新工科背景下1+3PBL互動性教學設(shè)計改革與實踐

李孟倩 金花 韓秀麗 李鳴鐸 郭力娜

摘? 要：課程建設(shè)是新工科建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是人才培養(yǎng)的主陣地。該文以本科課程遙感原理與應(yīng)用的建設(shè)為例，針對現(xiàn)在大學生主體和工科專業(yè)課程特點，對課程內(nèi)容、教學形式、考核標準進行基于PBL的互動教學改革，設(shè)計PBL與BOPPPS課堂互動、五星教學組織、KOSEAM學習環(huán)組合的學習形式，采用基于OBE多元化考核標準，形成一種符合新工科人才培養(yǎng)要求的1+3PBL教學模式，為促進學生綜合技能的培養(yǎng)、強化學生自主學習及合作創(chuàng)新能力提供新的思路。

關(guān)鍵詞：課程建設(shè)；PBL；互動教學；BOPPPS；五星教學組織；KOSEAM學習環(huán)

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）20-0042-05

Abstract： Curriculum construction is the key link of new engineering construction and the main position of talent training. Taking the construction of the undergraduate course "Remote Sensing Principle and Application" as an example， aiming at the characteristics of current college students and engineering courses， this paper carries out the interactive teaching reform based on PBL on the course content， teaching form and assessment standard， and designs the learning form of classroom interaction between PBL and BOPPPS， five-star teaching organization and KOSEAM learning ring combination. Based on OBE diversified assessment standards， a 1+3PBL teaching model has been formed， which meets the requirements of new engineering talents training， and provides new ideas for promoting the cultivation of students' comprehensive skills， strengthening students' ability of independent learning and cooperative innovation.

Keywords： curriculum construction; PBL; interactive teaching; BOPPPS; five-star teaching organization; KOSEAM learning ring

在工業(yè)4.0時代，為了主動應(yīng)對科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，新工科理念應(yīng)運而生，高等學校傳統(tǒng)工科專業(yè)必須以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)造就一批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才[1-4]。課程作為人才培養(yǎng)的關(guān)鍵依托，其建設(shè)水平高低直接決定了人才培養(yǎng)質(zhì)量。新工科課程的建設(shè)中需要重點把握學與教這個中心任務(wù)，以立德樹人為引領(lǐng)、以學生為中心，建設(shè)高質(zhì)量的課程，就必須要求學生能夠參與真實、深度、完整、有效的學習。馬克思在《1844年經(jīng)濟學哲學手稿》里指出“自由自覺的活動恰恰就是人的類特性”。從學習動力的角度講，自由對應(yīng)的是學習興趣，自覺對應(yīng)的是學習責任。如何讓學生從興趣與責任兩個角度主動參與學習，引導(dǎo)學生進行“真正”意義的學習，就需要每一名高校教師針對自己授課內(nèi)容進行系統(tǒng)的設(shè)計。

PBL（Problem-based Learning，基于問題學習）由加拿大麥克馬斯特（McMaster）大學首創(chuàng)，是一種以建立終身學習能力為目標，強調(diào)在開放情境中，學生自主學習為主，教師指導(dǎo)為輔的教學模式。徐錦泱等[5]、常詠梅等[6]、易美榮等[7]分別對本科生課程信號與系統(tǒng)、碩士生課程信息技術(shù)、本碩博課程Advanced Compositesand TheirManufacturing Techniques中應(yīng)用了基于項目學習的PBL教學，實踐表明學生實踐能力、溝通交流能力、主動學習意識均有所增強；包妮沙等[8]以PBL問題為導(dǎo)向進行了遙感原理與應(yīng)用實驗教學設(shè)計并有效提高了學生自主學習能力；王杰等[9]、李英杰等[10]、楊強等[11]從思政元素融入教學內(nèi)容、設(shè)計遙感思政案例、評價學生對案例匯報表現(xiàn)等方面進行了課程思政建設(shè)，實踐證明上述方法均能夠提高學生對專業(yè)的認同、提升學生的愛國情操和人文關(guān)懷；團隊對PBL教學模式下學生的學習情況進行了基于OBE理念的多元化考核，結(jié)果表明PBL教學模式不僅能夠促進學生自主深入學習能力、表達能力、思維能力等通用能力提升，也提升了其職業(yè)素質(zhì)和思想素質(zhì)[12]；PBL教學模式鼓勵學生自主學習和跨學科探究等理念[13]與新工科的課程建設(shè)內(nèi)涵高度相符，且在醫(yī)學、基礎(chǔ)教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，團隊前期對PBL教學在工科領(lǐng)域進行了探究，以國家立項建設(shè)的第一批一流課程遙感原理與應(yīng)用為例，該課程采用分模塊循序漸進的PBL融入式設(shè)計，逐漸增加PBL自主探究的學習比例，形成1+3PBL教學模式，讓教與學更富有科學精神和創(chuàng)造性，實現(xiàn)學生“真正”地有效學習。

