面向多专业背景学生的空间信息科学概论课程建设探索

陈 宇，孙久运，闫志刚，郎丰铠，冷海龙，李增科，李怀展

（中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116）

空间信息技术涉及航空航天遥感技术、全球导航卫星技术以及地理信息系统等专业领域，是当前人类快速获取地球动态和定位信息的重要手段，已成为当代发展最快、影响国民经济与人们日常生活最为深刻的学科领域之一，在全球环境可持续发展、自然资源开发与利用、区域和城市规划与管理和自然灾害监测与预警等诸多方面都有着十分广泛的应用[1]。因此，国内众多高校将空间信息科学与技术的相关课程作为测绘工程、地理信息科学及遥感科学与技术等学科专业的主干课程。同时，近些年一些高校（如中国矿业大学）开设了专业拓展课程体系，旨在提升各个专业学生的视野及其对跨领域知识的理解和使用能力。2019 年，中国矿业大学将空间信息科学概论作为专业拓展课程，全校各个专业学生均可根据个人知识背景及兴趣选择此课。然而，在多专业不同知识背景的情况下，我们并不能将惯常的面向测绘专业的课程教育大纲、教学方法以及讲授方式等简单地加以挪用。因此，如何建设适用于多专业背景学生的空间信息科学概论课程成为一个亟待探索的问题。

本文首先对选择此课程的多专业学生的基本情况进行分析，探讨学生个人知识背景、选课动机及学习空间信息科学概论所存在的问题；其次针对性地提出适用于多专业学生学习此课程的教学方法；再次设计教学内容，梳理教学重点，规划教学实施过程，针对学生特点及所采用的教学方法，提出一套合理的教学框架。

一、多专业学生基本情况分析

笔者自开课以来便担任本课程主讲教师，本部分基于笔者近两年的教学经验，对选课学生的专业背景及其特点进行分析与探讨。

（一）专业背景

根据两届学生信息统计其专业和年级分布情况，见表1、表2。

表1 2019-2020 年第一学期课程学生统计

表2 2020-2021 年第一学期课程学生统计

分析上表可知，在空间信息科学概论开课第一年，选课学生的专业分布主要集中在工程力学专业，个别涉及国际经济与贸易、数学、水文与水资源工程等专业，均为大学三年级学生。这主要是由于，学校根据培养方案和学生背景给每个专业推荐几门专业拓展课供选择，学生选课时可选择系统推荐的课程，也可自行选择其他专业拓展课程。而此课程正是工程力学专业学生的推荐专业拓展课程之一，大部分学生可能在不了解或未调研的情况下顺应系统推荐选择了此课程。而在课程开设第二年，选课学生的专业不在拘泥于推荐选课专业，而是变得更加多元化，涵盖理科、工科，甚至包括法学、文科类专业。这说明学生选课的自主意识更强，会参考个人兴趣和自身专业背景选课。另外，第二年选课的学生年级分布也不止局限于大三，大一、大二的低年级学生也在逐渐认识到本课程的重要性和意义。据笔者了解，大四学生选择此课主要原因是为完成学分要求，但均表示能在该课程的学习中拓展视野，并与所学专业建立联系。

（二）学生特点

基于对两届学生专业背景及教学经验的分析，总结参与空间信息科学概论课程的多专业学生特点如下：

1.缺乏先修课程基础

测绘学概论、地图学基础两门课程通常被作为空间信息科学概论的先修课程，该课程能为学生提供测绘科学及地图学相关的基础知识及专业词汇，进而有助于学生对空间信息科学概论知识的理解和掌握。然而，选择空间信息科学概论课程的多专业学生往往欠缺上述两门先导课程的知识，且自身知识水平和学习能力存在一定差异性。在授课过程中，如涉及到以先修课程知识为基础的空间信息科学概念，学生会明显感到吃力。

2.欠缺学习主动性

据笔者调查，参加课程的学生的学习动机主要有四种：（1）兴趣所在；（2）认识到课程的重要性；（3）他人或学院推荐；（4）为完成学分要求。其中前两种动机驱动下的学生往往表现出较高的主观能动性，如坐在教室前排，积极与教师互动，在随堂测试和课后作业中表现突出；而后两种动机下的学生则缺乏学习主动性，仅在涉及其感兴趣的知识点或与其专业相关的内容时相对积极。

