杜久升，雷志飛，袁占良，景海濤，程 鋼，侯 爭(zhēng)

(河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)既是跨越地球科學(xué)、空間科學(xué)和信息科學(xué)的一門(mén)應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，又是一項(xiàng)工程應(yīng)用技術(shù)。隨著各個(gè)領(lǐng)域?qū)IS認(rèn)知程度加深，GIS課程在不同專業(yè)背景、不同層次的高校中廣泛開(kāi)設(shè)，不同的定位、不同的需求共同催化具有差異性的GIS課程改革思路：“地理信息系統(tǒng)原理”類課程，注重將學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解轉(zhuǎn)化為對(duì)實(shí)際應(yīng)用的分析，兼顧創(chuàng)新能力，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法、任務(wù)引領(lǐng)法、研究性教學(xué)等方法予以實(shí)現(xiàn)[1-3]；GIS實(shí)驗(yàn)課程是理論知識(shí)的鞏固與升華，其研究探索更為廣泛，涉及反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)、學(xué)習(xí)效果反饋、以學(xué)科競(jìng)賽促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革、課程體系構(gòu)建、考核制度建設(shè)[4-9]等多個(gè)方面；新工科、學(xué)科融合等背景下，以不同學(xué)科需求、不同行業(yè)發(fā)展背景為出發(fā)點(diǎn)，有針對(duì)性、有目的性地推進(jìn)GIS課程改革[10-13]。綜觀當(dāng)前GIS課程改革脈絡(luò)，呈現(xiàn)：“偏重實(shí)驗(yàn)，理論略弱；以教為主，以學(xué)為輔；突出結(jié)果，淡化過(guò)程”的趨勢(shì)。因此，如何“兼顧理論與實(shí)驗(yàn)，回歸教學(xué)的本質(zhì)”已成為推動(dòng)GIS課程改革前必需解決的思考題。

卡爾·韋曼科學(xué)教育改革(Carl Wieman Science Education Initiative，CWSEI)是由2001年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主卡爾·韋曼自2007年倡導(dǎo)，依托加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)(University of British Columbia，UBC)開(kāi)展的教學(xué)研究計(jì)劃，旨在改善本科生理科教育。該計(jì)劃完備的理論體系與方法支撐廣泛且有效幫助包括UBC及科羅拉多大學(xué)在內(nèi)多所大學(xué)的課程建設(shè)與改革[14-15]。

筆者以河南理工大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)開(kāi)設(shè)的GIS課程為例，借鑒卡爾·韋曼科學(xué)教育改革理念與方法，探索突出“以生為本”的GIS課程教學(xué)思路，以期提升GIS課程教學(xué)效果，并為類似課程改革提供參考。

1 地理信息系統(tǒng)課程特點(diǎn)

1.1 課程目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容

河南理工大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)的GIS課程，以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，介紹運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)和信息科學(xué)的理論與方法，進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的采集、處理和管理，空間數(shù)據(jù)的分析與綜合研究，以及地理信息系統(tǒng)的建立和應(yīng)用。課程的教學(xué)內(nèi)容涉及32學(xué)時(shí)的理論學(xué)習(xí)、16學(xué)時(shí)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)操作。通過(guò)該課程的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，使學(xué)生具備如下知識(shí)和能力：①掌握地理信息系統(tǒng)的基本理論與方法，能夠從空間分析的角度研究測(cè)繪工程相關(guān)問(wèn)題；②掌握地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS的使用，應(yīng)用GIS工具分析和解決與測(cè)繪工程專業(yè)相結(jié)合的實(shí)際問(wèn)題的基本能力；③了解地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，理解空間數(shù)據(jù)管理與分析的作用與意義。

1.2 教學(xué)效果與問(wèn)題剖析

傳統(tǒng)GIS課程采用“以講解為主”的理論課程講授方式，配合“以演示答疑為主”的實(shí)驗(yàn)課程講授方式。如圖1所示，以河南理工大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)近4屆384位同學(xué)為例，除極少數(shù)學(xué)生出現(xiàn)“不及格”現(xiàn)象，四年的GIS課程成績(jī)走勢(shì)趨于平穩(wěn)，平均成績(jī)良好。