一1+3PBL教學模式簡介

依據(jù)新工科人才培養(yǎng)目標和教學內(nèi)涵要求，遙感原理與應(yīng)用課程在建設(shè)中，基于問題（Problem-Based Learning）的PBL教學模式，增加了課程思政的“1”及基于過程（Process-Based Learning）、基于項目（Project-Based Learning）兩種教學模式，形成1+3PBL教學模式。課程思政“1”是新工科關(guān)于“立德樹人”核心素養(yǎng)在課程建設(shè)方面的具體體現(xiàn)，包含學生家國情懷與工匠精神、科學精神與終身學習、溝通交流和團隊合作，以及工程應(yīng)用和創(chuàng)新思維4個維度；3P分別指知識節(jié)點或問題（Problem），關(guān)鍵程序或過程（Process），工程項目的真實難題或關(guān)鍵技術(shù)（Project），1+3P的具體內(nèi)涵見表1。B是能夠激發(fā)學習者參與熱情和主動學習的教學形式，如BOPPPS形式、五星教學組織、案例討論、對分課堂和KOSEAM學習環(huán)等；L（learning）引申為學習者采用學習方法，學習方法是在常用傳統(tǒng)講授法的基礎(chǔ)上，增加小組資料搜集整理、小組內(nèi)部的分工協(xié)作和自主學習，和小組間探究討論、動手操作、工程應(yīng)用等形式，還可以用集中匯報展示、教師點評等環(huán)節(jié)。

二? 1+3PBL教學總體設(shè)計

（一）? 課程介紹

遙感原理與應(yīng)用是一門涉及新技術(shù)、多學科的基礎(chǔ)性、前沿性和交叉性課程，課程內(nèi)容涉及多個交叉學科，主要包括遙感基礎(chǔ)理論（遙感物理、光譜分析）、遙感數(shù)據(jù)處理（校正、增強、解譯等）及遙感專題應(yīng)用（資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、礦山監(jiān)查和農(nóng)作物估產(chǎn)等）三個模塊。整個教學過程不僅要求學生掌握遙感探測的基本原理和基礎(chǔ)知識、熟練操作遙感圖像處理軟件進行遙感圖像校正、增強、分類等技能，還需要掌握遙感技術(shù)在測繪、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、礦產(chǎn)和海洋等專題方向應(yīng)用的方法，具備利用遙感技術(shù)服務(wù)國民經(jīng)濟建設(shè)的意識及運用遙感技術(shù)解決復(fù)雜實際問題的綜合能力和高階思維。

（二）? 1+3PBL教學總體設(shè)計

對應(yīng)遙感原理與應(yīng)用課程的三個模塊，將課程按照教學形式劃分了理論教學、上機操作、專題應(yīng)用3個層次。應(yīng)用1+3PBL教學模式對每一層次內(nèi)容進行重構(gòu)，其中，遙感基礎(chǔ)理論模塊提煉37個Problem知識點，圖像處理模塊規(guī)范6個Process操作過程，遙感專題應(yīng)用模塊引入8個領(lǐng)域Project應(yīng)用案例，具體如下。

理論教學部分劃分知識節(jié)點或要點（problem），采用基于問題形式講解理論知識，增加學生好奇心和參與意識。

上機操作部分引入工程或工藝中關(guān)鍵技術(shù)（process），從解決圖像處理中實際問題出發(fā)，設(shè)計講解內(nèi)容的情境和數(shù)據(jù)，增強教學內(nèi)容真實性和有效性。

專題應(yīng)用部分主要是理論教學中的專題應(yīng)用環(huán)節(jié)和2周綜合實踐環(huán)節(jié)，融入工程項目的真實問題（project）等，接近現(xiàn)實世界或真實工程情景。設(shè)計遙感在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、礦產(chǎn)和海洋等行業(yè)實際工程、科研方面應(yīng)用的專題PBL探究模式，提高教與學的挑戰(zhàn)度，如圖1所示。

