嵌入CDIO和MOOC的“环境信息系统”教学模式

崔耀平等

摘 要： 环境信息越来越被人们所关注，“环境信息系统”也日渐成为环境科学相关专业的基础课程，该课程侧重环境、时空分析等。作为一门新兴的交叉课程，如何在系统教学中，更高效地带领学生掌握先进的知识和技能成为了教学改革的重点。以CDIO工程教育理念为载体，结合MOOC式网络教学，针对该课程的自身特点和教学现状，探讨教学新方法，并尝试构建环境信息系统的教学新模式，以期能为该课程的教学提供有益参考。

关键词： 工程教育； MOOC； 教学改革； 环境信息

中图分类号：TN911.72 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2015）05-69-03

Abstract： Environment events are more and more concerned by the people， "environment information system" has become the basic course in environment science related major， the course focuses on the environment， temporal and spatial analysis etc. As an interdisciplinary course， how to lead the students to master the advanced knowledge and skills in the teaching process has become a key point in teaching reform. This paper， in order to provide a useful reference for the teaching， with the idea of CDIO engineering education as carrier， combining MOOC network teaching type， according to the characteristics and teaching situation of the course， discusses and tries to structure a new teaching mode for environment information system.

Kew words： engineering education； MOOC； teaching reform； environmental information

0 引言

随着计算机、互联网以及云技术的发展与普及，电脑和移动终端日益成为大学生常用的信息获取方式，高校的传统教学模式日益显露出弊端。在新的信息化背景下如何对现有教育模式进行改革一直是众多学科关注的重点。

环境信息系统作为一门新学科，涵盖了计算机、环境科学、地理信息系统以及遥感技术等内容，其教学仅照搬传统模式将无法真正体现其先进的应用和实践性特点，这也是该学科教学中亟待解决的重要问题。当今世界迅速掀起的CDIO工程教育模式（Conceive构思，Design 设计，Implement 实现，Operate操作）和大型开放在线课程（Massive Open Online Courses，MOOC）教学浪潮，以其先进的创办理念和独特有效的教学方式给这一问题带来了新的解决思路[1]。

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。2000年，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究，经四年探索，创立CDIO工程教育理念，并成立了国际合作组织（http：//www.chinacdio.cn/）。CDIO的系统设计理念非常契合环境信息系统的设计流程，而对工程式学生的要求也完全满足这门课程的开设预期目标，即侧重培养学生的动手和实践应用能力。MOOC是指世界名校和名师开设的网络课程（http：//mooc.guokr.com/course/）。MOOC以其大量优质的教学资源和便利新颖的学习方式，在短时间内赢得了来自世界各地师生群体的认可，被人们称作“慕课”[2]。这种在线课程教学模式也对当前的环境信息系统教学给予了很多启示。现在虽然还没有名校名师开讲环境信息系统的慕课，但相关基础知识在网络上已有很多开放的资源。

基于以上分析，在环境信息系统教学中合理利用和实践CDIO工程教育理念和MOOC式网络教学思想，不仅可以有效提升学生的知识获取和实践动手能力，同时还能对其通过网络终端来及时掌握国际前沿知识动态提供条件。本文基于CDIO和MOOC，从两者与环境信息系统的契合关系出发，尝试构建环境信息系统教学改革的新模式，以期能为该学科高效的教学工作提供理论和逻辑支持。

1 CDIO及MOOC的发展

CDIO和MOOC作为两个当前教育非常著名的教学理念，已经成为高等教育史上的一种现象，也很可能成为一种未来的教学趋势所在。CDIO和MOOC各自从提出到推广实施，所用时间非常短，但发展和影响力迅速扩大。基于现有热度和教育实践的成效来看，CDIO和MOOC已经无可争议地成为了高等教学中的发展趋势之一。未来一段时间，工程式的系统培养方式和开放式的知识学习方式将对教学和培养模式产生很大的冲击力。

CDIO教学不仅继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念，更重要的是其系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的标准。瑞典国家高教署2005年采用该标准对本国100个学位计划进行评估，结果表明，新标准比原标准适应面更宽，更利于提高质量。迄今为止，已有几十所世界著名大学加入了CDIO组织，且取得了良好效果。在中国，2008年，教育部确定了第一批18所CDIO试点高校名单，同年出现探讨CDIO的硕博论文，截止2014年已有3700多篇文献探讨CDIO在中国相应学科教学培养的实践应用（见图1）。

几乎与此同时，2008年，由加拿大的戴夫·科米尔和布赖恩·亚历山大根据网络课程的教学实践提出MOOC这一术语。2011年，斯坦福大学将三门课程的教学视频免费发布到网络上。同年底，斯坦福大学创办的MOOC平台——Udacity，至今已超过80万人注册，覆盖190多个国家[3]。自此，在世界范围内掀起了一场MOOC学习热潮，2012年也被称为“慕课之年（Year of MOOC）”。国内的尝试也于2012年逐步兴盛，根据在中国知网以“MOOC”为关键词的查询结果，2012年之前没有相关报道，2012年当年有9篇；2013年，期刊论文、学位论文、报刊等涉及MOOC的超过200篇；2014年，已有超过1200篇的文章被检索出来（图1）。

这些研究从MOOC教学与传统教学、其发展特征、教学体系构建，到云共享平台、开放学习、翻转课堂等，涉及到MOOC的方方面面。同时，北京大学、清华大学为代表的国内一流大学，也开始了MOOC教学模式的探讨和构建。由此可见，MOOC带着强大的颠覆力和冲击性走进了教学。