圖1 近4屆學(xué)生成績(jī)分布

考試成績(jī)是對(duì)學(xué)生短期學(xué)習(xí)效果的檢測(cè)，后續(xù)應(yīng)用則是對(duì)學(xué)生掌握水平的檢驗(yàn)。例如：①備戰(zhàn)考研過(guò)程中，暴露出少部分學(xué)生不能嫻熟地運(yùn)用GIS空間分析方法解決實(shí)際案例；②畢業(yè)設(shè)計(jì)與畢業(yè)論文完成過(guò)程中，暴露出少部分學(xué)生不能自如地以GIS視角剖析問(wèn)題、解決問(wèn)題?？梢?jiàn)，課程學(xué)習(xí)效果應(yīng)以學(xué)生對(duì)知識(shí)的內(nèi)化程度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，以學(xué)生的“學(xué)習(xí)目標(biāo)”為課程教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)。暴露出的問(wèn)題，是深入優(yōu)化GIS課程教學(xué)方法的切入點(diǎn)，恰是反推教學(xué)設(shè)計(jì)的有力依據(jù)。

2 CWSEI教學(xué)改革理念

2.1 CWSEI改革定位

卡爾·韋曼科學(xué)教育改革(CWSEI)致力于改善本科生理科教育，已經(jīng)在加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)研究、推廣多年[16]。如圖2所示，CWSEI通過(guò)四步法科學(xué)地提升教學(xué)效果。CWSEI教學(xué)改革的特色在于：以學(xué)生為中心，圍繞學(xué)生要學(xué)什么、在學(xué)什么、如何學(xué)，遵循學(xué)習(xí)規(guī)律成體系地提升教學(xué)效果，充分體現(xiàn)“以生為本”的教育理念。

圖2 CWSEI四步法

2.2 教改措施及實(shí)踐意義

基于“以學(xué)生為中心”的理念，CWSEI教學(xué)改革體系在教學(xué)的不同環(huán)節(jié)建立、完善教學(xué)方法。

2.2.1 課堂組織方法

1)投票器。投票器(clicker)用于即時(shí)反饋學(xué)生對(duì)題目的判斷結(jié)果、對(duì)問(wèn)題的看法，其使用意義在于：調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生參與到課堂活動(dòng)中，以保證學(xué)習(xí)效果；同時(shí)，便于教師掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，適時(shí)調(diào)整授課方法。UBC的投票器是專門(mén)設(shè)備，結(jié)合我國(guó)網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)狀，投票器的功能可借助網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)中的“選擇題”予以實(shí)現(xiàn)。盡管形式上是簡(jiǎn)單的選擇題，但是投票器題目適用于由淺入深的不同學(xué)習(xí)階段：階段1，簡(jiǎn)單的事實(shí)問(wèn)題；階段2，更具挑戰(zhàn)性的概念性問(wèn)題，或者答案不明顯且可以爭(zhēng)論關(guān)鍵點(diǎn)的問(wèn)題；階段3，針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)材料，圍繞一組充滿挑戰(zhàn)性的投票問(wèn)題進(jìn)行講座。

2)專家組學(xué)習(xí)。專家組學(xué)習(xí)(Jigsaw)是一種小團(tuán)體合作學(xué)習(xí)模式，學(xué)生有機(jī)會(huì)成為特定學(xué)科的“專家”，并與同齡人分享該知識(shí)。該學(xué)習(xí)方式適合稍有難度的概念性知識(shí)、復(fù)習(xí)性內(nèi)容，是行之有效的同伴教學(xué)方式。通過(guò)3個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：首先，打破原有學(xué)習(xí)組，組成新的專家組，同一專家組學(xué)習(xí)相同內(nèi)容；然后，學(xué)生從專家組回到原來(lái)的學(xué)習(xí)組，向組內(nèi)成員匯報(bào)學(xué)習(xí)內(nèi)容；最后，學(xué)習(xí)組內(nèi)討論各位“專家”所學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

3)教學(xué)可視化。將學(xué)習(xí)成果可視化，是學(xué)生知識(shí)輸出的過(guò)程，也為學(xué)生之間交流搭建良好的平臺(tái)。海報(bào)展示可用于課堂的研究與學(xué)習(xí)匯報(bào)，也可以配合細(xì)化的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，用于階段性或?qū)W期末的課程考核。

2.2.2 課堂評(píng)估技術(shù)

