基于CWSEI的地理信息系統(tǒng)課程教學改革探索

杜久升，雷志飛，袁占良，景海濤，程 鋼，侯 爭

(河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454003)

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)既是跨越地球科學、空間科學和信息科學的一門應(yīng)用基礎(chǔ)學科，又是一項工程應(yīng)用技術(shù)。隨著各個領(lǐng)域?qū)IS認知程度加深，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，注重將學生對理論知識的理解轉(zhuǎn)化為對實際應(yīng)用的分析，兼顧創(chuàng)新能力，采用項目驅(qū)動教學法、任務(wù)引領(lǐng)法、研究性教學等方法予以實現(xiàn)[1-3]；GIS實驗課程是理論知識的鞏固與升華，其研究探索更為廣泛，涉及反轉(zhuǎn)課堂教學、學習效果反饋、以學科競賽促進實踐教學改革、課程體系構(gòu)建、考核制度建設(shè)[4-9]等多個方面；新工科、學科融合等背景下，以不同學科需求、不同行業(yè)發(fā)展背景為出發(fā)點，有針對性、有目的性地推進GIS課程改革[10-13]。綜觀當前GIS課程改革脈絡(luò)，呈現(xiàn)：“偏重實驗，理論略弱；以教為主，以學為輔；突出結(jié)果，淡化過程”的趨勢。因此，如何“兼顧理論與實驗，回歸教學的本質(zhì)”已成為推動GIS課程改革前必需解決的思考題。

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

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

1 地理信息系統(tǒng)課程特點

1.1 課程目標與教學內(nèi)容

河南理工大學測繪工程專業(yè)的GIS課程，以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，介紹運用系統(tǒng)科學和信息科學的理論與方法，進行空間數(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。課程的教學內(nèi)容涉及32學時的理論學習、16學時的上機實驗操作。通過該課程的理論教學與實驗訓練，使學生具備如下知識和能力：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繪工程相關(guān)問題；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繪工程專業(yè)相結(jié)合的實際問題的基本能力；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 教學效果與問題剖析

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”的實驗課程講授方式。如圖1所示，以河南理工大學測繪工程專業(yè)近4屆384位同學為例，除極少數(shù)學生出現(xiàn)“不及格”現(xiàn)象，四年的GIS課程成績走勢趨于平穩(wěn)，平均成績良好。

圖1 近4屆學生成績分布

考試成績是對學生短期學習效果的檢測，后續(xù)應(yīng)用則是對學生掌握水平的檢驗。例如：①備戰(zhàn)考研過程中，暴露出少部分學生不能嫻熟地運用GIS空間分析方法解決實際案例；②畢業(yè)設(shè)計與畢業(yè)論文完成過程中，暴露出少部分學生不能自如地以GIS視角剖析問題、解決問題。可見，課程學習效果應(yīng)以學生對知識的內(nèi)化程度作為衡量標準，以學生的“學習目標”為課程教學的出發(fā)點。暴露出的問題，是深入優(yōu)化GIS課程教學方法的切入點，恰是反推教學設(shè)計的有力依據(jù)。

2 CWSEI教學改革理念

2.1 CWSEI改革定位

卡爾·韋曼科學教育改革(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研究、推廣多年[16]。如圖2所示，CWSEI通過四步法科學地提升教學效果。CWSEI教學改革的特色在于：以學生為中心，圍繞學生要學什么、在學什么、如何學，遵循學習規(guī)律成體系地提升教學效果，充分體現(xiàn)“以生為本”的教育理念。

