基于CWSEI的地理信息系统课程教学改革探索

杜久升，雷志飞，袁占良，景海涛，程 钢，侯 争

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454003)

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)既是跨越地球科学、空间科学和信息科学的一门应用基础学科，又是一项工程应用技术。随着各个领域对GIS认知程度加深，GIS课程在不同专业背景、不同层次的高校中广泛开设，不同的定位、不同的需求共同催化具有差异性的GIS课程改革思路：“地理信息系统原理”类课程，注重将学生对理论知识的理解转化为对实际应用的分析，兼顾创新能力，采用项目驱动教学法、任务引领法、研究性教学等方法予以实现[1-3]；GIS实验课程是理论知识的巩固与升华，其研究探索更为广泛，涉及反转课堂教学、学习效果反馈、以学科竞赛促进实践教学改革、课程体系构建、考核制度建设[4-9]等多个方面；新工科、学科融合等背景下，以不同学科需求、不同行业发展背景为出发点，有针对性、有目的性地推进GIS课程改革[10-13]。综观当前GIS课程改革脉络，呈现：“偏重实验，理论略弱；以教为主，以学为辅；突出结果，淡化过程”的趋势。因此，如何“兼顾理论与实验，回归教学的本质”已成为推动GIS课程改革前必需解决的思考题。

卡尔·韦曼科学教育改革(Carl Wieman Science Education Initiative，CWSEI)是由2001年度诺贝尔物理学奖得主卡尔·韦曼自2007年倡导，依托加拿大不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia，UBC)开展的教学研究计划，旨在改善本科生理科教育。该计划完备的理论体系与方法支撑广泛且有效帮助包括UBC及科罗拉多大学在内多所大学的课程建设与改革[14-15]。

笔者以河南理工大学测绘工程专业开设的GIS课程为例，借鉴卡尔·韦曼科学教育改革理念与方法，探索突出“以生为本”的GIS课程教学思路，以期提升GIS课程教学效果，并为类似课程改革提供参考。

1 地理信息系统课程特点

1.1 课程目标与教学内容

河南理工大学测绘工程专业的GIS课程，以空间数据为基础，介绍运用系统科学和信息科学的理论与方法，进行空间数据的采集、处理和管理，空间数据的分析与综合研究，以及地理信息系统的建立和应用。课程的教学内容涉及32学时的理论学习、16学时的上机实验操作。通过该课程的理论教学与实验训练，使学生具备如下知识和能力：①掌握地理信息系统的基本理论与方法，能够从空间分析的角度研究测绘工程相关问题；②掌握地理信息系统软件ArcGIS的使用，应用GIS工具分析和解决与测绘工程专业相结合的实际问题的基本能力；③了解地理信息系统的应用领域，理解空间数据管理与分析的作用与意义。

1.2 教学效果与问题剖析

传统GIS课程采用“以讲解为主”的理论课程讲授方式，配合“以演示答疑为主”的实验课程讲授方式。如图1所示，以河南理工大学测绘工程专业近4届384位同学为例，除极少数学生出现“不及格”现象，四年的GIS课程成绩走势趋于平稳，平均成绩良好。

图1 近4届学生成绩分布

考试成绩是对学生短期学习效果的检测，后续应用则是对学生掌握水平的检验。例如：①备战考研过程中，暴露出少部分学生不能娴熟地运用GIS空间分析方法解决实际案例；②毕业设计与毕业论文完成过程中，暴露出少部分学生不能自如地以GIS视角剖析问题、解决问题。可见，课程学习效果应以学生对知识的内化程度作为衡量标准，以学生的“学习目标”为课程教学的出发点。暴露出的问题，是深入优化GIS课程教学方法的切入点，恰是反推教学设计的有力依据。

2 CWSEI教学改革理念

2.1 CWSEI改革定位

卡尔·韦曼科学教育改革(CWSEI)致力于改善本科生理科教育，已经在加拿大不列颠哥伦比亚大学研究、推广多年[16]。如图2所示，CWSEI通过四步法科学地提升教学效果。CWSEI教学改革的特色在于：以学生为中心，围绕学生要学什么、在学什么、如何学，遵循学习规律成体系地提升教学效果，充分体现“以生为本”的教育理念。

图2 CWSEI四步法

2.2 教改措施及实践意义

基于“以学生为中心”的理念，CWSEI教学改革体系在教学的不同环节建立、完善教学方法。

2.2.1 课堂组织方法

1)投票器。投票器(clicker)用于即时反馈学生对题目的判断结果、对问题的看法，其使用意义在于：调动学生的学习兴趣，促使学生参与到课堂活动中，以保证学习效果；同时，便于教师掌握学生对知识的掌握程度，适时调整授课方法。UBC的投票器是专门设备，结合我国网络课程平台蓬勃发展的现状，投票器的功能可借助网络学习平台中的“选择题”予以实现。尽管形式上是简单的选择题，但是投票器题目适用于由浅入深的不同学习阶段：阶段1，简单的事实问题；阶段2，更具挑战性的概念性问题，或者答案不明显且可以争论关键点的问题；阶段3，针对学生的学习材料，围绕一组充满挑战性的投票问题进行讲座。

2)专家组学习。专家组学习(Jigsaw)是一种小团体合作学习模式，学生有机会成为特定学科的“专家”，并与同龄人分享该知识。该学习方式适合稍有难度的概念性知识、复习性内容，是行之有效的同伴教学方式。通过3个步骤实现：首先，打破原有学习组，组成新的专家组，同一专家组学习相同内容；然后，学生从专家组回到原来的学习组，向组内成员汇报学习内容；最后，学习组内讨论各位“专家”所学习的内容。

3)教学可视化。将学习成果可视化，是学生知识输出的过程，也为学生之间交流搭建良好的平台。海报展示可用于课堂的研究与学习汇报，也可以配合细化的评分标准，用于阶段性或学期末的课程考核。

