丛巍巍　李思瑶　王岩　刚群　赵天宏

摘  要：作為生态学实践教学的重要环节，生态学实践是培养学生针对特定生态学问题，设计合理取样和实验方案；面向生态学数据，使用统计学方法处理观测数据并合理解释数据分析结果的必要手段，对学生生态学基础理论知识的巩固和加深具有重要意义。分析目前生态学实践课程教学中存在的主要问题，包括缺乏开放共享式的实践教学模式，实践教学内容更新不及时，实践教学模式固定，不利于生态学知识点之间的应用、拓展等。针对以上问题同时结合新冠感染疫情防控常态化的相关要求，提出基于“云计算-大数据处理-地面调查”的生态学实践课程教学模式。基于“云-数-地”的生态学实践教学通过构建线上实践教学资源数据库，依托遥感数据云处理技术，在实践内容模块化基础上，创建开放共享式实践教学平台。学生通过这一平台可以实现团队协作开展实践设计、实践过程实时更新及实践成果共享，有效提高学生的实践能力和创新思维能力。在此基础上，从教学设备维护和更新、在线资源优化、实践内容的交叉融合及强化实践过程和实践能力考核等方面提出生态学实践课程改革的具体举措。最后，从促进前沿信息技术和专业基础知识的结合、促进实践教学效率和质量的提高、促进实地调查与线上教学资源的有机结合等方面分析生态学实践课程改革的效果，以期为改革创新本科实践教学策略、加速课程现代化建设和提高人才培养质量提供有益参考。

关键词：生态学实践；云计算；大数据处理；实地调查；课程改革

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：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

生态学是研究生物与生态因子之间的相互关系及作用，生态系统的结构与功能、发展与演替及其应用的学科，生态学实践课程是非常重要的生态学基础实践课程。随着近地遥感技术、大数据处理及云计算平台在生态系统调查与监测、植被生理生态监控、智慧农业管理等领域的应用和发展，培养能够掌握现代信息技术并将其应用于智慧农业和生态产业实践中的高素质复合型人才，对于社会和地方生态文明建设及管理实践具有重要意义。

在我国多数高等院校中，生态学实践课程是生态学、农学、林学和环境科学等多个专业的一门重要的必修课程或选修课程，通过对生态学调查和数据采集技术的掌握，使学生具有独立工作和科研创新能力，并能够以系统生态学思维方法处理可持续发展中的各种生态学问题[1]。随着无人机遥感和大数据处理等现代信息技术在生态系统调查与监测、植被生理生态监控、智慧农业管理等领域的应用和发展，“云-数-地”基于教学模式，被越来越多地应用到实践课程教学中，并获得了良好的教学效果[2]。沈阳农业大学农学院生态学教研室结合农业院校的专业特色，以项目团队无人机航测和遥感影像分析研究成果为基础，为不同专业（生态学、农学、林学和环境科学等专业）的学生讲授生态学实践课程。笔者针对目前生态学实践课程教学中存在的主要问题，结合新农科建设背景下实践类课程建设的相关要求，探讨在该课程教学中引入“云-数-地”教学模式，开展云计算、大数据、地面无人机调查相结合的生态学实践课程教学改革问题。

一  生态学实践课程教学存在的问题

沈阳农业大学农学院开设的生态学实践课程时间是2周，主要的内容有：生态系统基本调查方法，生态系统能流和物流分析及生态系统评价等。该课程采用的教学模式和流程如下。教师首先介绍实践的目的、内容、方法和注意事项等；学生按要求完成实践调查和分析内容，教师在学生实践过程中予以检查和指导；实践总结，教师根据学生实践课的表现和实践报告的撰写情况给出学习成绩。这种教学模式虽然经过多年摸索已较为成熟，但也逐渐显露出一些问题。

首先，缺乏开放共享式的实践教学模式。在生态学类实践课中，需要老师和学生共享搜集的大数据，如卫星遥感影像数据或气象数据；小组成员团队协作需要开放共享的数据编辑平台等。目前的教学方式以老师上传课件资料、学生下载资料或者提交作业为主要模式，无法满足生态学实践课教学实习中需要团队协作开展实践设计、完成实践内容并进行成果共享的需要[3]。

其次，实践教学内容更新不及时。在教学实践过程中，传统工具使用较多，如植被群落结构调查时还在使用传统的森林罗盘仪，测量树高还是用估测法等。目前基于无人机航测的正射影像分析技术和激光雷达技术等较为成熟的信息技术在植被分类及生物量估测方面的应用较多，但是在实践教学中相关技术和方法使用较少。

最后，实践教学模式固定。实践课教学体系和流程多数为教师讲授实践目的、内容、方法和注意事项等，学生依次完成实践内容，学生较少参与设计实践活动。课程考核主要针对实习报告，缺少对于实践过程和团队协作的评估。降低了学生主动完成实践内容的兴趣和积极性，也不利于学生创新能力的培养。

随着云计算、大数据结合地面调查等相关技术的发展和进步，上述这些问题都可以通过相关硬件设备升级和教学模式更新得到弥补和解决，因此基于“云-数-地”教学模式的生态学实践课程教学改革逐渐成为本领域的研究热点[4]。

