面向多專業(yè)背景學(xué)生的空間信息科學(xué)概論課程建設(shè)探索

陳 宇，孫久運(yùn)，閆志剛，郎豐鎧，冷海龍，李增科，李懷展

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

空間信息技術(shù)涉及航空航天遙感技術(shù)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)等專業(yè)領(lǐng)域，是當(dāng)前人類快速獲取地球動(dòng)態(tài)和定位信息的重要手段，已成為當(dāng)代發(fā)展最快、影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)與人們?nèi)粘Ｉ钭顬樯羁痰膶W(xué)科領(lǐng)域之一，在全球環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、自然資源開發(fā)與利用、區(qū)域和城市規(guī)劃與管理和自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警等諸多方面都有著十分廣泛的應(yīng)用[1]。因此，國(guó)內(nèi)眾多高校將空間信息科學(xué)與技術(shù)的相關(guān)課程作為測(cè)繪工程、地理信息科學(xué)及遙感科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科專業(yè)的主干課程。同時(shí)，近些年一些高校（如中國(guó)礦業(yè)大學(xué)）開設(shè)了專業(yè)拓展課程體系，旨在提升各個(gè)專業(yè)學(xué)生的視野及其對(duì)跨領(lǐng)域知識(shí)的理解和使用能力。2019 年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)將空間信息科學(xué)概論作為專業(yè)拓展課程，全校各個(gè)專業(yè)學(xué)生均可根據(jù)個(gè)人知識(shí)背景及興趣選擇此課。然而，在多專業(yè)不同知識(shí)背景的情況下，我們并不能將慣常的面向測(cè)繪專業(yè)的課程教育大綱、教學(xué)方法以及講授方式等簡(jiǎn)單地加以挪用。因此，如何建設(shè)適用于多專業(yè)背景學(xué)生的空間信息科學(xué)概論課程成為一個(gè)亟待探索的問題。

本文首先對(duì)選擇此課程的多專業(yè)學(xué)生的基本情況進(jìn)行分析，探討學(xué)生個(gè)人知識(shí)背景、選課動(dòng)機(jī)及學(xué)習(xí)空間信息科學(xué)概論所存在的問題；其次針對(duì)性地提出適用于多專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)此課程的教學(xué)方法；再次設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，梳理教學(xué)重點(diǎn)，規(guī)劃教學(xué)實(shí)施過程，針對(duì)學(xué)生特點(diǎn)及所采用的教學(xué)方法，提出一套合理的教學(xué)框架。

一、多專業(yè)學(xué)生基本情況分析

筆者自開課以來便擔(dān)任本課程主講教師，本部分基于筆者近兩年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)選課學(xué)生的專業(yè)背景及其特點(diǎn)進(jìn)行分析與探討。

（一）專業(yè)背景

根據(jù)兩屆學(xué)生信息統(tǒng)計(jì)其專業(yè)和年級(jí)分布情況，見表1、表2。

表1 2019-2020 年第一學(xué)期課程學(xué)生統(tǒng)計(jì)

表2 2020-2021 年第一學(xué)期課程學(xué)生統(tǒng)計(jì)

分析上表可知，在空間信息科學(xué)概論開課第一年，選課學(xué)生的專業(yè)分布主要集中在工程力學(xué)專業(yè)，個(gè)別涉及國(guó)際經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易、數(shù)學(xué)、水文與水資源工程等專業(yè)，均為大學(xué)三年級(jí)學(xué)生。這主要是由于，學(xué)校根據(jù)培養(yǎng)方案和學(xué)生背景給每個(gè)專業(yè)推薦幾門專業(yè)拓展課供選擇，學(xué)生選課時(shí)可選擇系統(tǒng)推薦的課程，也可自行選擇其他專業(yè)拓展課程。而此課程正是工程力學(xué)專業(yè)學(xué)生的推薦專業(yè)拓展課程之一，大部分學(xué)生可能在不了解或未調(diào)研的情況下順應(yīng)系統(tǒng)推薦選擇了此課程。而在課程開設(shè)第二年，選課學(xué)生的專業(yè)不在拘泥于推薦選課專業(yè)，而是變得更加多元化，涵蓋理科、工科，甚至包括法學(xué)、文科類專業(yè)。這說明學(xué)生選課的自主意識(shí)更強(qiáng)，會(huì)參考個(gè)人興趣和自身專業(yè)背景選課。另外，第二年選課的學(xué)生年級(jí)分布也不止局限于大三，大一、大二的低年級(jí)學(xué)生也在逐漸認(rèn)識(shí)到本課程的重要性和意義。據(jù)筆者了解，大四學(xué)生選擇此課主要原因是為完成學(xué)分要求，但均表示能在該課程的學(xué)習(xí)中拓展視野，并與所學(xué)專業(yè)建立聯(lián)系。

