基于創設項目的PBL模式在地理空間信息工程教學改革中的應用

吳 亮,郭明強,謝 忠

(1.中國地質大學(武漢) 信息工程學院,湖北 武漢 430074;2.國家地理信息系統工程研究中心,湖北 武漢 430074)

地理空間信息工程是研究地理空間信息存儲、處理、分析、管理、分發及應用的科學與技術，是測繪科學、信息科學、計算機科學、地理科學交叉發展起來的一門專業，利用測繪技術、計算機技術、網絡技術、傳感器技術和移動通訊技術，解決地理空間數據采集、處理、可視化、分析、表示和服務的工程技術問題，進行數字地圖設計，研發地理空間信息工程軟硬件平臺。在“智慧城市”和“新型城鎮化”快速發展的新地理信息時代，地理空間信息工程應用已經滲透到城市規劃、國土資源、水利、農業、林業、公安、交通等經濟社會的各行各業[1]。隨著我國地理信息產業蓬勃發展[2]，社會企事業單位、科研教學等機構迫切需要一大批具有自主學習能力、創新能力、實踐能力、團隊協作能力以及交流能力的地理空間信息工程技術人才。

以問題為導向的教學方法(Problem/Project-Based Learning，簡稱PBL)最早起源于20世紀50年代的醫學教育領域，發展于建構主義教育理念，是近年來國際社會普遍認同的一種研究性教學模式。它強調以學生為主體，以教師為主導，將學習與任務或問題掛鉤；鼓勵自主學習；激發學習者的熱情和興趣；倡導討論、思辨、合作、共享；鼓勵對學習內容和過程的反思，培養學生的綜合應用能力[3-4]。迄今為止，國內開展的PBL教學仍處于初級階段，且主要應用于醫學教育領域，而在地理空間信息工程教學中的應用較少。鑒于傳統教學方法存在的瓶頸，引入PBL教學方法，本文將PBL教學方法的精華與傳統教學方法相結合進行了應用探索，為進一步進行地理空間信息工程教學模式的改革提供理論依據。

1 PBL教學與傳統教學的區別

目前，傳統教學模式在各類高校中占據著主導地位。在傳統教學模式下，教師是教學的主體，具有絕對的權威，為學生做系統、細致的講解，學生只需順著老師的思路將知識點理解熟記即完成了學習過程，不需要過多的思考或者說根本沒有機會進行深入思考，發現問題，學習創新[5]。

而在基于創設項目的PBL教學模式下，以項目和問題為驅動，學生依據自己的興趣進行較為深入的科學實驗，是主觀的學術研究的需要；在導師的指導下，學生以小組的形式通過實驗過程及深入的思考構建獨有的知識結構，在對項目和問題進行研究的過程中學習專業知識并靈活運用解決實際問題，具有一定的實踐能力、團隊協作能力和創新能力[6]。這種教學模式與傳統教學模式有很大的不同[5，7]，下面利用表格的形式對比闡述PBL教學與傳統教學的區別(見表1)。

表1 傳統教學與PBL教學的比較

2 基于創設項目的PBL模式在地理空間信息工程專業中的應用

在地理空間信息工程專業，采用PBL教學方法，以問題、項目為驅動，要求學生靈活運用學過的理論知識和實踐技能去獨立分析和解決實際問題，使學生的實踐能力、交流能力、創新能力、自主學習的能力在創設項目、分析項目、實踐項目、評價反思全過程的實戰訓練中得到有效鍛煉和提高，其教學設計如圖1所示。

圖1 地理空間信息工程教學設計

2.1 創設項目

雖然PBL是一種以學生為主體，教師為導向的教學模式，但教師卻需要在教學前期投入更多的精力和時間做準備工作。為引導學生確定學習問題，教師選取教材的全部或者部分內容講授總論、重點內容和基本概念；借助網絡平臺，教師上傳自己錄制的專業課程微課視頻、收集的教輔材料和實驗工具。