課堂評(píng)估技術(shù)(Classroom Assessment Techniques，CATs)是學(xué)生對(duì)階段性學(xué)習(xí)的反饋，以學(xué)生為中心的再一項(xiàng)體現(xiàn)。評(píng)估技術(shù)形式豐富，例如：概念連線、列舉重點(diǎn)、總結(jié)“我”如何學(xué)習(xí)等。其共同點(diǎn)在于：學(xué)生匿名回答，既注重反饋，又保護(hù)隱私。

2.2.3 兩階段考試

兩階段考試分兩個(gè)環(huán)節(jié)逐步實(shí)現(xiàn)：①與傳統(tǒng)考試模式相同，學(xué)生獨(dú)立作答；②3～4名同學(xué)組成小組，再次回答相同或稍加改動(dòng)的試題，此部分成績(jī)占比15%～25%。從形式上看，兩階段考試的意義在于：兼顧個(gè)人成績(jī)與小組成績(jī)。但是，究其內(nèi)涵，兩階段考試的根本優(yōu)勢(shì)在于：在小組討論的思辨過(guò)程中，學(xué)生能夠主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)，加深理解程度。

3 教學(xué)改革思路

如圖3所示，遵從“以生為本”的原則，分五步實(shí)現(xiàn)GIS課程改革。

圖3 GIS課程改革思路

第一步：以學(xué)生為中心，建立適用于學(xué)生的可量測(cè)學(xué)習(xí)目標(biāo)。將“理解、掌握、了解”等相對(duì)模糊的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為“繪制、解釋、分析”等相對(duì)明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生有的放矢地學(xué)習(xí)。

第二步：以學(xué)習(xí)目標(biāo)為依據(jù)，確定各部分教學(xué)內(nèi)容預(yù)期的學(xué)習(xí)效果，并量化為可量測(cè)、可操作的題目。其意義不在于以分?jǐn)?shù)檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，而在于能夠轉(zhuǎn)化為知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中或?qū)W習(xí)后的課堂活動(dòng)。

第三步：以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)為目的，設(shè)置兩階段考試時(shí)間節(jié)點(diǎn)。按照課程進(jìn)展，采用兩階段考試形式，在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中設(shè)置3次測(cè)試。題目設(shè)置與預(yù)期學(xué)習(xí)效果密切相關(guān)，幫助學(xué)生在小組測(cè)試環(huán)節(jié)將原本未理解的知識(shí)點(diǎn)加以理解，將考試中未能解決的問(wèn)題帶到考試后予以解決。

第四步：以預(yù)期學(xué)習(xí)效果為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)有趣有效的課堂活動(dòng)。充分考慮學(xué)習(xí)內(nèi)容的特點(diǎn)，慎重、得當(dāng)?shù)剡x用CWSEI中所采用的教學(xué)改革措施，例如：投票、專家組學(xué)習(xí)、海報(bào)以及課堂評(píng)估技術(shù)等。

第五步：梳理課程整體思路，充分設(shè)計(jì)利用第一次課，為后續(xù)課程開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。在形式上，充分地運(yùn)用課程擬采用的課堂活動(dòng)，預(yù)習(xí)各種學(xué)習(xí)活動(dòng)；在內(nèi)容上，自然地通過(guò)活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生思考得出課程的學(xué)習(xí)意義、內(nèi)容與方法。

4 教學(xué)改革方案

剖析測(cè)繪工程專業(yè)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備、學(xué)習(xí)需求，結(jié)合GIS課程特點(diǎn)，按照既定的五步教學(xué)改革思路，分層次、有針對(duì)性地逐步實(shí)施改革方案，如圖4所示。

圖4 GIS課程改革思路

方案以可量測(cè)的學(xué)習(xí)目標(biāo)為起點(diǎn)，最終落點(diǎn)在于課程的“第一次課”。以學(xué)生的視角為切入點(diǎn)，第一次課是其對(duì)課程最初的認(rèn)識(shí)，應(yīng)充分利用這一良好契機(jī)，讓學(xué)生被課程內(nèi)容吸引、被課程形式吸引。首先，確定可量測(cè)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，注意增加學(xué)生學(xué)習(xí)課程的情感目標(biāo)；其次，根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容的差異，將其劃分為：概念理解、數(shù)據(jù)編碼、空間分析原理、軟件操作、設(shè)計(jì)理念5個(gè)類別的預(yù)期學(xué)習(xí)效果；再次，依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度確定3次階段性測(cè)試的時(shí)間，測(cè)試均采用兩階段考試形式，以督促學(xué)生學(xué)習(xí)；繼而，對(duì)照學(xué)習(xí)效果，對(duì)各章內(nèi)容分類，根據(jù)類別特點(diǎn)設(shè)計(jì)課堂活動(dòng)；最后，圍繞學(xué)生“對(duì)專業(yè)的認(rèn)識(shí)”“對(duì)課程的認(rèn)識(shí)”“對(duì)課程的疑惑”，運(yùn)用有效的課堂活動(dòng)形式設(shè)計(jì)第一次課。

