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        基于共享教學(xué)法的數(shù)字地質(zhì)填圖教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

        2016-12-01 03:55:44杜群樂王占剛楊洪軍
        中國地質(zhì)教育 2016年3期
        關(guān)鍵詞:教學(xué)內(nèi)容用戶系統(tǒng)

        杜群樂,王占剛,楊洪軍

        中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083

        教學(xué)方法

        基于共享教學(xué)法的數(shù)字地質(zhì)填圖教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

        杜群樂,王占剛,楊洪軍

        中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083

        隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字地質(zhì)填圖技術(shù)成為野外數(shù)據(jù)采集和國土資源調(diào)查的趨勢,并逐漸應(yīng)用于國內(nèi)外高校地學(xué)教學(xué)過程中。本文運用共享式教學(xué)理念,結(jié)合地質(zhì)填圖特點及數(shù)字地質(zhì)填圖軟件的共性設(shè)計并實現(xiàn)了基于共享教學(xué)法的數(shù)字地質(zhì)填圖教學(xué)系統(tǒng),并應(yīng)用于京西地質(zhì)實踐教學(xué)中。實踐證明,將共享教學(xué)法引入地質(zhì)填圖實踐教學(xué)中,能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及自主性,加強學(xué)生的地質(zhì)填圖技能,培養(yǎng)學(xué)生的溝通及團隊協(xié)作能力;同時,有助于教師對教學(xué)方法的改進以及教學(xué)效果的評估,為教學(xué)安全提供保障。

        共享教學(xué)法;地質(zhì)填圖;教學(xué)系統(tǒng)

        contributing student pedagogy; geological mapping; teaching system

        一、前言

        實踐教學(xué)是保證地學(xué)教育質(zhì)量的重要環(huán)節(jié),尤其野外地質(zhì)填圖方法和技術(shù)是所有地質(zhì)類專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本技能[1-2]。但當(dāng)前地質(zhì)實踐教學(xué)多采用類似課堂的填鴨式教學(xué)法,學(xué)生處于被動獲取知識的階段,不利于學(xué)生自主思考能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與提高?,F(xiàn)代構(gòu)建主義、共享式教學(xué)理念主張“以學(xué)生為中心”,認為學(xué)生是實踐教學(xué)的主體,教學(xué)不僅僅傳授學(xué)生知識,而且更應(yīng)該教會學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題的能力[3]。共享式教學(xué)法(Contribution-based Pedagogy)最早由哈默(John Hamer)等人提出[4-5],強調(diào)學(xué)習(xí)者充分利用數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)建和共享學(xué)習(xí)制品,通過學(xué)習(xí)者之間的交流與評價達到相互學(xué)習(xí)的目的,促進知識的合作建構(gòu)。隨著現(xiàn)代教育的網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化發(fā)展,為共享教學(xué)法提供了更加開放廣闊的平臺,教師和學(xué)生都可通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分享學(xué)習(xí)資源,進行資源共創(chuàng),豐富教學(xué)環(huán)境。

        傳統(tǒng)的地質(zhì)填圖與地質(zhì)調(diào)查主要是通過連續(xù)的野外地質(zhì)路線觀察和觀測,將點位及界線標(biāo)注在地形圖上,把描述性信息記錄在紙質(zhì)的記錄簿上[6],這種方式在數(shù)據(jù)采集方式、精度、存儲以及后續(xù)利用等方面存在諸多缺陷。隨著“數(shù)字地球”、“數(shù)字國土”戰(zhàn)略的啟動和實施,數(shù)字地質(zhì)填圖技術(shù)成為野外數(shù)據(jù)采集、國土資源調(diào)查的趨勢[7]。近年來,高校地學(xué)實踐教學(xué)中也逐步引入了數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng),比如2005年中國地質(zhì)大學(xué)(北京)將中國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的RGMAP數(shù)字填圖系統(tǒng)升級為教學(xué)系統(tǒng),并在周口店地質(zhì)實習(xí)過程中使用,這些高新技術(shù)的應(yīng)用促進了地質(zhì)填圖教學(xué)方法的改變,取得了較好的教學(xué)效果[8]。

