翻轉課堂在地理信息系統基礎與實驗課程中的探索實踐

佘曉君 周廷剛 于文憑 李曉璐 田永中

[摘 要]翻轉課堂模式將教學流程由“先教后學”轉變為“先學后教”，將學生轉變為教學活動的主體，實現了教學流程的逆序創新，是對傳統課堂講授模式的一種改革。本文對翻轉課堂模式應用于交叉學科地理信息系統基礎與實驗課程中的必要性及具體設計實施進行了探索。具體實施階段分為教學準備階段、信息傳遞階段、應用消化階段和綜合評價階段。通過設置對照實驗，表明翻轉課堂模式的教學對學生的自主學習能力、思辨能力和創新能力等，都有積極的促進作用。

[關鍵詞] 翻轉課堂;地理信息系統;本科教育;地理學

隨著高等院校地理專業課程改革與建設，地理信息系統學科應運而生，是近20年來迅速發展起來的一門介于地球科學與信息科學之間的新興專業基礎學科。對廣義地學體系來說，它將地學空間數據與計算機技術相結合，通過系統建立、操作與模型分析挖掘出對資源、環境、生態、區域規劃、管理決策、災害防治等方面的有用信息，已成為推動現代地學發展的強有力技術工具，并成為地理、地質、測繪、資源、環境等越來越多學科專業開設的本科基礎課程[1-3]。對專業地理學科體系來說，掌握地理信息系統原理與方法，為深入學習區域規劃、地理教育學及地理信息系統開發設計等應用地理學方面的課程提供基礎知識支撐，是整個地理學科體系的入門課程之一。

在多年的課程教學中，發現地理信息系統課程教學存在如下一些問題。首先，學生教育背景差異大。高等教育中的地理科學授予的學位為理學學士，然而高中地理屬于文科科目，這就導致了一個班級中學生有文有理，文、理學生的先導基礎差別較大，理科考生缺乏相應的地理學背景，文科學生缺乏相應的數理邏輯背景。進一步考慮學生的生源地等背景情況，發現東西部教育資源不均衡帶來了學生基礎的一些差別。所以，使用統一的課堂講授無法較好地滿足不同教育背景學生的需求。其次，教育更新速度滯后于行業發展。中國的地理信息學科起步較晚，于1980年代才從國外引入，近30年來借助于計算機技術的大力發展，地理信息產業發展呈現蓬勃增長的應用趨勢。但計算機及依賴其成長的技術的更新周期越來越短，現階段教育培養的更新頻率明顯滯后于行業發展的速度，導致學生對課堂上講授的內容學習積極性不高[4]。最后，中國人口基數較大，高等教育規模大，地理專業師資配比相較于國際發達國家而言比較低，學生課堂上得到的關注度不高，不能很好地因材施教，粗放型教育轉型比較困難[5][6，7]。

具體到課堂的反映來說，傳統地理信息系統基礎與實驗分為理論課和實驗課兩部分。理論課教學采用傳統的課程教學模式，即以教師講授為主，上機實踐以教師演示、學生自主操作和答疑模式進行。理論課堂上學生的參與感不強，聽課專注力不高，師生互動不足，留給學生自主學習鍛煉機會較少。上機課堂中學生按照老師的講解和實驗方案進行實驗，由于課堂時間有限，學生對于方案背后的原理思考不足，導致無法脫離實驗方案進行自主實驗方案的設計和實施。此外，傳統模式中老師是主體，學生缺乏自主意識，課程學習隨著課堂的結束而結束，課后缺乏自主的思考與探索，思維發散度不高，導致對知識的理解不深入，實際動手能力欠佳。

上述問題表明地理信息系統課程教學方式的改革勢在必行。如何設計針對不同背景學生的地理教育模式，如何更好地結合當下地理信息產業前沿發展方向，如何更優質的配置教師資源，如何培養學生掌握地理信息系統的原理，具備熟練的GIS軟件操作技能，針對實際地學問題具備創新性的解決方案，使之適應現代地學的發展需求？這些都是教學改良應該考慮的要點[8，9]。

