探究R語(yǔ)言在高師院校課程中的教學(xué)實(shí)踐研究
——以地理科學(xué)專業(yè)《計(jì)量地理學(xué)》為例

（安慶師范大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 安徽 安慶 246011）

數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)、廣泛可用和巨大數(shù)量使我們處于真正的數(shù)據(jù)時(shí)代?！暗乩頂?shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)”使大數(shù)據(jù)成為地理學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)，為地理學(xué)發(fā)展帶來(lái)了巨大沖擊[1]。新時(shí)代對(duì)地理學(xué)家提出更高要求，需熟練表達(dá)、解釋、分析和交流定量數(shù)據(jù)，熟悉一系列統(tǒng)計(jì)技術(shù)，包括描述性統(tǒng)計(jì)、推理測(cè)驗(yàn)和相關(guān)回歸等，同時(shí)注重空間統(tǒng)計(jì)、依賴問(wèn)題、差異和規(guī)模效應(yīng)[2]。

一、基于R 語(yǔ)言實(shí)施計(jì)量地理學(xué)教學(xué)的必要性

2014年的地理科學(xué)人培方案修訂了培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、運(yùn)用計(jì)算機(jī)能力的計(jì)量地理學(xué)課程。新課標(biāo)下，大數(shù)據(jù)已滲透到中學(xué)地理教學(xué)，將大數(shù)據(jù)與教學(xué)過(guò)程融合已成一種必然趨勢(shì)。比如如何挖掘中學(xué)地理試題反哺教學(xué)，對(duì)中學(xué)教師是一種考驗(yàn)；利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行學(xué)情分析也是一個(gè)全新領(lǐng)域。在新課標(biāo)深化實(shí)施和大數(shù)據(jù)快速發(fā)展大背景下，中學(xué)教師在強(qiáng)化自身專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，借助大數(shù)據(jù)支撐教學(xué)評(píng)價(jià)，既有利于提升中學(xué)生地理思維能力，又有利于中學(xué)教師設(shè)計(jì)地理教學(xué)過(guò)程[3]。而對(duì)于培養(yǎng)中學(xué)地理教師的師范院校來(lái)說(shuō)，如何培養(yǎng)學(xué)生掌握地理數(shù)據(jù)挖掘的能力具有較大研究意義。

2018年9 月，教育部《關(guān)于狠抓新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神落實(shí)的通知》明確提出，高校要認(rèn)真全面梳理每門課程的教學(xué)內(nèi)容，合理提升學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度，切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量。計(jì)量地理學(xué)是關(guān)于使用數(shù)據(jù)，以新穎和具有挑戰(zhàn)性方式加強(qiáng)我們對(duì)世界以地理思維理解。地理專業(yè)學(xué)生在使用數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理工具時(shí)能夠“動(dòng)手”，不僅是為提高其社會(huì)就業(yè)能力和研究技能，而且因?yàn)閷?duì)定量數(shù)據(jù)的使用和批判性評(píng)估是地理辯論和研究的核心——這是地理學(xué)家所做工作的重要組成部分。

《計(jì)量地理學(xué)》是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，課程目標(biāo)中要求學(xué)生掌握ArcGIS、MATLAB、Excel、SPSS等商業(yè)軟件[4]。學(xué)生在一學(xué)期要掌握多門“黑箱式”軟件，不僅任務(wù)繁重，而且很多公式、定理沒(méi)有親自敲代碼，無(wú)法深入學(xué)習(xí)，從而失去學(xué)習(xí)興趣。再加上課時(shí)少，造成教師上課難，學(xué)生難以全面掌握的兩難局面。2020年6月美國(guó)將我國(guó)一些高校列入“實(shí)體”名單后，MATLAB商業(yè)軟件被禁用，這意味著使用商業(yè)軟件面臨法律和道德風(fēng)險(xiǎn)。而開(kāi)源語(yǔ)言不會(huì)受到這樣的限制。自由軟件運(yùn)動(dòng)之父Richard Matthew Stallman曾呼吁學(xué)校只應(yīng)使用自由軟件[5]。此外，我校地理科學(xué)專業(yè)包括文理科學(xué)生，大部分學(xué)生來(lái)自農(nóng)村。他們知識(shí)結(jié)構(gòu)差異較大，尤其是數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)。最終，這些因素導(dǎo)致學(xué)生對(duì)此課望而生畏，教師對(duì)此課無(wú)可奈何。

