基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL模式在地理空間信息工程教學(xué)改革中的應(yīng)用

吳 亮,郭明強(qiáng),謝 忠

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.國家地理信息系統(tǒng)工程研究中心,湖北 武漢 430074)

地理空間信息工程是研究地理空間信息存儲、處理、分析、管理、分發(fā)及應(yīng)用的科學(xué)與技術(shù)，是測繪科學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理科學(xué)交叉發(fā)展起來的一門專業(yè)，利用測繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)和移動通訊技術(shù)，解決地理空間數(shù)據(jù)采集、處理、可視化、分析、表示和服務(wù)的工程技術(shù)問題，進(jìn)行數(shù)字地圖設(shè)計(jì)，研發(fā)地理空間信息工程軟硬件平臺。在“智慧城市”和“新型城鎮(zhèn)化”快速發(fā)展的新地理信息時代，地理空間信息工程應(yīng)用已經(jīng)滲透到城市規(guī)劃、國土資源、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、公安、交通等經(jīng)濟(jì)社會的各行各業(yè)[1]。隨著我國地理信息產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展[2]，社會企事業(yè)單位、科研教學(xué)等機(jī)構(gòu)迫切需要一大批具有自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及交流能力的地理空間信息工程技術(shù)人才。

以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法(Problem/Project-Based Learning，簡稱PBL)最早起源于20世紀(jì)50年代的醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，發(fā)展于建構(gòu)主義教育理念，是近年來國際社會普遍認(rèn)同的一種研究性教學(xué)模式。它強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，將學(xué)習(xí)與任務(wù)或問題掛鉤；鼓勵自主學(xué)習(xí)；激發(fā)學(xué)習(xí)者的熱情和興趣；倡導(dǎo)討論、思辨、合作、共享；鼓勵對學(xué)習(xí)內(nèi)容和過程的反思，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力[3-4]。迄今為止，國內(nèi)開展的PBL教學(xué)仍處于初級階段，且主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，而在地理空間信息工程教學(xué)中的應(yīng)用較少。鑒于傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的瓶頸，引入PBL教學(xué)方法，本文將PBL教學(xué)方法的精華與傳統(tǒng)教學(xué)方法相結(jié)合進(jìn)行了應(yīng)用探索，為進(jìn)一步進(jìn)行地理空間信息工程教學(xué)模式的改革提供理論依據(jù)。

1 PBL教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)的區(qū)別

目前，傳統(tǒng)教學(xué)模式在各類高校中占據(jù)著主導(dǎo)地位。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，教師是教學(xué)的主體，具有絕對的權(quán)威，為學(xué)生做系統(tǒng)、細(xì)致的講解，學(xué)生只需順著老師的思路將知識點(diǎn)理解熟記即完成了學(xué)習(xí)過程，不需要過多的思考或者說根本沒有機(jī)會進(jìn)行深入思考，發(fā)現(xiàn)問題，學(xué)習(xí)創(chuàng)新[5]。

而在基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)模式下，以項(xiàng)目和問題為驅(qū)動，學(xué)生依據(jù)自己的興趣進(jìn)行較為深入的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是主觀的學(xué)術(shù)研究的需要；在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，學(xué)生以小組的形式通過實(shí)驗(yàn)過程及深入的思考構(gòu)建獨(dú)有的知識結(jié)構(gòu)，在對項(xiàng)目和問題進(jìn)行研究的過程中學(xué)習(xí)專業(yè)知識并靈活運(yùn)用解決實(shí)際問題，具有一定的實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力[6]。這種教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式有很大的不同[5，7]，下面利用表格的形式對比闡述PBL教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)的區(qū)別(見表1)。

表1 傳統(tǒng)教學(xué)與PBL教學(xué)的比較

2 基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL模式在地理空間信息工程專業(yè)中的應(yīng)用

