基于CWSEI的地理信息系统课程教学改革探索

2022-04-06 06:17杜久升雷志飞袁占良景海涛
测绘工程 2022年2期
关键词:学习效果改革课程

杜久升,雷志飞,袁占良,景海涛,程 钢,侯 争

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院,河南 焦作 454003)

地理信息系统(Geographic Information System,GIS)既是跨越地球科学、空间科学和信息科学的一门应用基础学科,又是一项工程应用技术。随着各个领域对GIS认知程度加深,GIS课程在不同专业背景、不同层次的高校中广泛开设,不同的定位、不同的需求共同催化具有差异性的GIS课程改革思路:“地理信息系统原理”类课程,注重将学生对理论知识的理解转化为对实际应用的分析,兼顾创新能力,采用项目驱动教学法、任务引领法、研究性教学等方法予以实现[1-3];GIS实验课程是理论知识的巩固与升华,其研究探索更为广泛,涉及反转课堂教学、学习效果反馈、以学科竞赛促进实践教学改革、课程体系构建、考核制度建设[4-9]等多个方面;新工科、学科融合等背景下,以不同学科需求、不同行业发展背景为出发点,有针对性、有目的性地推进GIS课程改革[10-13]。综观当前GIS课程改革脉络,呈现:“偏重实验,理论略弱;以教为主,以学为辅;突出结果,淡化过程”的趋势。因此,如何“兼顾理论与实验,回归教学的本质”已成为推动GIS课程改革前必需解决的思考题。

卡尔·韦曼科学教育改革(Carl Wieman Science Education Initiative,CWSEI)是由2001年度诺贝尔物理学奖得主卡尔·韦曼自2007年倡导,依托加拿大不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia,UBC)开展的教学研究计划,旨在改善本科生理科教育。该计划完备的理论体系与方法支撑广泛且有效帮助包括UBC及科罗拉多大学在内多所大学的课程建设与改革[14-15]。

笔者以河南理工大学测绘工程专业开设的GIS课程为例,借鉴卡尔·韦曼科学教育改革理念与方法,探索突出“以生为本”的GIS课程教学思路,以期提升GIS课程教学效果,并为类似课程改革提供参考。

1 地理信息系统课程特点

1.1 课程目标与教学内容

河南理工大学测绘工程专业的GIS课程,以空间数据为基础,介绍运用系统科学和信息科学的理论与方法,进行空间数据的采集、处理和管理,空间数据的分析与综合研究,以及地理信息系统的建立和应用。课程的教学内容涉及32学时的理论学习、16学时的上机实验操作。通过该课程的理论教学与实验训练,使学生具备如下知识和能力:①掌握地理信息系统的基本理论与方法,能够从空间分析的角度研究测绘工程相关问题;②掌握地理信息系统软件ArcGIS的使用,应用GIS工具分析和解决与测绘工程专业相结合的实际问题的基本能力;③了解地理信息系统的应用领域,理解空间数据管理与分析的作用与意义。

1.2 教学效果与问题剖析

传统GIS课程采用“以讲解为主”的理论课程讲授方式,配合“以演示答疑为主”的实验课程讲授方式。如图1所示,以河南理工大学测绘工程专业近4届384位同学为例,除极少数学生出现“不及格”现象,四年的GIS课程成绩走势趋于平稳,平均成绩良好。

图1 近4届学生成绩分布

考试成绩是对学生短期学习效果的检测,后续应用则是对学生掌握水平的检验。例如:①备战考研过程中,暴露出少部分学生不能娴熟地运用GIS空间分析方法解决实际案例;②毕业设计与毕业论文完成过程中,暴露出少部分学生不能自如地以GIS视角剖析问题、解决问题。可见,课程学习效果应以学生对知识的内化程度作为衡量标准,以学生的“学习目标”为课程教学的出发点。暴露出的问题,是深入优化GIS课程教学方法的切入点,恰是反推教学设计的有力依据。

