工程教育专业认证背景下GIS课程教学改革探索

冯徽徽 邹 滨 周晓光 张云生

1中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083

工程教育专业认证是我国近几年来工程教育工作中的重要内容，它依照国际通行的工程教育质量保障制度，以培养目标和毕业要求为导向，评价毕业生是否达到既定的质量标准要求，进而为人才培养与专业提升提供科学合理的建议［1，2］。其中，工程教育专业认证的毕业要求是面向产出教育模式（outcomes-based education）的通用标准要求，包括工程知识、问题分析等12条细则要求，也为各个教学环节提供了所须遵循的基本范式。自2016年中国正式加入国际工程教育《华盛顿协议》组织以来，众多高校陆续开展了工程教育专业认证，迄今已有227所高校共有1 170个专业通过了认证，极大推进了我国工程教育专业人才培养水平［3］。

作为测绘学、地理学、地图学、遥感和计算机科学等多学科的交叉学科，地理信息系统（geographic information system，GIS）已广泛应用于国土资源、位置导航与社会人文等诸多领域。在此背景下，越来越多的学校开设了GIS课程，为国家与行业培养了大批的优秀人才［4］。为切实提升测绘类、地理信息系统等专业的人才培养水平、适应行业发展需求，部分高校已开展了工程教育专业认证并在此基础上开展了相关课程的教学设计与改革，取得了一系列的成果［5，6］。

然而，由于工程教育专业认证时间较短，我国目前依然存在专业人才输出与行业需求脱节、人才实践创新能力差等问题，面向工程教育专业认证的GIS课程改革经验依然十分匮乏［5］。因此，进一步加强专业认证标准下GIS课程教学改革成为专业发展与人才培养迫在眉睫的问题。

本文从工程教育专业认证的通用毕业要求出发，从教学大纲、教学方法以及考试考核等方面研究GIS课程教学改革策略，为工程教育专业认证规划与实施提供了科学的借鉴作用，以期提升高校测绘类、地理信息类、遥感技术与应用类等方面专业人才的培养质量。

1 工程教育专业课程目标及认证要求

1.1 工程教育专业课程目标

GIS课程是众多高校地图学、地理学、遥感技术与应用、测绘工程等专业的必修课，课程主要目标在于使学生掌握利用GIS技术来解决空间数据管理、空间分析与应用等与地理信息相关的知识和技能，并具有建立中小型地理信息应用系统的能力。通过该课程的学习，使学生能够掌握在什么情况下需要选用哪种空间数据模型来解决相应的问题，并能够选择适当的实现方法，为后续《空间分析》《数字图像处理》《地理信息系统二次开发》《毕业设计》等课程学习提供专业知识与分析能力。具体来说，通过课程学习，须使学生达成以下3个目标：

1）课程目标1：掌握空间数据及其表达方法，包括矢量数据单元、栅格数据单元、矢量数据模型、栅格数据模型、数字高程模型等，空间数据查询与处理的基本算法，空间数据索引方法等；

2）课程目标2：具有根据空间问题选用合适的空间数据与数据表达模型、运用合适的GIS软件建立对应的地理信息平台以及利用GIS工具解决实际应用问题的能力；

3）课程目标3：具有一定的英文表达能力和英文检索能力。

1.2 工程教育专业认证要求

基于上述课程目标，需要进一步研究其对应的工程教育专业认证的12条毕业要求指标点，明确学生培养方向，指导后续课程的章、节安排等教学环节。相关研究指出［7］，战略性新型产业应用型GIS人才培养重点体现在协同创新能力、工程应用能力和科研实践能力的培养，从而服务于国家资源环境等管理与规划，促进可持续发展水平。这与专业认证毕业要求中的“环境和可持续发展”以及“沟通”指标点具有很好的对应关系，为进一步细化各课程目标奠定了基础。课程目标与工程教育专业认证毕业要求指标点的对应关系如表1所示。

表1 课程目标与毕业要求指标点的对应关系Tab.1 The Correspondence Between the Course Targets and Graduation Requirements

2 教学内容及其对应的课程目标

针对工程教育专业课程目标，进一步设计课程章、节及其教学内容（见表2）。具体而言，可从GIS数据收集、管理、分析和应用等4个方面将课程分为13章，在此基础上明确各章、节的教学内容、教学重点与难点。与传统教学模式相比，面向工程教育专业认证的教学模式最大的区别在于须将课程目标贯穿于整个教学环节，进而服务于专业认证毕业要求的具体指标点，提升教学的目标导向性，培养有针对性的专业人才。此外，各章、节须根据教学内容特点研究具体对应的课题目标及毕业要求指标点，突出特色与侧重点，避免不同章、节间课程目标的无差别全覆盖。

