“遙感地學應用”課程混合式教學模式初探

劉美玲，吳 伶

（1.中國地質大學 北京信息工程學院，北京 100083）

近兩年，教育部先后發布了《教育信息化2.0 行動計劃》和《中國教育現代化》等文件， 明確指出教育教學需與信息技術深度融合。2020 年初在新冠肺炎疫情全球蔓延的背景下，大學教師有序開展線上網絡課堂（網課）教學，大力推動了“互聯網+教育”的發展。在“互聯網+”時代下，多數學者認為混合式教學在未來會成為大學課程教學的主流方式，是未來教育的發展方向。所謂混合式教學模式，是一種基于網絡學習與課堂教學相結合的教學情境，既發揮教師的引導、監督和啟發作用，又激發學生在學習過程中的主動性和創造性，混合教學模式的重點在于教授學生怎樣去學，而不是如何教授學生知識[1]。

一些學者認為，地理信息科學同時具有工具學科、工程學科和橫斷學科三大特征[2-5]。“遙感地學應用”作為地理信息科學的專業基礎課之一，該課程具有多學科交叉融合性、理論性和應用性并重，技術發展和更新速度快等特點[6]。“遙感地學應用”課程教學目標是讓學生在掌握遙感基本原理、圖像分析技術和算法與地學規律的基礎上，運用遙感理論、方法和技術解決各類復雜地學問題，培養學生的全面專業素質，激發學生的自主性，提高學生的就業競爭力。但目前“遙感地學應用”課程在教學中還存在如下問題：①教學時數少，教學內容繁重。“遙感地學應用”課程在大多數高校課時數為32～48 學時，但其教學內容涵蓋遙感信息分析的基本方法，以及土地覆蓋與全球變化、植被與生態環境、水體與水環境、地質和城市與人居環境等地學應用。②學生前期基礎課程掌握不牢固。“遙感地學應用”主要是針對地理科學、遙感科學與技術、地理信息科學等專業高年級本科生和研究生開設的，它需要“遙感原理與方法”、“數字遙感圖像處理”和“地理學”等課程作為基礎，一些學生在基礎課程中沒有打下很好的基礎，比如難以理解地學現象時空分布特征與遙感信息之間的關系。③理論與實踐相脫節，應用理論知識解決復雜的實際地學問題能力不足。結合該課程的特點和該課程在教學中存在的問題，本文基于混合式教學模式對該課程從內容組織、教學設計和評價體系進行了探索和實踐。

1 混合式教學內容設計

遙感地學應用領域眾多，難以面面俱到，且在不同的應用領域，由于地學分析對象的多樣性及環境背景的復雜性，采用的方法也不盡相同。為了讓學生融會貫通地掌握遙感信息分析的基本方法及其主要地學應用領域，本課程的教學內容設計分為遙感地學信息提取方法和遙感地學主要應用領域兩大部分。遙感地學信息提取方法包括遙感影像分類方法（統計模式識別、知識規則、智能計算和面向對象）、地物動態變化遙感監測和地物物理量定量提取等。在應用篇中，包括遙感技術在土地覆蓋與全球變化、植被與生態環境、水體與水環境、地質和城市與人居環境中的應用。本課程以遙感信息分析方法為“經”，以遙感地學應用領域為“緯”，建立遙感地學分析與應用教學內容體系。筆者所授的“遙感地學應用”課程共計48 學時，其中理論教學32 學時，實踐教學12 學時，知識體系復雜，實踐性強。為了讓學生更好地將理論與實踐結合，理論教學與實踐教學交錯進行，“遙感地學應用”課程教學內容設計和學時安排如表1 所示。

表1 “遙感地學應用”課程教學內容設計

2 混合式教學模式實施

為了發揮信息技術的優勢，不斷創新“遙感地學應用”教學模式，在在線教學平臺設計、教學材料準備和教學內容準備等環節的基礎上，針對理論教學與實踐教學內容采用不同教學模式，如圖1 所示，即構建基于“在線學習+課堂面授”式的理論教學和基于“問題探究+翻轉課堂”式的實踐教學等混合式教學模式。

