“遥感地学应用”课程混合式教学模式初探

刘美玲，吴 伶

（1.中国地质大学 北京信息工程学院，北京 100083）

近两年，教育部先后发布了《教育信息化2.0 行动计划》和《中国教育现代化》等文件， 明确指出教育教学需与信息技术深度融合。2020 年初在新冠肺炎疫情全球蔓延的背景下，大学教师有序开展线上网络课堂（网课）教学，大力推动了“互联网+教育”的发展。在“互联网+”时代下，多数学者认为混合式教学在未来会成为大学课程教学的主流方式，是未来教育的发展方向。所谓混合式教学模式，是一种基于网络学习与课堂教学相结合的教学情境，既发挥教师的引导、监督和启发作用，又激发学生在学习过程中的主动性和创造性，混合教学模式的重点在于教授学生怎样去学，而不是如何教授学生知识[1]。

一些学者认为，地理信息科学同时具有工具学科、工程学科和横断学科三大特征[2-5]。“遥感地学应用”作为地理信息科学的专业基础课之一，该课程具有多学科交叉融合性、理论性和应用性并重，技术发展和更新速度快等特点[6]。“遥感地学应用”课程教学目标是让学生在掌握遥感基本原理、图像分析技术和算法与地学规律的基础上，运用遥感理论、方法和技术解决各类复杂地学问题，培养学生的全面专业素质，激发学生的自主性，提高学生的就业竞争力。但目前“遥感地学应用”课程在教学中还存在如下问题：①教学时数少，教学内容繁重。“遥感地学应用”课程在大多数高校课时数为32～48 学时，但其教学内容涵盖遥感信息分析的基本方法，以及土地覆盖与全球变化、植被与生态环境、水体与水环境、地质和城市与人居环境等地学应用。②学生前期基础课程掌握不牢固。“遥感地学应用”主要是针对地理科学、遥感科学与技术、地理信息科学等专业高年级本科生和研究生开设的，它需要“遥感原理与方法”、“数字遥感图像处理”和“地理学”等课程作为基础，一些学生在基础课程中没有打下很好的基础，比如难以理解地学现象时空分布特征与遥感信息之间的关系。③理论与实践相脱节，应用理论知识解决复杂的实际地学问题能力不足。结合该课程的特点和该课程在教学中存在的问题，本文基于混合式教学模式对该课程从内容组织、教学设计和评价体系进行了探索和实践。

1 混合式教学内容设计

遥感地学应用领域众多，难以面面俱到，且在不同的应用领域，由于地学分析对象的多样性及环境背景的复杂性，采用的方法也不尽相同。为了让学生融会贯通地掌握遥感信息分析的基本方法及其主要地学应用领域，本课程的教学内容设计分为遥感地学信息提取方法和遥感地学主要应用领域两大部分。遥感地学信息提取方法包括遥感影像分类方法（统计模式识别、知识规则、智能计算和面向对象）、地物动态变化遥感监测和地物物理量定量提取等。在应用篇中，包括遥感技术在土地覆盖与全球变化、植被与生态环境、水体与水环境、地质和城市与人居环境中的应用。本课程以遥感信息分析方法为“经”，以遥感地学应用领域为“纬”，建立遥感地学分析与应用教学内容体系。笔者所授的“遥感地学应用”课程共计48 学时，其中理论教学32 学时，实践教学12 学时，知识体系复杂，实践性强。为了让学生更好地将理论与实践结合，理论教学与实践教学交错进行，“遥感地学应用”课程教学内容设计和学时安排如表1 所示。

表1 “遥感地学应用”课程教学内容设计

2 混合式教学模式实施

为了发挥信息技术的优势，不断创新“遥感地学应用”教学模式，在在线教学平台设计、教学材料准备和教学内容准备等环节的基础上，针对理论教学与实践教学内容采用不同教学模式，如图1 所示，即构建基于“在线学习+课堂面授”式的理论教学和基于“问题探究+翻转课堂”式的实践教学等混合式教学模式。

图1 “遥感地学应用”课程混合教学模式设计

2.1 基于“在线学习+课堂面授”式的理论教学

由于遥感地学应用课程教学任务繁重，所有的教学内容全部依赖于教师讲授为主的传统课堂教学，难以保证教学质量，尤其是对前期基础课程比较薄弱的同学，跟不上教学进度。在线学习成为传统教学方式的有益补充，是一种“活”的学习方式和“新”的学习空间[7]。

笔者借助学校构建的基于Moodle 的线上学习环境资源共享系统，线上内容主要从以下4 个方面布置：①单元导学设计，每一章的教学目标、教学重点、教学难点，各个实验的实验要求、实验目标、练习题和思考题等。②基础资料，包括学生主要参考用书和与前期课程相关的知识，参考用书有笔者编写和出版的“遥感地学应用”和“遥感地学应用实验教程”[8-9]，中国科学院赵时英等出版的“遥感应用分析原理与方法”和南京大学胡著智等出版的“遥感技术与地学应用”。③讨论资料，教师围绕遥感地学中的某一类方法或者某一应用领域提供文献、书籍等资料，并拟定具体的讨论问题。学生根据教师提供的单元导学设计进行预习，利用基础资料进行学习、完成练习题、思考题和测试题，查看课外资料和讨论资料进行课前讨论。④前沿资料，遥感地学应用中的新理论、新技术、新方法，与教师科研项目和大学生创新型项目相关联的具有“探究性”素材。课堂面授就是面对面课堂教学。学生已经提前在线上进行了系统的学习，对知识点有了一定的掌握，因而其面对面课堂教学主要是课程导入（即解决各章节、知识点内在联系与衔接）；课程中的教学重点、教学难点、延伸问题的讲解；学生在线学习中遇到的困难和疑问的解惑，在线学习中讨论的不同观点，组织学生继续辩论，并进行实例分析；最后根据学生学习的具体情况，对课程的知识结构进行归纳和总结。面对面课堂教学形成以学生为主体,教师为引导的课堂教学模式。