在地理空間信息工程專業(yè)，采用PBL教學(xué)方法，以問題、項(xiàng)目為驅(qū)動，要求學(xué)生靈活運(yùn)用學(xué)過的理論知識和實(shí)踐技能去獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題，使學(xué)生的實(shí)踐能力、交流能力、創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)的能力在創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目、分析項(xiàng)目、實(shí)踐項(xiàng)目、評價反思全過程的實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練中得到有效鍛煉和提高，其教學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 地理空間信息工程教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目

雖然PBL是一種以學(xué)生為主體，教師為導(dǎo)向的教學(xué)模式，但教師卻需要在教學(xué)前期投入更多的精力和時間做準(zhǔn)備工作。為引導(dǎo)學(xué)生確定學(xué)習(xí)問題，教師選取教材的全部或者部分內(nèi)容講授總論、重點(diǎn)內(nèi)容和基本概念；借助網(wǎng)絡(luò)平臺，教師上傳自己錄制的專業(yè)課程微課視頻、收集的教輔材料和實(shí)驗(yàn)工具。

項(xiàng)目的創(chuàng)設(shè)是PBL教學(xué)的起點(diǎn)，是PBL教學(xué)成功運(yùn)行的關(guān)鍵一步。在項(xiàng)目創(chuàng)設(shè)上，應(yīng)根據(jù)社會對人才的需求，本著因材施教的方針，綜合考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、特長、興趣愛好、志向抱負(fù)，幫助學(xué)生組建學(xué)習(xí)小組，引導(dǎo)學(xué)習(xí)小組創(chuàng)建高質(zhì)量的問題。具體的方式則可以為：教師提供有針對性設(shè)置的問題/項(xiàng)目供學(xué)生選擇；也可引導(dǎo)學(xué)生們展開頭腦風(fēng)暴式討論，列出自己感興趣的話題、任務(wù)和問題。

學(xué)生在選擇PBL學(xué)習(xí)問題或項(xiàng)目時，老師應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)，但在老師允許的范圍之內(nèi)，可以滿足學(xué)生的興趣選擇，使學(xué)生能沉浸在快樂的氛圍中學(xué)習(xí)，最大限度地提升其自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。教師在教學(xué)過程中重點(diǎn)要考慮，問題應(yīng)能夠引出與所學(xué)專業(yè)相關(guān)的原理和概念，并且問題應(yīng)來源于現(xiàn)實(shí)生活，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，激發(fā)探究問題的動機(jī)、興趣和熱情，同時問題應(yīng)足夠復(fù)雜，具有挑戰(zhàn)性，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)[8-9]。

在教學(xué)的開展中，學(xué)生的分組基本強(qiáng)調(diào)自愿組合，從而形成的學(xué)習(xí)小組就是典型的異質(zhì)小組[10]。從協(xié)作學(xué)習(xí)的角度來看，異質(zhì)組更有利于融合各小組成員所擁有的不同文化背景，互相取長補(bǔ)短，提升學(xué)習(xí)效果。由于地理空間信息工程的跨學(xué)科性，各小組成員應(yīng)具有不同特長，以利于活動的開展。在自愿組合的學(xué)習(xí)小組的基礎(chǔ)之上，教師應(yīng)有意地加以干預(yù)和引導(dǎo)，針對小組成員的興趣愛好和個人優(yōu)勢，使其成為異質(zhì)組。

2.2 分析項(xiàng)目

各個學(xué)習(xí)小組所選擇的問題是不同的，各成員的子問題也是不同的，具體問題具體分析，分析的過程中必然少不了查找資料的環(huán)節(jié)，善于查找資料也應(yīng)是當(dāng)代大學(xué)生必備技能之一。作為教師，應(yīng)教會學(xué)生如何利用學(xué)校已有的資源(教輔資料庫、文獻(xiàn)檢索平臺和網(wǎng)絡(luò)檢索工具)去檢索問題尋求答案的方法。這種“授之以漁”的方式雖然難以在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中體現(xiàn)，卻可以讓學(xué)生體會自主學(xué)習(xí)的過程，使其終生受用。

