“GNSS測量與數據處理”線上線下混合式教學改革與實踐

劉智敏，獨知行，劉尚國，蘇 醒，于勝文

(山東科技大學 測繪與空間信息學院,山東 青島 266590)

2017年1月經國務院同意，教育部、財政部、國家發展和改革委員會印發《統籌推進世界一流大學和一流學科建設實施辦法(暫行)》。2017年9月正式公布雙一流建設名單。2019年11月教育部印發《關于一流本科課程建設的實施意見》，“實施一流本科課程‘雙萬計劃’讓本科課程優起來”。課程是高等學校教學的基本單元，是高校教學的核心內容。學科的概念體現了一種知識的分類，課程存在與培養目標和培養對象的適切性問題。大學的課程是分層分類的，不同課程有不同的課程目標，按照培養目標和課程目標，不同的學科知識通過結構化、邏輯化和系統化轉化為課程[1-2]。測繪類專業課程在強化網絡在線課程建設、結合測繪工程教育專業認證標準深化教學改革、提高課堂教學質量上取得了一定成果[3-10]?！癎NSS測量與數據處理”是測繪專業的主干專業必修課，課程內容涵蓋GNSS時空基準、信號與星歷、誤差源、定位方法、技術設計與外業實施、數據處理等理論與實踐相結合的課程[11-12]。隨著“互聯網+高等教育”在線教學新常態的背景下，衛星導航定位科技發展迅猛、知識更新快，“GNSS測量與數據處理”課程通過線上線下混合式教學改革研究，包括混合式教學設計、課程思政案例、過程性考核及多元化評價等，一定程度上解決了教學中存在的幾個問題，有助于達成該課程的知識、能力、素養等方面的教學目標，提升了學生“解決復雜工程問題”的能力和工程教育專業認證的課程達成度，促進了以課程為根本載體落實立德樹人的根本任務。

1 教學中存在的問題

2020-07-31中國建成北斗三號系統向全球提供服務，衛星導航定位技術的發展和提高，GPS向GNSS教學的發展[13]，課程內容進行擴容，同時本科教育的學分改制，該課程在測繪工程專業由3學分(18學時為1學分，46學時講授+8學時實驗=54學時)減至2.5學分(16學時為1學分，36學時講授+4學時實驗=40學時)，遙感、地信等其他測繪類相關專業的該課程同樣進行了相應課時壓縮，文中的研究成果同樣適用，不做重復討論。從知識、能力、素養方面在培養學生過程中，亟待解決以下問題：

1)由于前些年的大學道德教育與教學活動是分離的，導致大學生出現不重視道德修養，德與才教育不同步的情況，測繪類學生對職業規范和科學守拙的嚴謹精神要求更高，需要解決“如何將價值引領融入教學”的問題；

2)在教學過程中，針對課堂低頭族、知識概念化、孤立化、學不知用等現象，需要解決“課程學時壓縮、學生學習被動”的雙重問題；

3)在考評與反饋上，面對一考定成績與 “低頭族、抬頭率”的困境，需要解決“考評單一，改進不及時”的問題。

2 基于多維空間的線上線下混合式教學設計

從教學理念與目標、教學內容與過程、教學設計與實施，采用線上、線下混合式教學，通過MOOC支撐對課程內容的學習，從傳統的“理論教學+實踐教學”平面化教學模式，拓展為“高效課堂+線上學習+翻轉課堂+實驗教學+測繪復雜問題解析實訓”多維教學設計，通過講座責任制[14]課堂教學討論式，思維導圖方法[15]作為預習和復習工具，案例教學法培養學生解決測繪復雜問題能力，提高課程的“兩性一度”目標。主要從混合式教學設計、課程思政案例、過程性考核及多元化評價等幾方面進行教學研究改革與實踐解決以上問題。