一、翻轉課堂的理念

翻轉課堂起源于美國科羅拉多州的林地公園高中，2007年，化學老師Jonathan Bergmann和Aaron Sams偶然想到一個點子，他們將課堂講授的內容錄制成視頻，初衷是讓缺課的學生得以在家學習，結果受到學生們的一致歡迎[ 10 ]。翻轉課堂的基本思想是采用“課外傳授知識，課上內化知識”的策略開展教學。在課外，學生通過微視頻自學基本知識，有效地實現新知識的原始積累。在課上，教師安排學生開展協作探究式活動，并當面解答學生的疑問，促使學生加深對知識的理解[ 11，12 ]。相比于傳統教學，翻轉課堂具有以下優點：（1）能夠引導學生自主學習，學生易于根據各自的學習狀況和特點，自由控制微視頻播放的時間、地點、進度和頻次，滿足不同背景學生的個性化需要，從而提升學習效果，同時也培養了學生的自主學習能力。（2）在傳統課堂的講授教學中，學生是被動的吸收者，且由于學生剛接觸新知識，無法進行深入的思考，導致師生之間的互動較少。在課后，學生做練習出現問題時無法及時同教師進行深入的交流討論。翻轉課堂調整了教師在學習過程中出現的次序，當學生完成課外自學，獲得基礎的新知識后，教師與學生再開展課內教學活動，通過交流互動，教師協助學生完成知識內化。（3）在知識共享的大背景下，翻轉課堂使得教師能夠利用網絡獲取各種網絡教學資源，博采各家所長，整合成更適合本專業學生的資源，微視頻免除了教師講授的任務，從而使教師能集中精力設計和組織課堂教學活動，更加注重學生吸收和內化知識，提升了學習的深度[ 13 ]。

二、地理信息系統基礎與實驗翻轉課堂的設計及實踐

相較于傳統的地理信息系統基礎與實驗課堂將理論課和實驗課分開，翻轉課堂是將課堂分為課上和課下。課程核心內容主要分為三大部分：空間數據基礎、輸入與處理;空間分析;空間數據可視化、輸出。翻轉課堂設計主要分為以下四個階段[ 14 ]：

（一）教學準備階段

教學準備階段發生在課程開始前，教師要完成對翻轉課堂的教學設計工作。教學設計是基于教學目標，考慮教學對象（學生）、時間及內容的情況下，制作整理課下學習內容（PPT、微視頻、電子讀物、網絡資源、測試題庫等）、設計課堂活動（主題任務、分組機制、活動指南、評價量規等）和教學環境配置（教學裝備、在線平臺、網絡資源等）。教師可以廣泛地收集國內外優良素材，配合章節的性質輔以不同形式的學習資料，比如緒論主要介紹學科的定位、歷史發展，可以推薦學生閱讀地學開拓科學家的傳記，如陳述彭著述的《石堅文存》，在擴展信息量的同時對學科有更宏觀的背景理解;另一方面，翻轉課堂弱化了課堂上老師不同的教學風格，可以實現資源的高度共享。比如，可以集合同一教研組的人力資源一起進行教學工作的準備，在一定程度上節約了教師的時間投入。教學準備階段是翻轉課堂教學的前提保證，奠定了后續學習能否順利進行的基調。

（二）信息傳遞階段

信息傳遞階段主要發生在課下，針對相應的學習內容，學生自主規劃學習素材、學習節奏、風格和呈現知識的方式，觀看視頻課件，收聽播客，查閱網絡資料，進行網絡討論，進行測試練習，通過這些方式達到對知識的初步記憶和理解，完成信息的傳遞。沒有了課堂時間、地點的限制，面對多樣化的學習資料，學生可以選擇自己喜歡的學習形式如觀看視頻等進行學習，提升了學習的興趣和廣度。比如軟件操作較多的空間分析部分，通過前期的教學準備階段，將內容分解為內容明確的短視頻，學生可以自由調節播放倍速，邊看邊實踐。此外，沒有了教師的參與，學生之間可以更自由地討論自己的觀念，針對分歧會自主地進行探尋，使信息的理解更趨向于深入。信息傳遞階段是學生翻轉課堂學習的第一站，教師要積極構建良好的傳遞介質，引導學生培養良好的自主學習習慣。

（三）應用消化階段

應用消化階段主要發生在課堂，是學生與學生之間、學生與老師之間互動的主要場所，老師通過作業練習、提問、課堂討論、小組項目、反思總結等形式，檢查學生對前一階段習得知識的掌握情況，并引導學生進行深入的應用和分析。同時，教師需要對學生的疑惑、小組討論做精心的準備和細致的觀察，真正做到因材施教。該階段旨在提高學生的學習效益，達到知識的內化吸收狀態。如在學習了多種空間分析方法后，引導學生以小組形式開展項目——堰塞湖災害評估，從空間數據獲取、輸入、空間分析一體化的解決方案，提升學生解決實際問題的能力。

（四）綜合評價階段

綜合評價階段是對學生信息傳遞階段以及應用消化階段成果的考察，一方面，老師通過學生作業練習、回答提問、課堂討論、小組項目情況評估學生的學習狀況;另一方面，學生通過個人講述、學習匯報、自我評價、小組互評等形式對學習過程和學習結果進行交流和評價，在深化學生對知識的理解力的同時，對翻轉課堂各階段進行總結評價及不斷完善。良好的評價機制可以更好地反饋教學準備階段的不足，對于翻轉課堂的良好運作和正向發展必不可少。

