全域精准教学模式探索——以《地理信息系统原理与应用》课程为例

朱骏，孔维华，程春梅，石亮亮，张煜洲

（1.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018）

《地理信息系统原理与应用》是测绘工程、地理信息科学、遥感科学与技术等专业的核心课程。2017年至今，笔者已给测绘工程专业讲授了5轮该课程。《地理信息系统原理与应用》课程具有知识面广（涉及计算机科学、地理科学、测绘学、空间科学、数学等多方面知识）、知识点多、应用性强（需要掌握一款功能强大的GIS软件，并能在实际工作中开展应用），而课时有限（本校测绘工程专业2017级人才培养方案中为56学时）的特点。近年来，相关学者在相同或类似课程中已开展了一些卓有成效的改革，如冯晓英[1]、王慧君[2]、魏朝晖[3]、张策[4]等分别在混合式教学方面开展了研究工作，具有较好的借鉴性；刘迎春[5]、刘献君[6]、于冰沁[7]、杜明义[8]等分别在个性化和分层次教学中进行了探索，为该课程改革提供了方向；王浩宇[9]、孙灏[10]、张迪[11]等分别对测量学、定量遥感、地图学课程进行了改革，取得了较好的效果，具有一定的参考性。因此，该课程的授课方式从最初的完全课堂讲授+机房上机的传统授课模式（2017年），到2018年的线上线下混合式授课模式，再到融入课程思政的模式（2019年），一直处于改革创新的探索当中。该课程先后被认定为2019年高等学校省级精品在线开放课程，2020年度省级一流课程（线上线下混合式）。该课程的最新教学组织形式——线上学习和线下混合教学安排如图1所示，主要分为课前、课中和课后3个部分，课前通过发放问卷进行精准学情分析；课中采用混合式教学和分层次教学的模式开展授课；课后通过多样化的评价体系，对学生的学习效果进行全方位评价，并接收学生的意见反馈，改进后面的教学工作。

图1 课程教学组织形式

目前公开发表的针对该课程教学改革的文献不多，如赵玲[12]、卿凤[13]等在宏观层面开展了课程改革研究；王琤[14]、王增武[15]等在翻转课堂、MOOC建设方面进行了探索；笔者在前期进行了基于在线课程的混合式教学研究，取得了一些成果[16]；但课程中同时开展混合式教学和分层次教学的研究非常少。因此，从2020年秋季开始，笔者在课程中开始进行全域精准教学模式的实践探索。本文提出的全域精准教学模式是指在《地理信息系统原理与应用》课程教学的全周期内（课前、课中、课后），通过分层次分难度教学的方式，达到精准教学目的的一种教学模式。该模式破解了以下困局：①应用型工科院校的学生，不同于研究型综合类大学的学生各种前置课程基础普遍较好，若知识点讲授面面俱到，学生很难全部掌握好，但要有所取舍，即略讲甚至不讲一些容易的其他课程重复的知识点，重点讲授难点，这个度把握不准确；②学生的学习水平和能力不同，总会有部分学习好的学生反映讲授内容简单了，上机练习容易了，而一部分学习相对落后的学生，仍觉得有点吃力，另外如何激发多数处于中游的学生的学习热情，让他们有更高的目标；③课程需要学生实现从基本原理到实践应用的跨越，依靠课上有限的上机练习（共12学时），学生GIS软件的操作水平很难与实际项目和工作要求接轨，也不易充分培养对GIS有兴趣的学生。

本文主要介绍了笔者在2020—2021学年第1学期首次开展全域精准教学模式的具体实践过程、思路和体会。针对应用型工科院校的定位和测绘工程专业的培养目标，探讨了如何通过精准教学实现更好的教学效果。

1 精准学前学情分析

1.1 授课对象

测绘工程专业2018级大三上学期学生的总人数为82人，其中男生46人、女生36人。在课程正式开始前，通过问卷星平台，向学生发放调查问卷，最终参与问卷调查的学生为71人。

1.2 问卷反馈情况

调查问卷共7题。第1题为对大学前两年学的《测绘学概论》《地球科学概论》《地图制图学》和《数字测图原理与方法》课程的总体掌握情况进行自我评估。回答情况如图2所示。该题着重调查授课对象的知识储备和基础，问题中所提及的课程均为这些学生已上课程和本课程的前置课程，课程中讲授的内容与本课程存在部分重叠，若学生整体掌握情况较好，则可在上课时精简相关内容，达到避免重复、节约课时的目的。该题的设置仍过于综合，可在下一轮授课的问卷调查中，将其拆开为若干个题目，精准调查学生对每门相关前置课程的掌握情况，以便更有针对性地安排授课内容。

