新工科背景下1+3PBL互动性教学设计改革与实践

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。