新工科背景下GIS专业课程混合式教学模式研究

摘  要：为突出新工科背景下实践创新能力培养，探索与实践“轻量-分型-探究”线上线下混合式教学法，课前依托“轻量·分型”的线上课堂进行自主学习，打牢课程基础，培养学生自主创新能力；课中进行轻量级的翻转课堂教学，后依托问题驱动的“探究”式教学法，让学生深入把握知识的脉络和内涵，培养学生科学思维；课后依托“分型”的实践训练，让学生实践中实现知识的迁移和内化，培养学生的实践创新能力。教学实践表明，“轻量-分型-探究”线上线下混合式教学法的应用，可有力提升地理信息科学专业学生的实践创新能力与解决复杂问题的综合能力。

关键词：轻量；分型；探究；实践创新；科学思维

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）33-0001-05

Abstract： In order to strengthen the cultivation of practical innovation ability under the background of new engineering， the online and offline mixed teaching mode of "Lightweight， Personalization and Inquiry" is explored and practiced. Before class， we rely on the "Lightweight and Personalization" online classroom for independent learning to lay a solid foundation for the course， so as to cultivate students' independent innovation ability. We carry out lightweight flipped classroom teaching in class， and then rely on the problem driven inquiry teaching method to enable students to deeply grasp the context and connotation of knowledge and cultivate students' scientific thinking. After class， we rely on personalized practical training， let students realize the transfer and internalization of knowledge in practice， and cultivate students' practical innovation ability. Teaching practice shows that the application of "Lightweight， Personalization and Inquiry" online and offline hybrid teaching method can effectively improve the practical innovation ability and comprehensive ability to solve complex problems of students majoring in geographic information science.

Keywords： lightweight; personalization; inquiry; practical innovation; scientific thinking

地理信息科学（Geographic Information Science，简称GIS）是由全球导航卫星系统、地理信息系统、遥感、物联网和云计算等现代技术高度集成，研究地球表层空间的各种自然地理要素和所有人类社会活动的空间分异规律、时间演变过程及区域特征的学科。目前，人工智能、大数据、云计算等信息技术的快速发展，为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展，教育部近年来积极推进新工科建设。在新工科战略背景下，传统的教学方法和教学体系已无法适应新时代大数据、云计算、物联网等新兴信息技术背景下的地理信息科学的发展需求。因此，新工科背景下，创新教育方式与手段，培养实践能力与强、具有较高的创新能力、具有较强社会责任感的复合型“新工科”地理信息科学（GIS）人才成为必然要求；为适应复合型“新工科”地理信息科学（GIS）人才培养的要求，如何基于以学生为中心，产出导向，持续改进的理念，提出有推广价值的混合式教学模式，实现教育范式的创新？这是目前的一个痛点问题。

在复合型新工科GIS人才的社会责任感培养研究方面，现有研究从多个维度、全方位地把思政教育工作贯穿于教育教学全过程，特别是在GIS课程思政方面，代表性的有南京师范大学的“一带一路GIS”“红军长征GIS”“精准扶贫GIS”等思政案例，以及中南大学的“空间分析”课程思政教学案例，等等。但目前，国内大部分的GIS专业课程仍是没有融于思政教育的，如专业主干课程GIS数据结构与算法，因其内容主要反映计算机数据组织与指令编码规律，客观性强，思政难度较高，在GIS专业的该类课程思政案例很少见。同时，在实践能力与创新能力培养的混合式教学研究方面，目前GIS专业的混合式教学模式多停留在“线上线下”教学形式上，而很少见从教学内容真正体现突出创新性，同时具备高阶性和挑战度的教育范式的创新。

针对该教学痛点问题，本文探索以创新性“轻量-分型-探究”的线上线下混合式教学范式，把课程教学与课程思政、专业发展深度融合，持续改进，突出实践创新能力，培养具有高度社会责任感的“产-学-研-用”协同的卓越GIS人才。

一、“轻量-分型-探究”混合式教学法

（一）“轻量”：创新驱动的轻量线上课堂

教学内容是混合式教学的基础，而教学资源是混合式教学的保障。在长期的教学实践当中，通过自建慕课的方式在超星泛雅平台建立了课程线上资源。为培养学生的自主创新能力，根据地理信息科学专业人才培养目标的需求，设计了创新驱动的轻量线上课堂，教学内容共11个章节，见表1。线上课堂以“轻量”与“创新”为特色，平均每个视频时长8～10分钟，视频教学内容不是原先单一陈旧教材的照本宣科，而是都通过精简和提炼，紧跟时代前沿，可概括为“少、精、新”。同时，提供了分型的上机实践训练指导，以及习题、测试等优质教学资源，方便进行抢答、随堂练习等课堂交互以及探究分析。

（二）“分型”：因材施教的个性化分型培养

设计了分型的上机实训指导，针对性强化科学思维培养和针对性地强化实践能力培养，提升学生的创新能力，如图1所示。分型实践训练分别注重编程算法的深度、编程开发知识的宽度，侧重于GIS理论与方法、GIS应用与开发，见表2。

