基于“云-數-地”教學模式的生態學實踐課程教學改革與探索

叢巍巍　李思瑤　王巖　剛群　趙天宏

摘? 要：作為生態學實踐教學的重要環節，生態學實踐是培養學生針對特定生態學問題，設計合理取樣和實驗方案；面向生態學數據，使用統計學方法處理觀測數據并合理解釋數據分析結果的必要手段，對學生生態學基礎理論知識的鞏固和加深具有重要意義。分析目前生態學實踐課程教學中存在的主要問題，包括缺乏開放共享式的實踐教學模式，實踐教學內容更新不及時，實踐教學模式固定，不利于生態學知識點之間的應用、拓展等。針對以上問題同時結合新冠感染疫情防控常態化的相關要求，提出基于“云計算-大數據處理-地面調查”的生態學實踐課程教學模式?；凇霸?數-地”的生態學實踐教學通過構建線上實踐教學資源數據庫，依托遙感數據云處理技術，在實踐內容模塊化基礎上，創建開放共享式實踐教學平臺。學生通過這一平臺可以實現團隊協作開展實踐設計、實踐過程實時更新及實踐成果共享，有效提高學生的實踐能力和創新思維能力。在此基礎上，從教學設備維護和更新、在線資源優化、實踐內容的交叉融合及強化實踐過程和實踐能力考核等方面提出生態學實踐課程改革的具體舉措。最后，從促進前沿信息技術和專業基礎知識的結合、促進實踐教學效率和質量的提高、促進實地調查與線上教學資源的有機結合等方面分析生態學實踐課程改革的效果，以期為改革創新本科實踐教學策略、加速課程現代化建設和提高人才培養質量提供有益參考。

關鍵詞：生態學實踐；云計算；大數據處理；實地調查；課程改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）26-0133-04

Abstract： Ecology Practice is one of the core practice courses of ecology and related majors. As an important part of ecology practice teaching， the course is necessary to cultivate students' innovative ability and practical ability and is important to the consolidate and deepen ecological theoretical foundation. This paper analyzes the main problems existing in teaching of Ecology Practice， including lacking an open and shared practice teaching platform， the untimely update of the practice teaching content， and the fixed practice teaching pattern， which is detrimental to the application and expansion of ecological knowledge， etc.. In response to the above problems， combined with the relevant requirements of the normalization of COVID-19 epidemic prevention and control， a teaching model of Ecology Practice based on "cloud computing - big data processing - field investigation" is proposed. The course based on "cloud-data-field" builds an online practice teaching resource database， relies on remote sensing data cloud processing technology， and creates an open and shared practice teaching platform on the basis of modular practice content. This platform can achieve practice design of team work， real-time update of practice process and sharing of practice results， effectively improving students' practical ability and innovative thinking ability. On this basis， specific measures for the curriculum reform of Ecological Practice are put forward in terms of maintenance and update of teaching equipment， optimization of online resources， cross-integration of practical content， and strengthening of practical process and practical ability assessment. Finally， the influence of the curriculum reform of Ecological Practice is analyzed from the aspects of promoting the combination of cutting-edge information technology and professional knowledge， promoting the improvement of the efficiency and quality of practical teaching， and promoting the combination of field investigation and online teaching resources. It provides a useful reference for reforming and innovating undergraduate practice teaching strategies， accelerating curriculum modernization， and improving the quality of personnel training.

Keywords： Ecological Practice; cloud computing; big data processing; field investigation; curriculum reform

生態學是研究生物與生態因子之間的相互關系及作用，生態系統的結構與功能、發展與演替及其應用的學科，生態學實踐課程是非常重要的生態學基礎實踐課程。隨著近地遙感技術、大數據處理及云計算平臺在生態系統調查與監測、植被生理生態監控、智慧農業管理等領域的應用和發展，培養能夠掌握現代信息技術并將其應用于智慧農業和生態產業實踐中的高素質復合型人才，對于社會和地方生態文明建設及管理實踐具有重要意義。