（二）學(xué)生特點(diǎn)

基于對(duì)兩屆學(xué)生專業(yè)背景及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的分析，總結(jié)參與空間信息科學(xué)概論課程的多專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)如下：

1.缺乏先修課程基礎(chǔ)

測(cè)繪學(xué)概論、地圖學(xué)基礎(chǔ)兩門課程通常被作為空間信息科學(xué)概論的先修課程，該課程能為學(xué)生提供測(cè)繪科學(xué)及地圖學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)及專業(yè)詞匯，進(jìn)而有助于學(xué)生對(duì)空間信息科學(xué)概論知識(shí)的理解和掌握。然而，選擇空間信息科學(xué)概論課程的多專業(yè)學(xué)生往往欠缺上述兩門先導(dǎo)課程的知識(shí)，且自身知識(shí)水平和學(xué)習(xí)能力存在一定差異性。在授課過程中，如涉及到以先修課程知識(shí)為基礎(chǔ)的空間信息科學(xué)概念，學(xué)生會(huì)明顯感到吃力。

2.欠缺學(xué)習(xí)主動(dòng)性

據(jù)筆者調(diào)查，參加課程的學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)主要有四種：（1）興趣所在；（2）認(rèn)識(shí)到課程的重要性；（3）他人或?qū)W院推薦；（4）為完成學(xué)分要求。其中前兩種動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下的學(xué)生往往表現(xiàn)出較高的主觀能動(dòng)性，如坐在教室前排，積極與教師互動(dòng)，在隨堂測(cè)試和課后作業(yè)中表現(xiàn)突出；而后兩種動(dòng)機(jī)下的學(xué)生則缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性，僅在涉及其感興趣的知識(shí)點(diǎn)或與其專業(yè)相關(guān)的內(nèi)容時(shí)相對(duì)積極。

3.論文寫作能力參差不齊

本課程考核方式為論文撰寫，分析開課第一學(xué)年提交的論文可知，學(xué)生的論文寫作水平普遍較低，大多數(shù)學(xué)生并未接受過論文寫作的相關(guān)訓(xùn)練，缺乏寫作經(jīng)驗(yàn)，特別是撰寫非本專業(yè)領(lǐng)域論文的經(jīng)驗(yàn)。

二、教學(xué)方法探討

面向多專業(yè)學(xué)生的空間信息科學(xué)概論課程目標(biāo)是使學(xué)生系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)當(dāng)前空間信息科學(xué)的基本原理和主要方法，了解空間信息技術(shù)在現(xiàn)代文明中的應(yīng)用和重要地位。只有在教學(xué)活動(dòng)中充分激發(fā)和調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣和主觀能動(dòng)性，才能收獲滿意的教學(xué)效果。因此，針對(duì)課程現(xiàn)狀及對(duì)參與學(xué)生情況的分析，提出以下教學(xué)方法，旨在更好地適應(yīng)多專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)空間信息科學(xué)知識(shí)。

（一）專業(yè)化課堂研討

在課程中設(shè)置研討環(huán)節(jié)有利于激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)，提高學(xué)生課堂參與度，培養(yǎng)溝通表達(dá)及創(chuàng)新的能力。選擇課程的學(xué)生最關(guān)注的往往不是空間信息科學(xué)本身，而是空間信息科學(xué)如何與自身所學(xué)專業(yè)建立聯(lián)系，以及空間信息技術(shù)如何在各自領(lǐng)域得以應(yīng)用。因此，這是一個(gè)開展課堂研討和報(bào)告的有利切入點(diǎn)。教師可根據(jù)選課學(xué)生的專業(yè)分布特點(diǎn)，預(yù)先設(shè)置若干研討主題，如：空間信息技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用、空間信息科學(xué)與工程力學(xué)、空間大數(shù)據(jù)處理方法以及空間信息技術(shù)在抗擊疫情中的重要應(yīng)用等。由學(xué)生自愿組隊(duì)，每組6～8人，各組成員可在教師設(shè)置題目中選擇研討主題，也可自行討論確定題目。學(xué)生利用課余時(shí)間圍繞主題進(jìn)行調(diào)研探索、互動(dòng)討論，制作演示文稿，包含課題背景、內(nèi)容、方法、結(jié)論和參考文獻(xiàn)等部分，并在課堂上以報(bào)告形式進(jìn)行分享和展示，并與其他組學(xué)生進(jìn)行觀點(diǎn)交流與探討，最后教師進(jìn)行歸納總結(jié)。同時(shí)設(shè)置各組之間就報(bào)告表現(xiàn)及討論成果互相打分環(huán)節(jié)，與教師打分合并作為期末考核的一部分。

