吳 亮,郭明強(qiáng),謝 忠

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.國(guó)家地理信息系統(tǒng)工程研究中心,湖北 武漢 430074)

地理空間信息工程是研究地理空間信息存儲(chǔ)、處理、分析、管理、分發(fā)及應(yīng)用的科學(xué)與技術(shù)，是測(cè)繪科學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理科學(xué)交叉發(fā)展起來(lái)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)，利用測(cè)繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)和移動(dòng)通訊技術(shù)，解決地理空間數(shù)據(jù)采集、處理、可視化、分析、表示和服務(wù)的工程技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)行數(shù)字地圖設(shè)計(jì)，研發(fā)地理空間信息工程軟硬件平臺(tái)。在“智慧城市”和“新型城鎮(zhèn)化”快速發(fā)展的新地理信息時(shí)代，地理空間信息工程應(yīng)用已經(jīng)滲透到城市規(guī)劃、國(guó)土資源、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、公安、交通等經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各行各業(yè)[1]。隨著我國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展[2]，社會(huì)企事業(yè)單位、科研教學(xué)等機(jī)構(gòu)迫切需要一大批具有自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及交流能力的地理空間信息工程技術(shù)人才。

以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)方法(Problem/Project-Based Learning，簡(jiǎn)稱(chēng)PBL)最早起源于20世紀(jì)50年代的醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，發(fā)展于建構(gòu)主義教育理念，是近年來(lái)國(guó)際社會(huì)普遍認(rèn)同的一種研究性教學(xué)模式。它強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，將學(xué)習(xí)與任務(wù)或問(wèn)題掛鉤；鼓勵(lì)自主學(xué)習(xí)；激發(fā)學(xué)習(xí)者的熱情和興趣；倡導(dǎo)討論、思辨、合作、共享；鼓勵(lì)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容和過(guò)程的反思，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力[3-4]。迄今為止，國(guó)內(nèi)開(kāi)展的PBL教學(xué)仍處于初級(jí)階段，且主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，而在地理空間信息工程教學(xué)中的應(yīng)用較少。鑒于傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的瓶頸，引入PBL教學(xué)方法，本文將PBL教學(xué)方法的精華與傳統(tǒng)教學(xué)方法相結(jié)合進(jìn)行了應(yīng)用探索，為進(jìn)一步進(jìn)行地理空間信息工程教學(xué)模式的改革提供理論依據(jù)。

1 PBL教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)的區(qū)別

目前，傳統(tǒng)教學(xué)模式在各類(lèi)高校中占據(jù)著主導(dǎo)地位。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，教師是教學(xué)的主體，具有絕對(duì)的權(quán)威，為學(xué)生做系統(tǒng)、細(xì)致的講解，學(xué)生只需順著老師的思路將知識(shí)點(diǎn)理解熟記即完成了學(xué)習(xí)過(guò)程，不需要過(guò)多的思考或者說(shuō)根本沒(méi)有機(jī)會(huì)進(jìn)行深入思考，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，學(xué)習(xí)創(chuàng)新[5]。

而在基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)模式下，以項(xiàng)目和問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，學(xué)生依據(jù)自己的興趣進(jìn)行較為深入的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是主觀的學(xué)術(shù)研究的需要；在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，學(xué)生以小組的形式通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及深入的思考構(gòu)建獨(dú)有的知識(shí)結(jié)構(gòu)，在對(duì)項(xiàng)目和問(wèn)題進(jìn)行研究的過(guò)程中學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)并靈活運(yùn)用解決實(shí)際問(wèn)題，具有一定的實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力[6]。這種教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式有很大的不同[5，7]，下面利用表格的形式對(duì)比闡述PBL教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)的區(qū)別(見(jiàn)表1)。

表1 傳統(tǒng)教學(xué)與PBL教學(xué)的比較

2 基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL模式在地理空間信息工程專(zhuān)業(yè)中的應(yīng)用

在地理空間信息工程專(zhuān)業(yè)，采用PBL教學(xué)方法，以問(wèn)題、項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，要求學(xué)生靈活運(yùn)用學(xué)過(guò)的理論知識(shí)和實(shí)踐技能去獨(dú)立分析和解決實(shí)際問(wèn)題，使學(xué)生的實(shí)踐能力、交流能力、創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)的能力在創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目、分析項(xiàng)目、實(shí)踐項(xiàng)目、評(píng)價(jià)反思全過(guò)程的實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練中得到有效鍛煉和提高，其教學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 地理空間信息工程教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目

