嵌入CDIO和MOOC的“環(huán)境信息系統(tǒng)”教學(xué)模式

崔耀平等

摘 要： 環(huán)境信息越來越被人們所關(guān)注，“環(huán)境信息系統(tǒng)”也日漸成為環(huán)境科學(xué)相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，該課程側(cè)重環(huán)境、時(shí)空分析等。作為一門新興的交叉課程，如何在系統(tǒng)教學(xué)中，更高效地帶領(lǐng)學(xué)生掌握先進(jìn)的知識(shí)和技能成為了教學(xué)改革的重點(diǎn)。以CDIO工程教育理念為載體，結(jié)合MOOC式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，針對該課程的自身特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀，探討教學(xué)新方法，并嘗試構(gòu)建環(huán)境信息系統(tǒng)的教學(xué)新模式，以期能為該課程的教學(xué)提供有益參考。

關(guān)鍵詞： 工程教育； MOOC； 教學(xué)改革； 環(huán)境信息

中圖分類號(hào)：TN911.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2015）05-69-03

Abstract： Environment events are more and more concerned by the people， "environment information system" has become the basic course in environment science related major， the course focuses on the environment， temporal and spatial analysis etc. As an interdisciplinary course， how to lead the students to master the advanced knowledge and skills in the teaching process has become a key point in teaching reform. This paper， in order to provide a useful reference for the teaching， with the idea of CDIO engineering education as carrier， combining MOOC network teaching type， according to the characteristics and teaching situation of the course， discusses and tries to structure a new teaching mode for environment information system.

Kew words： engineering education； MOOC； teaching reform； environmental information

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)以及云技術(shù)的發(fā)展與普及，電腦和移動(dòng)終端日益成為大學(xué)生常用的信息獲取方式，高校的傳統(tǒng)教學(xué)模式日益顯露出弊端。在新的信息化背景下如何對現(xiàn)有教育模式進(jìn)行改革一直是眾多學(xué)科關(guān)注的重點(diǎn)。

環(huán)境信息系統(tǒng)作為一門新學(xué)科，涵蓋了計(jì)算機(jī)、環(huán)境科學(xué)、地理信息系統(tǒng)以及遙感技術(shù)等內(nèi)容，其教學(xué)僅照搬傳統(tǒng)模式將無法真正體現(xiàn)其先進(jìn)的應(yīng)用和實(shí)踐性特點(diǎn)，這也是該學(xué)科教學(xué)中亟待解決的重要問題。當(dāng)今世界迅速掀起的CDIO工程教育模式（Conceive構(gòu)思，Design 設(shè)計(jì)，Implement 實(shí)現(xiàn)，Operate操作）和大型開放在線課程（Massive Open Online Courses，MOOC）教學(xué)浪潮，以其先進(jìn)的創(chuàng)辦理念和獨(dú)特有效的教學(xué)方式給這一問題帶來了新的解決思路[1]。

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。2000年，麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)組成的跨國研究，經(jīng)四年探索，創(chuàng)立CDIO工程教育理念，并成立了國際合作組織（http：//www.chinacdio.cn/）。CDIO的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念非常契合環(huán)境信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，而對工程式學(xué)生的要求也完全滿足這門課程的開設(shè)預(yù)期目標(biāo)，即側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手和實(shí)踐應(yīng)用能力。MOOC是指世界名校和名師開設(shè)的網(wǎng)絡(luò)課程（http：//mooc.guokr.com/course/）。MOOC以其大量優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源和便利新穎的學(xué)習(xí)方式，在短時(shí)間內(nèi)贏得了來自世界各地師生群體的認(rèn)可，被人們稱作“慕課”[2]。這種在線課程教學(xué)模式也對當(dāng)前的環(huán)境信息系統(tǒng)教學(xué)給予了很多啟示?，F(xiàn)在雖然還沒有名校名師開講環(huán)境信息系統(tǒng)的慕課，但相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)在網(wǎng)絡(luò)上已有很多開放的資源。

基于以上分析，在環(huán)境信息系統(tǒng)教學(xué)中合理利用和實(shí)踐CDIO工程教育理念和MOOC式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)思想，不僅可以有效提升學(xué)生的知識(shí)獲取和實(shí)踐動(dòng)手能力，同時(shí)還能對其通過網(wǎng)絡(luò)終端來及時(shí)掌握國際前沿知識(shí)動(dòng)態(tài)提供條件。本文基于CDIO和MOOC，從兩者與環(huán)境信息系統(tǒng)的契合關(guān)系出發(fā)，嘗試構(gòu)建環(huán)境信息系統(tǒng)教學(xué)改革的新模式，以期能為該學(xué)科高效的教學(xué)工作提供理論和邏輯支持。

