新工科背景下1+3PBL互动性教学设计改革与实践

李孟倩 金花 韩秀丽 李鸣铎 郭力娜

摘  要：课程建设是新工科建设的关键环节，是人才培养的主阵地。该文以本科课程遥感原理与应用的建设为例，针对现在大学生主体和工科专业课程特点，对课程内容、教学形式、考核标准进行基于PBL的互动教学改革，设计PBL与BOPPPS课堂互动、五星教学组织、KOSEAM学习环组合的学习形式，采用基于OBE多元化考核标准，形成一种符合新工科人才培养要求的1+3PBL教学模式，为促进学生综合技能的培养、强化学生自主学习及合作创新能力提供新的思路。

关键词：课程建设；PBL；互动教学；BOPPPS；五星教学组织；KOSEAM学习环

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）20-0042-05

Abstract： Curriculum construction is the key link of new engineering construction and the main position of talent training. Taking the construction of the undergraduate course "Remote Sensing Principle and Application" as an example， aiming at the characteristics of current college students and engineering courses， this paper carries out the interactive teaching reform based on PBL on the course content， teaching form and assessment standard， and designs the learning form of classroom interaction between PBL and BOPPPS， five-star teaching organization and KOSEAM learning ring combination. Based on OBE diversified assessment standards， a 1+3PBL teaching model has been formed， which meets the requirements of new engineering talents training， and provides new ideas for promoting the cultivation of students' comprehensive skills， strengthening students' ability of independent learning and cooperative innovation.

Keywords： curriculum construction; PBL; interactive teaching; BOPPPS; five-star teaching organization; KOSEAM learning ring

在工业4.0时代，为了主动应对科技革命和产业变革的挑战，新工科理念应运而生，高等学校传统工科专业必须以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养造就一批多样化、创新型卓越工程科技人才[1-4]。课程作为人才培养的关键依托，其建设水平高低直接决定了人才培养质量。新工科课程的建设中需要重点把握学与教这个中心任务，以立德树人为引领、以学生为中心，建设高质量的课程，就必须要求学生能够参与真实、深度、完整、有效的学习。马克思在《1844年经济学哲学手稿》里指出“自由自觉的活动恰恰就是人的类特性”。从学习动力的角度讲，自由对应的是学习兴趣，自觉对应的是学习责任。如何让学生从兴趣与责任两个角度主动参与学习，引导学生进行“真正”意义的学习，就需要每一名高校教师针对自己授课内容进行系统的设计。

PBL（Problem-based Learning，基于问题学习）由加拿大麦克马斯特（McMaster）大学首创，是一种以建立终身学习能力为目标，强调在开放情境中，学生自主学习为主，教师指导为辅的教学模式。徐锦泱等[5]、常咏梅等[6]、易美荣等[7]分别对本科生课程信号与系统、硕士生课程信息技术、本硕博课程Advanced Compositesand TheirManufacturing Techniques中应用了基于项目学习的PBL教学，实践表明学生实践能力、沟通交流能力、主动学习意识均有所增强；包妮沙等[8]以PBL问题为导向进行了遥感原理与应用实验教学设计并有效提高了学生自主学习能力；王杰等[9]、李英杰等[10]、杨强等[11]从思政元素融入教学内容、设计遥感思政案例、评价学生对案例汇报表现等方面进行了课程思政建设，实践证明上述方法均能够提高学生对专业的认同、提升学生的爱国情操和人文关怀；团队对PBL教学模式下学生的学习情况进行了基于OBE理念的多元化考核，结果表明PBL教学模式不仅能够促进学生自主深入学习能力、表达能力、思维能力等通用能力提升，也提升了其职业素质和思想素质[12]；PBL教学模式鼓励学生自主学习和跨学科探究等理念[13]与新工科的课程建设内涵高度相符，且在医学、基础教育领域广泛应用，团队前期对PBL教学在工科领域进行了探究，以国家立项建设的第一批一流课程遥感原理与应用为例，该课程采用分模块循序渐进的PBL融入式设计，逐渐增加PBL自主探究的学习比例，形成1+3PBL教学模式，让教与学更富有科学精神和创造性，实现学生“真正”地有效学习。

