基于CDIO的環境信息系統課程的改革與實踐

陳燕 吳愛林 宋新山 佘秋明 王宇暉

摘要：基于CDIO工程教育理念，通過分析當前《環境信息系統》教學中存在的問題，對《環境信息系統》的教學大綱和專業內容、教學手段和方法、成績考核方式等進行了一系列的改革與實踐，既有效地擴展了課程的應用化程度，也以綜合的培養方式使學生在工程基礎知識、個人能力、團隊協作和工程系統等四個層面的能力得到了增強，提高了學生的培養質量。

關鍵詞：CDIO;環境信息系統;教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）08-0149-02

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。從2000年起，麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學首先創立了CDIO工程教育理念。近年來，CDIO教學方法在汕頭大學、清華大學等多所學校已取得良好的效果，深受學生和用人企業的歡迎。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程，其理念和方法值得在高等教育改革領域進一步推廣實驗[1]。

環境信息系統（Environmental Information System，簡稱EIS）是一門介于信息科學、環境科學和管理科學之間的新興交叉學科，是傳統科學與現代技術相結合的產物。它按一種新的方式去組織和使用環境空間信息，以便更有效地分析和生產新的環境空間信息;同時EIS的應用改變了環境空間信息的分發和交換的方式。它在30多年間得到了迅猛的發展，并廣泛應用于全球環境動態變化、環境污染物監測、環境影響評估、環境規劃與管理、環境立法等方面，成為一個多學科交叉的研究領域。本課程屬于環境科學與工程專業開設的專業基礎選修課程，選課的同學一致認為本課程在提高他們的科研素質和能力方面有很大幫助，特別是很多同學結合本課程學到的知識，在畢業論文和課外科技活動中進行應用，使得畢業論文的質量有明顯提高。但同時在教學過程中，由于大多數教師都是從高等院校研究生畢業后直接到教學一線，一方面教學經驗不足，一方面缺乏工程實踐經驗，大多只能按照現有的已出版的教材內容組織模塊化教學，以教師在課堂上講解和演示為主。環境專業的學生第一次接觸跨多門學科知識的環境信息系統專業課，被動地接受任課教師的模塊化講解。一方面學生缺乏獨立思考的時間與探索的機會;一方面也很容易讓學生感到頭緒紛亂，無從下手;尤其是實踐部分的教學內容可能與學校所在城市的實際環境問題應用相差較遠，學生容易產生厭學情緒，教學效果不夠理想。

為進一步提高本課程的教學質量和教學水平，需將CDIO模式引入環境信息系統課程，更新教師的教學理念，對教學大綱和專業內容、教學手段和方法、成績考核方式等方面進行改革，以期提高課程應用化程度，用項目化的專業知識教育來增強學生的綜合能力，提高學生的社會競爭力。

一、教學內容的改革

1.課程大綱方面：EIS屬于信息科技，發展變化速度快，教學大綱也要隨時變化和更新。通過對現有的教學大綱進行全面的修訂，建立環境信息系統本科課程新體系，根據專業的培養目標和CDIO教學模式，協調課程內容之間的關系，一方面突出EIS的空間抽象性強、應用范圍廣等專業特點;一方面以工程為背景，以實際應用為主導，把各個知識點穿插在工程中，突出EIS原理中教學和實踐重點，使學生形成系統的科學的方法論、認知論，充分培養學生的團隊意識、職業精神和高度的責任感。

2.專業內容方面：以理論教學知識要點為基礎，結合所在城市的主要環境問題的實際應用來安排工程實踐環節，合理分配、安排EIS理論、實踐教學的內容。①理論教學方面：EIS是GIS（Geographical Information Systems，簡稱GIS）在環境領域的專業應用和拓展，理論教學內容要突出GIS中的計算機和地學基礎以及GIS在環境專業中的應用，側重于講解環境信息系統是一個環境空間數據獲取、編輯、分析和顯示的系統。通過理論教學，使學生掌握環境信息系統的概念、組成、功能、環境空間數據的輸入與輸出、環境信息處理技術、空間分析方法、環境信息系統的設計、開發與評價等知識。了解環境信息系統在環保工作信息化過程中的重要性和環境信息系統的研究進展（包括我國環境信息系統目前存在的問題及未來發展趨勢）。對于需要掌握的重點、難點內容，主要由教師制作PPT在課堂上向學生講授清楚;對于只需了解的內容，若教學時間比較緊張，可以讓學生課下自學;若教學時間充足的話，可以在課堂上言簡意賅地講授清楚;也可以讓學生分組課下自己制作PPT，在課堂上講授，教師再補充糾正或以大家討論的方式完成學習。這樣既可以做到重點突出，又可以調動學生的學習主動性，提高學生自主學習的能力[2]。②實驗教學方面：實驗教學可以進一步鞏固和強化理論知識，是提高學生的實際動手能力和創新思維的重要環節。實驗教學的目的是使學生了解常見GIS軟件的功能，學會選擇和使用GIS軟件來解決環境領域的具體實際應用問題，讓學生熟練掌握環境空間數據采集、分類、編碼、拓撲關系建立的操作方法;空間數據及屬性數據管理，如數據轉換、裁剪、拼接和改變投影以及對屬性字段的維護等;并在此基礎上通過具體的項目應用，學習柵格數據再分類及柵格計算、空間數據插值分析方法，有針對性地開展疊加分析、緩沖區分析等空間分析方法。

