基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

傅巧妮　阮仁宗　茅昌平

摘 要 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是基于建構(gòu)主義教學(xué)理論的探究式教學(xué)方法，它能實(shí)現(xiàn)教育的根本目標(biāo)。本文在分析任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法內(nèi)涵與特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)地理信息科學(xué)專業(yè)“遙感實(shí)驗(yàn)”課程的教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了“地物光譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建”實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，并詳細(xì)闡述了任務(wù)驅(qū)動(dòng)下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方案實(shí)施及考核方式。論文以期拋磚引玉，為地理信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)提供一些新思路。

關(guān)鍵詞 任務(wù)驅(qū)動(dòng) 遙感實(shí)驗(yàn) 教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.02.028

Research on the Teaching Mode of the Remote Sensing

Experiment Based on Task Driven

FU Qiaoni，[1] ? ?RUAN renzong，[1] ? ?MAO Changping[2]

（[1] College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098;

[2]School of Earth Sciences and Engineering， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098）

Abstract The "Task-driven Teaching" method is an inquiry teaching method based on constructivism teaching theory. It will achieve the fundamental goal of education. Based on the analysis of the connotation and characteristics of "Task-driven Teaching" method， according to the teaching objectives of remote sensing experiment course of geographic information science， this paper designs an experimental teaching case of "Building Spectral Database of Features". We also elaborate the implementation and assessment methods of "Task-driven Teaching" method. We aim to provide some new ideas for the construction of geographic information science experiment course.

Keywords task-driven; remote sensing experiment; teaching mode

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐、應(yīng)用創(chuàng)新等綜合素質(zhì)方面起著重要作用，是本科教學(xué)的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析并解決問題的能力。縱觀當(dāng)前高校地理信息科學(xué)專業(yè)遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的現(xiàn)狀，不難發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以“課堂+實(shí)訓(xùn)”的教學(xué)模式開展，存在一定的局限性。

“遙感實(shí)驗(yàn)”作為地理信息科學(xué)專業(yè)的核心實(shí)踐課程，是學(xué)生掌握專業(yè)技能的必要途徑。它把遙感原理落地至實(shí)例和實(shí)踐中，也是對(duì)遙感基本理論知識(shí)的深化和提升。本文構(gòu)建了基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，讓學(xué)習(xí)者在任務(wù)導(dǎo)向下完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這不但可以激發(fā)學(xué)生的興趣，還能培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。[1]

1 課程實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路

“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”是一種建立在建構(gòu)主義教學(xué)理論基礎(chǔ)上的探究式教學(xué)方法，以探索問題來引導(dǎo)和維持學(xué)習(xí)者的興趣和動(dòng)機(jī)。[2]教學(xué)內(nèi)容被設(shè)計(jì)成多個(gè)具體任務(wù)點(diǎn)，學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)施方案并完成教學(xué)任務(wù)。這種教學(xué)模式顛覆了傳統(tǒng)的知識(shí)傳授教學(xué)理念，讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，從解決問題-完成任務(wù)的實(shí)踐過程中自主獲取知識(shí)。[3]

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式是以任務(wù)為中心，將總?cè)蝿?wù)分解成一個(gè)個(gè)具體的、可操作性強(qiáng)的子任務(wù)。學(xué)生和教師圍繞一個(gè)個(gè)具體任務(wù)去實(shí)施教學(xué)。在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生主動(dòng)查閱資料，學(xué)習(xí)、消化并吸收自主探索過程中所涉及的相關(guān)知識(shí)。教師在教學(xué)中扮演教練員與輔導(dǎo)員的角色。師生之間及“生-生”之間通過交流互動(dòng)，推動(dòng)和促進(jìn)任務(wù)的執(zhí)行。在這種探究過程中，學(xué)生可以充分展示想法，獲得個(gè)性化學(xué)習(xí)體驗(yàn)。[4]任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法改變了傳統(tǒng)“以教定學(xué)”的被動(dòng)教學(xué)模式，以提高學(xué)生知識(shí)掌握與技能應(yīng)用為主線，倡導(dǎo)學(xué)生的自主性、協(xié)作性與研究性學(xué)習(xí)，以消除傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端。[5]

基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的探究性遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是一個(gè)以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。教師根據(jù)教學(xué)大綱和培養(yǎng)目標(biāo)，確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)以小組為單位進(jìn)行，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，參照實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)書，擬定實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，確定實(shí)驗(yàn)方法，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)并展示實(shí)驗(yàn)成果;教師對(duì)學(xué)生給予指導(dǎo)和幫助，提示學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的難題并各個(gè)擊破。學(xué)生根據(jù)教師的反饋與評(píng)價(jià)重新建構(gòu)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)體系，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案。教師在“理論-實(shí)踐-理論”的過程中反思并調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中的培養(yǎng)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)內(nèi)容及考核方式等。基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的探究性遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式就是一個(gè)開放式的、多重循環(huán)的教學(xué)模式。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