        然而這些用于實際地質(zhì)調(diào)查的地質(zhì)填圖系統(tǒng)并沒有充分考慮教學(xué)特點,只是將原來紙質(zhì)記錄變成了數(shù)字化輸入,利用網(wǎng)絡(luò)傳輸進行數(shù)據(jù)集中存儲和繪圖。而作為教學(xué)系統(tǒng),還需要考慮教學(xué)路線的設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容的更新維護以及教師之間的教學(xué)交流等。野外實習(xí)的學(xué)生根據(jù)教學(xué)任務(wù)進行自主填圖,學(xué)生之間可以通過教學(xué)系統(tǒng)對某一地質(zhì)問題進行實時討論,教師進行引導(dǎo)。學(xué)生在對不同問題和資源進行分享交流的同時,還需要

        考慮到教學(xué)權(quán)限的分配,防止教學(xué)資源以及實習(xí)學(xué)生之間進行教學(xué)內(nèi)容的抄襲等。

        本文依據(jù)共享教學(xué)法的教學(xué)理念,結(jié)合地質(zhì)填圖特點及數(shù)字地質(zhì)填圖軟件的共性,設(shè)計并實現(xiàn)了針對地質(zhì)專業(yè)學(xué)生的野外數(shù)字地質(zhì)填圖教學(xué)系統(tǒng)(eField),系統(tǒng)包括移動端和網(wǎng)頁端兩部分,移動端基于Android開發(fā),負責(zé)野外信息采集、教學(xué)數(shù)據(jù)共享,網(wǎng)頁端負責(zé)數(shù)據(jù)的管理及查看。

        二、基于共享教學(xué)法的地質(zhì)填圖教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計思路

        共享教學(xué)法強調(diào)參與、分享,即學(xué)習(xí)者參與知識構(gòu)建,并與他人共享學(xué)習(xí)資源與學(xué)習(xí)制品。將共享教學(xué)法引入到地質(zhì)填圖教學(xué)領(lǐng)域既需要具備基本的地質(zhì)填圖工作需求,又需要滿足教學(xué)需求。

        1.確定基本地質(zhì)填圖功能

        系統(tǒng)首先具備地質(zhì)填圖的基本功能,根據(jù)教學(xué)的需要主要考慮以下特點。

        (1)采集數(shù)據(jù)主要包括空間位置、地質(zhì)要素及現(xiàn)象的地質(zhì)語義描述和空間形態(tài)(點、線、面)信息,此外還包括輔助信息,比如圖片、周圍環(huán)境的描述等[9]。

        (2)系統(tǒng)采用客戶端+服務(wù)器的架構(gòu),數(shù)據(jù)管理方式上采用數(shù)據(jù)庫集中式進行管理和維護,客戶端通過無線網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)實時上傳到中心服務(wù)器。

        (3)客戶端需具有體積小、重量輕、功耗低,易于攜帶,工作時間長的特點,適用于各種惡劣環(huán)境和復(fù)雜地形。

        (4)操作界面和功能設(shè)計滿足地質(zhì)信息和矢量點、線、面地質(zhì)信息的可視化化輸入、存儲、管理功能。

        (5)能夠?qū)崟r獲取高精度的空間定位信息。

        (6)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為標(biāo)準(zhǔn)格式,可被專業(yè)地質(zhì)繪圖軟件制作圖件使用。

        2.確定教學(xué)內(nèi)容以及共享教學(xué)功能

        目前高校野外地質(zhì)填圖教學(xué)主要包括教學(xué)路線和獨立路線,學(xué)生分組按路線進行地質(zhì)現(xiàn)象的觀察和記錄,所以系統(tǒng)需要永久保存教學(xué)路線,同時針對當(dāng)年的學(xué)生自主填圖路線進行實時維護。教師和學(xué)生在填圖中都可以實時將看到的地質(zhì)現(xiàn)象進行分享和問題分析,教師、學(xué)生之間可任意互動交流。此外,還需一些教學(xué)監(jiān)視和評價功能。具體包括以下內(nèi)容。