項目的創設是PBL教學的起點，是PBL教學成功運行的關鍵一步。在項目創設上，應根據社會對人才的需求，本著因材施教的方針，綜合考慮學生的學習能力、特長、興趣愛好、志向抱負，幫助學生組建學習小組，引導學習小組創建高質量的問題。具體的方式則可以為：教師提供有針對性設置的問題/項目供學生選擇；也可引導學生們展開頭腦風暴式討論，列出自己感興趣的話題、任務和問題。

學生在選擇PBL學習問題或項目時，老師應嚴格把關，但在老師允許的范圍之內，可以滿足學生的興趣選擇，使學生能沉浸在快樂的氛圍中學習，最大限度地提升其自主學習能力、創新能力和實踐能力。教師在教學過程中重點要考慮，問題應能夠引出與所學專業相關的原理和概念，并且問題應來源于現實生活，具有較強的現實意義，激發探究問題的動機、興趣和熱情，同時問題應足夠復雜，具有挑戰性，促進自主學習[8-9]。

在教學的開展中，學生的分組基本強調自愿組合，從而形成的學習小組就是典型的異質小組[10]。從協作學習的角度來看，異質組更有利于融合各小組成員所擁有的不同文化背景，互相取長補短，提升學習效果。由于地理空間信息工程的跨學科性，各小組成員應具有不同特長，以利于活動的開展。在自愿組合的學習小組的基礎之上，教師應有意地加以干預和引導，針對小組成員的興趣愛好和個人優勢，使其成為異質組。

2.2 分析項目

各個學習小組所選擇的問題是不同的，各成員的子問題也是不同的，具體問題具體分析，分析的過程中必然少不了查找資料的環節，善于查找資料也應是當代大學生必備技能之一。作為教師，應教會學生如何利用學校已有的資源(教輔資料庫、文獻檢索平臺和網絡檢索工具)去檢索問題尋求答案的方法。這種“授之以漁”的方式雖然難以在傳統課堂教學中體現，卻可以讓學生體會自主學習的過程，使其終生受用。

圍繞自己感興趣的問題，小組成員從問題的歷史背景、現實意義、研究現狀等幾個方面自主性開展小組討論、分析，多角度、多方位思考，進行知識溝通和信息共享，最終形成一致合理的書面解決方案。

2.3 實踐項目

這一環節是PBL教學模式中的核心，也是區別于傳統教學的一個重要特征，學生學習的大多數知識點和掌握的專業技巧都在此環節中完成。地理空間信息工程是一門集地理、遙感、測繪、計算機、數學等多個學科為一體的跨學科專業，一個地理空間信息工程學習問題往往需要有各種專業特長的人交流探討、通力協作才能完成。其特點是具有很強的實踐性、應用性和協作性，其理論方法覆蓋廣、發展快，軟件更新換代頻繁。因此在問題解決過程中，學習小組需要花費大量的時間和精力廣泛學習理論方法，驗證工具的適用性，優良的方法、合適的工具往往能加快解決問題的步伐。這一過程中小組成員通過進一步分析問題、細化任務并逐步將之解決，新學習的知識得到了鞏固與理解，知識體系得到了修正和完善。

2.4 評價反思

傳統教學的評價模式通常比較單一，主要以考試成績或課程報告作為評價依據，是一種主要依據結果的評價模式。而這個結果中又無法充分體現出學生的其他學習能力，故容易埋沒某些學生的優勢能力[10]。PBL教學評價由老師、小組成員以及學習者自己共同完成，它既關注考核結果的評價，也重視學習過程的評價，將定量評價和定性評價相結合，彌補了傳統教學評價模式的缺陷。根據相關的評價結果，學生可以調整學習的進度、學習方法以及學習重點，教師適時地給學生必要的引導與控制，幫助其快速理解問題與獲得相關技能。

“學而不思則罔，思而不學則殆。”體現了反思實質上是學生與自己的一種對話，是一種深層次的自我學習。在解決問題的過程中通過學習與反思相結合，學生才能理解問題本質、內化知識。