一1+3PBL教学模式简介

依据新工科人才培养目标和教学内涵要求，遥感原理与应用课程在建设中，基于问题（Problem-Based Learning）的PBL教学模式，增加了课程思政的“1”及基于过程（Process-Based Learning）、基于项目（Project-Based Learning）两种教学模式，形成1+3PBL教学模式。课程思政“1”是新工科关于“立德树人”核心素养在课程建设方面的具体体现，包含学生家国情怀与工匠精神、科学精神与终身学习、沟通交流和团队合作，以及工程应用和创新思维4个维度；3P分别指知识节点或问题（Problem），关键程序或过程（Process），工程项目的真实难题或关键技术（Project），1+3P的具体内涵见表1。B是能够激发学习者参与热情和主动学习的教学形式，如BOPPPS形式、五星教学组织、案例讨论、对分课堂和KOSEAM学习环等；L（learning）引申为学习者采用学习方法，学习方法是在常用传统讲授法的基础上，增加小组资料搜集整理、小组内部的分工协作和自主学习，和小组间探究讨论、动手操作、工程应用等形式，还可以用集中汇报展示、教师点评等环节。

二  1+3PBL教学总体设计

（一）  课程介绍

遥感原理与应用是一门涉及新技术、多学科的基础性、前沿性和交叉性课程，课程内容涉及多个交叉学科，主要包括遥感基础理论（遥感物理、光谱分析）、遥感数据处理（校正、增强、解译等）及遥感专题应用（资源调查、环境监测、矿山监查和农作物估产等）三个模块。整个教学过程不仅要求学生掌握遥感探测的基本原理和基础知识、熟练操作遥感图像处理软件进行遥感图像校正、增强、分类等技能，还需要掌握遥感技术在测绘、农业、林业、矿产和海洋等专题方向应用的方法，具备利用遥感技术服务国民经济建设的意识及运用遥感技术解决复杂实际问题的综合能力和高阶思维。

（二）  1+3PBL教学总体设计

对应遥感原理与应用课程的三个模块，将课程按照教学形式划分了理论教学、上机操作、专题应用3个层次。应用1+3PBL教学模式对每一层次内容进行重构，其中，遥感基础理论模块提炼37个Problem知识点，图像处理模块规范6个Process操作过程，遥感专题应用模块引入8个领域Project应用案例，具体如下。

理论教学部分划分知识节点或要点（problem），采用基于问题形式讲解理论知识，增加学生好奇心和参与意识。

上机操作部分引入工程或工艺中关键技术（process），从解决图像处理中实际问题出发，设计讲解内容的情境和数据，增强教学内容真实性和有效性。

专题应用部分主要是理论教学中的专题应用环节和2周综合实践环节，融入工程项目的真实问题（project）等，接近现实世界或真实工程情景。设计遥感在农业、林业、矿产和海洋等行业实际工程、科研方面应用的专题PBL探究模式，提高教与学的挑战度，如图1所示。

总体设计中随着学生对遥感知识的累积量增大，P的挑战度增加，同时，学生间互动和自主学习过程也随之增加，学生逐渐从被动接受向主动学习转变，教学环节从“教师为中心”向“学生为中心”转变。在教学过程中，科学合理设计教学环节和课堂活动，可以激发学生的学习兴趣，增加其学习责任。例如，精心设计一定比例的讨论、演示，动手练习等互动性环节，让学生在参与互动的过程中达到学而思、学而练和学而用效果，逐渐实现知识的“浅层”加工向“深度”学习发展，最终达到自主探究的学习状态。

三1+3PBL分层次具体教学设计

“以学生为中心”的教学理念要求突出课堂教学中学生的“主体”、教师的“主导”地位，使学生能够发挥自身的主体性、能动性和独立性发现知识、进而创造知识、拓展能力，在具体的课堂活动上变被动接受为主动探究。遥感原理与应用课程基于不同的知识模块，在不同的教学层次上按照内容Problem、Process和Project的难易度分别进行了教学设计以期充分发挥学生的自主学习性。

（一）基于Problem的PBL课堂教学设计

为了在有限学时情况下保证学习高效性，遥感基础理论教学活动设计采用了Problem +BOPPPS的教学组织形式。将每一个遥感基础理论知识点以问题为导向配合BOPPPS教学方法具体展开，包括B（bridge in）导言/导入、O（objective）课堂目标、P（pre-assessment）前测、P（participatory learning）参与式学习、P（post-assessment or practice）后测或应用和S（summary）总结6个环节。图2所示为植被光谱曲线知识点的BOPPPS教学设计过程。整个课堂教学过程以学生获取知识为主，在教学的不同环节适当加入师生互动，来保持唤醒学生专注力水平，提升课堂焦点知识的注意度和学生的知识迁移能力。同时，课堂穿插多种案例及小组讨论，课后在线上发布最新的成果和案例，线上设置阅读作业，拓宽学习内容。

