基于共享教学法的数字地质填图教学系统设计与实现

2016-12-01杜群乐王占刚杨洪军

中国地质教育 2016年3期

关键词：教学系统教学法教学内容

杜群乐，王占刚，杨洪军

中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083

教学方法

基于共享教学法的数字地质填图教学系统设计与实现

杜群乐，王占刚，杨洪军

中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083

随着“3S”技术的发展，数字地质填图技术成为野外数据采集和国土资源调查的趋势，并逐渐应用于国内外高校地学教学过程中。本文运用共享式教学理念，结合地质填图特点及数字地质填图软件的共性设计并实现了基于共享教学法的数字地质填图教学系统，并应用于京西地质实践教学中。实践证明，将共享教学法引入地质填图实践教学中，能够提高学生的学习兴趣及自主性，加强学生的地质填图技能，培养学生的沟通及团队协作能力；同时，有助于教师对教学方法的改进以及教学效果的评估，为教学安全提供保障。

共享教学法；地质填图；教学系统

contributing student pedagogy; geological mapping; teaching system

一、前言

实践教学是保证地学教育质量的重要环节，尤其野外地质填图方法和技术是所有地质类专业学生必须掌握的基本技能[1-2]。但当前地质实践教学多采用类似课堂的填鸭式教学法，学生处于被动获取知识的阶段，不利于学生自主思考能力和创新能力的培养与提高。现代构建主义、共享式教学理念主张“以学生为中心”，认为学生是实践教学的主体，教学不仅仅传授学生知识，而且更应该教会学生发现问题、思考问题的能力[3]。共享式教学法（Contribution-based Pedagogy）最早由哈默（John Hamer）等人提出[4-5]，强调学习者充分利用数字化技术创建和共享学习制品，通过学习者之间的交流与评价达到相互学习的目的，促进知识的合作建构。随着现代教育的网络化和数字化发展，为共享教学法提供了更加开放广阔的平台，教师和学生都可通过网络环境分享学习资源，进行资源共创，丰富教学环境。

传统的地质填图与地质调查主要是通过连续的野外地质路线观察和观测，将点位及界线标注在地形图上，把描述性信息记录在纸质的记录簿上[6]，这种方式在数据采集方式、精度、存储以及后续利用等方面存在诸多缺陷。随着“数字地球”、“数字国土”战略的启动和实施，数字地质填图技术成为野外数据采集、国土资源调查的趋势[7]。近年来，高校地学实践教学中也逐步引入了数字地质填图系统，比如2005年中国地质大学（北京）将中国地质调查局开发的RGMAP数字填图系统升级为教学系统，并在周口店地质实习过程中使用，这些高新技术的应用促进了地质填图教学方法的改变，取得了较好的教学效果[8]。

然而这些用于实际地质调查的地质填图系统并没有充分考虑教学特点，只是将原来纸质记录变成了数字化输入，利用网络传输进行数据集中存储和绘图。而作为教学系统，还需要考虑教学路线的设计、教学内容的更新维护以及教师之间的教学交流等。野外实习的学生根据教学任务进行自主填图，学生之间可以通过教学系统对某一地质问题进行实时讨论，教师进行引导。学生在对不同问题和资源进行分享交流的同时，还需要

考虑到教学权限的分配，防止教学资源以及实习学生之间进行教学内容的抄袭等。

本文依据共享教学法的教学理念，结合地质填图特点及数字地质填图软件的共性，设计并实现了针对地质专业学生的野外数字地质填图教学系统（eField）,系统包括移动端和网页端两部分，移动端基于Android开发，负责野外信息采集、教学数据共享，网页端负责数据的管理及查看。

二、基于共享教学法的地质填图教学系统设计思路

共享教学法强调参与、分享，即学习者参与知识构建，并与他人共享学习资源与学习制品。将共享教学法引入到地质填图教学领域既需要具备基本的地质填图工作需求，又需要满足教学需求。

1.确定基本地质填图功能

系统首先具备地质填图的基本功能，根据教学的需要主要考虑以下特点。

（1）采集数据主要包括空间位置、地质要素及现象的地质语义描述和空间形态(点、线、面)信息，此外还包括辅助信息，比如图片、周围环境的描述等[9]。

（2）系统采用客户端+服务器的架构，数据管理方式上采用数据库集中式进行管理和维护，客户端通过无线网络将采集数据实时上传到中心服务器。

（3）客户端需具有体积小、重量轻、功耗低，易于携带，工作时间长的特点，适用于各种恶劣环境和复杂地形。

（4）操作界面和功能设计满足地质信息和矢量点、线、面地质信息的可视化化输入、存储、管理功能。

（5）能够实时获取高精度的空间定位信息。

（6）数据导出为标准格式，可被专业地质绘图软件制作图件使用。

2.确定教学内容以及共享教学功能

目前高校野外地质填图教学主要包括教学路线和独立路线，学生分组按路线进行地质现象的观察和记录,所以系统需要永久保存教学路线，同时针对当年的学生自主填图路线进行实时维护。教师和学生在填图中都可以实时将看到的地质现象进行分享和问题分析，教师、学生之间可任意互动交流。此外，还需一些教学监视和评价功能。具体包括以下内容。