        (1)教學(xué)內(nèi)容。將實習(xí)區(qū)主要地形以及地質(zhì)路線的所有信息進行保存,并隨著教學(xué)地質(zhì)認識的加強進行更新。這部門內(nèi)容只能教師之間進行瀏覽和分享,以及專業(yè)探討,相互提升教學(xué)水平。這屬于教師層次的共享。

        (2)學(xué)習(xí)路線設(shè)計。學(xué)生根據(jù)當(dāng)天的教學(xué)任務(wù)自主進行路線設(shè)計,按基本填圖要求采集地質(zhì)信息。該信息只能該組學(xué)生可見,教師可見。這屬于教師和學(xué)生層次的共享。

        (3)公共資源設(shè)計。在全系統(tǒng)中共享所見地質(zhì)現(xiàn)象、發(fā)布地質(zhì)問題或者觀點,所有人可進行瀏覽以及評價。這屬于所有參與人員層次的共享,完全公開的交流和討論。

        (4)教學(xué)監(jiān)控。教師可實時獲取當(dāng)前學(xué)生所在路線以及位置,對于發(fā)現(xiàn)學(xué)生“偷懶”或者偏離路線,教師可以遠程提醒學(xué)生。屬于學(xué)生位置信息的共享。

        (5)教學(xué)分析。幫助教師了解教學(xué)效果,通過學(xué)生所提問題進行分析,適當(dāng)增加基礎(chǔ)專業(yè)知識統(tǒng)一講解以及集中教學(xué)。

        3.開發(fā)原則與可行性

        在以上功能需求思路基礎(chǔ)上,還需要根據(jù)教學(xué)環(huán)境以及教師、學(xué)生的特點進行可行性分析方面的考慮。為此設(shè)計思路上堅持:簡單實用、低成本和易于維護的原則。

        (1)終端設(shè)備的考慮,成本主要在于教學(xué)設(shè)備。單獨購置終端顯然不可行,因此,利用教師和學(xué)生手中的智能手機等便攜式設(shè)備是可行的,為此,本系統(tǒng)主要基于Android進行APP開發(fā),UI布局采用主流簡介風(fēng)格,便于操作。

        (2)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與成本的考慮,由于地質(zhì)實習(xí)區(qū)位于山區(qū),網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定。同時,頻繁的數(shù)據(jù)上傳和下載數(shù)據(jù),尤其是地圖和圖片類數(shù)據(jù),會耗費大量流量,增加學(xué)生的成本。為此,本系統(tǒng)采用靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合方式。靜態(tài)數(shù)據(jù)保存在本地,比如離線地圖;動態(tài)數(shù)據(jù),則是根據(jù)需要和信息提示自主進行下載。

        (3)數(shù)據(jù)管理方式,復(fù)雜的數(shù)據(jù)管理等采用網(wǎng)頁方式開發(fā),盡量減少終端運行的壓力。同時,采用電腦等可訪問網(wǎng)頁便于系統(tǒng)的維護。

        (4)用戶的差異性,教學(xué)系統(tǒng)比起一般的數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng),需要考慮系統(tǒng)使用者的身份,即教師和學(xué)生的區(qū)別。這樣根據(jù)身份差異,進行功能上的限制,即需要合理的教—學(xué)互斥機制。

