基于CDIO的环境信息系统课程的改革与实践

陈燕 吴爱林 宋新山 佘秋明 王宇晖

摘要：基于CDIO工程教育理念，通过分析当前《环境信息系统》教学中存在的问题，对《环境信息系统》的教学大纲和专业内容、教学手段和方法、成绩考核方式等进行了一系列的改革与实践，既有效地扩展了课程的应用化程度，也以综合的培养方式使学生在工程基础知识、个人能力、团队协作和工程系统等四个层面的能力得到了增强，提高了学生的培养质量。

关键词：CDIO;环境信息系统;教学改革

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）08-0149-02

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。从2000年起，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学首先创立了CDIO工程教育理念。近年来，CDIO教学方法在汕头大学、清华大学等多所学校已取得良好的效果，深受学生和用人企业的欢迎。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程，其理念和方法值得在高等教育改革领域进一步推广实验[1]。

环境信息系统（Environmental Information System，简称EIS）是一门介于信息科学、环境科学和管理科学之间的新兴交叉学科，是传统科学与现代技术相结合的产物。它按一种新的方式去组织和使用环境空间信息，以便更有效地分析和生产新的环境空间信息;同时EIS的应用改变了环境空间信息的分发和交换的方式。它在30多年间得到了迅猛的发展，并广泛应用于全球环境动态变化、环境污染物监测、环境影响评估、环境规划与管理、环境立法等方面，成为一个多学科交叉的研究领域。本课程属于环境科学与工程专业开设的专业基础选修课程，选课的同学一致认为本课程在提高他们的科研素质和能力方面有很大帮助，特别是很多同学结合本课程学到的知识，在毕业论文和课外科技活动中进行应用，使得毕业论文的质量有明显提高。但同时在教学过程中，由于大多数教师都是从高等院校研究生毕业后直接到教学一线，一方面教学经验不足，一方面缺乏工程实践经验，大多只能按照现有的已出版的教材内容组织模块化教学，以教师在课堂上讲解和演示为主。环境专业的学生第一次接触跨多门学科知识的环境信息系统专业课，被动地接受任课教师的模块化讲解。一方面学生缺乏独立思考的时间与探索的机会;一方面也很容易让学生感到头绪纷乱，无从下手;尤其是实践部分的教学内容可能与学校所在城市的实际环境问题应用相差较远，学生容易产生厌学情绪，教学效果不够理想。

为进一步提高本课程的教学质量和教学水平，需将CDIO模式引入环境信息系统课程，更新教师的教学理念，对教学大纲和专业内容、教学手段和方法、成绩考核方式等方面进行改革，以期提高课程应用化程度，用项目化的专业知识教育来增强学生的综合能力，提高学生的社会竞争力。

一、教学内容的改革

1.课程大纲方面：EIS属于信息科技，发展变化速度快，教学大纲也要随时变化和更新。通过对现有的教学大纲进行全面的修订，建立环境信息系统本科课程新体系，根据专业的培养目标和CDIO教学模式，协调课程内容之间的关系，一方面突出EIS的空间抽象性强、应用范围广等专业特点;一方面以工程为背景，以实际应用为主导，把各个知识点穿插在工程中，突出EIS原理中教学和实践重点，使学生形成系统的科学的方法论、认知论，充分培养学生的团队意识、职业精神和高度的责任感。

2.专业内容方面：以理论教学知识要点为基础，结合所在城市的主要环境问题的实际应用来安排工程实践环节，合理分配、安排EIS理论、实践教学的内容。①理论教学方面：EIS是GIS（Geographical Information Systems，简称GIS）在环境领域的专业应用和拓展，理论教学内容要突出GIS中的计算机和地学基础以及GIS在环境专业中的应用，侧重于讲解环境信息系统是一个环境空间数据获取、编辑、分析和显示的系统。通过理论教学，使学生掌握环境信息系统的概念、组成、功能、环境空间数据的输入与输出、环境信息处理技术、空间分析方法、环境信息系统的设计、开发与评价等知识。了解环境信息系统在环保工作信息化过程中的重要性和环境信息系统的研究进展（包括我国环境信息系统目前存在的问题及未来发展趋势）。对于需要掌握的重点、难点内容，主要由教师制作PPT在课堂上向学生讲授清楚;对于只需了解的内容，若教学时间比较紧张，可以让学生课下自学;若教学时间充足的话，可以在课堂上言简意赅地讲授清楚;也可以让学生分组课下自己制作PPT，在课堂上讲授，教师再补充纠正或以大家讨论的方式完成学习。这样既可以做到重点突出，又可以调动学生的学习主动性，提高学生自主学习的能力[2]。②实验教学方面：实验教学可以进一步巩固和强化理论知识，是提高学生的实际动手能力和创新思维的重要环节。实验教学的目的是使学生了解常见GIS软件的功能，学会选择和使用GIS软件来解决环境领域的具体实际应用问题，让学生熟练掌握环境空间数据采集、分类、编码、拓扑关系建立的操作方法;空间数据及属性数据管理，如数据转换、裁剪、拼接和改变投影以及对属性字段的维护等;并在此基础上通过具体的项目应用，学习栅格数据再分类及栅格计算、空间数据插值分析方法，有针对性地开展叠加分析、缓冲区分析等空间分析方法。

