翻轉(zhuǎn)課堂在地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)與實驗課程中的探索實踐

佘曉君 周廷剛 于文憑 李曉璐 田永中

[摘 要]翻轉(zhuǎn)課堂模式將教學(xué)流程由“先教后學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋葘W(xué)后教”，將學(xué)生轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)活動的主體，實現(xiàn)了教學(xué)流程的逆序創(chuàng)新，是對傳統(tǒng)課堂講授模式的一種改革。本文對翻轉(zhuǎn)課堂模式應(yīng)用于交叉學(xué)科地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)與實驗課程中的必要性及具體設(shè)計實施進(jìn)行了探索。具體實施階段分為教學(xué)準(zhǔn)備階段、信息傳遞階段、應(yīng)用消化階段和綜合評價階段。通過設(shè)置對照實驗，表明翻轉(zhuǎn)課堂模式的教學(xué)對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、思辨能力和創(chuàng)新能力等，都有積極的促進(jìn)作用。

[關(guān)鍵詞] 翻轉(zhuǎn)課堂;地理信息系統(tǒng);本科教育;地理學(xué)

隨著高等院校地理專業(yè)課程改革與建設(shè)，地理信息系統(tǒng)學(xué)科應(yīng)運而生，是近20年來迅速發(fā)展起來的一門介于地球科學(xué)與信息科學(xué)之間的新興專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科。對廣義地學(xué)體系來說，它將地學(xué)空間數(shù)據(jù)與計算機技術(shù)相結(jié)合，通過系統(tǒng)建立、操作與模型分析挖掘出對資源、環(huán)境、生態(tài)、區(qū)域規(guī)劃、管理決策、災(zāi)害防治等方面的有用信息，已成為推動現(xiàn)代地學(xué)發(fā)展的強有力技術(shù)工具，并成為地理、地質(zhì)、測繪、資源、環(huán)境等越來越多學(xué)科專業(yè)開設(shè)的本科基礎(chǔ)課程[1-3]。對專業(yè)地理學(xué)科體系來說，掌握地理信息系統(tǒng)原理與方法，為深入學(xué)習(xí)區(qū)域規(guī)劃、地理教育學(xué)及地理信息系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計等應(yīng)用地理學(xué)方面的課程提供基礎(chǔ)知識支撐，是整個地理學(xué)科體系的入門課程之一。

在多年的課程教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)存在如下一些問題。首先，學(xué)生教育背景差異大。高等教育中的地理科學(xué)授予的學(xué)位為理學(xué)學(xué)士，然而高中地理屬于文科科目，這就導(dǎo)致了一個班級中學(xué)生有文有理，文、理學(xué)生的先導(dǎo)基礎(chǔ)差別較大，理科考生缺乏相應(yīng)的地理學(xué)背景，文科學(xué)生缺乏相應(yīng)的數(shù)理邏輯背景。進(jìn)一步考慮學(xué)生的生源地等背景情況，發(fā)現(xiàn)東西部教育資源不均衡帶來了學(xué)生基礎(chǔ)的一些差別。所以，使用統(tǒng)一的課堂講授無法較好地滿足不同教育背景學(xué)生的需求。其次，教育更新速度滯后于行業(yè)發(fā)展。中國的地理信息學(xué)科起步較晚，于1980年代才從國外引入，近30年來借助于計算機技術(shù)的大力發(fā)展，地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)蓬勃增長的應(yīng)用趨勢。但計算機及依賴其成長的技術(shù)的更新周期越來越短，現(xiàn)階段教育培養(yǎng)的更新頻率明顯滯后于行業(yè)發(fā)展的速度，導(dǎo)致學(xué)生對課堂上講授的內(nèi)容學(xué)習(xí)積極性不高[4]。最后，中國人口基數(shù)較大，高等教育規(guī)模大，地理專業(yè)師資配比相較于國際發(fā)達(dá)國家而言比較低，學(xué)生課堂上得到的關(guān)注度不高，不能很好地因材施教，粗放型教育轉(zhuǎn)型比較困難[5][6，7]。