在任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式中，任務(wù)的完成直接影響教學(xué)效果。因此，實(shí)驗(yàn)任務(wù)的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。“地物光譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建”實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖羌由顚W(xué)生對(duì)地物光譜特征的認(rèn)識(shí)，掌握地物光譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建方法;探索不同地物由于組分及結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致的光譜特征差異。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：（1）采集地物光譜（包括植被、礦物、土壤、水體、人造物等）數(shù)據(jù)，配套觀測(cè)數(shù)據(jù)說明文檔;（2）處理地物光譜數(shù)據(jù)并構(gòu)建地物光譜數(shù)據(jù)庫;（3）分析地物的結(jié)構(gòu)及組分差異對(duì)地物光譜特征的影響。

根據(jù)觀測(cè)目標(biāo)物的類型，設(shè)計(jì)了5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，由學(xué)生自行分組完成不同的實(shí)驗(yàn)任務(wù)：（1）植物光譜反射率測(cè)量及光譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建;（2）礦物光譜反射率測(cè)量及光譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建;（3）土壤光譜反射率測(cè)量及光譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建;（4）水體光譜反射率測(cè)量及光譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建;（5）人造地物光譜反射率測(cè)量及光譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。針對(duì)單個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，又對(duì)照實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)置了多個(gè)小任務(wù)點(diǎn)：采樣路線及采樣方式的設(shè)計(jì)，環(huán)境條件記錄、地物光譜測(cè)定、植被生理生化參數(shù)的測(cè)定等。實(shí)驗(yàn)以小組為單位進(jìn)行，學(xué)生需要自主查閱資料，選擇實(shí)驗(yàn)儀器，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，明確技術(shù)路線，選擇合適的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析及精度評(píng)價(jià)。具體的，學(xué)生需要依次打卡每個(gè)小任務(wù)點(diǎn)，才能最終完成實(shí)驗(yàn)。

另外，為保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，學(xué)生擬定實(shí)驗(yàn)方案后，指導(dǎo)老師對(duì)各小組的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行初步審閱，就方案的科學(xué)性、完整性、可操作性和安全性等多方面進(jìn)行考量，提出具體的意見和建議。學(xué)生可根據(jù)教師的意見對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行修改完善。

2.2 實(shí)施實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)方案確定后，各小組將分別據(jù)此開展實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案的可行性，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信程度。

以“植物光譜反射率測(cè)量及光譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建”實(shí)驗(yàn)為例。需要依次打卡以下小任務(wù)點(diǎn)才能完成：（1）調(diào)研試驗(yàn)區(qū)內(nèi)典型的植物類型及其分布，確定待觀測(cè)的植物;（2）規(guī)劃采樣路線，確定采樣原則;（3）選擇合適的實(shí)驗(yàn)儀器、工具及試劑;（4）進(jìn)行植物光譜測(cè)量，記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)（包括光譜反射率、葉片SPAD值、光照情況、空氣溫濕度、風(fēng)力風(fēng)向、經(jīng)緯度等），拍攝目標(biāo)地物照片;（5）采集植物葉片并編號(hào)，室內(nèi)采用烘干法獲取植物葉片含水量;（6）進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)處理，利用ENVI波譜工具新建光譜庫，屬性特征庫與光譜數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng);（7）分析影響地物光譜測(cè)定的因素以及植物生長(zhǎng)狀況（含水量、葉綠素含量等）對(duì)光譜的影響;（8）展示并討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告;（9）學(xué)有余力且條件具備時(shí)，可進(jìn)行光譜變換和特征提取，以進(jìn)一步探索：a、相同葉片含水量條件下不同樹種的光譜差異，相同物種不同生長(zhǎng)階段的葉片含水量差異;b、相同物種不同葉綠素含量的葉片間的光譜差異，以及不同物種相同葉綠素含量的葉片間的光譜差異。指導(dǎo)教師全程跟組觀摩，既能及時(shí)糾正錯(cuò)誤、確保操作規(guī)范，又能從旁指導(dǎo)關(guān)鍵步驟（如任務(wù)點(diǎn)（2）、（4）、（7）），幫助理解，加深印象。

如進(jìn)行“礦物光譜反射率測(cè)量及光譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建”實(shí)驗(yàn)，可選取學(xué)生在自然地理野外實(shí)習(xí)中采集的礦物標(biāo)本為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，事先了解礦物的化學(xué)成分、結(jié)晶構(gòu)造等。實(shí)驗(yàn)時(shí)需先用制樣機(jī)磨制礦物，再用振篩機(jī)將磨好的礦物過篩，制取粒徑區(qū)間不同的礦物樣本;最后將不同種類不同粒徑區(qū)間的樣品平整放置于黑背景的實(shí)驗(yàn)桌面上，在僅有實(shí)驗(yàn)室光源的條件下，利用光譜儀進(jìn)行室內(nèi)測(cè)量，獲取其光譜。