總體設(shè)計中隨著學生對遙感知識的累積量增大，P的挑戰(zhàn)度增加，同時，學生間互動和自主學習過程也隨之增加，學生逐漸從被動接受向主動學習轉(zhuǎn)變，教學環(huán)節(jié)從“教師為中心”向“學生為中心”轉(zhuǎn)變。在教學過程中，科學合理設(shè)計教學環(huán)節(jié)和課堂活動，可以激發(fā)學生的學習興趣，增加其學習責任。例如，精心設(shè)計一定比例的討論、演示，動手練習等互動性環(huán)節(jié)，讓學生在參與互動的過程中達到學而思、學而練和學而用效果，逐漸實現(xiàn)知識的“淺層”加工向“深度”學習發(fā)展，最終達到自主探究的學習狀態(tài)。

三1+3PBL分層次具體教學設(shè)計

“以學生為中心”的教學理念要求突出課堂教學中學生的“主體”、教師的“主導(dǎo)”地位，使學生能夠發(fā)揮自身的主體性、能動性和獨立性發(fā)現(xiàn)知識、進而創(chuàng)造知識、拓展能力，在具體的課堂活動上變被動接受為主動探究。遙感原理與應(yīng)用課程基于不同的知識模塊，在不同的教學層次上按照內(nèi)容Problem、Process和Project的難易度分別進行了教學設(shè)計以期充分發(fā)揮學生的自主學習性。

（一）基于Problem的PBL課堂教學設(shè)計

為了在有限學時情況下保證學習高效性，遙感基礎(chǔ)理論教學活動設(shè)計采用了Problem +BOPPPS的教學組織形式。將每一個遙感基礎(chǔ)理論知識點以問題為導(dǎo)向配合BOPPPS教學方法具體展開，包括B（bridge in）導(dǎo)言/導(dǎo)入、O（objective）課堂目標、P（pre-assessment）前測、P（participatory learning）參與式學習、P（post-assessment or practice）后測或應(yīng)用和S（summary）總結(jié)6個環(huán)節(jié)。圖2所示為植被光譜曲線知識點的BOPPPS教學設(shè)計過程。整個課堂教學過程以學生獲取知識為主，在教學的不同環(huán)節(jié)適當加入師生互動，來保持喚醒學生專注力水平，提升課堂焦點知識的注意度和學生的知識遷移能力。同時，課堂穿插多種案例及小組討論，課后在線上發(fā)布最新的成果和案例，線上設(shè)置閱讀作業(yè)，拓寬學習內(nèi)容。

例如，遙感課程在設(shè)計“高光譜反射率”這個知識點時，以塞罕壩10年森林儲量變化遙感圖像作為案例導(dǎo)入，提出問題“高光譜影像與多光譜影像哪個對森林環(huán)境變化更敏感？哪個對森林范圍變化更敏感？”案例以知識點高光譜反射率為主線，融入職業(yè)要求（思政點）展開，引發(fā)學生遙感監(jiān)測環(huán)境的興趣點，提升課堂專注力；在參與式學習P環(huán)節(jié)，從光譜反射率定義、數(shù)學模型講起，引用水體、沙子、植被等不同類型地物遙感光譜，同一植被不同時段、不同健康狀態(tài)遙感光譜等案例進行多次互動式講解；最后總結(jié)S在總結(jié)光譜反射率關(guān)鍵點之后，引入問題“高光譜還能在哪個行業(yè)應(yīng)用？”在學生回答后，教師可以列舉高光譜檢測藥品、注水豬肉等發(fā)明專利，引導(dǎo)學生創(chuàng)新精神和職業(yè)追求。

（二）? 基于Process的PBL上機操作設(shè)計

遙感課程上機操作環(huán)節(jié)不僅要求學生掌握圖像處理數(shù)學模型、獨立操作處理軟件，還需要掌握調(diào)控精度指標等技術(shù)，為實現(xiàn)這一目標，課程采用Process+五星教學組織形式。五星教學原理，是美國著名教學設(shè)計專家梅里爾倡導(dǎo)地教學組織形式，其內(nèi)涵包括聚焦問題、激活舊識、示證新知、嘗試應(yīng)用和融會貫通。教學團隊在遙感上機操作實踐部分，將遙感圖像處理的6個關(guān)鍵程序（Process），結(jié)合具體任務(wù)設(shè)計案例，從聚焦問題、激活舊識、示證新知、嘗試應(yīng)用、融會貫通5方面進行參與互動式設(shè)計。教學設(shè)計從解決遙感圖像處理實際問題出發(fā)，設(shè)計講解內(nèi)容的情境和數(shù)據(jù)，增強教學內(nèi)容真實性和有效性，提高學生知識運用能力和遷移能力。