雖然PBL是一種以學(xué)生為主體，教師為導(dǎo)向的教學(xué)模式，但教師卻需要在教學(xué)前期投入更多的精力和時(shí)間做準(zhǔn)備工作。為引導(dǎo)學(xué)生確定學(xué)習(xí)問(wèn)題，教師選取教材的全部或者部分內(nèi)容講授總論、重點(diǎn)內(nèi)容和基本概念；借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，教師上傳自己錄制的專(zhuān)業(yè)課程微課視頻、收集的教輔材料和實(shí)驗(yàn)工具。

項(xiàng)目的創(chuàng)設(shè)是PBL教學(xué)的起點(diǎn)，是PBL教學(xué)成功運(yùn)行的關(guān)鍵一步。在項(xiàng)目創(chuàng)設(shè)上，應(yīng)根據(jù)社會(huì)對(duì)人才的需求，本著因材施教的方針，綜合考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、特長(zhǎng)、興趣愛(ài)好、志向抱負(fù)，幫助學(xué)生組建學(xué)習(xí)小組，引導(dǎo)學(xué)習(xí)小組創(chuàng)建高質(zhì)量的問(wèn)題。具體的方式則可以為：教師提供有針對(duì)性設(shè)置的問(wèn)題/項(xiàng)目供學(xué)生選擇；也可引導(dǎo)學(xué)生們展開(kāi)頭腦風(fēng)暴式討論，列出自己感興趣的話(huà)題、任務(wù)和問(wèn)題。

學(xué)生在選擇PBL學(xué)習(xí)問(wèn)題或項(xiàng)目時(shí)，老師應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)，但在老師允許的范圍之內(nèi)，可以滿(mǎn)足學(xué)生的興趣選擇，使學(xué)生能沉浸在快樂(lè)的氛圍中學(xué)習(xí)，最大限度地提升其自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。教師在教學(xué)過(guò)程中重點(diǎn)要考慮，問(wèn)題應(yīng)能夠引出與所學(xué)專(zhuān)業(yè)相關(guān)的原理和概念，并且問(wèn)題應(yīng)來(lái)源于現(xiàn)實(shí)生活，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，激發(fā)探究問(wèn)題的動(dòng)機(jī)、興趣和熱情，同時(shí)問(wèn)題應(yīng)足夠復(fù)雜，具有挑戰(zhàn)性，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)[8-9]。

在教學(xué)的開(kāi)展中，學(xué)生的分組基本強(qiáng)調(diào)自愿組合，從而形成的學(xué)習(xí)小組就是典型的異質(zhì)小組[10]。從協(xié)作學(xué)習(xí)的角度來(lái)看，異質(zhì)組更有利于融合各小組成員所擁有的不同文化背景，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，提升學(xué)習(xí)效果。由于地理空間信息工程的跨學(xué)科性，各小組成員應(yīng)具有不同特長(zhǎng)，以利于活動(dòng)的開(kāi)展。在自愿組合的學(xué)習(xí)小組的基礎(chǔ)之上，教師應(yīng)有意地加以干預(yù)和引導(dǎo)，針對(duì)小組成員的興趣愛(ài)好和個(gè)人優(yōu)勢(shì)，使其成為異質(zhì)組。

2.2 分析項(xiàng)目

各個(gè)學(xué)習(xí)小組所選擇的問(wèn)題是不同的，各成員的子問(wèn)題也是不同的，具體問(wèn)題具體分析，分析的過(guò)程中必然少不了查找資料的環(huán)節(jié)，善于查找資料也應(yīng)是當(dāng)代大學(xué)生必備技能之一。作為教師，應(yīng)教會(huì)學(xué)生如何利用學(xué)校已有的資源(教輔資料庫(kù)、文獻(xiàn)檢索平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)檢索工具)去檢索問(wèn)題尋求答案的方法。這種“授之以漁”的方式雖然難以在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中體現(xiàn)，卻可以讓學(xué)生體會(huì)自主學(xué)習(xí)的過(guò)程，使其終生受用。

圍繞自己感興趣的問(wèn)題，小組成員從問(wèn)題的歷史背景、現(xiàn)實(shí)意義、研究現(xiàn)狀等幾個(gè)方面自主性開(kāi)展小組討論、分析，多角度、多方位思考，進(jìn)行知識(shí)溝通和信息共享，最終形成一致合理的書(shū)面解決方案。

