“雙一流”背景下高校研究生《高級計量地理學(xué)》教學(xué)改革

賀智

關(guān)鍵詞：“雙一流”；計量地理學(xué)；教學(xué)改革；碩士研究生

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0112-04

1 引言

2015年10月，國務(wù)院印發(fā)《統(tǒng)籌推進世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》，2016年起開始實施，目標(biāo)是在21世紀(jì)中葉建成高等教育強國。截至2022年2月，我國“雙一流”高校總計147所。“雙一流”建設(shè)[1-3]使高等教育受到了前所未有的重視，標(biāo)志著我國大學(xué)及學(xué)科建設(shè)進入全新階段。在國家政策關(guān)懷下，中山大學(xué)有幸入選“雙一流”建設(shè)名單，是該校教育質(zhì)量提升的重要機遇與挑戰(zhàn)。與本科教育注重通才培養(yǎng)不同，研究生教育肩負(fù)著高層次創(chuàng)新專才培養(yǎng)使命，是國家科技創(chuàng)新與進步的基石。2020年9月，教育部發(fā)布《關(guān)于加快新時代研究生教育改革發(fā)展的意見》，明確提出到2035年初步建成具有中國特色研究生教育強國的奮斗目標(biāo)。在此背景下，如何抓住機遇通過教學(xué)改革從本質(zhì)上提升高等院校碩士研究生教學(xué)水平與人才培養(yǎng)質(zhì)量，是當(dāng)務(wù)之急。筆者根據(jù)13年科研經(jīng)驗與8年教學(xué)經(jīng)驗，以講授的資源與環(huán)境專業(yè)《高級計量地理學(xué)》[4，5] 為例，探索成果導(dǎo)向（Outcomes-basedEducation，OBE） [6-9]的教學(xué)改革策略，以期為“雙一流”建設(shè)培養(yǎng)高層次拔尖人才提供參考。

2 傳統(tǒng)教學(xué)模式難以滿足“雙一流”背景下的地理學(xué)高層次人才培養(yǎng)目標(biāo)

計量地理學(xué)始于20世紀(jì)50年代初期，地理學(xué)家Schaefer等人發(fā)起了對區(qū)域?qū)W派的批評與否定，認(rèn)為地理學(xué)應(yīng)追求與探索法則，拉開了計量運動的帷幕。與傳統(tǒng)地理學(xué)強調(diào)各地域的記述與特殊性研究不同，計量地理學(xué)強調(diào)從空間角度、采用計量分析方法、探求地理規(guī)律，進而導(dǎo)出地理學(xué)的一般理論。歷經(jīng)近70年的發(fā)展，計量地理學(xué)的理論日趨成熟。由于計量地理學(xué)將地理、數(shù)學(xué)、計算機等多學(xué)科交叉技術(shù)應(yīng)用于地理學(xué)，同時服務(wù)于地理學(xué)理論研究與應(yīng)用需求，在地理學(xué)科中占據(jù)重要地位，對培養(yǎng)優(yōu)秀地理人才做出了突出貢獻(xiàn)。《高級計量地理學(xué)》是中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院資源與環(huán)境專業(yè)碩士研究生的必修課，旨在掌握建立定量概念和地理學(xué)方法論基礎(chǔ)、運用數(shù)學(xué)方法來建立數(shù)學(xué)模型并解決實際地理問題、培養(yǎng)編程動手能力和從事科學(xué)研究的素養(yǎng)。國內(nèi)已有多所高校（如北京大學(xué)、北京師范大學(xué)、南京師范大學(xué)等）開始了相關(guān)課程，并推出了一系列教材，經(jīng)典的有張超、楊秉賡編著的《計量地理學(xué)基礎(chǔ)》、徐建華編著的《計量地理學(xué)》和《現(xiàn)代地理學(xué)中的數(shù)學(xué)方法》等。但是，近年來隨著大數(shù)據(jù)人工智能時代[10-13]的到來，傳統(tǒng)教學(xué)模式難以滿足“雙一流”背景下的地理學(xué)高層次人才培養(yǎng)要求。以《高級計量地理學(xué)》為例，存在如下不足：

（1） 教學(xué)模式落后，課程知識主要由教師直接、單向地傳授給學(xué)生，學(xué)生被動接受、參與感不強、動手能力較弱，導(dǎo)致對原理的理解不夠深入。

（2） 教學(xué)內(nèi)容重理論輕應(yīng)用，大部分教學(xué)時間花費理論教學(xué)上，較少涉及最新技術(shù)與應(yīng)用需求，與實際生產(chǎn)部門需求聯(lián)系不緊密。

（3） 忽視了課程思政作用，課程教學(xué)過程缺乏課程思政元素的融入，缺乏把思政工作貫穿于整個教學(xué)設(shè)計，難以響應(yīng)“立德樹人”目標(biāo)。