通过“在线学习+课堂面授”的教学方式，弥补了理论教学时数有限的不足，让学生在有限课时中掌握遥感技术的主要理论、方法和应用的基本思路，提升了教学效果。

2.2 “问题探究+翻转课堂”式的实践教学

遥感地学应用实践性较强，需学生能够熟练地运用主流GIS、RS 软件和常见遥感地学模型解决实际应用问题，培养学生的动手实践能力和专业技能，通过实践教学让学生加深对所学理论知识的理解。遥感地学应用在传统实践教学模式下，学生按照预定的步骤，机械地操作得出实验报告要求的结果，大部分学生未能积极地思考操作步骤背后的原理和意义，其结果使教学效果不佳，学生学习积极性不高。

为实行“理论教学”与“实践教学”的有机融合，实践教学分成确定性主题和自选性主题两种，确定性主题是穿插在遥感地学主要应用领域篇中的5 个实习（见表1）。笔者尝试将“问题探究+翻转课堂”的教学模式分别引入到确定性主题和自选性主题实践教学环节中。 确定性主题实习教师提供规范的实习指导书，包含8 部分内容，即实验要求、实验目标、实验软件、实验区域与数据、实验原理与分析、实验步骤、练习题、实验报告等，但在实验操作步骤过程中加入了研究问题，如在实习3（水域面积提取）设计了两个研究问题 “水体光谱指数法阈值如何确定，它是怎样影响水体提取的精度？除了利用水体光谱指数法提取水体外，尝试利用区域生长法提取实验区域的水体信息”。只有当学生理解并解决研究问题之后，才能得到正确、全面的结果。这样避免了学生机械化地操作实验步骤，从而锻炼学生的学习能力、观察与判断能力、发现/解决问题的能力和综合分析能力等。

自选性主题实习采用“翻转课堂”方式，翻转课堂已作为一种能有效激发学生学习积极性的教学模式，其鼓励学生大胆思考，提高了学生学习的主动性，尊重学生学习过程中的差异性，重视培养学生创造力[10-11]。老师在课程开始布置任务，让学生选取遥感在某一应用领域为主题，以3～5 人为小组，小组各个成员进行分工与合作，广泛阅读文献，以某一篇或几篇文献为参考或者某一实际应用问题为依据，收集数据，处理数据，根据文献中的方法或者实际需求得出实验结果，撰写报告，制作演示文档在课程最后几课时（见表1）进行集中演讲，讲解完毕，台下同学以辩论、提问等方式进行讨论，最后由教师点评扩展。如一些学生选取了“上海热岛效应变化分析、小麦长势监测、30 年北京市城市扩展分析”等主题，分组自主选题实习以“兴趣性、时效性和实用性”为导向，为学生营造一个轻松、主动的学习氛围，锻炼学生的软件应用能力、科学创新能力、团队合作能力和表达能力等。

通过“问题探究+翻转课堂”的教学方式，让学生更好地掌握实验方法和过程，巩固和拓展课堂讲授内容，大大锻炼了学生应用理论知识解决实际应用问题的能力，同时激发了学生遥感方面学习的兴趣。

3 混合式教学模式考核和改革成效

混合式教学模式考核实施“全过程考核和多元考核”模式，总成绩= 期末卷面考试（50%）+ 确定性主题实习（20%）+自选性主题实习（10%）+在线学习（10%）+课堂表现（10%）。期末考试为闭卷笔试，按照课程教学大纲设置考试题目，考试题型由基础题、发散题和扩展题组成。网络在线学习考核由系统依据学生完成测试、参与讨论情况自动进行评分，较为客观；确定性主题实习教师根据实习报告进行评分；自选性主题实习中，教师通过各小组组员课前准备状况，根据学生在翻转课堂中的汇报效果及表现，给出自选性主题实习成绩；课堂表现考核中，主讲教师根据日常教学过程中，学生出勤情况、课堂回答和讨论问题情况的记录给出课堂表现成绩。混合式教学模式考核评价的方式更侧重于学生的平时学习积累和动手、动脑、创新和表达能力的培养，比传统的评价方式更符合现代教学培养模式和人才培养需求。

经过两年的教学改革，混合式教学效果取得了一定的成效，主要表现在以下3 个方面：①学习积极性提升，许多学生将遥感应用研究作为未来研究生学习的方向；②实践动手能力加强；③考试成绩有所提升（表2）。从近4 a 考试结果来看，经过混合式教学和过程性评价两方面教学改革后，2018 年和2019 年期末考试成绩反映出，学生的学习效果较以往得到了提升。

表2 “遥感地学应用“课程混合式教学模式教学效果评价表

4 结 语

在实行教育现代化目标背景下，“遥感地学应用”教学需要遵循教学内容的前沿性和时代性，教学模式的先进性和互动性，教学过程的探究性。针对传统教学中以“教师”为中心，难以培养学生解决实际问题能力和创新能力等不足，采用构建基于“在线学习+课堂面授”式的理论教学和基于“问题探究+ 翻转课堂”式的实践教学等混合式教学模式。遵循以“学生为中心，理论实践相结合，实践促理论学习，全过程考核”的教学观念，调动了学生学习的积极性、主动性和能动性，实现“两性一度”（即高阶性、创新性和挑战度）课程建设标准，对进一步提高教学水平、培养人才综合素质和完善协同育人教学机制具有积极的推动作用。