圖2 CWSEI四步法

2.2 教改措施及實踐意義

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

2.2.1 課堂組織方法

1)投票器。投票器(clicker)用于即時反饋學生對題目的判斷結(jié)果、對問題的看法，其使用意義在于：調(diào)動學生的學習興趣，促使學生參與到課堂活動中，以保證學習效果；同時，便于教師掌握學生對知識的掌握程度，適時調(diào)整授課方法。UBC的投票器是專門設(shè)備，結(jié)合我國網(wǎng)絡(luò)課程平臺蓬勃發(fā)展的現(xiàn)狀，投票器的功能可借助網(wǎng)絡(luò)學習平臺中的“選擇題”予以實現(xiàn)。盡管形式上是簡單的選擇題，但是投票器題目適用于由淺入深的不同學習階段：階段1，簡單的事實問題；階段2，更具挑戰(zhàn)性的概念性問題，或者答案不明顯且可以爭論關(guān)鍵點的問題；階段3，針對學生的學習材料，圍繞一組充滿挑戰(zhàn)性的投票問題進行講座。

2)專家組學習。專家組學習(Jigsaw)是一種小團體合作學習模式，學生有機會成為特定學科的“專家”，并與同齡人分享該知識。該學習方式適合稍有難度的概念性知識、復習性內(nèi)容，是行之有效的同伴教學方式。通過3個步驟實現(xiàn)：首先，打破原有學習組，組成新的專家組，同一專家組學習相同內(nèi)容；然后，學生從專家組回到原來的學習組，向組內(nèi)成員匯報學習內(nèi)容；最后，學習組內(nèi)討論各位“專家”所學習的內(nèi)容。

3)教學可視化。將學習成果可視化，是學生知識輸出的過程，也為學生之間交流搭建良好的平臺。海報展示可用于課堂的研究與學習匯報，也可以配合細化的評分標準，用于階段性或?qū)W期末的課程考核。

2.2.2 課堂評估技術(shù)

課堂評估技術(shù)(Classroom Assessment Techniques，CATs)是學生對階段性學習的反饋，以學生為中心的再一項體現(xiàn)。評估技術(shù)形式豐富，例如：概念連線、列舉重點、總結(jié)“我”如何學習等。其共同點在于：學生匿名回答，既注重反饋，又保護隱私。

2.2.3 兩階段考試

兩階段考試分兩個環(huán)節(jié)逐步實現(xiàn)：①與傳統(tǒng)考試模式相同，學生獨立作答；②3～4名同學組成小組，再次回答相同或稍加改動的試題，此部分成績占比15%～25%。從形式上看，兩階段考試的意義在于：兼顧個人成績與小組成績。但是，究其內(nèi)涵，兩階段考試的根本優(yōu)勢在于：在小組討論的思辨過程中，學生能夠主動學習知識，加深理解程度。

3 教學改革思路

如圖3所示，遵從“以生為本”的原則，分五步實現(xiàn)GIS課程改革。

圖3 GIS課程改革思路

第一步：以學生為中心，建立適用于學生的可量測學習目標。將“理解、掌握、了解”等相對模糊的目標轉(zhuǎn)化為“繪制、解釋、分析”等相對明確的學習目標，引導學生有的放矢地學習。

第二步：以學習目標為依據(jù)，確定各部分教學內(nèi)容預(yù)期的學習效果，并量化為可量測、可操作的題目。其意義不在于以分數(shù)檢驗學習效果，而在于能夠轉(zhuǎn)化為知識學習過程中或?qū)W習后的課堂活動。

第三步：以促進學生學習為目的，設(shè)置兩階段考試時間節(jié)點。按照課程進展，采用兩階段考試形式，在課程學習過程中設(shè)置3次測試。題目設(shè)置與預(yù)期學習效果密切相關(guān)，幫助學生在小組測試環(huán)節(jié)將原本未理解的知識點加以理解，將考試中未能解決的問題帶到考試后予以解決。

第四步：以預(yù)期學習效果為導向，設(shè)計有趣有效的課堂活動。充分考慮學習內(nèi)容的特點，慎重、得當?shù)剡x用CWSEI中所采用的教學改革措施，例如：投票、專家組學習、海報以及課堂評估技術(shù)等。