圍繞自己感興趣的問題，小組成員從問題的歷史背景、現(xiàn)實(shí)意義、研究現(xiàn)狀等幾個方面自主性開展小組討論、分析，多角度、多方位思考，進(jìn)行知識溝通和信息共享，最終形成一致合理的書面解決方案。

2.3 實(shí)踐項(xiàng)目

這一環(huán)節(jié)是PBL教學(xué)模式中的核心，也是區(qū)別于傳統(tǒng)教學(xué)的一個重要特征，學(xué)生學(xué)習(xí)的大多數(shù)知識點(diǎn)和掌握的專業(yè)技巧都在此環(huán)節(jié)中完成。地理空間信息工程是一門集地理、遙感、測繪、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等多個學(xué)科為一體的跨學(xué)科專業(yè)，一個地理空間信息工程學(xué)習(xí)問題往往需要有各種專業(yè)特長的人交流探討、通力協(xié)作才能完成。其特點(diǎn)是具有很強(qiáng)的實(shí)踐性、應(yīng)用性和協(xié)作性，其理論方法覆蓋廣、發(fā)展快，軟件更新?lián)Q代頻繁。因此在問題解決過程中，學(xué)習(xí)小組需要花費(fèi)大量的時間和精力廣泛學(xué)習(xí)理論方法，驗(yàn)證工具的適用性，優(yōu)良的方法、合適的工具往往能加快解決問題的步伐。這一過程中小組成員通過進(jìn)一步分析問題、細(xì)化任務(wù)并逐步將之解決，新學(xué)習(xí)的知識得到了鞏固與理解，知識體系得到了修正和完善。

2.4 評價反思

傳統(tǒng)教學(xué)的評價模式通常比較單一，主要以考試成績或課程報告作為評價依據(jù)，是一種主要依據(jù)結(jié)果的評價模式。而這個結(jié)果中又無法充分體現(xiàn)出學(xué)生的其他學(xué)習(xí)能力，故容易埋沒某些學(xué)生的優(yōu)勢能力[10]。PBL教學(xué)評價由老師、小組成員以及學(xué)習(xí)者自己共同完成，它既關(guān)注考核結(jié)果的評價，也重視學(xué)習(xí)過程的評價，將定量評價和定性評價相結(jié)合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)評價模式的缺陷。根據(jù)相關(guān)的評價結(jié)果，學(xué)生可以調(diào)整學(xué)習(xí)的進(jìn)度、學(xué)習(xí)方法以及學(xué)習(xí)重點(diǎn)，教師適時地給學(xué)生必要的引導(dǎo)與控制，幫助其快速理解問題與獲得相關(guān)技能。

“學(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆。”體現(xiàn)了反思實(shí)質(zhì)上是學(xué)生與自己的一種對話，是一種深層次的自我學(xué)習(xí)。在解決問題的過程中通過學(xué)習(xí)與反思相結(jié)合，學(xué)生才能理解問題本質(zhì)、內(nèi)化知識。

3 基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)在地理空間信息工程專業(yè)的實(shí)踐成效

在開展基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)后，為了進(jìn)一步了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，量化教學(xué)成效，筆者針對所教授的兩個班50名同學(xué)設(shè)計(jì)了問卷調(diào)查。此次問卷調(diào)查以互聯(lián)網(wǎng)的形式進(jìn)行，把問卷調(diào)查的網(wǎng)址發(fā)送到學(xué)生郵箱，邀請他們參與調(diào)查，有效問卷50份， 有效率為100%。經(jīng)過分析調(diào)查結(jié)果，筆者得出基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)的實(shí)踐成效主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 學(xué)生實(shí)踐成果顯著