3 基于創設項目的PBL教學在地理空間信息工程專業的實踐成效

在開展基于創設項目的PBL教學后，為了進一步了解學生的學習效果，量化教學成效，筆者針對所教授的兩個班50名同學設計了問卷調查。此次問卷調查以互聯網的形式進行，把問卷調查的網址發送到學生郵箱，邀請他們參與調查，有效問卷50份， 有效率為100%。經過分析調查結果，筆者得出基于創設項目的PBL教學的實踐成效主要體現在以下幾個方面。

3.1 學生實踐成果顯著

在教學實踐中，以筆者講授的《地理信息系統原理與應用》為例，以GIS基本原理為指導，以 GIS平臺 (MapGIS、ArcGIS等)為工具，以GIS問題為驅動，來進行教學任務的展開。表2總結歸類了部分學生的實踐成果并給出相應的案例。

表2 基于創設項目的PBL教學的實踐成果

采用基于創設項目的PBL教學方法教授課程設計，學生能夠很好地掌握地圖數據的采集與輸入、編輯與更新、存儲與管理、顯示與交互等基本GIS功能。如何將GIS應用于交通分析、門店選址和房價分析預測等問題受到學生的普遍關注。在項目問題的驅使下，學生會自主交流討論、深入學習GIS高級知識即空間分析方法，如緩沖區分析、疊置分析、網絡分析和空間統計并嘗試動手實踐問題。可見，基于創設項目的PBL教學方法可以很好地開展地理空間信息工程專業教學活動，鍛煉了學生的獨立分析解決問題的綜合能力，培養了學生的學習興趣，達到了預期的教學目標。

3.2 教學效果明顯改善

調查結果顯示，有76%的學生認為開展基于創設項目的PBL教學改革是有必要的(圖2)，并且88%的學生對教學的各個環節(設置問題、分析問題、解決問題、評價反思)都比較滿意，如圖3所示。在人際關系方面，通過頻繁的討論思辨、合作共享，同學之間更團結、親密，師生之間更融洽；在教學結果方面，有96%的學生成績優良(≥70分)，其中44%的學生成績優秀(≥85分)，詳見圖4。

圖3 教學環節的滿意程度

圖4 學生學習成績

圖5 綜合能力顯著提高

3.3 學生綜合能力顯著提高

在基于創設項目的PBL教學模式下，當學習小組遇到具有挑戰性的新問題時，激發了學生學習的自主性、積極性，必然會利用多種途徑尋求問題的解決方法，無形之中投入了更多的學習時間，正是這種忘我的學習，深入探究，交流共享，用孜孜不倦的態度來學習，幫助學生理解了問題的本質，培養了學生獨立分析解決問題的綜合能力。調查結果顯示，學生的各項能力均有一定的提高，其中團隊協作能力、自主學習能力及實踐能力顯著提高，詳見圖5、表3。在第二課堂，廣大學生踴躍參加全國GIS二次開發大賽、大學生科技創新項目、“挑戰杯”中國大學生創業計劃競賽等各種科技競賽，獲獎頗豐，較好的展示了學生的綜合應用能力。

表3 各項能力的提高程度 %

4 結束語

地理空間信息工程專業畢業生想要能迅速滿足社會和市場需求，高校必須大膽嘗試教學模式改革，更新教學思路，改進教學方法，使其貼近學生，適用于教師。PBL教學不僅幫助學生建立專業知識結構，讓學生能夠更好地掌握專業知識，即以解決問題為驅使，以主動學習為主，通過參與、探索、討論、共享，將各科知識融合，更深層次地理解掌握，而且在解決問題和學習的過程中培養復合型工程技術人才所必需的能力和素養。筆者將PBL模式應用于地理空間信息工程教學改革，取得了預期的教學效果。圖5顯示，創新能力和語言表達能力在這個過程中提升的相對較慢，同時為教學改良指明了方向，在今后的教學改革實踐中需要不斷豐富、改進與完善。