3.论文写作能力参差不齐

本课程考核方式为论文撰写，分析开课第一学年提交的论文可知，学生的论文写作水平普遍较低，大多数学生并未接受过论文写作的相关训练，缺乏写作经验，特别是撰写非本专业领域论文的经验。

二、教学方法探讨

面向多专业学生的空间信息科学概论课程目标是使学生系统地认识当前空间信息科学的基本原理和主要方法，了解空间信息技术在现代文明中的应用和重要地位。只有在教学活动中充分激发和调动学生的兴趣和主观能动性，才能收获满意的教学效果。因此，针对课程现状及对参与学生情况的分析，提出以下教学方法，旨在更好地适应多专业学生学习空间信息科学知识。

（一）专业化课堂研讨

在课程中设置研讨环节有利于激发学生的自主学习意识，提高学生课堂参与度，培养沟通表达及创新的能力。选择课程的学生最关注的往往不是空间信息科学本身，而是空间信息科学如何与自身所学专业建立联系，以及空间信息技术如何在各自领域得以应用。因此，这是一个开展课堂研讨和报告的有利切入点。教师可根据选课学生的专业分布特点，预先设置若干研讨主题，如：空间信息技术在土木工程中的应用、空间信息科学与工程力学、空间大数据处理方法以及空间信息技术在抗击疫情中的重要应用等。由学生自愿组队，每组6～8人，各组成员可在教师设置题目中选择研讨主题，也可自行讨论确定题目。学生利用课余时间围绕主题进行调研探索、互动讨论，制作演示文稿，包含课题背景、内容、方法、结论和参考文献等部分，并在课堂上以报告形式进行分享和展示，并与其他组学生进行观点交流与探讨，最后教师进行归纳总结。同时设置各组之间就报告表现及讨论成果互相打分环节，与教师打分合并作为期末考核的一部分。

（二）信息化教学互动

传统课堂中的师生互动往往通过教师提问或点名，学生回答的形式，而实践中发现，相当数量的学生往往处于各种原因羞于开口，很难达到活跃课堂气氛的目的。随着信息化技术的不断发展，各种信息化教学工具涌现，如“微助教”“钉钉”“雨课堂”等。教师应充分利用此类工具提高师生互动的质量。如，“微助教”平台提供了匿名讨论模块，教师可借此设置讨论环节，鼓励学生利用手机等工具在平台上畅所欲言，这种方式可减轻学生的心理焦虑，增加学生的参与度。其次，在课堂提问环节，教师可采用“微助教”平台提供的随机点名形式，该功能配有振奋人心的背景音乐，有助于调动学生兴趣，缓解课堂倦怠，并使学生体验类似“过山车”的心理波动，进而提高学生在后续课堂中的专注力，因为每个学生都有成为“机选之子”的概率。另外，教师可利用“微助教”的“答题”功能或“钉钉”的“智能填表”功能预先设置课堂测试题，在课堂开始时发布，请学生作答，并利用平台的统计结果，针对性地解答，以达到知识巩固和复习的目的。

针对学生缺乏先导课程基础的问题，教师可课前对本节课中可能出现的模糊概念进行梳理，通过信息化工具调查统计学生对相关概念的理解程度，以便及时对教学内容的范围及深度进行动态调整。

（三）个性化科教融合

科研是教学的“源头活水”，是课堂的灵魂，只有将科研和教学有机融合，以科研成果支持和反哺教学，才能实现真正意义上的高质量教学，培养高素质应用型和创新型人才。特别是面向多专业背景的学生，前沿的空间信息科学知识、方法及其应用更能激发其学习的兴趣和主观能动性。笔者主要从事InSAR（干涉合成孔径雷达）理论及应用、资源环境遥感领域研究，主持国家自然科学基金青年项目1 项、江苏省自然科学基金青年项目1 项，在《Remote Sensing of Environment》《Geophysical Research Letters》《IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing》等国内外高水平期刊发表学术论文20 余篇，曾获省部级科技进步三等奖（R3）、江苏省青年遥感与地理信息科技奖。因此，笔者在空间信息科学领域有丰富的科研成果积累，在符合学生的认知能力和规律的基础上，可将其引入到实践教学内容中。如，在讲空间信息技术应用及其最新进展的内容时，可以结合InSAR 理论及笔者研究成果，介绍InSAR 技术在基础设施（如地铁工程）和矿区地表形变监测中的应用，这正是土木工程、工程力学、采矿工程等专业学生所感兴趣的内容。同时在此过程中，给学生渗透科学思维和科研精神，介绍科研论文写作方法和技巧。因此，实施科教融合不仅能有效提升本门课程的教学质量，也有助于为学生今后撰写毕业论文，乃至升学做研究奠定基础。

