嵌入CDIO和MOOC的“環境信息系統”教學模式

崔耀平等

摘 要： 環境信息越來越被人們所關注，“環境信息系統”也日漸成為環境科學相關專業的基礎課程，該課程側重環境、時空分析等。作為一門新興的交叉課程，如何在系統教學中，更高效地帶領學生掌握先進的知識和技能成為了教學改革的重點。以CDIO工程教育理念為載體，結合MOOC式網絡教學，針對該課程的自身特點和教學現狀，探討教學新方法，并嘗試構建環境信息系統的教學新模式，以期能為該課程的教學提供有益參考。

關鍵詞： 工程教育； MOOC； 教學改革； 環境信息

中圖分類號：TN911.72 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）05-69-03

Abstract： Environment events are more and more concerned by the people， "environment information system" has become the basic course in environment science related major， the course focuses on the environment， temporal and spatial analysis etc. As an interdisciplinary course， how to lead the students to master the advanced knowledge and skills in the teaching process has become a key point in teaching reform. This paper， in order to provide a useful reference for the teaching， with the idea of CDIO engineering education as carrier， combining MOOC network teaching type， according to the characteristics and teaching situation of the course， discusses and tries to structure a new teaching mode for environment information system.

Kew words： engineering education； MOOC； teaching reform； environmental information

0 引言

隨著計算機、互聯網以及云技術的發展與普及，電腦和移動終端日益成為大學生常用的信息獲取方式，高校的傳統教學模式日益顯露出弊端。在新的信息化背景下如何對現有教育模式進行改革一直是眾多學科關注的重點。

環境信息系統作為一門新學科，涵蓋了計算機、環境科學、地理信息系統以及遙感技術等內容，其教學僅照搬傳統模式將無法真正體現其先進的應用和實踐性特點，這也是該學科教學中亟待解決的重要問題。當今世界迅速掀起的CDIO工程教育模式（Conceive構思，Design 設計，Implement 實現，Operate操作）和大型開放在線課程（Massive Open Online Courses，MOOC）教學浪潮，以其先進的創辦理念和獨特有效的教學方式給這一問題帶來了新的解決思路[1]。

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。2000年，麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學組成的跨國研究，經四年探索，創立CDIO工程教育理念，并成立了國際合作組織（http：//www.chinacdio.cn/）。CDIO的系統設計理念非常契合環境信息系統的設計流程，而對工程式學生的要求也完全滿足這門課程的開設預期目標，即側重培養學生的動手和實踐應用能力。MOOC是指世界名校和名師開設的網絡課程（http：//mooc.guokr.com/course/）。MOOC以其大量優質的教學資源和便利新穎的學習方式，在短時間內贏得了來自世界各地師生群體的認可，被人們稱作“慕課”[2]。這種在線課程教學模式也對當前的環境信息系統教學給予了很多啟示。現在雖然還沒有名校名師開講環境信息系統的慕課，但相關基礎知識在網絡上已有很多開放的資源。

基于以上分析，在環境信息系統教學中合理利用和實踐CDIO工程教育理念和MOOC式網絡教學思想，不僅可以有效提升學生的知識獲取和實踐動手能力，同時還能對其通過網絡終端來及時掌握國際前沿知識動態提供條件。本文基于CDIO和MOOC，從兩者與環境信息系統的契合關系出發，嘗試構建環境信息系統教學改革的新模式，以期能為該學科高效的教學工作提供理論和邏輯支持。

1 CDIO及MOOC的發展

CDIO和MOOC作為兩個當前教育非常著名的教學理念，已經成為高等教育史上的一種現象，也很可能成為一種未來的教學趨勢所在。CDIO和MOOC各自從提出到推廣實施，所用時間非常短，但發展和影響力迅速擴大。基于現有熱度和教育實踐的成效來看，CDIO和MOOC已經無可爭議地成為了高等教學中的發展趨勢之一。未來一段時間，工程式的系統培養方式和開放式的知識學習方式將對教學和培養模式產生很大的沖擊力。

CDIO教學不僅繼承和發展了歐美20多年來工程教育改革的理念，更重要的是其系統地提出了具有可操作性的能力培養、全面實施以及檢驗測評的標準。瑞典國家高教署2005年采用該標準對本國100個學位計劃進行評估，結果表明，新標準比原標準適應面更寬，更利于提高質量。迄今為止，已有幾十所世界著名大學加入了CDIO組織，且取得了良好效果。在中國，2008年，教育部確定了第一批18所CDIO試點高校名單，同年出現探討CDIO的碩博論文，截止2014年已有3700多篇文獻探討CDIO在中國相應學科教學培養的實踐應用（見圖1）。

幾乎與此同時，2008年，由加拿大的戴夫·科米爾和布賴恩·亞歷山大根據網絡課程的教學實踐提出MOOC這一術語。2011年，斯坦福大學將三門課程的教學視頻免費發布到網絡上。同年底，斯坦福大學創辦的MOOC平臺——Udacity，至今已超過80萬人注冊，覆蓋190多個國家[3]。自此，在世界范圍內掀起了一場MOOC學習熱潮，2012年也被稱為“慕課之年（Year of MOOC）”。國內的嘗試也于2012年逐步興盛，根據在中國知網以“MOOC”為關鍵詞的查詢結果，2012年之前沒有相關報道，2012年當年有9篇；2013年，期刊論文、學位論文、報刊等涉及MOOC的超過200篇；2014年，已有超過1200篇的文章被檢索出來（圖1）。