三、翻轉課堂取得的改革成效

本課程教學改革在2017年秋季學期進行試點研究，選取的人數、男女比例、生源背景等基本一致的同一專業兩個班級學生進行對比實驗，分別進行傳統授課模式和翻轉課堂模式的課程教學，翻轉課堂模式班級下文一律稱為實驗班，傳統授課模式班級下文一律稱為對照班。經過一學期的傳統講授與翻轉課堂對照實驗，對兩個班的期末考試成績進行了統計分析。

統計結果表明實驗班的平均成績普遍優于對照班。對照班地理信息系統基本原理卷面成績平均分為75.69，而實驗班平均分為78.20，高出對照班2.51分;對照班地理信息系統上機實驗卷面成績平均分為85.52，而實驗班平均分為87.88，高出對照班2.36分。各分數段內學生成績人數占比分布如下表1所示。從中可以看出，高分段（≥90）實驗班學生人數比對照班學生人數占比高8.6%（原理）和13.2%（實驗）。在優良分段（>=80分）實驗班的人數比對照班學生人數占比高6.6%（原理）和2.5%（實驗），說明實驗班學生在知識掌握深度上優于對照班學生，成績好的學生通過翻轉課堂成績向高分段提升。低分段（≤69）實驗班學生人數比對照班學生人數占比低3.4%（原理）和3.8%（實驗），說明低分段學生在翻轉課堂模式中也能有受益。

此外，通過整理分析學生平時上交的作業和最后提交的地理信息產業調研報告，發現實驗班學生在設計項目方案時的創新意識更強，而且對于整個地理信息行業的了解更加深入，能夠更加客觀全面地分析和評價各個行業公司，體現出較強的思辨和綜合分析能力。

四、結語

翻轉課堂模式將傳統的以教師為主體的學生被動學習，轉變為以學生為主體的主動學習，教師引導學生深入探索研究主題，學生從教學對象轉變為學習中心，積極建立自己的知識結構，以更加自主的方式參與并評估自己的學習。與此同時，教師針對學生的情況因材施教，調動學生的主觀能動性，提升整體的課程學習效果。

本文初步建立了一套翻轉課堂應用于地理信息系統基本原理與實踐課程的從教學準備、信息傳遞、消化內化到綜合評價階段的實施方案，結合今后不斷深入的課程改革，將不斷細化知識點，配合有效的測試，高效的講解和討論，更具目的性的分組項目，進一步提高課上時間的學習效果，不斷細化課程考核指標，建立更加全面深入的翻轉課堂評價體系。同時，細致深入地對學生的接受程度、知識掌握效果和時間花費情況進行反饋收集，最終將改進后的較成熟的翻轉課堂模式推廣到更多本科生的教學上，在提高成績的同時培養學生的自主學習能力、創新能力和辨證思維意識。

參考文獻

[1]盛業華，郭達志，杜培軍，等.“地理信息系統”課程教育的實踐與思考[J].測繪通報，2000（6）：40-42.

[2]杜培軍，閆志剛.對地理信息系統專業計算機類課程設置的探討[J].測繪通報，2005（1）：63-66.

[3]湯國安，周衛.“地理信息系統”課程的設計與實踐[J].地球信息科學學報，2012（2）：65-69.

[4]秦其明，董廷旭.中國高校地理信息系統專業發展問題探討[J].中國大學教學，2011（5）：34-37.

[5]張志勇.轉變非理性教育思維 推進教育改革新突破[J].教育研究，2011（2）：54-57.

[6]馬千程，閭國年.國內外高校地理信息系統專業課程設置及比較[J].山東師大學報，1997（2）：230-235.

[7]Li，Z.海外大學的地理信息系統（GIS）專業課程設置[J].地理信息世界，2003（4）：35-40.

[8]Gilboy，M.B.，S.Heinerichs，G.Pazzaglia.Enhancing Student Engagement Using the Flipped Classroom[J].Journal of Nutrition Education Behavior，2015（1）：109-114.

[9]？eremet，M.，B.J.J.o.G.i.H.E.此處建議求證作者？Chalkley.Student Perspectives on the Teaching of Geographical Information Systems（GIS）in Geography Degrees[J].Journal of Geography in Higher Education，2015（1）：18-36.

[10]Bill，T.The Flipped Classroom[J].Education Next，2012（1）：82-83.

[11]張金磊，王穎，張寶輝.翻轉課堂教學模式研究[J].遠程教育雜志，2012（46）：5.

[12]Ak？觭ay？r，G.，M.Ak？觭ay？r.The Flipped Classroom：A Review of Its Advantages and Challenges[J].Computers & Education，2018（126）：334-345.

[13]何克抗.從“翻轉課堂”的本質，看“翻轉課堂”在我國的未來發展[D].北京師范大學現代教育技術研究所，2014.

[14]鐘曉流，宋述強，焦麗珍.信息化環境中基于翻轉課堂理念的教學設計研究[J].開放教育研究，2013（1）：58-64.