三、教学框架探讨

（一）教材选取

本课程建设初期从众多相关书籍及参考资料中筛选出两本候选教材，包括：（1）何勇和冯雷编著的《地球空间信息学基础》[2]，浙江大学出版社2010 年出版；（2）赵忠明、周天颖、严泰来等编著的《空间信息技术原理及其应用（上下册）》[3-4]，科学出版社2013 年（上）和2016 年（下）出版。其中《空间信息技术原理及其应用》系列图书分为上下册，虽内容丰富新颖，具有前瞻性，但上下册共二十八章，相对于32 学时的专业拓展课程而言，内容过于繁杂，因此开课第一学年选用了《地球空间信息学基础》作为参考教材。但是此书出版时间较早，书中部分概念相对滞后，与现代空间信息技术产生脱节，如对于3S 技术的概念仍停留在GPS（全球定位系统）、GIS（地理信息系统）和RS（遥感）的时代，并未引入除GPS 外的其他全球导航卫星系统（GNSS），如中国的北斗导航卫星系统（BDS）、俄罗斯的格洛纳斯导航卫星系统（GLONASS）和欧洲的伽利略导航卫星系统（GALILEO）。2020 年6 月，周艳、何彬彬编著的《空间信息导论》[1]于科学出版社出版，笔者研读了此书籍，发现其内容全面，系统性强，简明扼要且精炼易懂，适用面广。因此，最终确定《空间信息导论》为本课程最新的参考教材。

（二）教学计划

为充分符合多专业学生的特点和教学目标，结合选定教材，对原定教学大纲章节及内容进行优化，具体章节和内容安排见表3。

表3 优化前后教学内容安排

优化后的教学章节在尽量全面涵盖参考教材内容的基础之上，做了适当合并和增减，如第三章空间信息技术体系由空间信息获取技术、空间数据组织和分析技术和空间信息可视化技术合并而成；第四章除了教师主导讲述外，针对前文“专业化课堂研讨”内容增设2 个学时的专业化课程研讨环节，把主动权交给学生；第五章在讲述空间信息技术最新进展和发展趋势的同时，除了引入最新的北斗导航系统、无人机遥感、空间大数据和云计算技术外，将教师积累的科研成果带入课堂，寓教于研，教研相长。

（三）考核方式

为达到高质量的课堂教学，教师应建立合理的课程考核评价体系。开课第一学年，采用平时成绩占20%，论文成绩占80%的比例进行考核。但通过分析该学期学生的课堂表现可知，相当数量的学生因平时成绩占比过少而表现懒散，轻视出勤率。因此，笔者认为应采用多元化的考核方式，首先提高平时成绩的比例，如50%，将出勤、课堂研讨和报告表现、课堂测验及回答问题表现融入其中，采用小组互评和教师评价综合评价方式，保证其公平性。另外按学术论文的规格要求学生提交论文，如最低字数要求、参考文献数量和质量要求等。

四、结束语

空间信息技术是实现数字地球和智慧地球战略目标的重要技术支撑，是一个国家科技发展水平的重要标志。空间信息技术广泛的应用领域决定了它不仅是目前高校测绘、地理、遥感等相关专业的专业必修课程，也成为各行各业人才所应掌握和运用的理论与技术。面向多专业本科生的空间信息科学概论课程建设和改革要顾及多专业多背景学生的特点，突出理论与实践教学并重的理念，以空间信息科学技术与各专业领域的内在联系为重点，实施科教融合，寓教于研的教学策略。本文提出的课程建设和改革方案在第二学年的教学实践中得到了较为满意的效果。