        三、地質(zhì)填圖教學(xué)系統(tǒng)框架設(shè)計

        1.系統(tǒng)框架

        根據(jù)設(shè)計思路,將整個系統(tǒng)的框架設(shè)計為三層結(jié)構(gòu),如圖1。

        圖1 地質(zhì)填圖教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        表示層是用戶和系統(tǒng)交互的界面,通過運行Android上部署的本系統(tǒng)APP與服務(wù)器進行通信。此外,瀏覽器客戶端為數(shù)據(jù)管理、分析提供支持。業(yè)務(wù)層處理表示層的各種請求[10],主要包括用戶驗證、來自用戶的數(shù)據(jù)更新、查詢以及位置獲取請求。數(shù)據(jù)層主要存儲各種采集數(shù)據(jù)以及返回請求所需的數(shù)據(jù),包括用戶信息、空間信息、屬性信息以及用戶在討論交流過程中產(chǎn)生的圖片信息等。

        目前本系統(tǒng)的業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層都利用云計算平臺進行部署,便于維護。

        2.系統(tǒng)模塊劃分

        根據(jù)設(shè)計思路和系統(tǒng)框架,將系統(tǒng)模塊主體上劃分為三個部分組成(如圖2所示)。

        填圖模塊實現(xiàn)地質(zhì)填圖的基本功能,創(chuàng)建各種教學(xué)路徑以及學(xué)習(xí)路徑。地質(zhì)填圖過程中采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括文字性的描述信息,如路徑的描述,路徑點的類型、點位信息、屬性信息等,還有矢量圖形信息,如點狀的路徑點、觀察點、自由點,線狀的路徑、自由邊,面狀的自由多邊形;數(shù)據(jù)管理包括用戶數(shù)據(jù)、路徑數(shù)據(jù)的增加、刪除、更改等操作。數(shù)據(jù)的存儲有離線終端存儲和在線的遠程服務(wù)器存儲兩種形式,使軟件適用于各種野外環(huán)境。

        圖2 地質(zhì)填圖教學(xué)系統(tǒng)模塊劃分圖

        教學(xué)模塊包括教學(xué)引導(dǎo)和教學(xué)監(jiān)督。教師用戶通過查看教學(xué)路徑,從整體上把握填圖區(qū)域、路線及內(nèi)容,起到了一定的教學(xué)引導(dǎo)作用;另一方面,教師用戶通過位置追蹤實時獲取學(xué)生位置信息,為教學(xué)安全提供保障的同時還可以監(jiān)督學(xué)生的填圖進度,是否偷懶等。當(dāng)然,通過查看學(xué)生路徑還可以及時發(fā)現(xiàn)填圖過程中的錯誤,幫助學(xué)生用戶及時改正。

        交流模塊以實時會話的形式為用戶提供了一種動態(tài)的交互方式。在該模塊中,用戶可通過發(fā)起評論與其他用戶建立討論區(qū),用戶通過反饋評論各抒己見、廣泛交流,提高了填圖的趣味性,增加了用戶的積極性,在一定程度上啟發(fā)了思考。

        3.教—學(xué)互斥機制

        教師和學(xué)生的身份差異是本系統(tǒng)區(qū)別單純地質(zhì)填圖系統(tǒng)的一大特點?;诠蚕斫虒W(xué)法的地質(zhì)填圖教學(xué)活動包含兩個部分:教的共享和學(xué)的共享,教的共享針對教師與學(xué)生之間的共享,包括教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生空間位置、填圖狀態(tài)、疑難問題等的共享;學(xué)的共享是所有學(xué)生、教師間的共享,共享內(nèi)容是問題和討論內(nèi)容,是一種多對多的共享方式。本文通過以下訪問控制機制實現(xiàn)教與學(xué)共享的區(qū)分,防止學(xué)生越權(quán)訪問、篡改教學(xué)數(shù)據(jù)或其他非法操作破壞系統(tǒng),影響教學(xué)效果。

        (1)身份認證。在主登錄界面需要用戶提供用戶名和密碼與數(shù)據(jù)庫中已登錄的合法用戶進行驗證匹配,完成身份識別。對于新用戶注冊,需經(jīng)系統(tǒng)管理員審核認可后方可注冊,或由教師用戶及管理員提供用戶名和密碼。