圖1 “遙感地學應用”課程混合教學模式設計

2.1 基于“在線學習+課堂面授”式的理論教學

由于遙感地學應用課程教學任務繁重，所有的教學內容全部依賴于教師講授為主的傳統課堂教學，難以保證教學質量，尤其是對前期基礎課程比較薄弱的同學，跟不上教學進度。在線學習成為傳統教學方式的有益補充，是一種“活”的學習方式和“新”的學習空間[7]。

筆者借助學校構建的基于Moodle 的線上學習環境資源共享系統，線上內容主要從以下4 個方面布置：①單元導學設計，每一章的教學目標、教學重點、教學難點，各個實驗的實驗要求、實驗目標、練習題和思考題等。②基礎資料，包括學生主要參考用書和與前期課程相關的知識，參考用書有筆者編寫和出版的“遙感地學應用”和“遙感地學應用實驗教程”[8-9]，中國科學院趙時英等出版的“遙感應用分析原理與方法”和南京大學胡著智等出版的“遙感技術與地學應用”。③討論資料，教師圍繞遙感地學中的某一類方法或者某一應用領域提供文獻、書籍等資料，并擬定具體的討論問題。學生根據教師提供的單元導學設計進行預習，利用基礎資料進行學習、完成練習題、思考題和測試題，查看課外資料和討論資料進行課前討論。④前沿資料，遙感地學應用中的新理論、新技術、新方法，與教師科研項目和大學生創新型項目相關聯的具有“探究性”素材。課堂面授就是面對面課堂教學。學生已經提前在線上進行了系統的學習，對知識點有了一定的掌握，因而其面對面課堂教學主要是課程導入（即解決各章節、知識點內在聯系與銜接）；課程中的教學重點、教學難點、延伸問題的講解；學生在線學習中遇到的困難和疑問的解惑，在線學習中討論的不同觀點，組織學生繼續辯論，并進行實例分析；最后根據學生學習的具體情況，對課程的知識結構進行歸納和總結。面對面課堂教學形成以學生為主體,教師為引導的課堂教學模式。

通過“在線學習+課堂面授”的教學方式，彌補了理論教學時數有限的不足，讓學生在有限課時中掌握遙感技術的主要理論、方法和應用的基本思路，提升了教學效果。

2.2 “問題探究+翻轉課堂”式的實踐教學

遙感地學應用實踐性較強，需學生能夠熟練地運用主流GIS、RS 軟件和常見遙感地學模型解決實際應用問題，培養學生的動手實踐能力和專業技能，通過實踐教學讓學生加深對所學理論知識的理解。遙感地學應用在傳統實踐教學模式下，學生按照預定的步驟，機械地操作得出實驗報告要求的結果，大部分學生未能積極地思考操作步驟背后的原理和意義，其結果使教學效果不佳，學生學習積極性不高。

為實行“理論教學”與“實踐教學”的有機融合，實踐教學分成確定性主題和自選性主題兩種，確定性主題是穿插在遙感地學主要應用領域篇中的5 個實習（見表1）。筆者嘗試將“問題探究+翻轉課堂”的教學模式分別引入到確定性主題和自選性主題實踐教學環節中。 確定性主題實習教師提供規范的實習指導書，包含8 部分內容，即實驗要求、實驗目標、實驗軟件、實驗區域與數據、實驗原理與分析、實驗步驟、練習題、實驗報告等，但在實驗操作步驟過程中加入了研究問題，如在實習3（水域面積提取）設計了兩個研究問題 “水體光譜指數法閾值如何確定，它是怎樣影響水體提取的精度？除了利用水體光譜指數法提取水體外，嘗試利用區域生長法提取實驗區域的水體信息”。只有當學生理解并解決研究問題之后，才能得到正確、全面的結果。這樣避免了學生機械化地操作實驗步驟，從而鍛煉學生的學習能力、觀察與判斷能力、發現/解決問題的能力和綜合分析能力等。

