實踐與創新雙輪驅動的DSRT教學模式：GIS空間分析課程教學創新

李少英,張新長,吳志峰,陳澄靜

(廣州大學地理科學與遙感學院,廣東 廣州 510006)

為應對新一輪科技革命和產業變革所帶來的機遇與挑戰,教育部聯合綜合性高校和工科優勢高校,形成新工科建設的“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”[1-3],引領工程教育的全國性創新改革[4]。地理信息科學作為國家首批新工科研究與實踐項目的改革類專業之一,具備較強的文—理—工交融的學科特色[5]。因此,有必要緊跟時代步伐,及時調整其專業課程教學[6],將工程設計思維嵌入知識體系、教學互動與效果評價中[7],推動新工科理念的“第一課堂”實踐,以提升高等學校教育教學質量,培養適應國家和地方產業發展規劃的高素質復合型人才[8]。

GIS空間分析是地理信息科學及遙感科學與技術專業的核心基礎課[9]。其初級目標是培養學生獲取、處理和分析地理空間數據的能力;高階目標是運用空間分析方法對空間數據進行挖掘,以解決國土、規劃、交通、智慧城市等綜合應用問題。然而,現階段的專業教學內容稍有滯后,學生自主實踐與探究的任務少,創新與知識轉化的動力不足。同時,學習以知識記憶為主,缺乏解決復雜空間分析問題能力[10],偏離新工科專業建設著力點。基于此,筆者所在教學團隊對標新工科的發展理念,結合專業學術前沿與行業需求,迭代課程的內容體系,創設多情境的融合教學,設計具備“兩性一度”的教學活動,探索兼顧知識與工程應用能力的復合型創新人才培養路徑和考評體系,以期為高校地理信息科學專業提供育人模式參考。

1 面向前沿需求的內容體系重構

立足于新工科的頂層設計,綜合地理信息科學的國際前沿理論、技術方法和應用案例,以及測繪、國土空間規劃等行業項目需求,優化GIS空間分析的課程知識體系。在此過程中,根據筆者所在學校學生的認知特點、學習習慣與個人素養,擬定地學綜合知識、多學科融合的知識目標,以及工程實踐、解決問題的創新能力目標,適當摒棄交叉專業課程的章節知識,嵌入面向多元實際需要的分析專題,模塊化教學內容,構建“基礎理論—分析專題—高級建模—綜合訓練”的地理信息工科專業育人邏輯。

1.1 專業課程體系

迭代后的課程內容分為4大模塊(如圖1所示),共計8章,27小節。其中,基礎模塊引入空間分析的科學前沿、實踐應用概述與尺度效應,以及地理大數據特征和采集等節點知識,幫助學生全面把握課程的學習要點與目的;空間分析方法與專題模塊,引入城市擴張模式識別、國土空間“雙評價”、綠地可達性分析、土地變化熱點挖掘等專題,助力學生理解空間格局量算、柵格分析、網絡分析、空間自相關分析方法的應用實踐,埋下知識遷移種子;創新地理建模與模擬模塊,引入批而未供土地項目和地理模擬技術實驗,使學生能夠及時捕捉地理工作流及空間模擬新技術,掌握Model builder在ArcGIS軟件中的建模實現及二次開發工具的模擬應用;增設期末競賽模塊,通過地理學會、企事業單位競賽及自擬題目,鍛煉學生的學術敏感性和空間分析技能,以檢驗其創新思維與工程實踐效果。

圖1 GIS空間分析課程內容體系與支撐性數據庫

1.2 支撐性課程數據庫

為更好地支撐重構的教學內容,課程團隊整合多種教學資源,搭建“五位一體”的專業課程數據庫,涵蓋與地理信息科學、技術與空間分析相關的在線視頻、科研案例、軟件方法、數據資源和實訓項目,確保學生學有所依、學有所用。其中,慕課資源庫以教師主講的國家級精品課程“地理信息系統概論”和“智慧城市”為依托,輔之其他高校(清華大學、武漢大學等)的優質在線課程,幫助學生鞏固地理空間分析的基礎理論及在城市尺度的智慧化應用;科研案例庫由教師縱向課題成果、超圖與易智瑞等行業標桿賽事獲獎論文及國內外高水平專業期刊熱點文章構成,旨在引導學生開展創新性的空間分析研究,訓練其科學思維;技術方法庫則收集了與大數據獲取、空間分析與地理過程模擬等主題相關的技術教程與帖子,以精準、高效地協助學生掌握相應的工程技術方法;數據資源庫包括傳統的統計數據、非涉密的地理空間大數據及其他開源數據,以支持學生開展空間分析探究與多元化競賽;實訓案例庫則內含團隊教師的橫向課題、GIS大賽真題及領航企業的項目實例,助推學生開展專業工程實踐,進而實現以高校為陣地的“產學研”交融。

2 多元情境輪動的教學模式改革

基于新的課程知識體系,創新面向新工科人才培養的DSRT教學模式(如圖2所示),即多元化(Diversified)情境(Situation)—角色(Role)—任務(Task),推動地理空間分析的理論教學、實驗教學、學術引導、技能培養的深度融合。教師團隊精準辨析各大章節的知識特征與核心要點,針對性地開展科學研究、工程項目和技能競賽的研討與合作,實現三維情境的有效輪動。在此過程中,學生交替承擔不同情境的角色任務,開展相應的GIS空間分析研究或應用,以達到實踐能力強、創新能力強的復合型素養。