1 CDIO及MOOC的發(fā)展

CDIO和MOOC作為兩個(gè)當(dāng)前教育非常著名的教學(xué)理念，已經(jīng)成為高等教育史上的一種現(xiàn)象，也很可能成為一種未來的教學(xué)趨勢所在。CDIO和MOOC各自從提出到推廣實(shí)施，所用時(shí)間非常短，但發(fā)展和影響力迅速擴(kuò)大?；诂F(xiàn)有熱度和教育實(shí)踐的成效來看，CDIO和MOOC已經(jīng)無可爭議地成為了高等教學(xué)中的發(fā)展趨勢之一。未來一段時(shí)間，工程式的系統(tǒng)培養(yǎng)方式和開放式的知識(shí)學(xué)習(xí)方式將對教學(xué)和培養(yǎng)模式產(chǎn)生很大的沖擊力。

CDIO教學(xué)不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念，更重要的是其系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測評的標(biāo)準(zhǔn)。瑞典國家高教署2005年采用該標(biāo)準(zhǔn)對本國100個(gè)學(xué)位計(jì)劃進(jìn)行評估，結(jié)果表明，新標(biāo)準(zhǔn)比原標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)面更寬，更利于提高質(zhì)量。迄今為止，已有幾十所世界著名大學(xué)加入了CDIO組織，且取得了良好效果。在中國，2008年，教育部確定了第一批18所CDIO試點(diǎn)高校名單，同年出現(xiàn)探討CDIO的碩博論文，截止2014年已有3700多篇文獻(xiàn)探討CDIO在中國相應(yīng)學(xué)科教學(xué)培養(yǎng)的實(shí)踐應(yīng)用（見圖1）。

幾乎與此同時(shí)，2008年，由加拿大的戴夫·科米爾和布賴恩·亞歷山大根據(jù)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)實(shí)踐提出MOOC這一術(shù)語。2011年，斯坦福大學(xué)將三門課程的教學(xué)視頻免費(fèi)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。同年底，斯坦福大學(xué)創(chuàng)辦的MOOC平臺(tái)——Udacity，至今已超過80萬人注冊，覆蓋190多個(gè)國家[3]。自此，在世界范圍內(nèi)掀起了一場MOOC學(xué)習(xí)熱潮，2012年也被稱為“慕課之年（Year of MOOC）”。國內(nèi)的嘗試也于2012年逐步興盛，根據(jù)在中國知網(wǎng)以“MOOC”為關(guān)鍵詞的查詢結(jié)果，2012年之前沒有相關(guān)報(bào)道，2012年當(dāng)年有9篇；2013年，期刊論文、學(xué)位論文、報(bào)刊等涉及MOOC的超過200篇；2014年，已有超過1200篇的文章被檢索出來（圖1）。

這些研究從MOOC教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)、其發(fā)展特征、教學(xué)體系構(gòu)建，到云共享平臺(tái)、開放學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂等，涉及到MOOC的方方面面。同時(shí)，北京大學(xué)、清華大學(xué)為代表的國內(nèi)一流大學(xué)，也開始了MOOC教學(xué)模式的探討和構(gòu)建。由此可見，MOOC帶著強(qiáng)大的顛覆力和沖擊性走進(jìn)了教學(xué)。

2 環(huán)境信息系統(tǒng)新教學(xué)模式的構(gòu)建

2.1 環(huán)境信息系統(tǒng)與CDIO和MOOC的關(guān)聯(lián)

環(huán)境信息系統(tǒng)重點(diǎn)介紹環(huán)境信息系統(tǒng)相關(guān)的基本概念、基本原理、技術(shù)手段，以及方法、途徑和應(yīng)用。具體內(nèi)容包括：基本概念、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫、環(huán)境信息的獲取與組織管理、系統(tǒng)開發(fā)、環(huán)境信息的標(biāo)準(zhǔn)化等。環(huán)境信息系統(tǒng)的教學(xué)安排如表1所示。

環(huán)境信息系統(tǒng)教學(xué)安排比較系統(tǒng)，而對應(yīng)CDIO教學(xué)理念可以得到充分的運(yùn)用，CDIO所提倡的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、操作等工程式的教學(xué)管理模式不僅可以充分保證學(xué)生的理論和實(shí)踐知識(shí)得到掌握，還可以幫助其提升整體素質(zhì)和專業(yè)應(yīng)用水平。同時(shí)，MOOC提供了創(chuàng)新的教學(xué)方式和相關(guān)學(xué)科的龐大教學(xué)資源，現(xiàn)有的開放資源包括：數(shù)據(jù)、課件、微課、文庫、課件庫、公開課等，全球和中國當(dāng)前巨大的資源量和知識(shí)庫為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了有效保障。因此，我們在對CDIO這個(gè)理念和MOOC教學(xué)精髓進(jìn)行全面理解和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，完全可以嵌入CDIO和MOOC來開展環(huán)境信息系統(tǒng)的教學(xué)工作，走出一條屬于適合該學(xué)科的人才培養(yǎng)模式，具體對應(yīng)的教學(xué)方式參見表2。

正如表2所展示出的CDIO和MOOC與環(huán)境信息系統(tǒng)課程的關(guān)聯(lián)那樣，CDIO框架下，在MOOC式自助學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)資源的整合學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，該培育模式不僅包括了基礎(chǔ)知識(shí)的培養(yǎng)，還直接對接了社會(huì)和企業(yè)對大學(xué)生的畢業(yè)素養(yǎng)需求的培育，使之通過課題和項(xiàng)目的完整參與和最終完成，能初步實(shí)現(xiàn)對社會(huì)需求的環(huán)境事件做出系統(tǒng)的專業(yè)分析和有效的知識(shí)應(yīng)用。