例如，遥感课程在设计“高光谱反射率”这个知识点时，以塞罕坝10年森林储量变化遥感图像作为案例导入，提出问题“高光谱影像与多光谱影像哪个对森林环境变化更敏感？哪个对森林范围变化更敏感？”案例以知识点高光谱反射率为主线，融入职业要求（思政点）展开，引发学生遥感监测环境的兴趣点，提升课堂专注力；在参与式学习P环节，从光谱反射率定义、数学模型讲起，引用水体、沙子、植被等不同类型地物遥感光谱，同一植被不同时段、不同健康状态遥感光谱等案例进行多次互动式讲解；最后总结S在总结光谱反射率关键点之后，引入问题“高光谱还能在哪个行业应用？”在学生回答后，教师可以列举高光谱检测药品、注水猪肉等发明专利，引导学生创新精神和职业追求。

（二）  基于Process的PBL上机操作设计

遥感课程上机操作环节不仅要求学生掌握图像处理数学模型、独立操作处理软件，还需要掌握调控精度指标等技术，为实现这一目标，课程采用Process+五星教学组织形式。五星教学原理，是美国著名教学设计专家梅里尔倡导地教学组织形式，其内涵包括聚焦问题、激活旧识、示证新知、尝试应用和融会贯通。教学团队在遥感上机操作实践部分，将遥感图像处理的6个关键程序（Process），结合具体任务设计案例，从聚焦问题、激活旧识、示证新知、尝试应用、融会贯通5方面进行参与互动式设计。教学设计从解决遥感图像处理实际问题出发，设计讲解内容的情境和数据，增强教学内容真实性和有效性，提高学生知识运用能力和迁移能力。

表2是以遥感图像几何校正为例的基于PBL的五星教学组织设计。

在五星教学模式中，示证新知环节通常可以占到任务教学时长30%左右。仍然以遥感图像几何校正为例，它至少包含以下环节：向学生明确展示几何校正任务完成前后图像发生变化，抛出问题“是什么原因导致影像几何校正前后存在变化呢？”；展示任务操作知识路径、每一步必要操作和过程结果，并对各个步骤后果进行总结。还需要讲解过程中设计一些提问或示错做法，将学生注意力引到操作具体细节，激发学习参与兴趣。通过运用五星教学思想设计上机教学内容时，需要准备多样式、多工程背景的遥感图像和具体案例，不同小组选取不同类型练习数据，可以激发学习者主观学习热情；同时小组间存在工程问题差异性，能够产生组间相互学习和讨论可能性，更能促进学生形成高阶思维模式，建立批判性思维。

（三）  基于Project的PBL专题应用设计

遥感专题应用的PBL教学组织主要采用Project+KOSEAM教学环方式开展。KOSEAM教学环包括获取基础理论（knowledge）、建立学习目标（object）、自主学习（study）、交流探究（explore）、行动实践（act）和综合考评（measure）六个环节，这六个环节之间层层递进，逐步上升，符合认知金字塔规律。根据遥感专题应用的内容重点和成果需要，对每一个环节具体设计学习组织形式、教师活动以及学生活动，具体设计形式见表3。

遥感课程在运用KOSEAM教学环组织专题应用教学时，通常需要建立一个明确专题内容，例如以遥感在农业方面专题应用为例，其具体实施步骤如下。

1  知识准备

教师围绕这个专题发布项目名称、任务要求、推荐阅读的书目和参考文献、往届优秀案例展示等内容。推荐书目和参考文献的阅读，可以辅助学生回忆、构建解决项目的先决知识和技能。往届优秀案例展示可以辅助学生构建有用的解决项目的流程，提供解决项目问题的“支架”。

2  建立目标

在项目实施时，教师首先明确项目学习目标，包括知识、技能目标和关键技术要点，还需要明确完成成果的具体形式。清晰的学习目标有助于维持学生持续学习的动力，同时，也是学生自我评价的标准。

3  自主学习

学生完成任务分工后，进入了有目的的主动学习阶段，在这个阶段学生可以借助优质的书籍或网络资源进行辅助，对水稻种植面积动态监测涉及的分类、动态分析等关键点的基础理论、常用方法、数据处理的过程及参数选择方法到结果分析方法逐步深入地进行总结归纳，为解决问题进行知识储备。自主学习的过程贯穿整个项目学习阶段。