在我國多數高等院校中，生態學實踐課程是生態學、農學、林學和環境科學等多個專業的一門重要的必修課程或選修課程，通過對生態學調查和數據采集技術的掌握，使學生具有獨立工作和科研創新能力，并能夠以系統生態學思維方法處理可持續發展中的各種生態學問題[1]。隨著無人機遙感和大數據處理等現代信息技術在生態系統調查與監測、植被生理生態監控、智慧農業管理等領域的應用和發展，“云-數-地”基于教學模式，被越來越多地應用到實踐課程教學中，并獲得了良好的教學效果[2]。沈陽農業大學農學院生態學教研室結合農業院校的專業特色，以項目團隊無人機航測和遙感影像分析研究成果為基礎，為不同專業（生態學、農學、林學和環境科學等專業）的學生講授生態學實踐課程。筆者針對目前生態學實踐課程教學中存在的主要問題，結合新農科建設背景下實踐類課程建設的相關要求，探討在該課程教學中引入“云-數-地”教學模式，開展云計算、大數據、地面無人機調查相結合的生態學實踐課程教學改革問題。

一? 生態學實踐課程教學存在的問題

沈陽農業大學農學院開設的生態學實踐課程時間是2周，主要的內容有：生態系統基本調查方法，生態系統能流和物流分析及生態系統評價等。該課程采用的教學模式和流程如下。教師首先介紹實踐的目的、內容、方法和注意事項等；學生按要求完成實踐調查和分析內容，教師在學生實踐過程中予以檢查和指導；實踐總結，教師根據學生實踐課的表現和實踐報告的撰寫情況給出學習成績。這種教學模式雖然經過多年摸索已較為成熟，但也逐漸顯露出一些問題。

首先，缺乏開放共享式的實踐教學模式。在生態學類實踐課中，需要老師和學生共享搜集的大數據，如衛星遙感影像數據或氣象數據；小組成員團隊協作需要開放共享的數據編輯平臺等。目前的教學方式以老師上傳課件資料、學生下載資料或者提交作業為主要模式，無法滿足生態學實踐課教學實習中需要團隊協作開展實踐設計、完成實踐內容并進行成果共享的需要[3]。

其次，實踐教學內容更新不及時。在教學實踐過程中，傳統工具使用較多，如植被群落結構調查時還在使用傳統的森林羅盤儀，測量樹高還是用估測法等。目前基于無人機航測的正射影像分析技術和激光雷達技術等較為成熟的信息技術在植被分類及生物量估測方面的應用較多，但是在實踐教學中相關技術和方法使用較少。

最后，實踐教學模式固定。實踐課教學體系和流程多數為教師講授實踐目的、內容、方法和注意事項等，學生依次完成實踐內容，學生較少參與設計實踐活動。課程考核主要針對實習報告，缺少對于實踐過程和團隊協作的評估。降低了學生主動完成實踐內容的興趣和積極性，也不利于學生創新能力的培養。

隨著云計算、大數據結合地面調查等相關技術的發展和進步，上述這些問題都可以通過相關硬件設備升級和教學模式更新得到彌補和解決，因此基于“云-數-地”教學模式的生態學實踐課程教學改革逐漸成為本領域的研究熱點[4]。

二? 基于“云-數-地”教學模式的生態學實踐課程教學改革思路

“云-數-地”教學模式是在云計算平臺、大數據、無人機遙感等技術不斷發展的基礎上，將傳統教學模式與云計算、大數據分析處理等技術相結合而產生的教學實踐手段，具有彈性、靈活、聯動性的特點?；谏鷳B學實踐課程教學中存在的問題，筆者將“云-數-地”教學模式引入到生態學實踐課程教學中。

生態學實踐課程在已有實踐課程的基本內容基礎上，將實踐內容模塊化，采用基礎實踐+個性化自主選擇內容不同組合的方式，優化現有課程內容體系，構建彈性、靈活的模塊化實踐教學內容。同時借助目前大數據處理及學院的圖形處理平臺，構建了“云計算＋大數據＋地面調查”的生態學實踐課程教學模式，具體思路如圖１所示。

首先，利用生態學教研室現有實踐教學硬件和軟件資源，開展生態學實踐課程教學活動。教師將無人機、激光雷達等數據采集和分析技術等最新科研成果納入現有課程，結合已有實踐教學內容，將實踐內容模塊化，采用基礎實踐+個性化自主選擇內容不同組合的方式，優化現有課程內容體系，構建彈性、靈活的模塊化實踐教學內容。學生可以根據“必選+自選”模式，在掌握實踐課程重點和難點的基礎上，靈活選擇感興趣的實踐內容。

其次，建構開放共享式實踐教學平臺?；谝延械闹脖?、土地、水文數據和影像數據等建立線上實踐教學資源數據庫，依托現有的服務器硬件及GEE（Global Earth Engine）遙感數據云處理技術，在提升已有課程空間內容基礎上，創建開放共享式實踐教學平臺，學生通過這一平臺可以實現團隊協作開展實踐設計、實踐過程實時更新及實踐成果共享。