（1）教学内容。将实习区主要地形以及地质路线的所有信息进行保存，并随着教学地质认识的加强进行更新。这部门内容只能教师之间进行浏览和分享，以及专业探讨，相互提升教学水平。这属于教师层次的共享。

（2）学习路线设计。学生根据当天的教学任务自主进行路线设计，按基本填图要求采集地质信息。该信息只能该组学生可见，教师可见。这属于教师和学生层次的共享。

（3）公共资源设计。在全系统中共享所见地质现象、发布地质问题或者观点，所有人可进行浏览以及评价。这属于所有参与人员层次的共享，完全公开的交流和讨论。

（4）教学监控。教师可实时获取当前学生所在路线以及位置，对于发现学生“偷懒”或者偏离路线，教师可以远程提醒学生。属于学生位置信息的共享。

（5）教学分析。帮助教师了解教学效果，通过学生所提问题进行分析，适当增加基础专业知识统一讲解以及集中教学。

3.开发原则与可行性

在以上功能需求思路基础上，还需要根据教学环境以及教师、学生的特点进行可行性分析方面的考虑。为此设计思路上坚持：简单实用、低成本和易于维护的原则。

（1）终端设备的考虑，成本主要在于教学设备。单独购置终端显然不可行，因此，利用教师和学生手中的智能手机等便携式设备是可行的，为此，本系统主要基于Android进行APP开发，UI布局采用主流简介风格，便于操作。

（2）网络环境与成本的考虑，由于地质实习区位于山区，网络信号不稳定。同时，频繁的数据上传和下载数据，尤其是地图和图片类数据，会耗费大量流量，增加学生的成本。为此，本系统采用静态数据和动态数据结合方式。静态数据保存在本地，比如离线地图；动态数据，则是根据需要和信息提示自主进行下载。

（3）数据管理方式，复杂的数据管理等采用网页方式开发，尽量减少终端运行的压力。同时，采用电脑等可访问网页便于系统的维护。

（4）用户的差异性，教学系统比起一般的数字地质填图系统，需要考虑系统使用者的身份，即教师和学生的区别。这样根据身份差异，进行功能上的限制，即需要合理的教—学互斥机制。

三、地质填图教学系统框架设计

1.系统框架

根据设计思路，将整个系统的框架设计为三层结构，如图1。

图1 地质填图教学系统结构图

表示层是用户和系统交互的界面，通过运行Android上部署的本系统APP与服务器进行通信。此外，浏览器客户端为数据管理、分析提供支持。业务层处理表示层的各种请求[10]，主要包括用户验证、来自用户的数据更新、查询以及位置获取请求。数据层主要存储各种采集数据以及返回请求所需的数据，包括用户信息、空间信息、属性信息以及用户在讨论交流过程中产生的图片信息等。

目前本系统的业务层和数据层都利用云计算平台进行部署，便于维护。

2.系统模块划分

根据设计思路和系统框架，将系统模块主体上划分为三个部分组成（如图2所示）。

填图模块实现地质填图的基本功能，创建各种教学路径以及学习路径。地质填图过程中采集的数据内容包括文字性的描述信息，如路径的描述，路径点的类型、点位信息、属性信息等，还有矢量图形信息，如点状的路径点、观察点、自由点，线状的路径、自由边，面状的自由多边形；数据管理包括用户数据、路径数据的增加、删除、更改等操作。数据的存储有离线终端存储和在线的远程服务器存储两种形式，使软件适用于各种野外环境。

图2 地质填图教学系统模块划分图

教学模块包括教学引导和教学监督。教师用户通过查看教学路径，从整体上把握填图区域、路线及内容，起到了一定的教学引导作用；另一方面，教师用户通过位置追踪实时获取学生位置信息，为教学安全提供保障的同时还可以监督学生的填图进度，是否偷懒等。当然，通过查看学生路径还可以及时发现填图过程中的错误，帮助学生用户及时改正。

交流模块以实时会话的形式为用户提供了一种动态的交互方式。在该模块中，用户可通过发起评论与其他用户建立讨论区，用户通过反馈评论各抒己见、广泛交流，提高了填图的趣味性，增加了用户的积极性，在一定程度上启发了思考。

3.教—学互斥机制

教师和学生的身份差异是本系统区别单纯地质填图系统的一大特点。基于共享教学法的地质填图教学活动包含两个部分：教的共享和学的共享，教的共享针对教师与学生之间的共享，包括教学内容、学生空间位置、填图状态、疑难问题等的共享；学的共享是所有学生、教师间的共享，共享内容是问题和讨论内容，是一种多对多的共享方式。本文通过以下访问控制机制实现教与学共享的区分，防止学生越权访问、篡改教学数据或其他非法操作破坏系统，影响教学效果。