4  交流探究

经过一段时间学习后，由教师组织在课堂内进行面面交流，多方位互动。通过组内互动、组间互动及师生互动，锻炼学生沟通与表达技巧，同时通过团队研讨和探究环节，可以加深学生对任务涉及知识的深度理解。

5  行动实践

在此阶段每个小组按照讨论确定的方案完成每一项具体遥感数据导入、预处理、特征提取、信息识别和综合分析，并检查具体精度。这个环节是提高学生工程实践能力关键环节，同时通过反复动手实践和交流探究，针对关键问题和难点可能会间接引发学生的创新思维。

6  综合考评

学生完成任务后，由教师统一组织进行集中汇报、展示讲解的环节，学生“作品”展示会对学习效果达到强化作用，也是学生之间相互学习和评价提升的环节。通过每个小组“作品”展示和交流分享，其他小组可以学习到不同类型遥感专题知识，扩大专题应用扩展学习效应。同时通过学生互评和讨论，又起到反馈纠正和知识内化的作用。

在整个KOSEAM教学环过程中，教师和学生参与程度是逐渐变化的。在知识准备和建立目标环节，教师负责讲解示范、分析要点、传递显性知识，学生被动接受；在其他环节，教师充当学习向导和顾问的角色，负责总结点评和指引释疑关键问题，传递隐性知识，学生全程参与主动探究学习。在这种教学过程中，学生兴趣和责任是逐渐建立起来的，教师需要设计每个步骤教学策略和方法，合理适度地引导，适当抛出问题激励学生，发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。

四  1+3PBL多元化考核设计

1+3PBL多元化考核方法是以激发学生学习动力和专业志趣为着力点的过程评价，包含自主学习考核、理论学习考核、上机操作考核、创新能力考核和专题PBL考核5个部分，见表4。自主学习考核是对学生课堂内外、线上线下主动学习情况的评价；理论学习考核是对学生专业基础知识掌握程度的考核；上机操作考核主要考核学生的实践动手能力及操作的规范性；创新能力考核是针对学习兴趣浓厚、能力较强的学生设计的创新作业，在满足学生个性化发展基础上提升了课程考核的创新性；专题PBL考核是一种基于学习过程参与度、成果答辩、海报展览等方式进行的非标准化、综合性考核，以检测学生思维能力、团队能力、解决实际问题能力和表达能力等，提升了课程学习过程的挑战度。

五  结束语

1+3PBL教学模式以新工科核心素养为依据，以理论问题、关键技术和工程项目为导向，将思维能力训练、价值观提升、实践能力培养和专业学科理论教学及知识目标培养有机结合。整个3PBL教学过程中要求以模块化的知识点与问题或案例进行组合，形成一条知识明线条贯穿学习全过程；爱国情怀、职业修养和工匠精神等课程思政要素为暗线，两条线全方位、全过程融合到整个教学过程，引导学生知识、能力与价值学习方向。

1+3PBL教学模式的充分应用，实现课程教学的高阶性、创新性和挑战度，教师做好充足逆向教学的准备。需要教师重塑课程内容，精心设计教学策略，要求教师团队投入大量精力，从课前知识预习、课后的反馈反思和专题任务互动指导等方面进行细化设计，制定好方案，才能保证教学效果的达成度。通过课程问卷调查和学生学习成果达成度分析发现，单次PBL学习过程中，生生互动次数超过10次，查阅资料量超过15篇参考文献，课下自学时间约1小时/天，师生课下交流次数约3次/项。1+3PBL教学模式有效提升了学生的课堂参与度，提高了学生的自主学习能力，优化了课程教学效果，为培养能够主动服务科学研究、技术创新研究的优秀人才提供了支持。

参考文献：

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基金项目：国家自然基金项目“基于MEMS井下Baseline-RFMDR紧耦合定位理论与方法”（42274056）；国家级一流线下课程“遥感原理与应用”（无编号）；河北省教育厅教学改革研究与实践项目“新工科背景下多学科交叉课堂教学设计与实施策略的研究”（2021GJJG204）；河北省教育厅教学改革研究与实践项目“工科PBL教学模式的研究与深度应用”（2017GJJG105）；河北省教育厅创新创业教育教学改革与实践项目（2023cxcy100）

第一作者简介：李孟倩（1986-），女，汉族，河北唐山人，博士，讲师。研究方向为遥感在地学方向的应用。

*通信作者：汪金花（1974-），女，汉族，新疆伊犁人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向为高光谱遥感与室内定位。