實驗教學的內容分為基本技能和專業綜合實習兩部分，關鍵操作要點在機房重點講解、示范和指導;實驗作業讓學生課下獨立完成。其中綜合實驗是對整個課程知識的綜合實踐應用，對檢驗教學效果至關重要，是實驗教學內容的重中之重。在課程開始授課時就由學生自己分組提出綜合實驗題目、構想、方案，學生獨立完成，提交項目報告。實驗教學是培養具有創新意識的高素質工科學生的重要環節，一方面有利于培養學生掌握科學方法和提高動手能力，另一方面有利于學生素養的提高和正確價值觀的形成。

二、教學手段和方法的改革

1.多層次輔導。教師輔導和學生相互學習相結合。對于普遍存在的問題，教師統一對學生進行輔導。對于個別學生的問題，先讓學生自行思考、查資料解決問題;若個人還是無法解決，建議不會的同學主動向已經掌握的同學請教，實現學生之間的相互學習和切磋。這種方式既可以提高學生之間的團隊協作能力，又可以鍛煉學生的人際溝通和口頭表達能力。因環境專業的學生畢業后的選擇非常多面，對部分興趣濃厚的學生，可進行有針對性的輔導。如對學生進行GIS軟件的3D建模與環境輔助決策支持等方面的指導。

2.分組學習。GIS在環境領域的應用項目內容比較多，在學時有限的情況下，如果把某個項目整體交給學生直接做，學生往往會因難度過大而無從下手，打擊學生的積極性。教師可將項目分解成若干個子項目，剖析子項目間的關系，讓學生分別完成各個子項目，最后共同實現一個完整項目的完成。各個分組的同學一定要分工協作，明確每個組員的工作內容，同時推選一位責任心強的同學為組長，出現問題時能與教師及時溝通和配合教師解決各種問題，完成應用項目。通過此過程，既提高了學生的團隊合作精神和溝通交流能力，也有利于強化學生的工程思維培養和工程管理能力[3]。

三、成績考核方式

環境信息系統是一門理論與實踐、知識與能力高度統一的課程，旨在增強環境類大學生應用計算機技術處理環境信息及數據的應用能力。要達到預期的學習目的，考核方式不能采用傳統的“一張試卷定成績”的傳統考核方法，要改變傳統的“重知識，輕能力;重記憶，輕創新;重理論，輕操作”的課程考試方式和考試內容。CDIO標準中的第11條，要求學生的基本個人能力和人際能力，產品、過程和系統構建能力，以及學科知識都要融入到專業考核之中。在成績考核方面可以讓考試形式、考題類型多樣化。首先增大平時成績比例，對有獨立見解或創新的學生加鼓勵分，以論文、小測驗等方式引導學生重視知識的積累、能力的培養和創新精神的塑造，提高綜合素質;也可以給定環境問題，通過上機實際操作等形式考核;甚至通過某個科研課題或者文獻研究資料，啟發同學自己提出問題、分析問題，并給出解決的辦法。考核成績將平時考核（15%）、實踐環節考核（15%）、項目考核（20%）、期末卷面考試（50%）等結合起來，給出綜合成績。這種考核方法使學生成績的考核分布在整個教學過程中，有利于提高學生學習的自覺性和主動性，避免突擊應付考試的現象;同時提高了學生的應用理論知識來解決實際問題的能力，在實踐中增強了學生團隊協作、溝通交流、語言表達等職業能力[4]。隨著計算機信息技術的普及，環境信息系統技術在環境領域的應用越來越廣泛和深入。這就需要課程教師不斷更新教育理念和方法，通過總結以往教學經驗的優缺點，針對環境信息系統課程特點及教學過程中存在的問題，嘗試對環境信息系統課程進行了一系列的基于CDIO理念的改革與探索，有效地擴展了課程的應用化程度，調動了學生的學習積極性和主動性，增強了學生的工程基礎知識、個人能力、團隊協作和工程系統等方面的能力。

參考文獻：

[1]張運濤.基于CDIO工程教育模式的AutoCAD課程教學改革初探[J].安徽科技學院學報，2010，24（3）.

[2]聶俊麗.淺談地理信息系統課程本科生教學方法[J].科技視界，2013，（11）.

[3]馬春梅，高仲合，黃寶貴.CDIO模式下ASP.NET課程的教學改革與實踐[J].電子世界，2012，（10）.

[4]郭小平，張永恒.基于CDIO的Access數據庫技術與應用課程教學改革探索[J].榆林學院學報，2015，（2）.