自選性主題實習采用“翻轉課堂”方式，翻轉課堂已作為一種能有效激發學生學習積極性的教學模式，其鼓勵學生大膽思考，提高了學生學習的主動性，尊重學生學習過程中的差異性，重視培養學生創造力[10-11]。老師在課程開始布置任務，讓學生選取遙感在某一應用領域為主題，以3～5 人為小組，小組各個成員進行分工與合作，廣泛閱讀文獻，以某一篇或幾篇文獻為參考或者某一實際應用問題為依據，收集數據，處理數據，根據文獻中的方法或者實際需求得出實驗結果，撰寫報告，制作演示文檔在課程最后幾課時（見表1）進行集中演講，講解完畢，臺下同學以辯論、提問等方式進行討論，最后由教師點評擴展。如一些學生選取了“上海熱島效應變化分析、小麥長勢監測、30 年北京市城市擴展分析”等主題，分組自主選題實習以“興趣性、時效性和實用性”為導向，為學生營造一個輕松、主動的學習氛圍，鍛煉學生的軟件應用能力、科學創新能力、團隊合作能力和表達能力等。

通過“問題探究+翻轉課堂”的教學方式，讓學生更好地掌握實驗方法和過程，鞏固和拓展課堂講授內容，大大鍛煉了學生應用理論知識解決實際應用問題的能力，同時激發了學生遙感方面學習的興趣。

3 混合式教學模式考核和改革成效

混合式教學模式考核實施“全過程考核和多元考核”模式，總成績= 期末卷面考試（50%）+ 確定性主題實習（20%）+自選性主題實習（10%）+在線學習（10%）+課堂表現（10%）。期末考試為閉卷筆試，按照課程教學大綱設置考試題目，考試題型由基礎題、發散題和擴展題組成。網絡在線學習考核由系統依據學生完成測試、參與討論情況自動進行評分，較為客觀；確定性主題實習教師根據實習報告進行評分；自選性主題實習中，教師通過各小組組員課前準備狀況，根據學生在翻轉課堂中的匯報效果及表現，給出自選性主題實習成績；課堂表現考核中，主講教師根據日常教學過程中，學生出勤情況、課堂回答和討論問題情況的記錄給出課堂表現成績。混合式教學模式考核評價的方式更側重于學生的平時學習積累和動手、動腦、創新和表達能力的培養，比傳統的評價方式更符合現代教學培養模式和人才培養需求。

經過兩年的教學改革，混合式教學效果取得了一定的成效，主要表現在以下3 個方面：①學習積極性提升，許多學生將遙感應用研究作為未來研究生學習的方向；②實踐動手能力加強；③考試成績有所提升（表2）。從近4 a 考試結果來看，經過混合式教學和過程性評價兩方面教學改革后，2018 年和2019 年期末考試成績反映出，學生的學習效果較以往得到了提升。

表2 “遙感地學應用“課程混合式教學模式教學效果評價表

4 結 語

在實行教育現代化目標背景下，“遙感地學應用”教學需要遵循教學內容的前沿性和時代性，教學模式的先進性和互動性，教學過程的探究性。針對傳統教學中以“教師”為中心，難以培養學生解決實際問題能力和創新能力等不足，采用構建基于“在線學習+課堂面授”式的理論教學和基于“問題探究+ 翻轉課堂”式的實踐教學等混合式教學模式。遵循以“學生為中心，理論實踐相結合，實踐促理論學習，全過程考核”的教學觀念，調動了學生學習的積極性、主動性和能動性，實現“兩性一度”（即高階性、創新性和挑戰度）課程建設標準，對進一步提高教學水平、培養人才綜合素質和完善協同育人教學機制具有積極的推動作用。