2.3 實(shí)踐項(xiàng)目

這一環(huán)節(jié)是PBL教學(xué)模式中的核心，也是區(qū)別于傳統(tǒng)教學(xué)的一個(gè)重要特征，學(xué)生學(xué)習(xí)的大多數(shù)知識(shí)點(diǎn)和掌握的專(zhuān)業(yè)技巧都在此環(huán)節(jié)中完成。地理空間信息工程是一門(mén)集地理、遙感、測(cè)繪、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科為一體的跨學(xué)科專(zhuān)業(yè)，一個(gè)地理空間信息工程學(xué)習(xí)問(wèn)題往往需要有各種專(zhuān)業(yè)特長(zhǎng)的人交流探討、通力協(xié)作才能完成。其特點(diǎn)是具有很強(qiáng)的實(shí)踐性、應(yīng)用性和協(xié)作性，其理論方法覆蓋廣、發(fā)展快，軟件更新?lián)Q代頻繁。因此在問(wèn)題解決過(guò)程中，學(xué)習(xí)小組需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力廣泛學(xué)習(xí)理論方法，驗(yàn)證工具的適用性，優(yōu)良的方法、合適的工具往往能加快解決問(wèn)題的步伐。這一過(guò)程中小組成員通過(guò)進(jìn)一步分析問(wèn)題、細(xì)化任務(wù)并逐步將之解決，新學(xué)習(xí)的知識(shí)得到了鞏固與理解，知識(shí)體系得到了修正和完善。

2.4 評(píng)價(jià)反思

傳統(tǒng)教學(xué)的評(píng)價(jià)模式通常比較單一，主要以考試成績(jī)或課程報(bào)告作為評(píng)價(jià)依據(jù)，是一種主要依據(jù)結(jié)果的評(píng)價(jià)模式。而這個(gè)結(jié)果中又無(wú)法充分體現(xiàn)出學(xué)生的其他學(xué)習(xí)能力，故容易埋沒(méi)某些學(xué)生的優(yōu)勢(shì)能力[10]。PBL教學(xué)評(píng)價(jià)由老師、小組成員以及學(xué)習(xí)者自己共同完成，它既關(guān)注考核結(jié)果的評(píng)價(jià)，也重視學(xué)習(xí)過(guò)程的評(píng)價(jià)，將定量評(píng)價(jià)和定性評(píng)價(jià)相結(jié)合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)評(píng)價(jià)模式的缺陷。根據(jù)相關(guān)的評(píng)價(jià)結(jié)果，學(xué)生可以調(diào)整學(xué)習(xí)的進(jìn)度、學(xué)習(xí)方法以及學(xué)習(xí)重點(diǎn)，教師適時(shí)地給學(xué)生必要的引導(dǎo)與控制，幫助其快速理解問(wèn)題與獲得相關(guān)技能。

“學(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆?！斌w現(xiàn)了反思實(shí)質(zhì)上是學(xué)生與自己的一種對(duì)話(huà)，是一種深層次的自我學(xué)習(xí)。在解決問(wèn)題的過(guò)程中通過(guò)學(xué)習(xí)與反思相結(jié)合，學(xué)生才能理解問(wèn)題本質(zhì)、內(nèi)化知識(shí)。

3 基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)在地理空間信息工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐成效

在開(kāi)展基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)后，為了進(jìn)一步了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，量化教學(xué)成效，筆者針對(duì)所教授的兩個(gè)班50名同學(xué)設(shè)計(jì)了問(wèn)卷調(diào)查。此次問(wèn)卷調(diào)查以互聯(lián)網(wǎng)的形式進(jìn)行，把問(wèn)卷調(diào)查的網(wǎng)址發(fā)送到學(xué)生郵箱，邀請(qǐng)他們參與調(diào)查，有效問(wèn)卷50份， 有效率為100%。經(jīng)過(guò)分析調(diào)查結(jié)果，筆者得出基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)的實(shí)踐成效主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 學(xué)生實(shí)踐成果顯著

在教學(xué)實(shí)踐中，以筆者講授的《地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用》為例，以GIS基本原理為指導(dǎo)，以 GIS平臺(tái) (MapGIS、ArcGIS等)為工具，以GIS問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，來(lái)進(jìn)行教學(xué)任務(wù)的展開(kāi)。表2總結(jié)歸類(lèi)了部分學(xué)生的實(shí)踐成果并給出相應(yīng)的案例。