具體到課堂的反映來說，傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)與實驗分為理論課和實驗課兩部分。理論課教學(xué)采用傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式，即以教師講授為主，上機實踐以教師演示、學(xué)生自主操作和答疑模式進(jìn)行。理論課堂上學(xué)生的參與感不強，聽課專注力不高，師生互動不足，留給學(xué)生自主學(xué)習(xí)鍛煉機會較少。上機課堂中學(xué)生按照老師的講解和實驗方案進(jìn)行實驗，由于課堂時間有限，學(xué)生對于方案背后的原理思考不足，導(dǎo)致無法脫離實驗方案進(jìn)行自主實驗方案的設(shè)計和實施。此外，傳統(tǒng)模式中老師是主體，學(xué)生缺乏自主意識，課程學(xué)習(xí)隨著課堂的結(jié)束而結(jié)束，課后缺乏自主的思考與探索，思維發(fā)散度不高，導(dǎo)致對知識的理解不深入，實際動手能力欠佳。

上述問題表明地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)方式的改革勢在必行。如何設(shè)計針對不同背景學(xué)生的地理教育模式，如何更好地結(jié)合當(dāng)下地理信息產(chǎn)業(yè)前沿發(fā)展方向，如何更優(yōu)質(zhì)的配置教師資源，如何培養(yǎng)學(xué)生掌握地理信息系統(tǒng)的原理，具備熟練的GIS軟件操作技能，針對實際地學(xué)問題具備創(chuàng)新性的解決方案，使之適應(yīng)現(xiàn)代地學(xué)的發(fā)展需求？這些都是教學(xué)改良應(yīng)該考慮的要點[8，9]。

一、翻轉(zhuǎn)課堂的理念

翻轉(zhuǎn)課堂起源于美國科羅拉多州的林地公園高中，2007年，化學(xué)老師Jonathan Bergmann和Aaron Sams偶然想到一個點子，他們將課堂講授的內(nèi)容錄制成視頻，初衷是讓缺課的學(xué)生得以在家學(xué)習(xí)，結(jié)果受到學(xué)生們的一致歡迎[ 10 ]。翻轉(zhuǎn)課堂的基本思想是采用“課外傳授知識，課上內(nèi)化知識”的策略開展教學(xué)。在課外，學(xué)生通過微視頻自學(xué)基本知識，有效地實現(xiàn)新知識的原始積累。在課上，教師安排學(xué)生開展協(xié)作探究式活動，并當(dāng)面解答學(xué)生的疑問，促使學(xué)生加深對知識的理解[ 11，12 ]。相比于傳統(tǒng)教學(xué)，翻轉(zhuǎn)課堂具有以下優(yōu)點：（1）能夠引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，學(xué)生易于根據(jù)各自的學(xué)習(xí)狀況和特點，自由控制微視頻播放的時間、地點、進(jìn)度和頻次，滿足不同背景學(xué)生的個性化需要，從而提升學(xué)習(xí)效果，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。（2）在傳統(tǒng)課堂的講授教學(xué)中，學(xué)生是被動的吸收者，且由于學(xué)生剛接觸新知識，無法進(jìn)行深入的思考，導(dǎo)致師生之間的互動較少。在課后，學(xué)生做練習(xí)出現(xiàn)問題時無法及時同教師進(jìn)行深入的交流討論。翻轉(zhuǎn)課堂調(diào)整了教師在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的次序，當(dāng)學(xué)生完成課外自學(xué)，獲得基礎(chǔ)的新知識后，教師與學(xué)生再開展課內(nèi)教學(xué)活動，通過交流互動，教師協(xié)助學(xué)生完成知識內(nèi)化。（3）在知識共享的大背景下，翻轉(zhuǎn)課堂使得教師能夠利用網(wǎng)絡(luò)獲取各種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，博采各家所長，整合成更適合本專業(yè)學(xué)生的資源，微視頻免除了教師講授的任務(wù)，從而使教師能集中精力設(shè)計和組織課堂教學(xué)活動，更加注重學(xué)生吸收和內(nèi)化知識，提升了學(xué)習(xí)的深度[ 13 ]。

二、地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)與實驗翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)計及實踐

相較于傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)與實驗課堂將理論課和實驗課分開，翻轉(zhuǎn)課堂是將課堂分為課上和課下。課程核心內(nèi)容主要分為三大部分：空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、輸入與處理;空間分析;空間數(shù)據(jù)可視化、輸出。翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計主要分為以下四個階段[ 14 ]：