3“雙一流”背景下的OBE教學(xué)模式設(shè)計

針對“雙一流”背景下《高級計量地理學(xué)》課程教學(xué)的不足，提出基于OBE教學(xué)模式設(shè)計。OBE是Spady 于1981年提出的成果導(dǎo)向教育理念，提倡以學(xué)生為中心，以教學(xué)目標(biāo)或教學(xué)成果為導(dǎo)向，反推所需教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與評價標(biāo)準(zhǔn)等。OBE通過衡量學(xué)生學(xué)到了什么、能做什么來評價教學(xué)成效。本文秉承OBE理念，以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向，構(gòu)建以立德樹人為目標(biāo)的教學(xué)改革思路。如圖1所示，以成果為導(dǎo)向，分別對教師教學(xué)過程和學(xué)生學(xué)習(xí)過程進行設(shè)計。

具體而言，《高級計量地理學(xué)》是理論與應(yīng)用并重的交叉學(xué)科，在實際生產(chǎn)中有廣闊應(yīng)用前景，該課程的成果導(dǎo)向包括：理解計量地理相關(guān)的基本概念、掌握數(shù)學(xué)理論方法與模型、通過操作計算機軟件提高動手能力、最終提高解決實際問題的能力。教師的教學(xué)活動側(cè)重設(shè)計教學(xué)模式、監(jiān)控教學(xué)過程、指導(dǎo)學(xué)生解決實際問題。首先，設(shè)定源于遙感、測繪、規(guī)劃等行業(yè)需求的教學(xué)專題；然后，制定教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)、設(shè)計基于OBE的教學(xué)模式；根據(jù)時代發(fā)展[14-15]、技術(shù)進步與學(xué)生反饋，持續(xù)改進教學(xué)內(nèi)容；最后，對教學(xué)效果實施評價。學(xué)生的學(xué)習(xí)過程側(cè)重學(xué)習(xí)理論知識、提高動手能力和執(zhí)行能、反饋學(xué)習(xí)成果。首先，根據(jù)教師制定的教學(xué)專題通過查閱資料、實地調(diào)研等深入理解行業(yè)需求；然后，對目標(biāo)任務(wù)進行分解并尋求解決方案；在此基礎(chǔ)上通過搜集數(shù)據(jù)與編寫程序代碼來解決實際問題；最后，總結(jié)與凝練整個學(xué)習(xí)過程中獲取到的知識。

4 OBE教學(xué)模式在《高級計量地理學(xué)》教學(xué)中的改革與實踐

根據(jù)OBE教學(xué)模式設(shè)計，重新梳理與更新現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容，凝練如圖2所示的4大教學(xué)專題：基礎(chǔ)知識（地理數(shù)據(jù)系統(tǒng)）、時空問題（空間分布測度、時間序列分析）、統(tǒng)計問題（相關(guān)分析與回歸分析、趨勢面分析、主成分分析、馬爾科夫預(yù)測）和規(guī)劃決策問題（線性規(guī)劃分析、地理系統(tǒng)決策分析）。每個專題都將基礎(chǔ)與前沿結(jié)合，滲透最新科學(xué)研究成果與課程思政元素。例如，在時間序列分析中，除了平滑法、趨勢線擬合法和自回歸分析法等，還將涉及人工智能領(lǐng)域熱門的長短時記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory，LSTM） ，并分析我國長江、黃淮海流域特大洪水發(fā)生的時間間隔、與太陽黑子周期的關(guān)系、如何在應(yīng)對洪水時做到未雨綢繆等思政元素。下面通過4個示例（即趨勢面分析、時間序列分析、主成分分析和AHP 層次決策）詳細(xì)展示基于OBE教學(xué)模式的《高級計量地理學(xué)》教學(xué)改革與實踐。

4.1 趨勢面分析

（1） 成果導(dǎo)向。理解趨勢面分析的概念與作用；掌握基于線性/非線性回歸的趨勢面分析方法；收集降水量數(shù)據(jù)并用Matlab編程繪制降水量趨勢面；了解行業(yè)需求，在實際中可反映河流或湖泊水位及流量變化，在政府防汛抗洪決策發(fā)揮重要作用。

（2） 教學(xué)內(nèi)容。趨勢面分析的行業(yè)需求；趨勢面分析的一般原理；趨勢面分析的線性/非線性回歸模型；趨勢面擬合程度的檢驗方法；趨勢面分析的應(yīng)用實例。

（3） 思政元素。趨勢面分析可有效應(yīng)用于我國防汛抗洪及挖掘人口和經(jīng)濟要素空間分布規(guī)律等。

（4） 學(xué)生實驗。理解趨勢面分析的行業(yè)需求；將目標(biāo)任務(wù)分解為收集數(shù)據(jù)、構(gòu)建合適的趨勢面模型和顯著性檢驗方法；編寫Matlab代碼實現(xiàn)解決方案；總結(jié)掌握的趨勢面分析知識。圖3為基于一次、二次、三次和四次多項式回歸模型的降水量趨勢面分析結(jié)果。

4.2 時間序列分析

（1） 成果導(dǎo)向。理解時間序列分析的概念與作用；掌握平滑法、趨勢線擬合法、自回歸分析法、LSTM 和季節(jié)變動預(yù)測法等時間序列分析方法；收集時間序列數(shù)據(jù)并用Matlab編程分析變化趨勢并預(yù)測未來演變情況；了解行業(yè)需求，在實際中可挖掘各種現(xiàn)象的變化規(guī)律，并進一步解釋內(nèi)在原因，為預(yù)測與決策提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