這些研究從MOOC教學與傳統教學、其發展特征、教學體系構建，到云共享平臺、開放學習、翻轉課堂等，涉及到MOOC的方方面面。同時，北京大學、清華大學為代表的國內一流大學，也開始了MOOC教學模式的探討和構建。由此可見，MOOC帶著強大的顛覆力和沖擊性走進了教學。

2 環境信息系統新教學模式的構建

2.1 環境信息系統與CDIO和MOOC的關聯

環境信息系統重點介紹環境信息系統相關的基本概念、基本原理、技術手段，以及方法、途徑和應用。具體內容包括：基本概念、數據結構和數據庫、環境信息的獲取與組織管理、系統開發、環境信息的標準化等。環境信息系統的教學安排如表1所示。

環境信息系統教學安排比較系統，而對應CDIO教學理念可以得到充分的運用，CDIO所提倡的構思、設計、實現、操作等工程式的教學管理模式不僅可以充分保證學生的理論和實踐知識得到掌握，還可以幫助其提升整體素質和專業應用水平。同時，MOOC提供了創新的教學方式和相關學科的龐大教學資源，現有的開放資源包括：數據、課件、微課、文庫、課件庫、公開課等，全球和中國當前巨大的資源量和知識庫為學生的學習提供了有效保障。因此，我們在對CDIO這個理念和MOOC教學精髓進行全面理解和應用的基礎上，完全可以嵌入CDIO和MOOC來開展環境信息系統的教學工作，走出一條屬于適合該學科的人才培養模式，具體對應的教學方式參見表2。

正如表2所展示出的CDIO和MOOC與環境信息系統課程的關聯那樣，CDIO框架下，在MOOC式自助學習和網絡資源的整合學習基礎上，該培育模式不僅包括了基礎知識的培養，還直接對接了社會和企業對大學生的畢業素養需求的培育，使之通過課題和項目的完整參與和最終完成，能初步實現對社會需求的環境事件做出系統的專業分析和有效的知識應用。

2.2 環境信息系統的教學新模式

環境信息系統是一門理論與實踐相結合的跨學科高校課程[4]。該課程的總體教育目標是使學生能夠：掌握深度的基礎知識和技能；系統考慮、進行研究、解決問題的專業能力；在團隊里的有效交流；實時環境事件下的系統構思、設計、實現和管理。

這里我們借鑒麻省理工學院的學科專業培養模式[5]，提出如下新模式，以供在日后教學和培養環境信息系統專業人才中提供理論基礎。根據對CDIO和MOOC與環境信息系統課程的關聯分析（表2），依照培養目標把本課程的教學進一步分解為4大類16亞類的具體目標，以衡量學生在專業方面的所知和所能。如圖2所示，第1和2項為基礎支撐，第3項為綜合素養，第4項為最終的實踐應用，綜合考核中合并了理論和實踐目標。

這16項具體目標分列如下。

⑴ 具備深厚的技術基礎知識。具體包括三個層次，依次為：展示運用基本學科知識的能力，包括地理信息系統、遙感、環境科學等；數據結構、數據庫、圖像處理、計算機等方面的核心基礎知識和原理；展示在數據融合、建模、空間分析、系統開發等方面專業工程知識。

⑵ 研究問題、解決問題、系統思維及掌握的其他個人、專業能力。包括了5個亞類：分析和解決課題或教學案例問題；對問題進行探尋和實驗；整體和系統地思考；掌握成功進行實踐所需的個人能力；掌握成功進行實踐所需的職業素養。

⑶ 在團隊分組里的有效交流和工作。包括了：在團隊中領導和工作，以及以書面形式、電子形式、圖表和口頭等方式進行有效的交流。

⑷ 構思、設計、實現和運行。包括了6個亞類：認識到社會環境在實踐中的重要性；欣賞不同的文化背景且在不同的分組中順利工作；構思系統包括制定要求、界定功能、建模和管理；設計復雜系統；實現軟硬件過程和管理執行程序；運行復雜系統、過程和管理運行。

3 結束語

作為一門與高科技、新技術、信息化結合緊密的專業課程，當前環境信息系統在教學和培養學生過程中存在不少問題。在教學時往往對學生強調課本知識點的重要性，而忽略了知識的實時性；教學方式相對生硬，且很少重視實踐技能方面。這些問題在信息化與教育變革大背景下，尤為突出。

CDIO的工程培養理念保障了教學工作的高效性，加之MOOC教學模式的開放性，增強了學生的自主性。教學新模式實施過程中，要求教師：①在充分掌握學科的基礎知識和先進技能的基礎上，靈活運用“翻轉課堂”方式；②要求學生能夠具有較強的知識接受能力和主動探索能力，不能局限于教科書，積極主動發現和解決問題，提升自身綜合素養和專業能力。這種新型教育模式下，學生思維方式和實踐能力均可得到大幅增強，并通過吸收先進教育理念，能使師生之間共同進步，真正做到教學相長。同時，也應認識到，當前對該課程的教學模式改革仍需更多的實踐支持，以為后續更新和更有效的教學改革提供現實依據。

參考文獻：

[1] 邵蘭潔，馬睿，魯小利，母俐麗.軟件開發類課程群CDIO模式教學改革研究與實踐[J].計算機時代，2014.12：64-66

[2] 王左立.MOOC：一場教育的風暴要來了嗎？[J].中國教育網絡，2013.4：11-15

[3] 陳肖庚，王頂明.MOOC的發展歷程與主要特征分析[J].現代教育技術，2013.23（11）：5-10

[4] 羅輔英.高師院校非GIS專業環境信息系統教學的思考[J].大學教育，2013.9：116-117

[5] 顧佩華，陸小華.CDIO工作坊手冊[M].汕頭大學出版社，2008.