2.3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與評(píng)價(jià)

通過依次打卡相應(yīng)的任務(wù)點(diǎn)，學(xué)生能有序地、完整地完成實(shí)驗(yàn)，并形象地表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案的科學(xué)合理性，以便后期進(jìn)行改進(jìn)和拓展。當(dāng)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)與預(yù)想結(jié)果不一致的情況時(shí)，學(xué)生必須主動(dòng)思考、靈活處理才能在有限的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，很能考驗(yàn)學(xué)生的應(yīng)變能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

在學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，教師首先參與每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的討論，分析實(shí)驗(yàn)的完成情況、實(shí)驗(yàn)過程遇到的問題及解決方法，探討實(shí)驗(yàn)方案的可改進(jìn)之處。進(jìn)而，進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的回顧，使沒有及時(shí)跟上節(jié)奏或在操作中有疏漏的學(xué)生能夠快速地將知識(shí)點(diǎn)與具體步驟對(duì)應(yīng)起來，以達(dá)到全面掌握的效果。最后，組織實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行答辯，由組長(zhǎng)做整體匯報(bào)，每個(gè)小組成員就自己負(fù)責(zé)的部分做展開論述，此舉不僅能鍛煉學(xué)生的語言表達(dá)能力，加強(qiáng)小組間的交流，更能提高每個(gè)成員的參與度和積極性，實(shí)現(xiàn)“人人有收獲，個(gè)個(gè)不劃水”。

3 課程考核與實(shí)施效果

課程考核是檢驗(yàn)任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式下教學(xué)效果的重要手段，也是實(shí)驗(yàn)課程必不可少的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的考核方式是以教師評(píng)閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，實(shí)踐證明，該方式難以全面有效地反映實(shí)習(xí)效果和學(xué)生的真實(shí)水平。而任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式是綜合性的，評(píng)價(jià)內(nèi)容更加多元化，包括學(xué)生自主獲取知識(shí)的渠道，對(duì)于實(shí)驗(yàn)技能的掌握程度，數(shù)據(jù)分析與成果表達(dá)，思維創(chuàng)新能力，小組分工與團(tuán)隊(duì)協(xié)作等。這些考核項(xiàng)，有些可以通過教師觀察確定，有些需要通過評(píng)閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告獲得，有些需要通過上機(jī)測(cè)試，還加入了組內(nèi)互評(píng)的環(huán)節(jié)，幫助教師全方位了解在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中每位學(xué)生的真實(shí)表現(xiàn)。

遙感實(shí)驗(yàn)課程的最終成績(jī)是以上各項(xiàng)成績(jī)的加權(quán)平均。成績(jī)加權(quán)平均的權(quán)重是通過多年的課程成績(jī)數(shù)據(jù)分析得到的，并且隨著每年教學(xué)具體情況適當(dāng)微調(diào)。表1和圖1為任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式施行前后的學(xué)生成績(jī)情況。由圖表可見，在不考慮學(xué)風(fēng)和個(gè)體差異等因素的影響時(shí)，學(xué)生的平均成績(jī)總體呈上升趨勢(shì)，總體增長(zhǎng)率為2.2%。其中，改革前后相比，高分段（80-100分）的人數(shù)和比例有顯著增長(zhǎng);中等分?jǐn)?shù)段（60-79分）的人數(shù)和比例有明顯下降趨勢(shì);始終沒有不及格情況出現(xiàn)。由此可見，通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)法在課程中的實(shí)施，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效果。

4 結(jié)語

根據(jù)“遙感實(shí)驗(yàn)”課程特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了“地物光譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建”實(shí)驗(yàn)，并以此為例進(jìn)行了任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的實(shí)踐和探索。學(xué)生通過依次打卡任務(wù)點(diǎn)，結(jié)合師生討論或“生-生”討論，能有序完成實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行思考和拓展——這個(gè)過程激發(fā)了學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決問題的能力。以實(shí)驗(yàn)小組為單位自主開展實(shí)驗(yàn)，教師僅從旁指導(dǎo)關(guān)鍵步驟，鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和應(yīng)變能力。同時(shí)，通過多元化的考核方式，培養(yǎng)了學(xué)生寫作與口頭表達(dá)能力。

項(xiàng)目資助：教育部第二批“三全育人”綜合改革試點(diǎn)院（系）河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院（項(xiàng)目編號(hào)：1071-B19133）;河海大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目“亞熱帶典型植物對(duì)降水頻次的高光譜響應(yīng)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2019B40614）

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