常只是少数较为积极的学生团队,受众面不广,且学科竞赛参赛类别和选题等通常由指导教师确定,学生缺少自主选择权,选择范围较窄,在合理性和目的性上仍有待完善。因此构建完善的竞赛驱动教学体系,亟需解决上述问题。

3.2 案例导向教学

在构建新的GIS与农业交叉学科培养体系中,教学模式也需要进行调整,重点发挥学生主体作用,将问题驱动理念贯穿于教学全过程,逐步打造精品实验教学和案例教学。在理论教学中,充分利用案例教学的优势是极其重要的。交叉学科与课程案例相结合的教学方法将基本概念与基本操作二者并重。一般在理解概念之前,先有直观感受,再将基本概念和基本操作融合;还可以将基本操作的演示放在基本概念提出之前,发挥案例的指向性、实践性和趣味性作用。关于案例驱动教学的素材选取,可以以教师团队的科研成果及人才在实际工作开展过程中的需求为导向制成一个综合案例,教师要对案例中的知识点内容设置是否完善合理、知识单元之间的衔接是否恰当等方面进行评估,最后形成高质量的案例素材。案例导向教学可以较好地体现专业知识体系,还可以对GIS系统设计步骤和模式产生积极影响,进而为未来各项工作的实施打下坚实基础。另外,案例设计包含了GIS与农业的融合,具有较高的应用性,因此可以将案例设计较快转化为实际生产应用。

3.3 行业衔接教学

随着农业技术的发展,GIS与农业交叉学科的市场需求不断扩大,GIS与农业学科的融合也在不断推进[10]。为满足市场需求,加快推进学科融合,长春师范大学与农业、气象、国土部门以及相关企业联合成立教学指导委员会并制定复合型人才培养方案,大力培养学科交叉型人才。在培养过程中,重视学生所学知识技能在实践中的应用,鼓励学生积极参与实践活动,在实践中获得真知、增长才干。高校培养人才以服务社会发展为目标。行业衔接是高校培养落地型人才的关键步骤,在高校人才就业中也起到重要作用。行业衔接措施的落地,可以增强学生在学校与岗位衔接中的适应性,有利于学生快速融入就业岗位。构建双导师制、开放式教学、校企合作均是实现行业衔接教学的有效路径。双导师制可以让学生全方位地掌握理论知识向实际应用转换。开放式教学在一定程度上让学生接触到具体工作环境,实现在岗位上开展教学。校企合作,让高校学生通过参与企业的项目研究,了解企业的技术需求,从而促进人才培养更好地与社会需求接轨。此外,通过与企业技术人员的交流,可以获取更多的社会市场信息,加强已有的师资队伍的教育教学能力,促进教师队伍素质的提高,为行业衔接教学奠定基础,为培养复合型农业应用人才提供师资保障。

4 结语

人才培养是高等教育的关键。随着科技进步,人才需求也在发生着变化,交叉学科人才的需求逐渐凸显,人才培养模式亟待优化。本研究立足吉林省农业大省的地位以及黑土地保护的背景,探讨师范院校GIS学科的发展方向,旨在打造具有地方特色、凸显GIS学科的发展体系,打造顺应地方发展需求的GIS与农业交叉实践性人才培养模式。本研究分析了GIS与农业交叉学科培养的必要性,设计了总体培养框架,提出基于神经元的学科交叉体系,论述了GIS与农业学科的神经元结构,并着重讨论神经元的离散与聚合对学科体系优化的贡献,着力打造立体化的人才培养模式。最后,本研究进一步提出GIS与农业交叉学科课程体系衔接的实践教学模式,加强学生的应用实践能力。