图2 前置课程掌握情况

第2～4题分别为你心目中，什么样的课程最能吸引你？你接触过混合式（线上课程+线下课程结合，或者是传统课堂+翻转课堂结合）课程吗？你接触过闯关式教学吗？这3题均围绕教学模式或方式提问，旨在摸底学生对于即将到来的混合式教学的接受程度。第2题的回答情况如图3所示。调查结果表明，有1/3的学生希望课程简单易通过，从学生的角度看可以理解，但这正是目前国家一流课程建设中所指出的“反面教材”，即“水课”，教师们应避免自己的课程成为学生眼中易通过的“水课”；约有77%的学生上过两门及以上的混合式课程，说明学生们已接触过这种模式；有91%的学生没有上过闯关式课程，闯关式教学需要预先安排好各合理关卡，需要大量的前期工作，且大多数学生未接触过该教学模式，因此在本课程中尚未实施闯关式教学。

图3 学生眼中吸引人的课程

第5题为你最想通过《地理信息系统原理与应用》课程学到什么？回答情况如图4所示，可以看出，近70%的学生想学GIS原理和软件操作，作为本科院校学生，不仅要掌握软件操作，还要懂得背后的原理，这样才能适应将来继续升造的需要以及在就业岗位上有更好的发展。

图4 学生希望学到的东西

第6题为你最希望《地理信息系统原理与应用》课程的总成绩评价方式是什么？回答情况如图5所示，可以看出，大多数学生希望课程总成绩评价方式多样化，这正好与当下大学教育大环境对课程考核方式提出的要求契合。采用多元化考核方式，可以充分调动学生平时学习的积极性，提高学习效果。

图5 学生希望的课程总评方式

第7题为你对即将开始上的《地理信息系统原理与应用》课程期待吗？这道题主要调查学生整体对本课程的兴趣，超过81%的学生表示期待，说明学生整体还是对本课程比较感兴趣的。以学生兴趣为基础，加上教师对课程教学的精心准备，才有可能实现较好的教学效果。

2 分层次分难度教学

2.1 总体情况

本学期首次实施分层次分难度教学，即因材施教，是全域精准教学模式实施中的一种必要手段。

将该课程分成青铜难度（低难度）、铂金难度（中难度）和王者难度（高难度）3个难度等级。总成绩=（5%课堂考勤+15%上机+10%小组主题汇报或报告+30%在线学习）×K+40%期末考试。选青铜难度时，K=0.8；选铂金难度时，K=0.9；选王者难度时，K=1。因此，3个难度的总成绩分别为88分、94分和100分。3个难度的主要区别如表1所示。

表1分层次分难度教学难度区别

2.2 不同难度区别

本文重点阐述中阶和高阶区别。该课程包括3个主题的上机任务，共12学时，其中第3个主题的上机任务针对不同难度的学生分配不同的任务，选择青铜难度和铂金难度的学生，需在课程上机的规定时间内完成教师布置的一幅专题图的制作，并撰写实验报告，教师提供上机实验指导书，上面有详细的制图过程；而选择王者难度的学生，会在其他两个难度学生接到上机任务的前一周接到一个开放性上机实验任务，完成一幅自定主题的专题地图，即设计并制作一幅有特色的专题地图，同时完成一个上机报告，详细介绍该图的制作过程，包括选题原因、素材搜集、制作方法等，尽可能详细反映制作特色专题图全过程。通过开放式的上机任务，可以锻炼学生的创新能力和动手能力，让学习能力较好的学生得到更大的锻炼；同时相关专题图成果，经过进一步完善后，可参加每年3—4月的SuperMap杯高校GIS大赛的制图组比赛，可谓一举多得。另外，可从选择王者难度的学生中选拔一些学生参加SuperMap杯高校GIS大赛的其他赛道（如分析组和开发组）和校级、国家级大学生创新训练计划项目。

本课程第10章“GIS在行业和领域中的应用”授课采用翻转课堂的形式，以组为单位上台汇报，每组约5人，让学生们讲述GIS在行业和领域中的应用，每组学生讲清楚GIS在一个领域中的应用，汇报时长8 min，教师提问2 min。通过分组完成汇报的形式，培养学生团队合作意识、文献资料搜集归纳能力、演讲能力等，为将来学生的毕业论文答辩以及工作中向领导、客户汇报积累经验，锻炼胆量。选择青铜难度的同学，不用组队上台汇报，以上交一个5 000字以上的讲述GIS在某个行业和领域中的应用的报告代替。

3 学习效果调查与分析

整个学期课程结束后，对学生的学习效果进行调查与分析，以此作为进一步改进课程授课内容或方式的依据，与前述各环节一起形成教学闭环，是全域精准教学模式下，最后一环和相当重要的一环。

2020—2021学年第一学期期末考试后，向授课对象测绘工程2018级学生发放纸质问卷进行课程学习效果调查与分析，共77人参与了问卷调查。

第1题为对最新“线上+线下+课程思政+分难度”混合式教学模式的满意程度打分，平均分为4.29分（5分满分），表明学生普遍评价较好，接纳程度较高，但还有提升空间；第2～4题则对课程掌握程度进行了调查，结果如表2所示。