2 CWSEI教学改革理念

2.1 CWSEI改革定位

卡尔·韦曼科学教育改革(CWSEI)致力于改善本科生理科教育,已经在加拿大不列颠哥伦比亚大学研究、推广多年[16]。如图2所示,CWSEI通过四步法科学地提升教学效果。CWSEI教学改革的特色在于:以学生为中心,围绕学生要学什么、在学什么、如何学,遵循学习规律成体系地提升教学效果,充分体现“以生为本”的教育理念。

图2 CWSEI四步法

2.2 教改措施及实践意义

基于“以学生为中心”的理念,CWSEI教学改革体系在教学的不同环节建立、完善教学方法。

2.2.1 课堂组织方法

1)投票器。投票器(clicker)用于即时反馈学生对题目的判断结果、对问题的看法,其使用意义在于:调动学生的学习兴趣,促使学生参与到课堂活动中,以保证学习效果;同时,便于教师掌握学生对知识的掌握程度,适时调整授课方法。UBC的投票器是专门设备,结合我国网络课程平台蓬勃发展的现状,投票器的功能可借助网络学习平台中的“选择题”予以实现。尽管形式上是简单的选择题,但是投票器题目适用于由浅入深的不同学习阶段:阶段1,简单的事实问题;阶段2,更具挑战性的概念性问题,或者答案不明显且可以争论关键点的问题;阶段3,针对学生的学习材料,围绕一组充满挑战性的投票问题进行讲座。

2)专家组学习。专家组学习(Jigsaw)是一种小团体合作学习模式,学生有机会成为特定学科的“专家”,并与同龄人分享该知识。该学习方式适合稍有难度的概念性知识、复习性内容,是行之有效的同伴教学方式。通过3个步骤实现:首先,打破原有学习组,组成新的专家组,同一专家组学习相同内容;然后,学生从专家组回到原来的学习组,向组内成员汇报学习内容;最后,学习组内讨论各位“专家”所学习的内容。

3)教学可视化。将学习成果可视化,是学生知识输出的过程,也为学生之间交流搭建良好的平台。海报展示可用于课堂的研究与学习汇报,也可以配合细化的评分标准,用于阶段性或学期末的课程考核。

2.2.2 课堂评估技术

课堂评估技术(Classroom Assessment Techniques,CATs)是学生对阶段性学习的反馈,以学生为中心的再一项体现。评估技术形式丰富,例如:概念连线、列举重点、总结“我”如何学习等。其共同点在于:学生匿名回答,既注重反馈,又保护隐私。

2.2.3 两阶段考试

两阶段考试分两个环节逐步实现:①与传统考试模式相同,学生独立作答;②3~4名同学组成小组,再次回答相同或稍加改动的试题,此部分成绩占比15%~25%。从形式上看,两阶段考试的意义在于:兼顾个人成绩与小组成绩。但是,究其内涵,两阶段考试的根本优势在于:在小组讨论的思辨过程中,学生能够主动学习知识,加深理解程度。

3 教学改革思路

如图3所示,遵从“以生为本”的原则,分五步实现GIS课程改革。

图3 GIS课程改革思路

第一步:以学生为中心,建立适用于学生的可量测学习目标。将“理解、掌握、了解”等相对模糊的目标转化为“绘制、解释、分析”等相对明确的学习目标,引导学生有的放矢地学习。

第二步:以学习目标为依据,确定各部分教学内容预期的学习效果,并量化为可量测、可操作的题目。其意义不在于以分数检验学习效果,而在于能够转化为知识学习过程中或学习后的课堂活动。

第三步:以促进学生学习为目的,设置两阶段考试时间节点。按照课程进展,采用两阶段考试形式,在课程学习过程中设置3次测试。题目设置与预期学习效果密切相关,帮助学生在小组测试环节将原本未理解的知识点加以理解,将考试中未能解决的问题带到考试后予以解决。