表2是以遙感圖像幾何校正為例的基于PBL的五星教學組織設(shè)計。

在五星教學模式中，示證新知環(huán)節(jié)通?？梢哉嫉饺蝿?wù)教學時長30%左右。仍然以遙感圖像幾何校正為例，它至少包含以下環(huán)節(jié)：向?qū)W生明確展示幾何校正任務(wù)完成前后圖像發(fā)生變化，拋出問題“是什么原因?qū)е掠跋駧缀涡Ｕ昂蟠嬖谧兓兀俊?；展示任?wù)操作知識路徑、每一步必要操作和過程結(jié)果，并對各個步驟后果進行總結(jié)。還需要講解過程中設(shè)計一些提問或示錯做法，將學生注意力引到操作具體細節(jié)，激發(fā)學習參與興趣。通過運用五星教學思想設(shè)計上機教學內(nèi)容時，需要準備多樣式、多工程背景的遙感圖像和具體案例，不同小組選取不同類型練習數(shù)據(jù)，可以激發(fā)學習者主觀學習熱情；同時小組間存在工程問題差異性，能夠產(chǎn)生組間相互學習和討論可能性，更能促進學生形成高階思維模式，建立批判性思維。

（三）? 基于Project的PBL專題應(yīng)用設(shè)計

遙感專題應(yīng)用的PBL教學組織主要采用Project+KOSEAM教學環(huán)方式開展。KOSEAM教學環(huán)包括獲取基礎(chǔ)理論（knowledge）、建立學習目標（object）、自主學習（study）、交流探究（explore）、行動實踐（act）和綜合考評（measure）六個環(huán)節(jié)，這六個環(huán)節(jié)之間層層遞進，逐步上升，符合認知金字塔規(guī)律。根據(jù)遙感專題應(yīng)用的內(nèi)容重點和成果需要，對每一個環(huán)節(jié)具體設(shè)計學習組織形式、教師活動以及學生活動，具體設(shè)計形式見表3。

遙感課程在運用KOSEAM教學環(huán)組織專題應(yīng)用教學時，通常需要建立一個明確專題內(nèi)容，例如以遙感在農(nóng)業(yè)方面專題應(yīng)用為例，其具體實施步驟如下。

1? 知識準備

教師圍繞這個專題發(fā)布項目名稱、任務(wù)要求、推薦閱讀的書目和參考文獻、往屆優(yōu)秀案例展示等內(nèi)容。推薦書目和參考文獻的閱讀，可以輔助學生回憶、構(gòu)建解決項目的先決知識和技能。往屆優(yōu)秀案例展示可以輔助學生構(gòu)建有用的解決項目的流程，提供解決項目問題的“支架”。

2? 建立目標

在項目實施時，教師首先明確項目學習目標，包括知識、技能目標和關(guān)鍵技術(shù)要點，還需要明確完成成果的具體形式。清晰的學習目標有助于維持學生持續(xù)學習的動力，同時，也是學生自我評價的標準。

3? 自主學習

學生完成任務(wù)分工后，進入了有目的的主動學習階段，在這個階段學生可以借助優(yōu)質(zhì)的書籍或網(wǎng)絡(luò)資源進行輔助，對水稻種植面積動態(tài)監(jiān)測涉及的分類、動態(tài)分析等關(guān)鍵點的基礎(chǔ)理論、常用方法、數(shù)據(jù)處理的過程及參數(shù)選擇方法到結(jié)果分析方法逐步深入地進行總結(jié)歸納，為解決問題進行知識儲備。自主學習的過程貫穿整個項目學習階段。

4? 交流探究

經(jīng)過一段時間學習后，由教師組織在課堂內(nèi)進行面面交流，多方位互動。通過組內(nèi)互動、組間互動及師生互動，鍛煉學生溝通與表達技巧，同時通過團隊研討和探究環(huán)節(jié)，可以加深學生對任務(wù)涉及知識的深度理解。

5? 行動實踐

在此階段每個小組按照討論確定的方案完成每一項具體遙感數(shù)據(jù)導(dǎo)入、預(yù)處理、特征提取、信息識別和綜合分析，并檢查具體精度。這個環(huán)節(jié)是提高學生工程實踐能力關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時通過反復(fù)動手實踐和交流探究，針對關(guān)鍵問題和難點可能會間接引發(fā)學生的創(chuàng)新思維。