最后，提高實踐教學的效率和效果。結合線上教學資源和教學模塊優化，生態學實踐課程以學生為中心，更有針對性。針對實踐過程中的重點和難點問題，以實踐小組為單位，采用交互式、研討式的實踐教學模式及過程性的評價方法，激發學生主動學習的意識，培養批判性思維模式，綜合提高學生團隊協作、創新和實踐的能力。

三? 基于“云-數-地”教學模式的生態學實踐課程教學改革方法

近年來隨著信息技術（云平臺）的快速發展、電子設備的低成本化和大眾化，沈陽農業大學教學軟硬件條件不斷升級和完善，基于“云-數-地”教學模式的生態學實踐課程教學具備可行性?；谏鷳B學實踐課程教學存在的問題，筆者提出了在課程教學中引入“云-數-地”教學模式，具體針對提升教學軟件資源和硬件設備、優化在線教學資源、實踐內容交叉融合及強化實踐過程和實踐能力考核４個方面進行了改革，旨在拓展學生的視野，提高學生綜合實踐能力。

（一）? 提升教學硬件設備和軟件資源

近幾年，沈陽農業大學著力提高本科教學質量，改善教學條件，本科生實踐教學所需的硬件設施進行了更新，這些均為基于“云-數-地”教學模式的構建奠定了基礎。農學院生態學教研室目前配套有四旋翼無人機2部（大疆精靈，大疆經緯RTK）、圖形工作站及自主開發的“無人機高精度影像分析軟件”。還配備了高精度GPS測量儀和樹高測高儀，保證了典型生態系統植被調查的精準化和高效化。此外，學院更新了實驗室電腦配置，更保證了云計算成果的共享及學生以團隊為單位開展大數據分析和處理。

（二）? 優化在線教學資源

傳統實踐教學的資源是通過上傳基礎課件的方式與學生共享。沈陽農業大學生態學教學研究室整合已有的農業部門、國土部門、水務部門及學生搜集的植被、土地、水文數據和影像數據，建立了實踐教學資源數據庫。在此基礎上，生態學實踐課程組在項目研究團隊軟件開發的基礎上，利用已有的軟件資源，不斷豐富、完善、優化新的數字資源，將與生態學相關的、近幾年最新應用的無人機和激光雷達技術應用的發展動態擴充到實踐教學在線資源數據庫中，方便學生隨時查閱和分析。同時優化課后答疑流程，基于在線會議和社交軟件平臺等工具，使學生能夠針對實踐內容隨時向教師提出問題，并得到及時答復。

（三）? 實踐內容交叉融合

在教學設備和在線信息資源升級的基礎上，生態學實踐課程組探索建立了基礎內容+自選內容，小組團隊共享的實踐過程平臺。比如，基本實踐模塊主要是生態學實踐課程要求必須掌握的內容；自選實踐模塊是對基本實踐內容的應用和拓展，包括植被分類、地上地下生物量估算、生態系統質量評價、生態系統生物多樣性調查與分析及生態系統的修復和管理等。自選實踐模塊通常周期較長，數據搜集和實地調查成本較高，但是結合云計算數據處理平臺可以突破時間、地點、經費等限制。學生通過無人機調查可以獲得大尺度生態信息數據，基于云計算平臺可以將實地調查與已有數據資源結合，實現實踐內容的多維度交叉融合，在鞏固基礎知識的同時，綜合提升學生的實踐技能和創新思維。

（四）? 強化實踐過程和實踐能力考核

在傳統生態學實踐課程中，該課程的考核成績由實踐報告（50％）、平時成績（30％）和結果匯報（20％）構成，不利于學生綜合實踐能力的提升。因此，筆者對該課程的考核方式進行了調整，強化了實踐過程的考核，該課程的考核成績包括在團隊協作情況（10％）、實地調查和儀器操作情況（20％）、線上數據資源和大數據平臺使用情況（30％）及實踐內容完成情況（40％）。團隊協作考核主要包括學生通過團隊協作開展實踐設計、實踐過程實時更新及實踐成果共享的情況；實地調查和儀器操作考核主要包括儀器設備數量操作情況和調查數據的準確性；線上數據資源和大數據平臺使用考核主要考察學生針對實踐內容開展數據處理和分析情況；實踐內容完成情況考核主要考察學生對實踐內容的整體完成情況，以及學生針對教師的反饋建議完成情況，在完成該部分內容的同時提交實踐報告。