        (2)權(quán)限控制。系統(tǒng)的用戶包括管理員、教師用戶、學(xué)生用戶,不同的用戶具有不同的權(quán)限。健全的權(quán)限控制和交互限制機制不僅能提高系統(tǒng)安全性,還能在充分提高教學(xué)效果的前提下實現(xiàn)填圖數(shù)據(jù)的共享和填圖過程中的溝通互動。

        學(xué)生用戶訪問及交互權(quán)限(圖3):首先,學(xué)生用戶只能創(chuàng)建學(xué)生路徑,便于路徑管理;其次,在訪問權(quán)限上,學(xué)生用戶只能查看已公開的教學(xué)

        路徑,避免相互抄襲、不主動思考,以及提前知道教學(xué)內(nèi)容,喪失學(xué)習(xí)興趣、積極性;在以上權(quán)限限制下,學(xué)生用戶可通過發(fā)起評論功能將自己的填圖經(jīng)歷,觀察到的特殊地質(zhì)點、地質(zhì)現(xiàn)象,甚至疑問其他學(xué)生進行討論、交流,充分發(fā)揮共享式教學(xué)的優(yōu)勢。

        圖3 地質(zhì)填圖教學(xué)系統(tǒng)用例圖

        教師用戶及訪問權(quán)限(圖3):教師的權(quán)限高于學(xué)生。首先,教師用戶能夠訪問所有教學(xué)路徑,通過查看教學(xué)路徑了解其他教師的教學(xué)內(nèi)容并進行討論,取長補短,避免因?qū)I(yè)限制、經(jīng)驗不足遺漏教學(xué)內(nèi)容;其次,教師用戶能夠訪問所有學(xué)生路徑,從而實時地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài),便于及時地做出反饋,提供意見以及做出教學(xué)上的調(diào)整,同時位置追蹤功能可以查看當(dāng)前學(xué)生位置,有效的管理學(xué)生活動。

        四、應(yīng)用

        以京西地質(zhì)實踐教學(xué)為例,整個教學(xué)過程分為3個階段(圖4):

        圖 4 地質(zhì)填圖教學(xué)流程圖

        準(zhǔn)備階段:調(diào)研填圖區(qū)現(xiàn)狀,對地質(zhì)地形特征做前期分析,學(xué)習(xí)地質(zhì)填圖系統(tǒng)及野外填圖其他工具;教師進行教學(xué)內(nèi)容及過程的設(shè)計。該階段是理論共享階段,共享內(nèi)容為理論知識及學(xué)生對填圖過程的認識。系統(tǒng)為用戶提供填圖區(qū)域遙感影像及地形圖。圖5為教師用戶在衛(wèi)星切片底圖上進行填圖路徑及教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。

        圖5 填圖路徑及教學(xué)內(nèi)容設(shè)計圖

        野外填圖階段:學(xué)生記錄并分享填圖路徑、路徑點、興趣點及各種地質(zhì)現(xiàn)象,與同伴、教師交流,提出疑問,解答反饋問題;教師通過教學(xué)追蹤及學(xué)生互動記錄,了解每位學(xué)生的填圖進度,及時糾正問題,必要時修改教學(xué)內(nèi)容。在此過程中,學(xué)生用戶創(chuàng)建路徑、記錄路徑點信息,同圖5a和圖5b;下載并查看教師創(chuàng)建的公開路徑,在

        公開路徑及個人路徑的“觀點”功能下以添加筆記的形式與教師用戶進行知識的交流與提問,如圖6a;針對典型地質(zhì)現(xiàn)象與其他用戶進行自由討論,如圖6b;教師用戶則通過實時查看學(xué)生空間位置及填圖內(nèi)容等了解學(xué)生的填圖狀態(tài)及知識的掌握情況,如圖6c。該階段主要體現(xiàn)了共享教學(xué)的特點,提高了學(xué)生地質(zhì)填圖趣味性,鍛煉了學(xué)生的溝通及團隊協(xié)作能力。