6? 綜合考評

學生完成任務(wù)后，由教師統(tǒng)一組織進行集中匯報、展示講解的環(huán)節(jié)，學生“作品”展示會對學習效果達到強化作用，也是學生之間相互學習和評價提升的環(huán)節(jié)。通過每個小組“作品”展示和交流分享，其他小組可以學習到不同類型遙感專題知識，擴大專題應(yīng)用擴展學習效應(yīng)。同時通過學生互評和討論，又起到反饋糾正和知識內(nèi)化的作用。

在整個KOSEAM教學環(huán)過程中，教師和學生參與程度是逐漸變化的。在知識準備和建立目標環(huán)節(jié)，教師負責講解示范、分析要點、傳遞顯性知識，學生被動接受；在其他環(huán)節(jié)，教師充當學習向?qū)Ш皖檰柕慕巧?，負責總結(jié)點評和指引釋疑關(guān)鍵問題，傳遞隱性知識，學生全程參與主動探究學習。在這種教學過程中，學生興趣和責任是逐漸建立起來的，教師需要設(shè)計每個步驟教學策略和方法，合理適度地引導(dǎo)，適當拋出問題激勵學生，發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力。

四? 1+3PBL多元化考核設(shè)計

1+3PBL多元化考核方法是以激發(fā)學生學習動力和專業(yè)志趣為著力點的過程評價，包含自主學習考核、理論學習考核、上機操作考核、創(chuàng)新能力考核和專題PBL考核5個部分，見表4。自主學習考核是對學生課堂內(nèi)外、線上線下主動學習情況的評價；理論學習考核是對學生專業(yè)基礎(chǔ)知識掌握程度的考核；上機操作考核主要考核學生的實踐動手能力及操作的規(guī)范性；創(chuàng)新能力考核是針對學習興趣濃厚、能力較強的學生設(shè)計的創(chuàng)新作業(yè)，在滿足學生個性化發(fā)展基礎(chǔ)上提升了課程考核的創(chuàng)新性；專題PBL考核是一種基于學習過程參與度、成果答辯、海報展覽等方式進行的非標準化、綜合性考核，以檢測學生思維能力、團隊能力、解決實際問題能力和表達能力等，提升了課程學習過程的挑戰(zhàn)度。

五? 結(jié)束語

1+3PBL教學模式以新工科核心素養(yǎng)為依據(jù)，以理論問題、關(guān)鍵技術(shù)和工程項目為導(dǎo)向，將思維能力訓(xùn)練、價值觀提升、實踐能力培養(yǎng)和專業(yè)學科理論教學及知識目標培養(yǎng)有機結(jié)合。整個3PBL教學過程中要求以模塊化的知識點與問題或案例進行組合，形成一條知識明線條貫穿學習全過程；愛國情懷、職業(yè)修養(yǎng)和工匠精神等課程思政要素為暗線，兩條線全方位、全過程融合到整個教學過程，引導(dǎo)學生知識、能力與價值學習方向。

1+3PBL教學模式的充分應(yīng)用，實現(xiàn)課程教學的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，教師做好充足逆向教學的準備。需要教師重塑課程內(nèi)容，精心設(shè)計教學策略，要求教師團隊投入大量精力，從課前知識預(yù)習、課后的反饋反思和專題任務(wù)互動指導(dǎo)等方面進行細化設(shè)計，制定好方案，才能保證教學效果的達成度。通過課程問卷調(diào)查和學生學習成果達成度分析發(fā)現(xiàn)，單次PBL學習過程中，生生互動次數(shù)超過10次，查閱資料量超過15篇參考文獻，課下自學時間約1小時/天，師生課下交流次數(shù)約3次/項。1+3PBL教學模式有效提升了學生的課堂參與度，提高了學生的自主學習能力，優(yōu)化了課程教學效果，為培養(yǎng)能夠主動服務(wù)科學研究、技術(shù)創(chuàng)新研究的優(yōu)秀人才提供了支持。

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基金項目：國家自然基金項目“基于MEMS井下Baseline-RFMDR緊耦合定位理論與方法”（42274056）；國家級一流線下課程“遙感原理與應(yīng)用”（無編號）；河北省教育廳教學改革研究與實踐項目“新工科背景下多學科交叉課堂教學設(shè)計與實施策略的研究”（2021GJJG204）；河北省教育廳教學改革研究與實踐項目“工科PBL教學模式的研究與深度應(yīng)用”（2017GJJG105）；河北省教育廳創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學改革與實踐項目（2023cxcy100）

第一作者簡介：李孟倩（1986-），女，漢族，河北唐山人，博士，講師。研究方向為遙感在地學方向的應(yīng)用。

*通信作者：汪金花（1974-），女，漢族，新疆伊犁人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向為高光譜遙感與室內(nèi)定位。