实验教学的内容分为基本技能和专业综合实习两部分，关键操作要点在机房重点讲解、示范和指导;实验作业让学生课下独立完成。其中综合实验是对整个课程知识的综合实践应用，对检验教学效果至关重要，是实验教学内容的重中之重。在课程开始授课时就由学生自己分组提出综合实验题目、构想、方案，学生独立完成，提交项目报告。实验教学是培养具有创新意识的高素质工科学生的重要环节，一方面有利于培养学生掌握科学方法和提高动手能力，另一方面有利于学生素养的提高和正确价值观的形成。

二、教学手段和方法的改革

1.多层次辅导。教师辅导和学生相互学习相结合。对于普遍存在的问题，教师统一对学生进行辅导。对于个别学生的问题，先让学生自行思考、查资料解决问题;若个人还是无法解决，建议不会的同学主动向已经掌握的同学请教，实现学生之间的相互学习和切磋。这种方式既可以提高学生之间的团队协作能力，又可以锻炼学生的人际沟通和口头表达能力。因环境专业的学生毕业后的选择非常多面，对部分兴趣浓厚的学生，可进行有针对性的辅导。如对学生进行GIS软件的3D建模与环境辅助决策支持等方面的指导。

2.分组学习。GIS在环境领域的应用项目内容比较多，在学时有限的情况下，如果把某个项目整体交给学生直接做，学生往往会因难度过大而无从下手，打击学生的积极性。教师可将项目分解成若干个子项目，剖析子项目间的关系，让学生分别完成各个子项目，最后共同实现一个完整项目的完成。各个分组的同学一定要分工协作，明确每个组员的工作内容，同时推选一位责任心强的同学为组长，出现问题时能与教师及时沟通和配合教师解决各种问题，完成应用项目。通过此过程，既提高了学生的团队合作精神和沟通交流能力，也有利于强化学生的工程思维培养和工程管理能力[3]。

三、成绩考核方式

环境信息系统是一门理论与实践、知识与能力高度统一的课程，旨在增强环境类大学生应用计算机技术处理环境信息及数据的应用能力。要达到预期的学习目的，考核方式不能采用传统的“一张试卷定成绩”的传统考核方法，要改变传统的“重知识，轻能力;重记忆，轻创新;重理论，轻操作”的课程考试方式和考试内容。CDIO标准中的第11条，要求学生的基本个人能力和人际能力，产品、过程和系统构建能力，以及学科知识都要融入到专业考核之中。在成绩考核方面可以让考试形式、考题类型多样化。首先增大平时成绩比例，对有独立见解或创新的学生加鼓励分，以论文、小测验等方式引导学生重视知识的积累、能力的培养和创新精神的塑造，提高综合素质;也可以给定环境问题，通过上机实际操作等形式考核;甚至通过某个科研课题或者文献研究资料，启发同学自己提出问题、分析问题，并给出解决的办法。考核成绩将平时考核（15%）、实践环节考核（15%）、项目考核（20%）、期末卷面考试（50%）等结合起来，给出综合成绩。这种考核方法使学生成绩的考核分布在整个教学过程中，有利于提高学生学习的自觉性和主动性，避免突击应付考试的现象;同时提高了学生的应用理论知识来解决实际问题的能力，在实践中增强了学生团队协作、沟通交流、语言表达等职业能力[4]。随着计算机信息技术的普及，环境信息系统技术在环境领域的应用越来越广泛和深入。这就需要课程教师不断更新教育理念和方法，通过总结以往教学经验的优缺点，针对环境信息系统课程特点及教学过程中存在的问题，尝试对环境信息系统课程进行了一系列的基于CDIO理念的改革与探索，有效地扩展了课程的应用化程度，调动了学生的学习积极性和主动性，增强了学生的工程基础知识、个人能力、团队协作和工程系统等方面的能力。

参考文献：

[1]张运涛.基于CDIO工程教育模式的AutoCAD课程教学改革初探[J].安徽科技学院学报，2010，24（3）.

[2]聂俊丽.浅谈地理信息系统课程本科生教学方法[J].科技视界，2013，（11）.

[3]马春梅，高仲合，黄宝贵.CDIO模式下ASP.NET课程的教学改革与实践[J].电子世界，2012，（10）.

[4]郭小平，张永恒.基于CDIO的Access数据库技术与应用课程教学改革探索[J].榆林学院学报，2015，（2）.