        資料整理、教學(xué)評估階段:將野外獲取的資料整理成圖,并對學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)成果進行評價,提出意見及建議,撰寫報告;教師對學(xué)生進行打分,如圖7a,評價教學(xué)效果,提出教學(xué)改進意見。該階段為成果共享階段,通過反思與對比,學(xué)生明白自己的不足,對填圖內(nèi)容進行補充學(xué)習(xí)。此外,管理員用戶對數(shù)據(jù)庫中的路徑及用戶進行增刪改操作,如圖7b和圖7c。

        圖6 野外地質(zhì)填圖階段系統(tǒng)使用效果圖

        圖7 教學(xué)評估階段系統(tǒng)使用效果圖

        本文對參與京西地質(zhì)實踐的32名學(xué)生進行了問卷調(diào)查,通過學(xué)生的使用體驗及學(xué)習(xí)效果來評估該系統(tǒng)的使用效果,問卷內(nèi)容及統(tǒng)計結(jié)果如表1所示,每條調(diào)查內(nèi)容包括1~5個等級:5為“非常同意”,4為“同意”,3為“中立”,2為“不同意”,1為“非常不同意”。

        問卷結(jié)果顯示,所有學(xué)生一致認為共享教學(xué)法對地質(zhì)填圖教學(xué)非常重要,90%以上的學(xué)生認為在共享教學(xué)中其他學(xué)習(xí)者為自己的學(xué)習(xí)帶來幫助,同時自己能夠幫助其他學(xué)習(xí)者。共享教學(xué)在實踐中也提高了學(xué)生的溝通、協(xié)作及分析能力。

        五、結(jié)論

        本文將共享教學(xué)法的教學(xué)理念融入數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng),設(shè)計并實現(xiàn)了針對地質(zhì)專業(yè)學(xué)生的野外地質(zhì)填圖教學(xué)系統(tǒng)。實踐證明,將共享教學(xué)法引入到地質(zhì)填圖教學(xué)中,提高了地質(zhì)填圖的教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生之間、師生之間的互動交流與及時反饋不僅增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性,鍛煉了學(xué)生的溝通和團隊協(xié)作能力,提高了學(xué)生地質(zhì)填圖技能及對專業(yè)知識的理解。

        另一方面,基于共享教學(xué)法的地質(zhì)填圖教學(xué)系統(tǒng)使教師能實時獲取學(xué)生的位置信息及學(xué)習(xí)進度,加強了對教學(xué)過程的掌控,及時幫助學(xué)生更正填圖過程中的錯誤,答疑解惑。教師之間也可通過該系統(tǒng)進行知識交流和經(jīng)驗分享,進一步完善教學(xué)方法。

        表1 學(xué)生問卷調(diào)查情況統(tǒng)計

        [1] 陳駿, 胡文瑄, 李成. 地質(zhì)學(xué)實踐教學(xué)現(xiàn)狀分析與對策[J]. 中國地質(zhì)教育, 2007, 16(1): 133-139.

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        [10] 黃成云, 左明章, 榮先海. 基于云計算的移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù), 2010, 20(8): 102-105.

        G642

        A

        1006-9372(2016)03-0045-06

        2016-05-20;修改日期:2016-06-20。

        杜群樂,女,2013級碩士研究生,地球探測與信息技術(shù)專業(yè)。

        投稿網(wǎng)址: www.chinageoeducation.net.cn 聯(lián)系郵箱:bjb3162@cugb.edu.cn

        杜群樂,王占剛,楊洪軍.基于共享教學(xué)法的數(shù)字地質(zhì)填圖教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國地質(zhì)教育,2016,25(3):45-50.

        Title: Design and Implementation of Digital Geological Mapping Teaching System

        Author(s): DU Qun-le,WANG Zhan-gang,YANG Hong-jun

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