（二）信息化教學(xué)互動(dòng)

傳統(tǒng)課堂中的師生互動(dòng)往往通過教師提問或點(diǎn)名，學(xué)生回答的形式，而實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生往往處于各種原因羞于開口，很難達(dá)到活躍課堂氣氛的目的。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，各種信息化教學(xué)工具涌現(xiàn)，如“微助教”“釘釘”“雨課堂”等。教師應(yīng)充分利用此類工具提高師生互動(dòng)的質(zhì)量。如，“微助教”平臺(tái)提供了匿名討論模塊，教師可借此設(shè)置討論環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生利用手機(jī)等工具在平臺(tái)上暢所欲言，這種方式可減輕學(xué)生的心理焦慮，增加學(xué)生的參與度。其次，在課堂提問環(huán)節(jié)，教師可采用“微助教”平臺(tái)提供的隨機(jī)點(diǎn)名形式，該功能配有振奮人心的背景音樂，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣，緩解課堂倦怠，并使學(xué)生體驗(yàn)類似“過山車”的心理波動(dòng)，進(jìn)而提高學(xué)生在后續(xù)課堂中的專注力，因?yàn)槊總€(gè)學(xué)生都有成為“機(jī)選之子”的概率。另外，教師可利用“微助教”的“答題”功能或“釘釘”的“智能填表”功能預(yù)先設(shè)置課堂測(cè)試題，在課堂開始時(shí)發(fā)布，請(qǐng)學(xué)生作答，并利用平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，針對(duì)性地解答，以達(dá)到知識(shí)鞏固和復(fù)習(xí)的目的。

針對(duì)學(xué)生缺乏先導(dǎo)課程基礎(chǔ)的問題，教師可課前對(duì)本節(jié)課中可能出現(xiàn)的模糊概念進(jìn)行梳理，通過信息化工具調(diào)查統(tǒng)計(jì)學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的理解程度，以便及時(shí)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的范圍及深度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（三）個(gè)性化科教融合

科研是教學(xué)的“源頭活水”，是課堂的靈魂，只有將科研和教學(xué)有機(jī)融合，以科研成果支持和反哺教學(xué)，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的高質(zhì)量教學(xué)，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才。特別是面向多專業(yè)背景的學(xué)生，前沿的空間信息科學(xué)知識(shí)、方法及其應(yīng)用更能激發(fā)其學(xué)習(xí)的興趣和主觀能動(dòng)性。筆者主要從事InSAR（干涉合成孔徑雷達(dá)）理論及應(yīng)用、資源環(huán)境遙感領(lǐng)域研究，主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1 項(xiàng)、江蘇省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1 項(xiàng)，在《Remote Sensing of Environment》《Geophysical Research Letters》《IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing》等國(guó)內(nèi)外高水平期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文20 余篇，曾獲省部級(jí)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)（R3）、江蘇省青年遙感與地理信息科技獎(jiǎng)。因此，筆者在空間信息科學(xué)領(lǐng)域有豐富的科研成果積累，在符合學(xué)生的認(rèn)知能力和規(guī)律的基礎(chǔ)上，可將其引入到實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容中。如，在講空間信息技術(shù)應(yīng)用及其最新進(jìn)展的內(nèi)容時(shí)，可以結(jié)合InSAR 理論及筆者研究成果，介紹InSAR 技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施（如地鐵工程）和礦區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，這正是土木工程、工程力學(xué)、采礦工程等專業(yè)學(xué)生所感興趣的內(nèi)容。同時(shí)在此過程中，給學(xué)生滲透科學(xué)思維和科研精神，介紹科研論文寫作方法和技巧。因此，實(shí)施科教融合不僅能有效提升本門課程的教學(xué)質(zhì)量，也有助于為學(xué)生今后撰寫畢業(yè)論文，乃至升學(xué)做研究奠定基礎(chǔ)。