2.2.2 课堂评估技术

课堂评估技术(Classroom Assessment Techniques，CATs)是学生对阶段性学习的反馈，以学生为中心的再一项体现。评估技术形式丰富，例如：概念连线、列举重点、总结“我”如何学习等。其共同点在于：学生匿名回答，既注重反馈，又保护隐私。

2.2.3 两阶段考试

两阶段考试分两个环节逐步实现：①与传统考试模式相同，学生独立作答；②3～4名同学组成小组，再次回答相同或稍加改动的试题，此部分成绩占比15%～25%。从形式上看，两阶段考试的意义在于：兼顾个人成绩与小组成绩。但是，究其内涵，两阶段考试的根本优势在于：在小组讨论的思辨过程中，学生能够主动学习知识，加深理解程度。

3 教学改革思路

如图3所示，遵从“以生为本”的原则，分五步实现GIS课程改革。

图3 GIS课程改革思路

第一步：以学生为中心，建立适用于学生的可量测学习目标。将“理解、掌握、了解”等相对模糊的目标转化为“绘制、解释、分析”等相对明确的学习目标，引导学生有的放矢地学习。

第二步：以学习目标为依据，确定各部分教学内容预期的学习效果，并量化为可量测、可操作的题目。其意义不在于以分数检验学习效果，而在于能够转化为知识学习过程中或学习后的课堂活动。

第三步：以促进学生学习为目的，设置两阶段考试时间节点。按照课程进展，采用两阶段考试形式，在课程学习过程中设置3次测试。题目设置与预期学习效果密切相关，帮助学生在小组测试环节将原本未理解的知识点加以理解，将考试中未能解决的问题带到考试后予以解决。

第四步：以预期学习效果为导向，设计有趣有效的课堂活动。充分考虑学习内容的特点，慎重、得当地选用CWSEI中所采用的教学改革措施，例如：投票、专家组学习、海报以及课堂评估技术等。

第五步：梳理课程整体思路，充分设计利用第一次课，为后续课程开展奠定基础。在形式上，充分地运用课程拟采用的课堂活动，预习各种学习活动；在内容上，自然地通过活动引导学生思考得出课程的学习意义、内容与方法。

4 教学改革方案

剖析测绘工程专业学生的知识储备、学习需求，结合GIS课程特点，按照既定的五步教学改革思路，分层次、有针对性地逐步实施改革方案，如图4所示。

图4 GIS课程改革思路

方案以可量测的学习目标为起点，最终落点在于课程的“第一次课”。以学生的视角为切入点，第一次课是其对课程最初的认识，应充分利用这一良好契机，让学生被课程内容吸引、被课程形式吸引。首先，确定可量测的学习目标，注意增加学生学习课程的情感目标；其次，根据学习内容的差异，将其划分为：概念理解、数据编码、空间分析原理、软件操作、设计理念5个类别的预期学习效果；再次，依据学习进度确定3次阶段性测试的时间，测试均采用两阶段考试形式，以督促学生学习；继而，对照学习效果，对各章内容分类，根据类别特点设计课堂活动；最后，围绕学生“对专业的认识”“对课程的认识”“对课程的疑惑”，运用有效的课堂活动形式设计第一次课。

1)对于具有思考意义的题目，通过海报将学习效果可视化。如图5所示，学生分组讨论，并将思考所得书写、绘制在海报上，各小组将海报张贴在教室墙面或黑板上，以供同学们相互学习。这种形式可促进学生思考、交流、学习。

图5 海报展示学习效果

2)对于难度相当的知识点，采用“专家组学习”方式。GIS课程教学过程中，将经典“专家组学习”方法进行改进：在学生以学习组学习时，老师深入到学生中间，把握共性问题；学生分组学习后，老师再重点讲解共性问题。如图6所示，此方法得到学生好评。

图6 改进的Jigsaw学习评价

3)如图7所示，为学生设计“辅助学案”，帮助学生梳理课堂教学内容，同时，引导学生养成绘制知识点“思维导图”的良好学习习惯。

图7 辅助学案示例

5 结 论

以河南理工大学测绘工程专业的GIS课程为例，剖析GIS课程教学中尚待完善之处。借鉴卡尔·韦曼科学教育改革(CWSEI)“以学生为中心”的教育理念和教学措施，立足“以生为本”原则，依托2020年课程，探索并应用GIS课程改革五步法。课程改革取得一定成效：①学生的学习参与度显著提升，课堂活动平均参与度达97%，课后反馈平均比例达85%；②学生对课程满意度达99%，对师生互动满意度达98%，授课教师教学评价为“优秀”；③课程于2020年获评“河南省本科教育线上优秀课程”。

课程改革在以下几方面有所创新与发展：①提出GIS课程改革五步法，并应用于教学；②将两阶段考试引入到GIS课程教学中，弥补传统考试方式“以分数衡量学习效果”的弊端，使学生在小组讨论的思辨过程中，能够主动学习知识、加深理解程度；③将课堂评估技术应用于GIS课程教学，以达到及时获取学生学习效果反馈的目的；④综合运用投票器、专家组学习、教育可视化，以及辅助学案等多种互动性课堂活动形式，实现参与式学习。

课程改革尚处于探索阶段，实施过程中表现出两点不足：一方面，相比于传统讲授方式，教学活动的实施需要较长时间，教学进度比原有方式略慢；另一方面，现有研究侧重教学设计与教学方法，对课程思政内容有待丰富。鉴于此，后续研究将通过凝练教学内容、引导课后活动等方式缓解教学活动实施与教学进度延缓的矛盾，同时，以案例式教学自然实现课程思政，再以海报等形式实现教育可视化促进学生思考。