圖2 DSRT教學模式

考慮到差異化情境的培養目的,本團隊設計了獨特的教學要點: ①將科學研究情境融入專業理論教學與期末學術競賽。在理論環節,科研小組通過課前文獻閱讀,了解地理科學前沿和空間分析新方法,并在課中深度挖掘方法的基礎性原理及延伸的科學問題。在學術競賽環節,小組課前進行研討和題目擬定,課中匯報選題,課后開展合作研究并撰寫科技論文。 ②將工程項目情境融入理論與實驗教學環節。在理論環節,項目組在課中明確工程項目背景與目標任務,并在課后開展項目需求分析和總體方案設計。在實驗環節,小組協作完成專業軟件操作、分析制圖和專題報告。 ③將技能競賽情境融入期末技能競賽環節。教師抽取全國GIS應用技能大賽真題,參賽小組合理分工,進行課堂的實時編程、分析制圖、報告整合等賽事流程。

3 綜合培養導向的情境活動設計

根據創設的專業教學情境,以學生能力發展為中心,設置具備高階性、創新性為導向的分情境線上線下融合教學活動和挑戰性任務(如圖3所示),激發學生開放性創造思維,提升其科研創新和工程實踐等綜合能力,培養具備勇于探索、發現問題等科學精神及精益求精、團隊協作等工匠精神的地理信息科學專業化人才。

圖3 分情境教學活動設計

在科學研究情境中,實施“線上自主學習—參與式學習—探究式學習—期末學生競賽”的活動過程。學生課前參照教師搭建的慕課資源和微信群分享的前沿論文,自主學習空間分析原理與方法的擬授課內容,完成學習通發布的課程問題;課中跟隨老師步伐開展參與式學習,師生即時互動。授課老師以章節重難點為問題導向,邀請科研小組代表進行講解,根據其回答情況窺探學生的預習成效,適時糾正部分知識的理解偏差并鞏固深化。在此基礎上,科研小組深入探究案例文獻的方法應用和不足,開展組間學習與互評;最后,綜合課程所學內容,擬定學術競賽方向或研究題目,由組長初步匯報。課后組員深入研討,完成科技論文數據處理、分析與寫作,參與期末優秀學術論文評定。

在工程項目情境中,按照“線上自學操作—探究式學習—任務式學習”的路徑開展教學。課前項目組成員及時跟進教師發布在學習通的任務,借助嗶哩嗶哩、微信公眾號等在線媒介,自學多源數據處理、空間分析應用軟件,做好課堂實操抽查或經驗分享準備;課中根據前置課程引入的教師橫向課題或企事業工程項目,討論相應問題的解決思路與可行性方案,并由項目代表匯總發言,組間交流探究;課后持續分工協作,完成項目需求分析、最終方案設計、軟件二次開發等活動,參與下節課優秀報告展示。

在技能競賽情境中,主要通過任務式和合作式的融合模式進行教學。參賽成員仔細研讀教師發布在學習通上的競賽真題,合理化分工。組長統籌審題與任務分配工作,其他成員在競賽課堂實時完成地理編程、空間分析、可視化制圖與報告撰寫,參與教師主導的評獎評優。

4 兼顧四維要點的教學評價體系

在多元現代化信息手段的輔助下,課程打破以期末考試為單一考核方式的傳統慣例,建立兼顧知識、能力與素養,兼顧理論、實踐與創新,兼顧團隊成績與角色共享,兼顧過程與結果的“四兼顧”考核評價體系(如圖4所示),全面把握學生的課程學習情況,檢驗專業課程教學改革成效。課程總成績由平時成績和期末成績構成,各占50%。平時成績主要從理論測驗、實操檢查、課堂匯報、項目實踐和學習態度方面進行過程考核,旨在考查學生的專業知識、基礎技能、科學思維、工程實踐能力及素養。期末成績則通過學術競賽和技能競賽成果進行綜合考核。基于評價結果,實行雙層激勵機制,為突出貢獻團隊和個人頒發獎品,并推薦優秀論文或項目報告參加高層級的學術或技能競賽,達到以賽促學、賽教融合的教學目的。

5 結 語

聚焦國家新工科專業人才培養背景,教學團隊沿承過往所在學校地理信息科學專業的授課優點,創新面向學術前沿和行業發展需求的GIS空間分析教學模式,構筑“內容迭代—資源整合—情境教學—綜合考評”的改革脈絡;充分考慮課程文—理—工交叉的融合特色,優化教學設計;通過問題引導、線上線下融合教學、多元角色與任務輪動、協作探究與競賽等活動布設,強化情境學習和應用訓練,推動地理空間分析知識與方法實踐在“第一課堂”維度的雙向耦合,進而提升學生的批判思維、知識轉化與解決復雜工程項目的能力,助力其向高素質、復合型的工科人才靠攏。

新工科的推行是一項龐雜且系統的工作,仍處于探索的初期階段,無現成藍本可供參考[11]。因此,高校作為其建設的主體及人才供給端[12],應統籌社會經濟發展需求和自身特點,依托專業課程教研教改,嘗試構建工程教育的新模式、新方法與新內容[13-14],培養符合時代需要和地方規劃的工程技術應用人才,為全社會科技創新提供智力支撐和人才支持[15]。