2.2 環(huán)境信息系統(tǒng)的教學(xué)新模式

環(huán)境信息系統(tǒng)是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的跨學(xué)科高校課程[4]。該課程的總體教育目標(biāo)是使學(xué)生能夠：掌握深度的基礎(chǔ)知識(shí)和技能；系統(tǒng)考慮、進(jìn)行研究、解決問題的專業(yè)能力；在團(tuán)隊(duì)里的有效交流；實(shí)時(shí)環(huán)境事件下的系統(tǒng)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和管理。

這里我們借鑒麻省理工學(xué)院的學(xué)科專業(yè)培養(yǎng)模式[5]，提出如下新模式，以供在日后教學(xué)和培養(yǎng)環(huán)境信息系統(tǒng)專業(yè)人才中提供理論基礎(chǔ)。根據(jù)對CDIO和MOOC與環(huán)境信息系統(tǒng)課程的關(guān)聯(lián)分析（表2），依照培養(yǎng)目標(biāo)把本課程的教學(xué)進(jìn)一步分解為4大類16亞類的具體目標(biāo)，以衡量學(xué)生在專業(yè)方面的所知和所能。如圖2所示，第1和2項(xiàng)為基礎(chǔ)支撐，第3項(xiàng)為綜合素養(yǎng)，第4項(xiàng)為最終的實(shí)踐應(yīng)用，綜合考核中合并了理論和實(shí)踐目標(biāo)。

這16項(xiàng)具體目標(biāo)分列如下。

⑴ 具備深厚的技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)。具體包括三個(gè)層次，依次為：展示運(yùn)用基本學(xué)科知識(shí)的能力，包括地理信息系統(tǒng)、遙感、環(huán)境科學(xué)等；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫、圖像處理、計(jì)算機(jī)等方面的核心基礎(chǔ)知識(shí)和原理；展示在數(shù)據(jù)融合、建模、空間分析、系統(tǒng)開發(fā)等方面專業(yè)工程知識(shí)。

⑵ 研究問題、解決問題、系統(tǒng)思維及掌握的其他個(gè)人、專業(yè)能力。包括了5個(gè)亞類：分析和解決課題或教學(xué)案例問題；對問題進(jìn)行探尋和實(shí)驗(yàn)；整體和系統(tǒng)地思考；掌握成功進(jìn)行實(shí)踐所需的個(gè)人能力；掌握成功進(jìn)行實(shí)踐所需的職業(yè)素養(yǎng)。

⑶ 在團(tuán)隊(duì)分組里的有效交流和工作。包括了：在團(tuán)隊(duì)中領(lǐng)導(dǎo)和工作，以及以書面形式、電子形式、圖表和口頭等方式進(jìn)行有效的交流。

⑷ 構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行。包括了6個(gè)亞類：認(rèn)識(shí)到社會(huì)環(huán)境在實(shí)踐中的重要性；欣賞不同的文化背景且在不同的分組中順利工作；構(gòu)思系統(tǒng)包括制定要求、界定功能、建模和管理；設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)軟硬件過程和管理執(zhí)行程序；運(yùn)行復(fù)雜系統(tǒng)、過程和管理運(yùn)行。

3 結(jié)束語

作為一門與高科技、新技術(shù)、信息化結(jié)合緊密的專業(yè)課程，當(dāng)前環(huán)境信息系統(tǒng)在教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生過程中存在不少問題。在教學(xué)時(shí)往往對學(xué)生強(qiáng)調(diào)課本知識(shí)點(diǎn)的重要性，而忽略了知識(shí)的實(shí)時(shí)性；教學(xué)方式相對生硬，且很少重視實(shí)踐技能方面。這些問題在信息化與教育變革大背景下，尤為突出。

CDIO的工程培養(yǎng)理念保障了教學(xué)工作的高效性，加之MOOC教學(xué)模式的開放性，增強(qiáng)了學(xué)生的自主性。教學(xué)新模式實(shí)施過程中，要求教師：①在充分掌握學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)和先進(jìn)技能的基礎(chǔ)上，靈活運(yùn)用“翻轉(zhuǎn)課堂”方式；②要求學(xué)生能夠具有較強(qiáng)的知識(shí)接受能力和主動(dòng)探索能力，不能局限于教科書，積極主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和解決問題，提升自身綜合素養(yǎng)和專業(yè)能力。這種新型教育模式下，學(xué)生思維方式和實(shí)踐能力均可得到大幅增強(qiáng)，并通過吸收先進(jìn)教育理念，能使師生之間共同進(jìn)步，真正做到教學(xué)相長。同時(shí)，也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，當(dāng)前對該課程的教學(xué)模式改革仍需更多的實(shí)踐支持，以為后續(xù)更新和更有效的教學(xué)改革提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

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