二  基于“云-数-地”教学模式的生态学实践课程教学改革思路

“云-数-地”教学模式是在云计算平台、大数据、无人机遥感等技术不断发展的基础上，将传统教学模式与云计算、大数据分析处理等技术相结合而产生的教学实践手段，具有弹性、灵活、联动性的特点。基于生态学实践课程教学中存在的问题，笔者将“云-数-地”教学模式引入到生态学实践课程教学中。

生态学实践课程在已有实践课程的基本内容基础上，将实践内容模块化，采用基础实践+个性化自主选择内容不同组合的方式，优化现有课程内容体系，构建弹性、灵活的模块化实践教学内容。同时借助目前大数据处理及学院的图形处理平台，构建了“云计算＋大数据＋地面调查”的生态学实践课程教学模式，具体思路如图１所示。

首先，利用生态学教研室现有实践教学硬件和软件资源，开展生态学实践课程教学活动。教师将无人机、激光雷达等数据采集和分析技术等最新科研成果纳入现有课程，结合已有实践教学内容，将实践内容模块化，采用基础实践+个性化自主选择内容不同组合的方式，优化现有课程内容体系，构建弹性、灵活的模块化实践教学内容。学生可以根据“必选+自选”模式，在掌握实践课程重点和难点的基础上，灵活选择感兴趣的实践内容。

其次，建构开放共享式实践教学平台。基于已有的植被、土地、水文数据和影像数据等建立线上实践教学资源数据库，依托现有的服务器硬件及GEE（Global Earth Engine）遥感数据云处理技术，在提升已有课程空间内容基础上，创建开放共享式实践教学平台，学生通过这一平台可以实现团队协作开展实践设计、实践过程实时更新及实践成果共享。

最后，提高实践教学的效率和效果。结合线上教学资源和教学模块优化，生态学实践课程以学生为中心，更有针对性。针对实践过程中的重點和难点问题，以实践小组为单位，采用交互式、研讨式的实践教学模式及过程性的评价方法，激发学生主动学习的意识，培养批判性思维模式，综合提高学生团队协作、创新和实践的能力。

三  基于“云-数-地”教学模式的生态学实践课程教学改革方法

近年来随着信息技术（云平台）的快速发展、电子设备的低成本化和大众化，沈阳农业大学教学软硬件条件不断升级和完善，基于“云-数-地”教学模式的生态学实践课程教学具备可行性。基于生态学实践课程教学存在的问题，笔者提出了在课程教学中引入“云-数-地”教学模式，具体针对提升教学软件资源和硬件设备、优化在线教学资源、实践内容交叉融合及强化实践过程和实践能力考核４个方面进行了改革，旨在拓展学生的视野，提高学生综合实践能力。

（一）  提升教学硬件设备和软件资源

近几年，沈阳农业大学着力提高本科教学质量，改善教学条件，本科生实践教学所需的硬件设施进行了更新，这些均为基于“云-数-地”教学模式的构建奠定了基础。农学院生態学教研室目前配套有四旋翼无人机2部（大疆精灵，大疆经纬RTK）、图形工作站及自主开发的“无人机高精度影像分析软件”。还配备了高精度GPS测量仪和树高测高仪，保证了典型生态系统植被调查的精准化和高效化。此外，学院更新了实验室电脑配置，更保证了云计算成果的共享及学生以团队为单位开展大数据分析和处理。

（二）  优化在线教学资源

传统实践教学的资源是通过上传基础课件的方式与学生共享。沈阳农业大学生态学教学研究室整合已有的农业部门、国土部门、水务部门及学生搜集的植被、土地、水文数据和影像数据，建立了实践教学资源数据库。在此基础上，生态学实践课程组在项目研究团队软件开发的基础上，利用已有的软件资源，不断丰富、完善、优化新的数字资源，将与生态学相关的、近几年最新应用的无人机和激光雷达技术应用的发展动态扩充到实践教学在线资源数据库中，方便学生随时查阅和分析。同时优化课后答疑流程，基于在线会议和社交软件平台等工具，使学生能够针对实践内容随时向教师提出问题，并得到及时答复。

（三）  实践内容交叉融合

在教学设备和在线信息资源升级的基础上，生态学实践课程组探索建立了基础内容+自选内容，小组团队共享的实践过程平台。比如，基本实践模块主要是生态学实践课程要求必须掌握的内容；自选实践模块是对基本实践内容的应用和拓展，包括植被分类、地上地下生物量估算、生态系统质量评价、生态系统生物多样性调查与分析及生态系统的修复和管理等。自选实践模块通常周期较长，数据搜集和实地调查成本较高，但是结合云计算数据处理平台可以突破时间、地点、经费等限制。学生通过无人机调查可以获得大尺度生态信息数据，基于云计算平台可以将实地调查与已有数据资源结合，实现实践内容的多维度交叉融合，在巩固基础知识的同时，综合提升学生的实践技能和创新思维。