（2） 教學(xué)內(nèi)容。時間序列分析的行業(yè)需求；時間序列分析的基本原理；長期趨勢分析和季節(jié)變動預(yù)測模型；時間序列分析的應(yīng)用實例。

（3） 思政元素。時間序列分析可有效應(yīng)用于我國社會經(jīng)濟和地理對象的發(fā)展變化過程、發(fā)展?fàn)顟B(tài)及未來演變預(yù)測等。

（4） 學(xué)生實驗。理解時間序列分析的行業(yè)需求；將目標(biāo)任務(wù)分解為收集數(shù)據(jù)、構(gòu)建問題驅(qū)動的時間序列分析模型；編寫Matlab代碼實現(xiàn)解決方案；總結(jié)掌握的時間序列分析知識。圖4為基于移動平均、滑動平均和指數(shù)平滑的長期趨勢分析結(jié)果。

4.3 主成分分析

（1） 成果導(dǎo)向。理解主成分分析的概念與作用；掌握主成分分析的模型、推導(dǎo)、計算步驟；收集高光譜遙感數(shù)據(jù)并用Matlab編程實現(xiàn)主成分分析；在行業(yè)實際應(yīng)用中，主成分分析可把原來多個變量降維為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)。

（2） 教學(xué)內(nèi)容。主成分分析的行業(yè)需求；主成分分析的基本原理；主成分分析的推導(dǎo)過程及計算步驟；主成分分析的應(yīng)用實例。

（3） 思政元素。隨著“高分專項”的啟動，我國遙感事業(yè)得到了極大發(fā)展，空間、時間和光譜分辨率不斷提高、數(shù)據(jù)量也不斷加大，主成分分析可對遙感數(shù)據(jù)降維、提取有效信息；

（4） 學(xué)生實驗。理解主成分分析的行業(yè)需求；將目標(biāo)任務(wù)分解為收集數(shù)據(jù)、構(gòu)建主成分分析模型；編寫Matlab代碼逐步進行主成分分析，以實現(xiàn)降維；總結(jié)掌握的主成分分析知識。圖5為高光譜遙感數(shù)據(jù)的主成分分析結(jié)果。

4.4 AHP 層次決策

（1） 成果導(dǎo)向。理解AHP 層次決策的概念與作用；掌握AHP層次決策分析的基本原理與計算方法；收集適于AHP層次決策的社會、經(jīng)濟和地理數(shù)據(jù)并構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型；結(jié)合專家經(jīng)驗構(gòu)建判斷矩陣并用Matlab編程實現(xiàn)層次決策；了解行業(yè)需求，在面臨復(fù)雜決策時，對一些無法度量的因素，引入合理的度量標(biāo)度，構(gòu)造判斷矩陣來分析各因素的相對重要性。

（2） 教學(xué)內(nèi)容。AHP層次決策的行業(yè)需求；層次決策分析的必要性；AHP層次決策分析的基本原理、實現(xiàn)過程與計算方法；AHP層級決策的應(yīng)用實例。

（3） 思政元素。AHP層次決策分析對我國扶貧開發(fā)戰(zhàn)略決策定量分析、政府主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)選擇以及區(qū)域綜合開發(fā)治理戰(zhàn)略決策等方面有重要作用。

（4） 學(xué)生實驗。理解AHP層次決策分析的行業(yè)需求；將目標(biāo)任務(wù)分解為收集數(shù)據(jù)、構(gòu)建AHP層次決策判斷矩陣和結(jié)構(gòu)模型；編寫Matlab求解判斷矩陣的特征值與特征向量，以實現(xiàn)層次單排序和總排序；總結(jié)掌握的AHP層次決策分析知識。圖6為扶貧開發(fā)戰(zhàn)略中的層次結(jié)構(gòu)模型。

5 結(jié)束語

“雙一流”建設(shè)是新時代高等教育發(fā)展的重要舉措。本文在OBE理念指導(dǎo)下，抓住“雙一流”建設(shè)契機，以資源與環(huán)境專業(yè)研究生《高級計量地理學(xué)》課程為個案，探討成果導(dǎo)向的OBE教學(xué)模式設(shè)計，形成貫穿成果導(dǎo)向、教師教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、思政元素融入和學(xué)生動手實驗等4個方面的OBE教學(xué)模式改革。以《高級計量地理學(xué)》的重點知識為例，包括趨勢面分析、時間序列分析、主成分分析和AHP層次決策等，設(shè)計基于OBE模式的教學(xué)改革實踐，從實際教學(xué)效果來看，學(xué)生對行業(yè)需求的理解、動手編程能力、科研水平等都有不同程度的提高。由于科技進步、地理產(chǎn)業(yè)發(fā)展、科研成果推陳出新，未來將以學(xué)年為單位定期完善與更新教學(xué)內(nèi)容，將OBE教學(xué)模式深入與靈活運用至日常教學(xué)中，培養(yǎng)適應(yīng)時代發(fā)展的地理棟梁之才。