值此，R語(yǔ)言作為開(kāi)源語(yǔ)言之一，是一門生態(tài)豐富，集統(tǒng)計(jì)、可視化于一身的優(yōu)秀語(yǔ)言，已成為數(shù)據(jù)分析工程師及科學(xué)家最常用工具。豐富的程輯包能夠處理各種軟件可以處理的問(wèn)題。因此，學(xué)會(huì)了R語(yǔ)言，就可以應(yīng)用其一致的語(yǔ)言風(fēng)格完成計(jì)量地理學(xué)中各種統(tǒng)計(jì)分析任務(wù)，無(wú)須對(duì)每一種軟件進(jìn)行教學(xué)與實(shí)踐。但是，據(jù)統(tǒng)計(jì)和多方了解，當(dāng)前融合R語(yǔ)言和計(jì)量地理學(xué)進(jìn)行教學(xué)還比較少。

如何利用R語(yǔ)言實(shí)施計(jì)量地理學(xué)教學(xué)，促使教學(xué)方式和教學(xué)方法等發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，服務(wù)地理科學(xué)專業(yè)本科教育的建設(shè)目標(biāo)。最終，通過(guò)對(duì)計(jì)量地理學(xué)的教學(xué)探討，引起地理學(xué)者關(guān)注計(jì)量地理學(xué)在地理科學(xué)本科體系中存在的教與學(xué)的問(wèn)題，共同努力開(kāi)發(fā)適合培養(yǎng)地理科學(xué)師范生運(yùn)用地理學(xué)思維進(jìn)行實(shí)踐的能力。

二、教學(xué)實(shí)踐改革方向

關(guān)于《計(jì)量地理學(xué)》的教學(xué)模式或方法的改革與探討，已有眾多研究者進(jìn)行了研究[6-9]，如分段式教學(xué)模式的探討[10]。根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，本文總結(jié)教學(xué)實(shí)踐改革方向如下：

（一）教學(xué)手段和方法的實(shí)踐化

1.培養(yǎng)編程習(xí)慣

以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力為重點(diǎn)，依托R語(yǔ)言這門開(kāi)源語(yǔ)言生態(tài)系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生利用編程來(lái)解決實(shí)際的地理問(wèn)題。

2.開(kāi)展智慧教學(xué)

充分利用QQ、微信等智能交互軟件，探索深度融合信息技術(shù)教學(xué)方法，對(duì)學(xué)生的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)答疑，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)助教”。采用多時(shí)間段開(kāi)放輔以教師指導(dǎo)和全開(kāi)放學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主等多種方式相結(jié)合；同時(shí)開(kāi)發(fā)U-MOOCs課程以及精品線下開(kāi)放課程，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

3.學(xué)生自主學(xué)習(xí)

以教師為主導(dǎo)，拋出一個(gè)數(shù)據(jù)，學(xué)生分組討論，提出解決思路，并進(jìn)行報(bào)告制作和匯報(bào)工作，充分體現(xiàn)以學(xué)生為主體的理念，有利于學(xué)生語(yǔ)言表達(dá)能力和即學(xué)即用能力的提高。

（二）教學(xué)內(nèi)容的多樣化

1.理論基礎(chǔ)知識(shí)

在理論講解過(guò)程中，探索“理論+X”的教學(xué)模式。計(jì)量地理學(xué)中大量的數(shù)學(xué)知識(shí)，如何進(jìn)行淺顯易懂地傳輸給學(xué)生是對(duì)教師的考驗(yàn)。因此，在進(jìn)行理論基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)時(shí)，盡量避免大量的數(shù)學(xué)證明，以圖文并茂等形式，或提供詳細(xì)證明該數(shù)學(xué)公式的參考文獻(xiàn)或網(wǎng)絡(luò)資源，適應(yīng)不同層次的學(xué)生學(xué)習(xí)。同時(shí)，適當(dāng)擴(kuò)展補(bǔ)充相關(guān)學(xué)科如物理、計(jì)算機(jī)等知識(shí)。

2.實(shí)踐基礎(chǔ)知識(shí)

在明確人才培養(yǎng)目標(biāo)的基礎(chǔ)上靈活選擇教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合最新的研究成果，選擇學(xué)生關(guān)注的問(wèn)題，從如何收集數(shù)據(jù)、清洗數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、可視化數(shù)據(jù)等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解。同時(shí)關(guān)注世界范圍內(nèi)的熱點(diǎn)問(wèn)題：如全球變暖、厄爾尼諾與全球氣溫和降水的關(guān)系、歷史時(shí)期氣候數(shù)據(jù)挖掘等。通過(guò)這些進(jìn)行案例教學(xué)，針對(duì)學(xué)生的實(shí)際需求，豐富教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）教學(xué)理念的先進(jìn)化