第四步:以预期学习效果为导向,设计有趣有效的课堂活动。充分考虑学习内容的特点,慎重、得当地选用CWSEI中所采用的教学改革措施,例如:投票、专家组学习、海报以及课堂评估技术等。

第五步:梳理课程整体思路,充分设计利用第一次课,为后续课程开展奠定基础。在形式上,充分地运用课程拟采用的课堂活动,预习各种学习活动;在内容上,自然地通过活动引导学生思考得出课程的学习意义、内容与方法。

4 教学改革方案

剖析测绘工程专业学生的知识储备、学习需求,结合GIS课程特点,按照既定的五步教学改革思路,分层次、有针对性地逐步实施改革方案,如图4所示。

图4 GIS课程改革思路

方案以可量测的学习目标为起点,最终落点在于课程的“第一次课”。以学生的视角为切入点,第一次课是其对课程最初的认识,应充分利用这一良好契机,让学生被课程内容吸引、被课程形式吸引。首先,确定可量测的学习目标,注意增加学生学习课程的情感目标;其次,根据学习内容的差异,将其划分为:概念理解、数据编码、空间分析原理、软件操作、设计理念5个类别的预期学习效果;再次,依据学习进度确定3次阶段性测试的时间,测试均采用两阶段考试形式,以督促学生学习;继而,对照学习效果,对各章内容分类,根据类别特点设计课堂活动;最后,围绕学生“对专业的认识”“对课程的认识”“对课程的疑惑”,运用有效的课堂活动形式设计第一次课。

1)对于具有思考意义的题目,通过海报将学习效果可视化。如图5所示,学生分组讨论,并将思考所得书写、绘制在海报上,各小组将海报张贴在教室墙面或黑板上,以供同学们相互学习。这种形式可促进学生思考、交流、学习。

图5 海报展示学习效果

2)对于难度相当的知识点,采用“专家组学习”方式。GIS课程教学过程中,将经典“专家组学习”方法进行改进:在学生以学习组学习时,老师深入到学生中间,把握共性问题;学生分组学习后,老师再重点讲解共性问题。如图6所示,此方法得到学生好评。

图6 改进的Jigsaw学习评价

3)如图7所示,为学生设计“辅助学案”,帮助学生梳理课堂教学内容,同时,引导学生养成绘制知识点“思维导图”的良好学习习惯。

图7 辅助学案示例

5 结 论

以河南理工大学测绘工程专业的GIS课程为例,剖析GIS课程教学中尚待完善之处。借鉴卡尔·韦曼科学教育改革(CWSEI)“以学生为中心”的教育理念和教学措施,立足“以生为本”原则,依托2020年课程,探索并应用GIS课程改革五步法。课程改革取得一定成效:①学生的学习参与度显著提升,课堂活动平均参与度达97%,课后反馈平均比例达85%;②学生对课程满意度达99%,对师生互动满意度达98%,授课教师教学评价为“优秀”;③课程于2020年获评“河南省本科教育线上优秀课程”。

课程改革在以下几方面有所创新与发展:①提出GIS课程改革五步法,并应用于教学;②将两阶段考试引入到GIS课程教学中,弥补传统考试方式“以分数衡量学习效果”的弊端,使学生在小组讨论的思辨过程中,能够主动学习知识、加深理解程度;③将课堂评估技术应用于GIS课程教学,以达到及时获取学生学习效果反馈的目的;④综合运用投票器、专家组学习、教育可视化,以及辅助学案等多种互动性课堂活动形式,实现参与式学习。

课程改革尚处于探索阶段,实施过程中表现出两点不足:一方面,相比于传统讲授方式,教学活动的实施需要较长时间,教学进度比原有方式略慢;另一方面,现有研究侧重教学设计与教学方法,对课程思政内容有待丰富。鉴于此,后续研究将通过凝练教学内容、引导课后活动等方式缓解教学活动实施与教学进度延缓的矛盾,同时,以案例式教学自然实现课程思政,再以海报等形式实现教育可视化促进学生思考。

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