（1）身份认证。在主登录界面需要用户提供用户名和密码与数据库中已登录的合法用户进行验证匹配，完成身份识别。对于新用户注册,需经系统管理员审核认可后方可注册，或由教师用户及管理员提供用户名和密码。

（2）权限控制。系统的用户包括管理员、教师用户、学生用户，不同的用户具有不同的权限。健全的权限控制和交互限制机制不仅能提高系统安全性，还能在充分提高教学效果的前提下实现填图数据的共享和填图过程中的沟通互动。

学生用户访问及交互权限（图3）：首先，学生用户只能创建学生路径，便于路径管理；其次，在访问权限上，学生用户只能查看已公开的教学

路径，避免相互抄袭、不主动思考，以及提前知道教学内容，丧失学习兴趣、积极性；在以上权限限制下，学生用户可通过发起评论功能将自己的填图经历，观察到的特殊地质点、地质现象，甚至疑问其他学生进行讨论、交流，充分发挥共享式教学的优势。

图3 地质填图教学系统用例图

教师用户及访问权限（图3）：教师的权限高于学生。首先，教师用户能够访问所有教学路径，通过查看教学路径了解其他教师的教学内容并进行讨论，取长补短，避免因专业限制、经验不足遗漏教学内容；其次，教师用户能够访问所有学生路径，从而实时地了解学生的学习动态，便于及时地做出反馈，提供意见以及做出教学上的调整，同时位置追踪功能可以查看当前学生位置，有效的管理学生活动。

四、应用

以京西地质实践教学为例，整个教学过程分为3个阶段（图4）：

图 4 地质填图教学流程图

准备阶段：调研填图区现状，对地质地形特征做前期分析，学习地质填图系统及野外填图其他工具；教师进行教学内容及过程的设计。该阶段是理论共享阶段，共享内容为理论知识及学生对填图过程的认识。系统为用户提供填图区域遥感影像及地形图。图5为教师用户在卫星切片底图上进行填图路径及教学内容设计。

图5 填图路径及教学内容设计图

野外填图阶段：学生记录并分享填图路径、路径点、兴趣点及各种地质现象，与同伴、教师交流，提出疑问，解答反馈问题；教师通过教学追踪及学生互动记录，了解每位学生的填图进度，及时纠正问题，必要时修改教学内容。在此过程中，学生用户创建路径、记录路径点信息，同图5a和图5b；下载并查看教师创建的公开路径，在

公开路径及个人路径的“观点”功能下以添加笔记的形式与教师用户进行知识的交流与提问，如图6a；针对典型地质现象与其他用户进行自由讨论，如图6b；教师用户则通过实时查看学生空间位置及填图内容等了解学生的填图状态及知识的掌握情况，如图6c。该阶段主要体现了共享教学的特点，提高了学生地质填图趣味性，锻炼了学生的沟通及团队协作能力。

资料整理、教学评估阶段：将野外获取的资料整理成图，并对学习过程、学习成果进行评价，提出意见及建议，撰写报告；教师对学生进行打分，如图7a，评价教学效果，提出教学改进意见。该阶段为成果共享阶段，通过反思与对比，学生明白自己的不足，对填图内容进行补充学习。此外，管理员用户对数据库中的路径及用户进行增删改操作，如图7b和图7c。

图6 野外地质填图阶段系统使用效果图

图7 教学评估阶段系统使用效果图

本文对参与京西地质实践的32名学生进行了问卷调查，通过学生的使用体验及学习效果来评估该系统的使用效果，问卷内容及统计结果如表1所示，每条调查内容包括1～5个等级：5为“非常同意”，4为“同意”，3为“中立”，2为“不同意”，1为“非常不同意”。

问卷结果显示，所有学生一致认为共享教学法对地质填图教学非常重要，90%以上的学生认为在共享教学中其他学习者为自己的学习带来帮助，同时自己能够帮助其他学习者。共享教学在实践中也提高了学生的沟通、协作及分析能力。

五、结论

本文将共享教学法的教学理念融入数字地质填图系统，设计并实现了针对地质专业学生的野外地质填图教学系统。实践证明，将共享教学法引入到地质填图教学中，提高了地质填图的教学质量。学生之间、师生之间的互动交流与及时反馈不仅增强了学生学习的积极性、主动性，锻炼了学生的沟通和团队协作能力，提高了学生地质填图技能及对专业知识的理解。

另一方面，基于共享教学法的地质填图教学系统使教师能实时获取学生的位置信息及学习进度，加强了对教学过程的掌控，及时帮助学生更正填图过程中的错误，答疑解惑。教师之间也可通过该系统进行知识交流和经验分享，进一步完善教学方法。