在教學(xué)實(shí)踐中，以筆者講授的《地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用》為例，以GIS基本原理為指導(dǎo)，以 GIS平臺 (MapGIS、ArcGIS等)為工具，以GIS問題為驅(qū)動，來進(jìn)行教學(xué)任務(wù)的展開。表2總結(jié)歸類了部分學(xué)生的實(shí)踐成果并給出相應(yīng)的案例。

表2 基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)的實(shí)踐成果

采用基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)方法教授課程設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠很好地掌握地圖數(shù)據(jù)的采集與輸入、編輯與更新、存儲與管理、顯示與交互等基本GIS功能。如何將GIS應(yīng)用于交通分析、門店選址和房價分析預(yù)測等問題受到學(xué)生的普遍關(guān)注。在項(xiàng)目問題的驅(qū)使下，學(xué)生會自主交流討論、深入學(xué)習(xí)GIS高級知識即空間分析方法，如緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析和空間統(tǒng)計(jì)并嘗試動手實(shí)踐問題?？梢?，基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)方法可以很好地開展地理空間信息工程專業(yè)教學(xué)活動，鍛煉了學(xué)生的獨(dú)立分析解決問題的綜合能力，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

3.2 教學(xué)效果明顯改善

調(diào)查結(jié)果顯示，有76%的學(xué)生認(rèn)為開展基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)改革是有必要的(圖2)，并且88%的學(xué)生對教學(xué)的各個環(huán)節(jié)(設(shè)置問題、分析問題、解決問題、評價反思)都比較滿意，如圖3所示。在人際關(guān)系方面，通過頻繁的討論思辨、合作共享，同學(xué)之間更團(tuán)結(jié)、親密，師生之間更融洽；在教學(xué)結(jié)果方面，有96%的學(xué)生成績優(yōu)良(≥70分)，其中44%的學(xué)生成績優(yōu)秀(≥85分)，詳見圖4。

圖3 教學(xué)環(huán)節(jié)的滿意程度

圖4 學(xué)生學(xué)習(xí)成績

圖5 綜合能力顯著提高

3.3 學(xué)生綜合能力顯著提高

在基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)模式下，當(dāng)學(xué)習(xí)小組遇到具有挑戰(zhàn)性的新問題時，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、積極性，必然會利用多種途徑尋求問題的解決方法，無形之中投入了更多的學(xué)習(xí)時間，正是這種忘我的學(xué)習(xí)，深入探究，交流共享，用孜孜不倦的態(tài)度來學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解了問題的本質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立分析解決問題的綜合能力。調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生的各項(xiàng)能力均有一定的提高，其中團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、自主學(xué)習(xí)能力及實(shí)踐能力顯著提高，詳見圖5、表3。在第二課堂，廣大學(xué)生踴躍參加全國GIS二次開發(fā)大賽、大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目、“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽等各種科技競賽，獲獎頗豐，較好的展示了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

表3 各項(xiàng)能力的提高程度 %

4 結(jié)束語

地理空間信息工程專業(yè)畢業(yè)生想要能迅速滿足社會和市場需求，高校必須大膽嘗試教學(xué)模式改革，更新教學(xué)思路，改進(jìn)教學(xué)方法，使其貼近學(xué)生，適用于教師。PBL教學(xué)不僅幫助學(xué)生建立專業(yè)知識結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生能夠更好地掌握專業(yè)知識，即以解決問題為驅(qū)使，以主動學(xué)習(xí)為主，通過參與、探索、討論、共享，將各科知識融合，更深層次地理解掌握，而且在解決問題和學(xué)習(xí)的過程中培養(yǎng)復(fù)合型工程技術(shù)人才所必需的能力和素養(yǎng)。筆者將PBL模式應(yīng)用于地理空間信息工程教學(xué)改革，取得了預(yù)期的教學(xué)效果。圖5顯示，創(chuàng)新能力和語言表達(dá)能力在這個過程中提升的相對較慢，同時為教學(xué)改良指明了方向，在今后的教學(xué)改革實(shí)踐中需要不斷豐富、改進(jìn)與完善。