三、教學(xué)框架探討

（一）教材選取

本課程建設(shè)初期從眾多相關(guān)書籍及參考資料中篩選出兩本候選教材，包括：（1）何勇和馮雷編著的《地球空間信息學(xué)基礎(chǔ)》[2]，浙江大學(xué)出版社2010 年出版；（2）趙忠明、周天穎、嚴(yán)泰來等編著的《空間信息技術(shù)原理及其應(yīng)用（上下冊(cè)）》[3-4]，科學(xué)出版社2013 年（上）和2016 年（下）出版。其中《空間信息技術(shù)原理及其應(yīng)用》系列圖書分為上下冊(cè)，雖內(nèi)容豐富新穎，具有前瞻性，但上下冊(cè)共二十八章，相對(duì)于32 學(xué)時(shí)的專業(yè)拓展課程而言，內(nèi)容過于繁雜，因此開課第一學(xué)年選用了《地球空間信息學(xué)基礎(chǔ)》作為參考教材。但是此書出版時(shí)間較早，書中部分概念相對(duì)滯后，與現(xiàn)代空間信息技術(shù)產(chǎn)生脫節(jié)，如對(duì)于3S 技術(shù)的概念仍停留在GPS（全球定位系統(tǒng)）、GIS（地理信息系統(tǒng)）和RS（遙感）的時(shí)代，并未引入除GPS 外的其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），如中國(guó)的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（BDS）、俄羅斯的格洛納斯導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）和歐洲的伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（GALILEO）。2020 年6 月，周艷、何彬彬編著的《空間信息導(dǎo)論》[1]于科學(xué)出版社出版，筆者研讀了此書籍，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)容全面，系統(tǒng)性強(qiáng)，簡(jiǎn)明扼要且精煉易懂，適用面廣。因此，最終確定《空間信息導(dǎo)論》為本課程最新的參考教材。

（二）教學(xué)計(jì)劃

為充分符合多專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合選定教材，對(duì)原定教學(xué)大綱章節(jié)及內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，具體章節(jié)和內(nèi)容安排見表3。

表3 優(yōu)化前后教學(xué)內(nèi)容安排

優(yōu)化后的教學(xué)章節(jié)在盡量全面涵蓋參考教材內(nèi)容的基礎(chǔ)之上，做了適當(dāng)合并和增減，如第三章空間信息技術(shù)體系由空間信息獲取技術(shù)、空間數(shù)據(jù)組織和分析技術(shù)和空間信息可視化技術(shù)合并而成；第四章除了教師主導(dǎo)講述外，針對(duì)前文“專業(yè)化課堂研討”內(nèi)容增設(shè)2 個(gè)學(xué)時(shí)的專業(yè)化課程研討環(huán)節(jié)，把主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生；第五章在講述空間信息技術(shù)最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)的同時(shí)，除了引入最新的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、無人機(jī)遙感、空間大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)外，將教師積累的科研成果帶入課堂，寓教于研，教研相長(zhǎng)。

（三）考核方式

為達(dá)到高質(zhì)量的課堂教學(xué)，教師應(yīng)建立合理的課程考核評(píng)價(jià)體系。開課第一學(xué)年，采用平時(shí)成績(jī)占20%，論文成績(jī)占80%的比例進(jìn)行考核。但通過分析該學(xué)期學(xué)生的課堂表現(xiàn)可知，相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生因平時(shí)成績(jī)占比過少而表現(xiàn)懶散，輕視出勤率。因此，筆者認(rèn)為應(yīng)采用多元化的考核方式，首先提高平時(shí)成績(jī)的比例，如50%，將出勤、課堂研討和報(bào)告表現(xiàn)、課堂測(cè)驗(yàn)及回答問題表現(xiàn)融入其中，采用小組互評(píng)和教師評(píng)價(jià)綜合評(píng)價(jià)方式，保證其公平性。另外按學(xué)術(shù)論文的規(guī)格要求學(xué)生提交論文，如最低字?jǐn)?shù)要求、參考文獻(xiàn)數(shù)量和質(zhì)量要求等。

四、結(jié)束語

空間信息技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球和智慧地球戰(zhàn)略目標(biāo)的重要技術(shù)支撐，是一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志。空間信息技術(shù)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域決定了它不僅是目前高校測(cè)繪、地理、遙感等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)必修課程，也成為各行各業(yè)人才所應(yīng)掌握和運(yùn)用的理論與技術(shù)。面向多專業(yè)本科生的空間信息科學(xué)概論課程建設(shè)和改革要顧及多專業(yè)多背景學(xué)生的特點(diǎn)，突出理論與實(shí)踐教學(xué)并重的理念，以空間信息科學(xué)技術(shù)與各專業(yè)領(lǐng)域的內(nèi)在聯(lián)系為重點(diǎn)，實(shí)施科教融合，寓教于研的教學(xué)策略。本文提出的課程建設(shè)和改革方案在第二學(xué)年的教學(xué)實(shí)踐中得到了較為滿意的效果。