（一）教學(xué)準(zhǔn)備階段

教學(xué)準(zhǔn)備階段發(fā)生在課程開始前，教師要完成對翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)設(shè)計工作。教學(xué)設(shè)計是基于教學(xué)目標(biāo)，考慮教學(xué)對象（學(xué)生）、時間及內(nèi)容的情況下，制作整理課下學(xué)習(xí)內(nèi)容（PPT、微視頻、電子讀物、網(wǎng)絡(luò)資源、測試題庫等）、設(shè)計課堂活動（主題任務(wù)、分組機制、活動指南、評價量規(guī)等）和教學(xué)環(huán)境配置（教學(xué)裝備、在線平臺、網(wǎng)絡(luò)資源等）。教師可以廣泛地收集國內(nèi)外優(yōu)良素材，配合章節(jié)的性質(zhì)輔以不同形式的學(xué)習(xí)資料，比如緒論主要介紹學(xué)科的定位、歷史發(fā)展，可以推薦學(xué)生閱讀地學(xué)開拓科學(xué)家的傳記，如陳述彭著述的《石堅文存》，在擴展信息量的同時對學(xué)科有更宏觀的背景理解;另一方面，翻轉(zhuǎn)課堂弱化了課堂上老師不同的教學(xué)風(fēng)格，可以實現(xiàn)資源的高度共享。比如，可以集合同一教研組的人力資源一起進(jìn)行教學(xué)工作的準(zhǔn)備，在一定程度上節(jié)約了教師的時間投入。教學(xué)準(zhǔn)備階段是翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的前提保證，奠定了后續(xù)學(xué)習(xí)能否順利進(jìn)行的基調(diào)。

（二）信息傳遞階段

信息傳遞階段主要發(fā)生在課下，針對相應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生自主規(guī)劃學(xué)習(xí)素材、學(xué)習(xí)節(jié)奏、風(fēng)格和呈現(xiàn)知識的方式，觀看視頻課件，收聽播客，查閱網(wǎng)絡(luò)資料，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)討論，進(jìn)行測試練習(xí)，通過這些方式達(dá)到對知識的初步記憶和理解，完成信息的傳遞。沒有了課堂時間、地點的限制，面對多樣化的學(xué)習(xí)資料，學(xué)生可以選擇自己喜歡的學(xué)習(xí)形式如觀看視頻等進(jìn)行學(xué)習(xí)，提升了學(xué)習(xí)的興趣和廣度。比如軟件操作較多的空間分析部分，通過前期的教學(xué)準(zhǔn)備階段，將內(nèi)容分解為內(nèi)容明確的短視頻，學(xué)生可以自由調(diào)節(jié)播放倍速，邊看邊實踐。此外，沒有了教師的參與，學(xué)生之間可以更自由地討論自己的觀念，針對分歧會自主地進(jìn)行探尋，使信息的理解更趨向于深入。信息傳遞階段是學(xué)生翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)的第一站，教師要積極構(gòu)建良好的傳遞介質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)良好的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。

（三）應(yīng)用消化階段

應(yīng)用消化階段主要發(fā)生在課堂，是學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與老師之間互動的主要場所，老師通過作業(yè)練習(xí)、提問、課堂討論、小組項目、反思總結(jié)等形式，檢查學(xué)生對前一階段習(xí)得知識的掌握情況，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入的應(yīng)用和分析。同時，教師需要對學(xué)生的疑惑、小組討論做精心的準(zhǔn)備和細(xì)致的觀察，真正做到因材施教。該階段旨在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效益，達(dá)到知識的內(nèi)化吸收狀態(tài)。如在學(xué)習(xí)了多種空間分析方法后，引導(dǎo)學(xué)生以小組形式開展項目——堰塞湖災(zāi)害評估，從空間數(shù)據(jù)獲取、輸入、空間分析一體化的解決方案，提升學(xué)生解決實際問題的能力。