表2 课程内容设计及其对应的课程目标Tab.2 Course Contents Design and the Corresponding Course Targets

3 教学方法及其对应的教学内容

教学方法是教学实施环节的重要内容，需要结合各章、节内容的特点、难点与重点，从教学思路和教学模式两个方面探索最佳的教学方法。

3.1 教学思路

教学思路设计要求根据章、节的特色，具体细化其教学流程，包括问题的引入、各PPT页之间的衔接等。此外，教学过程中还须考虑思政要求的挖掘与融入［8，9］，提升学生自主学习的积极性。如通过演示典型地理信息应用系统来展示系统构成、特点、功能与应用领域，增强学生学习热情与自豪感；通过讲授和演示多个地理信息应用系统来加深学生对地理信息在资源、环境、灾害预警与救援等社会服务中的重要作用的理解；通过演示实验来加深学生对网络地理信息系统的基本概念、特点与功能的理解，通过研讨来探索未来WebGIS的新模式，加深学生的研究兴趣；通过结合应用实例来阐述商业地理信息系统评价体系，通过研讨来加深学生对评价体系指标的理解［10］。

3.2 教学模式

在教学模式上，采用多种途径实现“以教师为中心”向“以学生为中心”的模式转变，避免传统教师满堂灌的教学模式，采取课堂讲授、翻转课堂、任务驱动等多形式相结合模式，提高课堂教学的生动性、激发学生学习积极性。

1）对于基础知识，主要采用课程讲授的方式讲解GIS基本原理，并通过播放视频资料、图片和演示等方式加以讲解，强化学生的感性认识与理解，为其后续学习奠定扎实的理论基础。如在讲解栅格和矢量数据时，可通过同时展示卫星遥感影像和百度电子地图，介绍分辨率、拓扑关系等相关概念，增加其对GIS最常用两种数据格式的认知。

2）对于实践与讨论性课程，采用翻转课堂模式，课前向学生发放资料提前预习，要求其利用课堂学习对某一专题性内容提出解决方案，并在课堂上进行汇报，由教师对其特点与不足进行点评。利用该模式，改变了以往传统课堂以教师教课为中心的固有模式，使知识传递在课前完成，课堂时间成为教师为学生答疑解惑、学生与学生讨论，实现知识内化与巩固的时间。

3）针对部分学生积极性不高等问题，采用任务驱动的教学方式促使其主动学习。如通过课堂、课后作业的形式，促进学生进行适当地复习，同时根据作业情况检验其对课堂知识的掌握情况；针对GIS工程应用等问题，布置相应的专题，要求其自由组队共同完成系统开发、报告撰写等任务。通过任务驱动的教学模式，可大大提高学生实际动手能力，加深了对理论知识的理解，提升其学习和分析实际问题的能力。

4 课程考核及其对应的课程目标达成度

4.1 课程考核

考试考核是检验教学效果的重要方式，结合工程教育专业认证的要求，考试考核环节主要包括课程考核和目标达成度两个方面。

课程考核以考核学生能力培养目标的达成为主要目的，以检查学生对各知识点的掌握情况和应用能力为重点内容，同时需要明确考核对课程目标的支撑，为后期教学效果评估、针对性的进行教学改进奠定基础。

课程考核一般包括平时考核和期末考核两部分。平时考核评价由作业和实验构成，主要考核作业与试验结果、报告质量等（见表3）。期末考核方式采用闭卷考试的形式，系统全面考核学生对GIS课程体系的掌握能力。最终成绩为平时考核与期末考核的加权平均值。

表3 平时考核评分细则及其对应的课程目标Tab.3 Scoring Details in Daily Assessment and the Corresponding Targets

4.2 课程目标达成度

为定量化评估课程教学效果，须根据学生的最终成绩，开展课程目标达成度评价，包括课程分目标和课程总目标达成度评价，有效地解决了传统教学效果评价的主观性与盲目性，为课程持续改革提供量化评价标准。课程目标达成度计算方法如表4所示。

表4 课程目标达成度计算方法Tab.4 Achievement Calculations of the Course Targets

5 结束语

作为测绘学、地图学、地理学、遥感技术等专业的重要必修课，GIS课程教学改革对于适应新形势下国土资源环境等领域的专业性人才培养具有重要意义。工程教育专业认证的相关要求为其提供了切实可行的标准规范，有助于进一步促进人才培养要求。随着全国范围内工程教育专业认证的持续推进，势必强化课程教学改革广度和深度，全面提升GIS教学与人才培养水平。