2.1 采用講座責任制、討論式，打造線上線下混合式課堂

以學生為主體，教師為主導，產出為導向(Outcome-Based Education，OBE)，采用講座責任制[14]、討論式，打造線上線下混合式課堂的教學模式，其中線上學時不占課時，課外與課內學時比接近1∶1(見表1)，解決“學習被動、學時壓縮”的雙重問題。

課程內容上，GPS向GNSS教學的發展[13]，主要涉及到的內容有：案例討論上，由單系統到多系統；在GNSS時空基準上，考慮多模數據處理中時空基準統一；衛星位置計算上，須添加北斗系統3種類型衛星的位置計算；定位技術上，有多模定位、NRTK+PPP等。

教學設計上，按照課前、課中、課后培養學生主動學習能力：

1)課前，線上視頻、測試習題的預習，采用思維導圖工具對知識歸納，通過文獻查閱相關內容，了解課上涉及的知識及應用、奠定知識點基礎，調動了學生學習自主性、節省了課堂時間，實現學習的低階目標[16]；

2)課中，在課堂上(線下)以講座責任制為主，通過講座教師課程模塊的講座[14]，采用啟發式講授知識點的整合關聯及應用、討論式進行案例分析和深入學習研討、階梯式引導應用舉例，師生互動中進行知識的理解、應用和分析、討論，如通過自身平臺發布討論主題，鼓勵學生積極思考、陳述小組討論結果及分析，打造高效課堂，促進自主性學習、過程性學習，同時在細節上加強對個人職業素質的培養，促進了高階思維訓練[17]；

3)課后，布置公式推導、主題程序設計、衛星系統最新發展及應用、文獻查閱等開放式作業，以小組為單位討論完成并進行互評，以獨立承擔GNSS項目設計實施和管理為導向，建立BDS/GNSS控制網設計案例庫，促進解決復雜測繪問題的能力和終身學習的達成。課中和課后有助于實現學習的高階目標[17-18]。

表1 “GNSS測量與數據處理”的線上線下混合式課程設計

2.2 課程思政和思政案例解析培養學生素質

GNSS技術推動了大地測量與導航定位領域的全新發展，世界主要軍事大國和經濟體都在競相發展獨立自主的GNSS，GNSS不僅是國家安全和經濟的基礎設施，也是體現現代化大國地位和國家綜合國力的重要標志，在政治、經濟、軍事等方面具有重要的意義。結合中國北斗衛星導航系統(Beidou Satellite Navigation System，BDS)發展，落實“堅持顯性教育和隱性教育相統一”，有步驟地推進“GNSS測量與數據處理”課程思政建設，圍繞立德樹人根本任務，培養擔當民族復興大任的時代新人等舉措，探索實現專業課程思政，使“GNSS測量與數據處理”課程教學目標與思政育人目標有機融合，以BDS思政案例設計等解決“如何將價值引領融入教學”的問題，主要體現在以下幾方面：

1)從課程緒論講述GNSS的發展，包括我國北斗衛星導航系統的全面建成，成為GNSS全球服務的系統之一，培養學生作為中國人的自豪感和科技強國的責任使命感，弘揚新時代的北斗精神；

2)從衛星定軌理論、衛星定位原理方法的講授，在科技研究領域，培養學生具有嚴謹治學的科學態度、實事求是的科學精神；

3)從GNSS控制網技術設計、測量實施及數據處理上，在工程技術應用領域，培養學生不斷求知、探索，精益求精的大國工匠精神；

4)外業儀器按照測量規范操作和內業計算上，培養學生接受測繪職業道德教育熏陶，具備遵守職業規范職業素養；

5)從GNSS定位原理到數據處理的模型推導，從程序設計到專業軟件操作及二次開發，結合衛星導航定位科技的新發展，培養學生用專業知識進行北斗衛星導航系統的數據處理與BDS/GNSS應用開發設計及創新創業發展。