（四）綜合評價階段

綜合評價階段是對學(xué)生信息傳遞階段以及應(yīng)用消化階段成果的考察，一方面，老師通過學(xué)生作業(yè)練習(xí)、回答提問、課堂討論、小組項目情況評估學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況;另一方面，學(xué)生通過個人講述、學(xué)習(xí)匯報、自我評價、小組互評等形式對學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行交流和評價，在深化學(xué)生對知識的理解力的同時，對翻轉(zhuǎn)課堂各階段進(jìn)行總結(jié)評價及不斷完善。良好的評價機制可以更好地反饋教學(xué)準(zhǔn)備階段的不足，對于翻轉(zhuǎn)課堂的良好運作和正向發(fā)展必不可少。

三、翻轉(zhuǎn)課堂取得的改革成效

本課程教學(xué)改革在2017年秋季學(xué)期進(jìn)行試點研究，選取的人數(shù)、男女比例、生源背景等基本一致的同一專業(yè)兩個班級學(xué)生進(jìn)行對比實驗，分別進(jìn)行傳統(tǒng)授課模式和翻轉(zhuǎn)課堂模式的課程教學(xué)，翻轉(zhuǎn)課堂模式班級下文一律稱為實驗班，傳統(tǒng)授課模式班級下文一律稱為對照班。經(jīng)過一學(xué)期的傳統(tǒng)講授與翻轉(zhuǎn)課堂對照實驗，對兩個班的期末考試成績進(jìn)行了統(tǒng)計分析。

統(tǒng)計結(jié)果表明實驗班的平均成績普遍優(yōu)于對照班。對照班地理信息系統(tǒng)基本原理卷面成績平均分為75.69，而實驗班平均分為78.20，高出對照班2.51分;對照班地理信息系統(tǒng)上機實驗卷面成績平均分為85.52，而實驗班平均分為87.88，高出對照班2.36分。各分?jǐn)?shù)段內(nèi)學(xué)生成績?nèi)藬?shù)占比分布如下表1所示。從中可以看出，高分段（≥90）實驗班學(xué)生人數(shù)比對照班學(xué)生人數(shù)占比高8.6%（原理）和13.2%（實驗）。在優(yōu)良分段（>=80分）實驗班的人數(shù)比對照班學(xué)生人數(shù)占比高6.6%（原理）和2.5%（實驗），說明實驗班學(xué)生在知識掌握深度上優(yōu)于對照班學(xué)生，成績好的學(xué)生通過翻轉(zhuǎn)課堂成績向高分段提升。低分段（≤69）實驗班學(xué)生人數(shù)比對照班學(xué)生人數(shù)占比低3.4%（原理）和3.8%（實驗），說明低分段學(xué)生在翻轉(zhuǎn)課堂模式中也能有受益。

此外，通過整理分析學(xué)生平時上交的作業(yè)和最后提交的地理信息產(chǎn)業(yè)調(diào)研報告，發(fā)現(xiàn)實驗班學(xué)生在設(shè)計項目方案時的創(chuàng)新意識更強，而且對于整個地理信息行業(yè)的了解更加深入，能夠更加客觀全面地分析和評價各個行業(yè)公司，體現(xiàn)出較強的思辨和綜合分析能力。

四、結(jié)語

翻轉(zhuǎn)課堂模式將傳統(tǒng)的以教師為主體的學(xué)生被動學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體的主動學(xué)習(xí)，教師引導(dǎo)學(xué)生深入探索研究主題，學(xué)生從教學(xué)對象轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)中心，積極建立自己的知識結(jié)構(gòu)，以更加自主的方式參與并評估自己的學(xué)習(xí)。與此同時，教師針對學(xué)生的情況因材施教，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，提升整體的課程學(xué)習(xí)效果。

本文初步建立了一套翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于地理信息系統(tǒng)基本原理與實踐課程的從教學(xué)準(zhǔn)備、信息傳遞、消化內(nèi)化到綜合評價階段的實施方案，結(jié)合今后不斷深入的課程改革，將不斷細(xì)化知識點，配合有效的測試，高效的講解和討論，更具目的性的分組項目，進(jìn)一步提高課上時間的學(xué)習(xí)效果，不斷細(xì)化課程考核指標(biāo)，建立更加全面深入的翻轉(zhuǎn)課堂評價體系。同時，細(xì)致深入地對學(xué)生的接受程度、知識掌握效果和時間花費情況進(jìn)行反饋收集，最終將改進(jìn)后的較成熟的翻轉(zhuǎn)課堂模式推廣到更多本科生的教學(xué)上，在提高成績的同時培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和辨證思維意識。

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