（三）“探究”：问题引导的探究式教学方法

通过问题引导的探究式教学方法，让学生深入把握知识的脉络和内涵，培养学生解决复杂问题的综合能力。以高质量的问题引导学生思考，带着问题学习。问题引导的探究式教学设计实例，如图2所示。

通过探究式和个性化的智能交互，线上线下让学生积极思考和实践，把课本内容变成自身真正深入理解、掌握的活知识。教学形式呈现先进性和互动性，学习结果具有探究性和个性化，让课堂成为学生个性特长的彰显与能力发挥的平台。

（四）“轻量-分型-探究”：混合式教学

课前依托“轻量·分型”的线上课堂进行自主学习，打牢课程基础，培养学生自主创新能力。学生在课前可以充分利用线上课堂及教学资源进行充分学习，网络教学平台提供有学习指导、学习视频、章节练习、考试试卷、实验视频、文献资料、考研资料和精彩解题等内容，通过学习指导掌握正确的学习方法，主要目的是让学生在自主学习过程中，通过学习视频等掌握学科基础知识和操作，达成知识目标，培养自主创新能力。

课中进行轻量级的翻转课堂教学，后依托问题驱动的“探究”式教学法，让学生深入把握知识的脉络和内涵，培养学生科学思维与解决复杂问题的综合能力。在线上课堂及优质教学资源学习的基础上，让学生进行轻量级翻转教学，作为线上线下教学的衔接，能很好地发现学生线上学习中的不足，从而为教师进一步展开探究式教学提供方向指引；以高质量的问题引导学生思考，带着问题探究式学习，实现知识的内化，培养科学思维，培养进一步解决复杂问题的综合能力。

课后依托“分型”的实践训练，让学生在实践中实现知识的迁移和内化，培养学生的实践创新能力。通过针对性的实践训练，提高实践动手能力，发现实践中的不足，培养实践创新能力。通过在线作业、章节练习和考试试卷等达到巩固知识的效果，并分析统计学生在线学习时长、在线下作业完成情况、章节测验成绩等，掌握学生的学习情况。综合理论和实践完成情况，全面掌握学生的学习情况。通过科学引导，全面提升学生的实践创新能力。

（五）融入思政元素的实践案例

编排了思政算法实践案例，培养学生在学习GIS算法思想的同时领会如何树立正确的价值观，见表3。

GIS数据结构与算法课程的内容建设充分体现价值引领、能力培养、知识传授相结合，使学生具备宽厚的知识基础、突出的能力潜质和高尚的价值情怀，具有强烈的社会责任感、高度的创新精神、卓越的专业素养和过硬的实践能力。

（六）强化过程的考核方式

强化过程的考核方式，加强学习过程管理，建立科学合理的课程考核评价体系，建设非标准答案的探索性考试，提高考试质量。把科学思维训练融入到课程教学的全过程，要求学生对每节课程进行批判性分析，挖掘学生的思想火花；通过提出具有高度挑战性的问题，激发学生个性能力的发挥；通过课堂高度的竞争性，激发学生的学习兴趣。总之，激励科学思维、激励创新和实践、激励课堂表现，激励贯彻课堂全过程。因此，课程的考核不再通过传统的考试，而是强化过程考核。如图3所示。

强化过程的线上线下学习综合评价方法，包括以下两点。（1）知识水平与能力水平考核。强化过程的线上线下学习评价方法，包括教学任务点、章节测验、章节学习过程、课堂活动、作业和考核成绩，激励过程因素，反映学习态度、学习习惯、科学思维能力及创新能力。其中，学习过程包括教学视频学习的完成情况等；章节学习包括章节学习访问次数、频次、访问时间等，对于符合学习规律，不是临时抱佛脚的这部分成绩高一些；章节测验包括安排的章节测验完成情况等；课堂活动包括教学过程中进行的问卷、讨论、抢答及课堂互动等；作业情况包括教学过程中进行的作业完成情况等；测试情况包括期中测试和期末测试两个部分；线下学习包括线下翻转课堂表现等学习行为得分。（2）素养水平的考核。通过课程学习报告等形式，包括教学知识点及学习方法总结、心得和体会等，全面考核反映知识、能力和素质目标的完成情况。

二、教学实施效果

（一）实践创新能力培养的实施效果

从近年本校地理信息科学专业学生参与省级及以上专业竞赛获奖情况（见表4），可以一定程度上反映实践创新能力目标的达成情况。从表4可以看出，从混合式教学改革实践以来，2018级及以后学生，积极参加中国“互联网+”大学生创新创业大赛、Esri杯中国大学生GIS软件开发竞赛等各项专业竞赛，虽受到疫情影响，但是获奖人数占比却没有减少，反而增加，实践创新能力不断得到提升。

（二）素养培养的实施效果

从学生课程学习完成后提交的课程学习报告，内容包括教学知识点及学习方法总结与心得体会、兴趣培养等，可以反映素养目标的达成情况。从学生提交的课程学习报告中节选部分反馈信息，如图4所示，可以看出，本文提出的教学模式的实践，不仅提升学生的实践创新能力，而且潜移默化地影响到学生的成长。