2.3 教學考評與反饋上，注重過程考核和評價多元化

工程教育專業認證的核心理念之一是持續改進，有效的教學考評與反饋是持續改進的前提。注重過程性考核和評價多元化，有助于學生專業知識、能力、素質的培養。本課程成績評定，通過線上、線下相結合；考評階段上，分為過程性評價占40%、終結性評價占60%：過程性考核包括線上學習、課堂討論等平時成績和實驗(如圖1所示)；終結性評價以線下結課閉卷考試為主，主要以選擇題、論述題、綜合案例為主(比例分配如圖2所示)，考核知識的深入理解、靈活運用和解決專業復雜問題能力，提升學生專業興趣及自主學習能力。

過程性考核中，以線上(課外)學習和思維導圖記錄的方式奠定知識點基礎，實現學習的低階目標[16]；而在線下(課堂)的知識整合和問題討論的師生互動中進行知識的理解、應用和分析、討論，有助于知識的聯系與應用解決專業問題能力的鍛煉，同時在細節上加強對個人職業素質的培養，課后小組專題討論與程序設計等環節，促進了學習的高階目標實現[17-18]。過程性考核與終結性評價相結合，是課程實施“課程目標-教學設計-課堂教學-全程考核-達成度評價-反饋改進”(如圖3)中反饋環節的衡量要點。有助于推動教學內容和方法改進，解決“考評單一，改進不及時”的問題。

2.4 教學實踐與成績分析

按照以上教學設計對測繪專業的“GNSS測量與數據處理”教學改革實施，為了對比教學改革實踐成效，在測繪工程18級的4個平行班中，18-1.2班實施講座責任制混合式教學模式，18-3.4班按照傳統授課方式(提供了同樣的線上課程資源)；試卷統一出題(同樣平時成績、實驗成績等過程考核共占40%，試卷成績作為終結性考核占課程的60%)、統一批改。值得注意的是，考試卷面一改常規的填空、名詞解釋、簡答題等教材上的固定答案形式，而是按照能力培養為主，參考注冊測繪師綜合能力考試的題型，包括單選題、多選題、綜合分析解答類開放式考題，考核學生對知識的靈活運用、分析問題解決問題和邏輯思維表達等能力培養達成度。

圖1 課程考核評價比例

圖2 考試題型比例

圖3 課程設計實施與考核評價循環圖

為了對比不同教學模式學生的成績整體趨勢，以班級均分、五級值占比來泛化個體差異，結果對比如表2所示。

1)班級的試卷卷面成績平均分都在67～73分的范圍，平行班整體試卷成績達到期望值70分，班級內的個人成績符合正態分布規律，表明試卷出題難度適當。

2)進一步分析平行班各班試卷成績分布，優良率總占比上，混合式教學模式班達到43%和39%，高于傳統教學模式班級的19%和24%；及格和不及格率總占比上，混合教學模式班為23%和25%，低于傳統模式班的56%和41%。

3)通過各班的終結性考核(試卷成績)與過程性考核的相關性分析，發現試卷均分達到70分以上的3個班，過程性考核平均成績為優良；而試卷均分未到68的班級，過程性考核平均成績僅為中等，驗證了學習過程對學習結果的重要性。由此得出，線上線下混合式教學設計與教學方法改革成效顯著。

表2 混合式教學講座責任制改革與傳統模式的平行班成績對比

3 結束語

順應“互聯網+高等教育”在線教學新常態的發展要求[12]，結合衛星導航定位新發展，以學生為主體，以教師為主導，建立了線上線下混合教學內容設計、教學方法設計、過程考核和評價多元化實施，采用思維導圖工具、討論式、案例式的講座責任制等教學研究改革與實踐，結合工程教育專業認證要求，以OBE理念進行教學設計優化，用專業知識進行北斗衛星導航系統的數據處理與BDS/GNSS應用設計開發，注重產教融合應用，有利于學生通過自主學習，提高解決復雜工程問題能力，培育學生嚴謹治學的科學態度、實事求是的科學精神和創新能力及職業素質，達到知識、能力、素質培養的課程目標。有效的考核評價辦法也有助于推動教學內容和方法持續改進，提高了課程的“兩性一度”目標，并在同類專業課中應用推廣。