形成生活性、發(fā)展性和生命性先進(jìn)理念，回歸生活（使課堂充滿生活氣息）、關(guān)注學(xué)生的發(fā)展（課堂教學(xué)以學(xué)生的發(fā)展為本），把教學(xué)提升到生命層次（對(duì)學(xué)生的終極關(guān)懷）。在這樣的教學(xué)理念指導(dǎo)下，教師的責(zé)任不在于教，而在于教學(xué)生學(xué)，始終貫徹“加強(qiáng)基礎(chǔ)、注重綜合、體現(xiàn)先進(jìn)、突出創(chuàng)新”的教學(xué)理念指導(dǎo)教學(xué)，注重學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)，基本技能和基本素質(zhì)的培養(yǎng)，并增加研究性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提供多層次、開(kāi)放性的實(shí)踐教學(xué)。教學(xué)過(guò)程中學(xué)生自帶筆記本電腦，針對(duì)每個(gè)章節(jié)需要實(shí)際操作的內(nèi)容，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)和動(dòng)手操作。

（四）考核評(píng)價(jià)方法的靈活化

增加形成性考核所占比重，實(shí)施考試加考查方式，平時(shí)成績(jī)占50%，提高學(xué)生回答問(wèn)題、小組內(nèi)數(shù)據(jù)分析報(bào)告制作、設(shè)計(jì)和匯報(bào)等方式在總分中的比重，倒逼學(xué)生回歸基礎(chǔ)，注重平時(shí)知識(shí)的積累。期末考試分筆試和代碼編寫，其中筆試和代碼分別占期末考試的35%和65%。筆試重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握情況，代碼編寫考查學(xué)生實(shí)際解決問(wèn)題的能力。

三、R 語(yǔ)言的應(yīng)用示例——以地理數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理為例

（一）常用的無(wú)量綱化處理方法[11]

1.總和標(biāo)準(zhǔn)化

以某一隨機(jī)變量的每個(gè)實(shí)現(xiàn)除以該隨機(jī)變量的所有實(shí)現(xiàn)的和，其公式如下：

2.標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化

以某一隨機(jī)變量的每個(gè)實(shí)現(xiàn)減去所有實(shí)現(xiàn)的平均值，再除以該隨機(jī)變量的所有實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)差，其公式如下：

3.極大值標(biāo)準(zhǔn)化

以某一隨機(jī)變量的每個(gè)實(shí)現(xiàn)除以該隨機(jī)變量的所有實(shí)現(xiàn)中的最大值，其公式如下：

4.極差標(biāo)準(zhǔn)化

以某一隨機(jī)變量的每個(gè)實(shí)現(xiàn)減去所有實(shí)現(xiàn)中的最小值，再除以該隨機(jī)變量的所有實(shí)現(xiàn)中最大值與最小值之差，其公式如下：

（二）R語(yǔ)言代碼示例

圖1 R語(yǔ)言代碼示例圖

如圖1所示，雖然R語(yǔ)言內(nèi)置無(wú)量綱函數(shù)（scale函數(shù)），但其方法單一。而上述的代碼擴(kuò)展了無(wú)量綱化方法，且非常靈活。通過(guò)代碼的編寫，學(xué)生能明晰什么是無(wú)量綱方法，如何將數(shù)學(xué)公式編寫為函數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的無(wú)量綱方法。

四、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)將R語(yǔ)言引入《計(jì)量地理學(xué)》課程教學(xué)的必要性進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，從教學(xué)方法上提出了一些參考，并以無(wú)量綱化方法為例，說(shuō)明了R語(yǔ)言在該課程教學(xué)中的應(yīng)用示例。《計(jì)量地理學(xué)》是以提升學(xué)生地理數(shù)據(jù)分析能力為根本目的[12]。相對(duì)于學(xué)生在大學(xué)一年級(jí)學(xué)習(xí)的C語(yǔ)言，R語(yǔ)言學(xué)習(xí)門檻相對(duì)較低，且對(duì)于地理科學(xué)學(xué)生而言，統(tǒng)計(jì)分析地理數(shù)據(jù)的工作更多。因此，基于R語(yǔ)言進(jìn)行《計(jì)量地理學(xué)》的教學(xué)具有一定的優(yōu)勢(shì)，值得嘗試。這不僅能夠培養(yǎng)具有較強(qiáng)的中學(xué)地理教學(xué)與研究能力的教師，同時(shí)也能培養(yǎng)從事資源環(huán)境、區(qū)域經(jīng)濟(jì)和地理信息管理等方面的研究和管理人才。