表2 基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)的實(shí)踐成果

采用基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)方法教授課程設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠很好地掌握地圖數(shù)據(jù)的采集與輸入、編輯與更新、存儲(chǔ)與管理、顯示與交互等基本GIS功能。如何將GIS應(yīng)用于交通分析、門(mén)店選址和房?jī)r(jià)分析預(yù)測(cè)等問(wèn)題受到學(xué)生的普遍關(guān)注。在項(xiàng)目問(wèn)題的驅(qū)使下，學(xué)生會(huì)自主交流討論、深入學(xué)習(xí)GIS高級(jí)知識(shí)即空間分析方法，如緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析和空間統(tǒng)計(jì)并嘗試動(dòng)手實(shí)踐問(wèn)題?？梢?jiàn)，基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)方法可以很好地開(kāi)展地理空間信息工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)活動(dòng)，鍛煉了學(xué)生的獨(dú)立分析解決問(wèn)題的綜合能力，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

3.2 教學(xué)效果明顯改善

調(diào)查結(jié)果顯示，有76%的學(xué)生認(rèn)為開(kāi)展基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)改革是有必要的(圖2)，并且88%的學(xué)生對(duì)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)(設(shè)置問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、評(píng)價(jià)反思)都比較滿(mǎn)意，如圖3所示。在人際關(guān)系方面，通過(guò)頻繁的討論思辨、合作共享，同學(xué)之間更團(tuán)結(jié)、親密，師生之間更融洽；在教學(xué)結(jié)果方面，有96%的學(xué)生成績(jī)優(yōu)良(≥70分)，其中44%的學(xué)生成績(jī)優(yōu)秀(≥85分)，詳見(jiàn)圖4。

圖3 教學(xué)環(huán)節(jié)的滿(mǎn)意程度

圖4 學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)

圖5 綜合能力顯著提高

3.3 學(xué)生綜合能力顯著提高

在基于創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目的PBL教學(xué)模式下，當(dāng)學(xué)習(xí)小組遇到具有挑戰(zhàn)性的新問(wèn)題時(shí)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、積極性，必然會(huì)利用多種途徑尋求問(wèn)題的解決方法，無(wú)形之中投入了更多的學(xué)習(xí)時(shí)間，正是這種忘我的學(xué)習(xí)，深入探究，交流共享，用孜孜不倦的態(tài)度來(lái)學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解了問(wèn)題的本質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立分析解決問(wèn)題的綜合能力。調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生的各項(xiàng)能力均有一定的提高，其中團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、自主學(xué)習(xí)能力及實(shí)踐能力顯著提高，詳見(jiàn)圖5、表3。在第二課堂，廣大學(xué)生踴躍參加全國(guó)GIS二次開(kāi)發(fā)大賽、大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目、“挑戰(zhàn)杯”中國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競(jìng)賽等各種科技競(jìng)賽，獲獎(jiǎng)?lì)H豐，較好的展示了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

表3 各項(xiàng)能力的提高程度 %

4 結(jié)束語(yǔ)

地理空間信息工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生想要能迅速滿(mǎn)足社會(huì)和市場(chǎng)需求，高校必須大膽嘗試教學(xué)模式改革，更新教學(xué)思路，改進(jìn)教學(xué)方法，使其貼近學(xué)生，適用于教師。PBL教學(xué)不僅幫助學(xué)生建立專(zhuān)業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生能夠更好地掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)，即以解決問(wèn)題為驅(qū)使，以主動(dòng)學(xué)習(xí)為主，通過(guò)參與、探索、討論、共享，將各科知識(shí)融合，更深層次地理解掌握，而且在解決問(wèn)題和學(xué)習(xí)的過(guò)程中培養(yǎng)復(fù)合型工程技術(shù)人才所必需的能力和素養(yǎng)。筆者將PBL模式應(yīng)用于地理空間信息工程教學(xué)改革，取得了預(yù)期的教學(xué)效果。圖5顯示，創(chuàng)新能力和語(yǔ)言表達(dá)能力在這個(gè)過(guò)程中提升的相對(duì)較慢，同時(shí)為教學(xué)改良指明了方向，在今后的教學(xué)改革實(shí)踐中需要不斷豐富、改進(jìn)與完善。