第五步：梳理課程整體思路，充分設(shè)計利用第一次課，為后續(xù)課程開展奠定基礎(chǔ)。在形式上，充分地運用課程擬采用的課堂活動，預(yù)習各種學習活動；在內(nèi)容上，自然地通過活動引導學生思考得出課程的學習意義、內(nèi)容與方法。

4 教學改革方案

剖析測繪工程專業(yè)學生的知識儲備、學習需求，結(jié)合GIS課程特點，按照既定的五步教學改革思路，分層次、有針對性地逐步實施改革方案，如圖4所示。

圖4 GIS課程改革思路

方案以可量測的學習目標為起點，最終落點在于課程的“第一次課”。以學生的視角為切入點，第一次課是其對課程最初的認識，應(yīng)充分利用這一良好契機，讓學生被課程內(nèi)容吸引、被課程形式吸引。首先，確定可量測的學習目標，注意增加學生學習課程的情感目標；其次，根據(jù)學習內(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)計理念5個類別的預(yù)期學習效果；再次，依據(jù)學習進度確定3次階段性測試的時間，測試均采用兩階段考試形式，以督促學生學習；繼而，對照學習效果，對各章內(nèi)容分類，根據(jù)類別特點設(shè)計課堂活動；最后，圍繞學生“對專業(yè)的認識”“對課程的認識”“對課程的疑惑”，運用有效的課堂活動形式設(shè)計第一次課。

1)對于具有思考意義的題目，通過海報將學習效果可視化。如圖5所示，學生分組討論，并將思考所得書寫、繪制在海報上，各小組將海報張貼在教室墻面或黑板上，以供同學們相互學習。這種形式可促進學生思考、交流、學習。

圖5 海報展示學習效果

2)對于難度相當?shù)闹R點，采用“專家組學習”方式。GIS課程教學過程中，將經(jīng)典“專家組學習”方法進行改進：在學生以學習組學習時，老師深入到學生中間，把握共性問題；學生分組學習后，老師再重點講解共性問題。如圖6所示，此方法得到學生好評。

圖6 改進的Jigsaw學習評價

3)如圖7所示，為學生設(shè)計“輔助學案”，幫助學生梳理課堂教學內(nèi)容，同時，引導學生養(yǎng)成繪制知識點“思維導圖”的良好學習習慣。

圖7 輔助學案示例

5 結(jié) 論

以河南理工大學測繪工程專業(yè)的GIS課程為例，剖析GIS課程教學中尚待完善之處。借鑒卡爾·韋曼科學教育改革(CWSEI)“以學生為中心”的教育理念和教學措施，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學生的學習參與度顯著提升，課堂活動平均參與度達97%，課后反饋平均比例達85%；②學生對課程滿意度達99%，對師生互動滿意度達98%，授課教師教學評價為“優(yōu)秀”；③課程于2020年獲評“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；②將兩階段考試引入到GIS課程教學中，彌補傳統(tǒng)考試方式“以分數(shù)衡量學習效果”的弊端，使學生在小組討論的思辨過程中，能夠主動學習知識、加深理解程度；③將課堂評估技術(shù)應(yīng)用于GIS課程教學，以達到及時獲取學生學習效果反饋的目的；④綜合運用投票器、專家組學習、教育可視化，以及輔助學案等多種互動性課堂活動形式，實現(xiàn)參與式學習。

課程改革尚處于探索階段，實施過程中表現(xiàn)出兩點不足：一方面，相比于傳統(tǒng)講授方式，教學活動的實施需要較長時間，教學進度比原有方式略慢；另一方面，現(xiàn)有研究側(cè)重教學設(shè)計與教學方法，對課程思政內(nèi)容有待豐富。鑒于此，后續(xù)研究將通過凝練教學內(nèi)容、引導課后活動等方式緩解教學活動實施與教學進度延緩的矛盾，同時，以案例式教學自然實現(xiàn)課程思政，再以海報等形式實現(xiàn)教育可視化促進學生思考。