1)對(duì)于具有思考意義的題目，通過(guò)海報(bào)將學(xué)習(xí)效果可視化。如圖5所示，學(xué)生分組討論，并將思考所得書(shū)寫(xiě)、繪制在海報(bào)上，各小組將海報(bào)張貼在教室墻面或黑板上，以供同學(xué)們相互學(xué)習(xí)。這種形式可促進(jìn)學(xué)生思考、交流、學(xué)習(xí)。

圖5 海報(bào)展示學(xué)習(xí)效果

2)對(duì)于難度相當(dāng)?shù)闹R(shí)點(diǎn)，采用“專家組學(xué)習(xí)”方式。GIS課程教學(xué)過(guò)程中，將經(jīng)典“專家組學(xué)習(xí)”方法進(jìn)行改進(jìn)：在學(xué)生以學(xué)習(xí)組學(xué)習(xí)時(shí)，老師深入到學(xué)生中間，把握共性問(wèn)題；學(xué)生分組學(xué)習(xí)后，老師再重點(diǎn)講解共性問(wèn)題。如圖6所示，此方法得到學(xué)生好評(píng)。

圖6 改進(jìn)的Jigsaw學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

3)如圖7所示，為學(xué)生設(shè)計(jì)“輔助學(xué)案”，幫助學(xué)生梳理課堂教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成繪制知識(shí)點(diǎn)“思維導(dǎo)圖”的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣。

圖7 輔助學(xué)案示例

5 結(jié) 論

以河南理工大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)的GIS課程為例，剖析GIS課程教學(xué)中尚待完善之處。借鑒卡爾·韋曼科學(xué)教育改革(CWSEI)“以學(xué)生為中心”的教育理念和教學(xué)措施，立足“以生為本”原則，依托2020年課程，探索并應(yīng)用GIS課程改革五步法。課程改革取得一定成效：①學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度顯著提升，課堂活動(dòng)平均參與度達(dá)97%，課后反饋平均比例達(dá)85%；②學(xué)生對(duì)課程滿意度達(dá)99%，對(duì)師生互動(dòng)滿意度達(dá)98%，授課教師教學(xué)評(píng)價(jià)為“優(yōu)秀”；③課程于2020年獲評(píng)“河南省本科教育線上優(yōu)秀課程”。

課程改革在以下幾方面有所創(chuàng)新與發(fā)展：①提出GIS課程改革五步法，并應(yīng)用于教學(xué)；②將兩階段考試引入到GIS課程教學(xué)中，彌補(bǔ)傳統(tǒng)考試方式“以分?jǐn)?shù)衡量學(xué)習(xí)效果”的弊端，使學(xué)生在小組討論的思辨過(guò)程中，能夠主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)、加深理解程度；③將課堂評(píng)估技術(shù)應(yīng)用于GIS課程教學(xué)，以達(dá)到及時(shí)獲取學(xué)生學(xué)習(xí)效果反饋的目的；④綜合運(yùn)用投票器、專家組學(xué)習(xí)、教育可視化，以及輔助學(xué)案等多種互動(dòng)性課堂活動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)參與式學(xué)習(xí)。

課程改革尚處于探索階段，實(shí)施過(guò)程中表現(xiàn)出兩點(diǎn)不足：一方面，相比于傳統(tǒng)講授方式，教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施需要較長(zhǎng)時(shí)間，教學(xué)進(jìn)度比原有方式略慢；另一方面，現(xiàn)有研究側(cè)重教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)方法，對(duì)課程思政內(nèi)容有待豐富。鑒于此，后續(xù)研究將通過(guò)凝練教學(xué)內(nèi)容、引導(dǎo)課后活動(dòng)等方式緩解教學(xué)活動(dòng)實(shí)施與教學(xué)進(jìn)度延緩的矛盾，同時(shí)，以案例式教學(xué)自然實(shí)現(xiàn)課程思政，再以海報(bào)等形式實(shí)現(xiàn)教育可視化促進(jìn)學(xué)生思考。