四? 基于“云-數-地”教學模式的生態學實踐課程教學改革的效果

生態學實踐課程“云計算＋大數據＋地面調查”相結合的實踐教學模式不僅有利于培養學生的創新實踐能力，而且還提高了教學的質量和效率。

（一）? 促進了前沿信息技術和專業實踐內容的結合

與生態學實踐課程相關的前沿信息技術內容廣泛且發展迅速，涉及近地遙感、云計算、大數據處理等。該課程通過“云-數-地”實踐教學模式，將課程基礎知識與前沿應用相結合，不僅有利于選擇該課程的學生檢驗實踐和應用能力，而且也可以根據學生自身興趣獲得相關前沿技術信息，豐富了學生的實踐內容，極大地提高了學生的學習積極性。

（二）? 促進了實踐教學效率和質量的提高

基于“云-數-地”教學模式的生態學實踐課程教學使互聯網、云計算、地面無人機調查融為一體，綜合利用電腦、互聯網載體構筑生態學實踐平臺，打破了傳統生態學實踐教學時空限制，以學生為中心，采用了交互式、研討式的實踐教學體系及過程性的評價方法，激發學生主動學習意識，培養批判性思維模式，促進了生態學實踐課程教學效率和質量的提高。

（三）? 促進了實地調查與線上教學資源的有機結合

生態學實踐課程實地調查環節是后續數據分析和總結的基礎，學生在實地調查過程中經常遇到眾多干擾因素，比如因疫情野外調查受限、天氣影響出行、調查范圍有限取樣代表性不足等，以及實地調查結束后團隊協作配合較少等[5]。但“云-數-地”教學模式的即時性、對自然環境條件的低依賴性、對團隊協作的高要求性等特點又充分彌補了實地調查的不足。因此，在新冠感染疫情防控常態化的條件下，生態學實踐課程通過實地調查與線上教學資源使用二者有機結合、互補互促，實現了實踐教學“１＋１＞２”的效果。

五? 結束語

為生態學領域培養高層次專業人才，改革傳統生態學實踐課程教學內容和方法是關鍵[6]。通過完善實踐課程考核評價體系，借助云計算平臺與數據分析處理技術，可以培養學生創新能力和實踐能力[7]。隨著現代信息技術的快速發展，我們還將繼續探索和實踐適合生態學實踐教育的教學方法，以期讓學生了解生態學的理論前沿、應用前景和最新發展動態，能夠以生態學系統知識體系處理可持續發展中的各種生態學問題。

參考文獻：

[1] 徐小博，郭暉，徐萍，等.新農科背景下園林專業生態類課程的教學改革研究——以新鄉學院為例[J].科技視界，2021（35）：28-29.

[2] 許亞東，黃進勇，任景莉.綜合性大學農業大數據人才培養體系構建[J].教育教學論壇，2022（16）：20-23.

[3] 胡青，劉忠華，郭惠紅，等.生物學野外綜合實習教學改革的探索與實踐[J].中國林業教育，2017，35（S1）：34-39.

[4] 段祝庚，陳豐田，岳雄，等.虛實結合無人機攝影測量實驗教學改革與效果評價[J].實驗室研究與探索，2021，40（10）：201-205.

[5] 劉強，盧偉，黃秋嫻.基于“新農科”建設理念探討林學專業教育改革[J].林區教學，2022（7）：38-41.

[6] 鄭紅梅.論新時代我國高等農業院校的新農科建設[J].安徽農業科，2020，48（23）：265-267.

[7] 劉好斌，殷民，楊豐玉.基于云計算技術的實踐教學云平臺研究[J].南昌航空大學學報（自然科學版），2021，35（4）：120-126.

基金項目：國家自然科學基金“榆樹疏林草原沙地榆日光誘導葉綠素熒光與氣孔導度耦合機理研究”（32001371）；遼寧省教育廳基礎項目“干旱草原典型植物葉綠素熒光動力學參數的環境響應和跨尺度模擬”（LSNJC202018）；沈陽農業大學2021年度教育教學研究項目“新農科建設背景下《生態系統生態學》實踐教學改革探索”（2021-19）

第一作者簡介：叢巍?。?980-），女，漢族，遼寧沈陽人，農學博士，講師。研究方向為生態系統過程與定量遙感應用。

*通信作者：趙天宏（1972-），男，漢族，遼寧義縣人，農學博士，教授。研究方向為全球變化生態學和農業生態系統生態學。