表2课程掌握程度情况

如果按照5分制进行换算，掌握程度80%～100%相当于5分，依此类推，掌握程度0%～20%相当于1分，那么学生对课程的整体掌握程度平均为3.935分，对理论知识的掌握程度平均为3.857分，对软件操作的掌握程度平均为4.234分。学生对课程的整体掌握程度平均约为80%，即每位学生平均约掌握了整个课程知识内容的80%，学习效果尚可。软件操作的掌握程度优于理论知识，这一点在预料之中，理论知识的学习确实比软件操作难，但这又是本科生与专科生的区别之处，重软件操作、轻理论知识的学习是专科学生的特点。

那么，究竟哪些具体章节内容的掌握影响了学生整体知识的掌握程度呢？笔者在问卷调查的第5题，通过填空题的形式向学生询问了本课程第1～9章内容的掌握程度。学生按照调查题目的要求，对每一章内容的掌握程度进行了打分，分数范围为0～5分，需要精确到小数点后一位。学生对各章节的掌握情况如图6所示。

图6 各章节掌握情况汇总

从学生的掌握情况来看，各章节掌握程度从第1章开始（为全课程最高点）依次下降，到第4章达到低点，然后逐渐上升到第8章，最后第9章陡然下降，达到全课程掌握程度的最低点。其原因在于，本校测绘工程专业大三学生编程基础普遍较差，且由于课时有限，第9章只安排了一次课，共2学时，在短时间讲透地理信息系统设计与开发难度很大。针对该情况，笔者认为在新一轮课程的授课中，可将这章内容去掉不讲，与其蜻蜓点水地讲一些皮毛，还不如把2学时放到其他更重要的内容上去；且测绘工程专业学生在大三下学期有一门《地理信息系统设计与开发》GIS方向课，学生可通过这门课掌握一定的GIS开发技能和知识。学生对第4章的掌握程度略优于第9章。其原因在于，空间数据库的授课内容比较抽象，且偏重于计算机底层，而测绘工程学生的人才培养方案中又缺乏相关前置课程；讲授过程中也缺少一些实际项目中应用的空间数据库实例。第1章为本课程学生掌握最好的一章，在意料之中，第1章主要介绍GIS的定义、组成、与其他相关学科的关系、与其他信息系统的区别与联系、发展与趋势、GIS常见软件等内容，均为比较浅显易懂的知识，因此掌握最好。第2章和第8章也是学生掌握较好的内容。其原因在于，学生在已学过的《测绘学概论》和《地图制图学》课程中教授过这两章内容，并非新知识，从一个侧面反映了学生更容易掌握反复出现的知识内容。

第6题为学完本课程以后，你对GIS的兴趣比起没有上本课程前，有怎样的变化？调查结果表明，71.4%的学生通过学习本课程，提高了对GIS的兴趣，这是一个很好的现象。俗话说“师傅领进门，修行在个人”，短短56学时的课程，不足以将GIS所有知识透彻全面地传输给学生，还要靠学生在日后的学习和工作中，自学掌握更多GIS理论知识和软件操作。

问卷调查的最后两题，安排了开放式的问答题，分别为请写一下你对本课程一个学期上下来的感受，希望写得越具体越好和请对本课程提出你的宝贵意见或建议，越具体越好。很多学生写下了自己的真实感受，并对本课程提出了宝贵意见。在寒假前，专门召集意见比较有代表性的学生一一进行面对面的交流，为本课程后续的持续改进，指明了方向。

4 结语

通过近年来课程教学的经验积累，尤其是全域精准教学模式的探索实施，明确了本课程需要进一步解决的问题和改革方向。

1）线下授课知识点仍然很多，课时有限，重点不够突出。需要借助在线教学资源，进一步凝炼线下上课的重点，必须有取舍，把难点讲透。例如，可将目前第9章地理信息系统工程设计与开发的教学内容删减；缩短第2章和第8章的学时，从8学时缩短为4学时；将第7章增加2学时，因为地理空间分析是GIS最有特色的部分，也是它的特长，增加的学时可以讲一些其他常用的空间分析方法。

2）本学期首次实施的分层次分难度教学，区分不够大，形似神不似。需要扩充在线课程题目和上机实验课任务数量，并设立上机考核环节，以满足不同难度教学的要求。将前述精减的理论课4学时全部变为上机实验学时，用以进行上机考核。根据全域精准教学的理念，采用分层次考核的手段，选择不同难度的学生的考核题目难度不同，这样可以有效避免传统GIS课上机实验，有实验指导书帮助，锻炼价值不够大的弊端。

3）课程学情分析仍停留在人工判断阶段（通过问卷调查，结果进行人工分析），缺少先进手段支撑。后续将开展人工智能在教学中的应用研究，可研发一个在线实时学情分析和学业预警平台，实现以下功能：通过与平台的交互，辅助学生选择课程难度；平台定期分析学生表现，自动给予后进学生提醒；结课后接收学生反馈，通过预先设置的教学效果分析模型进行自动分析，得出合理结论，辅助教师改进教学。