2 环境信息系统新教学模式的构建

2.1 环境信息系统与CDIO和MOOC的关联

环境信息系统重点介绍环境信息系统相关的基本概念、基本原理、技术手段，以及方法、途径和应用。具体内容包括：基本概念、数据结构和数据库、环境信息的获取与组织管理、系统开发、环境信息的标准化等。环境信息系统的教学安排如表1所示。

环境信息系统教学安排比较系统，而对应CDIO教学理念可以得到充分的运用，CDIO所提倡的构思、设计、实现、操作等工程式的教学管理模式不仅可以充分保证学生的理论和实践知识得到掌握，还可以帮助其提升整体素质和专业应用水平。同时，MOOC提供了创新的教学方式和相关学科的庞大教学资源，现有的开放资源包括：数据、课件、微课、文库、课件库、公开课等，全球和中国当前巨大的资源量和知识库为学生的学习提供了有效保障。因此，我们在对CDIO这个理念和MOOC教学精髓进行全面理解和应用的基础上，完全可以嵌入CDIO和MOOC来开展环境信息系统的教学工作，走出一条属于适合该学科的人才培养模式，具体对应的教学方式参见表2。

正如表2所展示出的CDIO和MOOC与环境信息系统课程的关联那样，CDIO框架下，在MOOC式自助学习和网络资源的整合学习基础上，该培育模式不仅包括了基础知识的培养，还直接对接了社会和企业对大学生的毕业素养需求的培育，使之通过课题和项目的完整参与和最终完成，能初步实现对社会需求的环境事件做出系统的专业分析和有效的知识应用。

2.2 环境信息系统的教学新模式

环境信息系统是一门理论与实践相结合的跨学科高校课程[4]。该课程的总体教育目标是使学生能够：掌握深度的基础知识和技能；系统考虑、进行研究、解决问题的专业能力；在团队里的有效交流；实时环境事件下的系统构思、设计、实现和管理。

这里我们借鉴麻省理工学院的学科专业培养模式[5]，提出如下新模式，以供在日后教学和培养环境信息系统专业人才中提供理论基础。根据对CDIO和MOOC与环境信息系统课程的关联分析（表2），依照培养目标把本课程的教学进一步分解为4大类16亚类的具体目标，以衡量学生在专业方面的所知和所能。如图2所示，第1和2项为基础支撑，第3项为综合素养，第4项为最终的实践应用，综合考核中合并了理论和实践目标。

这16项具体目标分列如下。

⑴ 具备深厚的技术基础知识。具体包括三个层次，依次为：展示运用基本学科知识的能力，包括地理信息系统、遥感、环境科学等；数据结构、数据库、图像处理、计算机等方面的核心基础知识和原理；展示在数据融合、建模、空间分析、系统开发等方面专业工程知识。

⑵ 研究问题、解决问题、系统思维及掌握的其他个人、专业能力。包括了5个亚类：分析和解决课题或教学案例问题；对问题进行探寻和实验；整体和系统地思考；掌握成功进行实践所需的个人能力；掌握成功进行实践所需的职业素养。

⑶ 在团队分组里的有效交流和工作。包括了：在团队中领导和工作，以及以书面形式、电子形式、图表和口头等方式进行有效的交流。

⑷ 构思、设计、实现和运行。包括了6个亚类：认识到社会环境在实践中的重要性；欣赏不同的文化背景且在不同的分组中顺利工作；构思系统包括制定要求、界定功能、建模和管理；设计复杂系统；实现软硬件过程和管理执行程序；运行复杂系统、过程和管理运行。

3 结束语

作为一门与高科技、新技术、信息化结合紧密的专业课程，当前环境信息系统在教学和培养学生过程中存在不少问题。在教学时往往对学生强调课本知识点的重要性，而忽略了知识的实时性；教学方式相对生硬，且很少重视实践技能方面。这些问题在信息化与教育变革大背景下，尤为突出。

CDIO的工程培养理念保障了教学工作的高效性，加之MOOC教学模式的开放性，增强了学生的自主性。教学新模式实施过程中，要求教师：①在充分掌握学科的基础知识和先进技能的基础上，灵活运用“翻转课堂”方式；②要求学生能够具有较强的知识接受能力和主动探索能力，不能局限于教科书，积极主动发现和解决问题，提升自身综合素养和专业能力。这种新型教育模式下，学生思维方式和实践能力均可得到大幅增强，并通过吸收先进教育理念，能使师生之间共同进步，真正做到教学相长。同时，也应认识到，当前对该课程的教学模式改革仍需更多的实践支持，以为后续更新和更有效的教学改革提供现实依据。

参考文献：

[1] 邵兰洁，马睿，鲁小利，母俐丽.软件开发类课程群CDIO模式教学改革研究与实践[J].计算机时代，2014.12：64-66

[2] 王左立.MOOC：一场教育的风暴要来了吗？[J].中国教育网络，2013.4：11-15

[3] 陈肖庚，王顶明.MOOC的发展历程与主要特征分析[J].现代教育技术，2013.23（11）：5-10

[4] 罗辅英.高师院校非GIS专业环境信息系统教学的思考[J].大学教育，2013.9：116-117

[5] 顾佩华，陆小华.CDIO工作坊手册[M].汕头大学出版社，2008.