（四）  强化实践过程和实践能力考核

在传统生态学实践课程中，该课程的考核成绩由实践报告（50％）、平时成绩（30％）和结果汇报（20％）构成，不利于学生综合实践能力的提升。因此，笔者对该课程的考核方式进行了调整，强化了实践过程的考核，该课程的考核成绩包括在团队协作情况（10％）、实地调查和仪器操作情况（20％）、线上数据资源和大数据平台使用情况（30％）及实践内容完成情况（40％）。团队协作考核主要包括学生通过团队协作开展实践设计、实践过程实时更新及实践成果共享的情况；实地调查和仪器操作考核主要包括仪器设备数量操作情况和调查数据的准确性；线上数据资源和大数据平台使用考核主要考察学生针对实践内容开展数据处理和分析情况；实践内容完成情况考核主要考察学生对实践内容的整体完成情况，以及学生针对教师的反馈建议完成情况，在完成该部分内容的同时提交实践报告。

四  基于“云-数-地”教学模式的生态学实践课程教学改革的效果

生态学实践课程“云计算＋大数据＋地面调查”相结合的实践教学模式不仅有利于培养学生的创新实践能力，而且还提高了教学的质量和效率。

（一）  促进了前沿信息技术和专业实践内容的结合

与生态学实践课程相关的前沿信息技术内容广泛且发展迅速，涉及近地遥感、云计算、大数据处理等。该课程通过“云-数-地”实践教学模式，将课程基础知识与前沿应用相结合，不仅有利于选择该课程的学生检验实践和应用能力，而且也可以根据学生自身兴趣获得相关前沿技术信息，丰富了学生的实践内容，极大地提高了学生的学习积极性。

（二）  促进了实践教学效率和质量的提高

基于“云-数-地”教学模式的生态学实践课程教学使互联网、云计算、地面无人机调查融为一体，综合利用电脑、互联网载体构筑生态学实践平台，打破了传统生态学实践教学时空限制，以学生为中心，采用了交互式、研讨式的实践教学体系及过程性的评价方法，激发学生主动学习意识，培养批判性思维模式，促进了生态学实践课程教学效率和质量的提高。

（三）  促进了实地调查与线上教学资源的有机结合

生态学实践课程实地调查环节是后续数据分析和总结的基础，学生在实地调查过程中经常遇到众多干扰因素，比如因疫情野外调查受限、天气影响出行、调查范围有限取样代表性不足等，以及实地调查结束后团队协作配合较少等[5]。但“云-数-地”教学模式的即时性、对自然环境条件的低依赖性、对团队协作的高要求性等特点又充分弥补了实地调查的不足。因此，在新冠感染疫情防控常态化的条件下，生态学实践课程通过实地调查与线上教学资源使用二者有机结合、互补互促，实现了实践教学“１＋１＞２”的效果。

五  结束语

为生态学领域培养高层次专业人才，改革传统生态学实践课程教学内容和方法是关键[6]。通过完善实践课程考核评价体系，借助云计算平台与数据分析处理技术，可以培养学生创新能力和实践能力[7]。随着现代信息技术的快速发展，我们还将继续探索和实践适合生态学实践教育的教学方法，以期让学生了解生态学的理论前沿、应用前景和最新发展动态，能够以生态学系统知识体系处理可持续发展中的各种生态学问题。

参考文献：

[1] 徐小博，郭晖，徐萍，等.新农科背景下园林专业生态类课程的教学改革研究——以新乡学院为例[J].科技视界，2021（35）：28-29.

[2] 许亚东，黄进勇，任景莉.综合性大学农业大数据人才培养体系构建[J].教育教学论坛，2022（16）：20-23.

[3] 胡青，刘忠华，郭惠红，等.生物学野外综合实习教学改革的探索与实践[J].中国林业教育，2017，35（S1）：34-39.

[4] 段祝庚，陈丰田，岳雄，等.虚实结合无人机摄影测量实验教学改革与效果评价[J].实验室研究与探索，2021，40（10）：201-205.

[5] 刘强，卢伟，黄秋娴.基于“新农科”建设理念探讨林学专业教育改革[J].林区教学，2022（7）：38-41.

[6] 郑红梅.论新时代我国高等农业院校的新农科建设[J].安徽农业科，2020，48（23）：265-267.

[7] 刘好斌，殷民，杨丰玉.基于云计算技术的实践教学云平台研究[J].南昌航空大学学报（自然科学版），2021，35（4）：120-126.

基金项目：国家自然科学基金“榆树疏林草原沙地榆日光诱导叶绿素荧光与气孔导度耦合机理研究”（32001371）；辽宁省教育厅基础项目“干旱草原典型植物叶绿素荧光动力学参数的环境响应和跨尺度模拟”（LSNJC202018）；沈阳农业大学2021年度教育教学研究项目“新农科建设背景下《生态系统生态学》实践教学改革探索”（2021-19）

第一作者简介：丛巍巍（1980-），女，汉族，辽宁沈阳人，农学博士，讲师。研究方向为生态系统过程与定量遥感应用。

*通信作者：赵天宏（1972-），男，汉族，辽宁义县人，农学博士，教授。研究方向为全球变化生态学和农业生态系统生态学。