“雙一流”背景下高校研究生《高級計量地理學》教學改革

賀智

關鍵詞：“雙一流”；計量地理學；教學改革；碩士研究生

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0112-04

1 引言

2015年10月，國務院印發《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》，2016年起開始實施，目標是在21世紀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[1-3]使高等教育受到了前所未有的重視，標志著我國大學及學科建設進入全新階段。在國家政策關懷下，中山大學有幸入選“雙一流”建設名單，是該校教育質量提升的重要機遇與挑戰。與本科教育注重通才培養不同，研究生教育肩負著高層次創新專才培養使命，是國家科技創新與進步的基石。2020年9月，教育部發布《關于加快新時代研究生教育改革發展的意見》，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。在此背景下，如何抓住機遇通過教學改革從本質上提升高等院校碩士研究生教學水平與人才培養質量，是當務之急。筆者根據13年科研經驗與8年教學經驗，以講授的資源與環境專業《高級計量地理學》[4，5] 為例，探索成果導向（Outcomes-basedEducation，OBE） [6-9]的教學改革策略，以期為“雙一流”建設培養高層次拔尖人才提供參考。

2 傳統教學模式難以滿足“雙一流”背景下的地理學高層次人才培養目標

計量地理學始于20世紀50年代初期，地理學家Schaefer等人發起了對區域學派的批評與否定，認為地理學應追求與探索法則，拉開了計量運動的帷幕。與傳統地理學強調各地域的記述與特殊性研究不同，計量地理學強調從空間角度、采用計量分析方法、探求地理規律，進而導出地理學的一般理論。歷經近70年的發展，計量地理學的理論日趨成熟。由于計量地理學將地理、數學、計算機等多學科交叉技術應用于地理學，同時服務于地理學理論研究與應用需求，在地理學科中占據重要地位，對培養優秀地理人才做出了突出貢獻。《高級計量地理學》是中山大學地理科學與規劃學院資源與環境專業碩士研究生的必修課，旨在掌握建立定量概念和地理學方法論基礎、運用數學方法來建立數學模型并解決實際地理問題、培養編程動手能力和從事科學研究的素養。國內已有多所高校（如北京大學、北京師范大學、南京師范大學等）開始了相關課程，并推出了一系列教材，經典的有張超、楊秉賡編著的《計量地理學基礎》、徐建華編著的《計量地理學》和《現代地理學中的數學方法》等。但是，近年來隨著大數據人工智能時代[10-13]的到來，傳統教學模式難以滿足“雙一流”背景下的地理學高層次人才培養要求。以《高級計量地理學》為例，存在如下不足：

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

（2） 教學內容重理論輕應用，大部分教學時間花費理論教學上，較少涉及最新技術與應用需求，與實際生產部門需求聯系不緊密。

（3） 忽視了課程思政作用，課程教學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設計，難以響應“立德樹人”目標。

3“雙一流”背景下的OBE教學模式設計

針對“雙一流”背景下《高級計量地理學》課程教學的不足，提出基于OBE教學模式設計。OBE是Spady 于1981年提出的成果導向教育理念，提倡以學生為中心，以教學目標或教學成果為導向，反推所需教學內容、教學方法與評價標準等。OBE通過衡量學生學到了什么、能做什么來評價教學成效。本文秉承OBE理念，以學生為中心、以成果為導向，構建以立德樹人為目標的教學改革思路。如圖1所示，以成果為導向，分別對教師教學過程和學生學習過程進行設計。

具體而言，《高級計量地理學》是理論與應用并重的交叉學科，在實際生產中有廣闊應用前景，該課程的成果導向包括：理解計量地理相關的基本概念、掌握數學理論方法與模型、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。教師的教學活動側重設計教學模式、監控教學過程、指導學生解決實際問題。首先，設定源于遙感、測繪、規劃等行業需求的教學專題；然后，制定教學培養目標、設計基于OBE的教學模式；根據時代發展[14-15]、技術進步與學生反饋，持續改進教學內容；最后，對教學效果實施評價。學生的學習過程側重學習理論知識、提高動手能力和執行能、反饋學習成果。首先，根據教師制定的教學專題通過查閱資料、實地調研等深入理解行業需求；然后，對目標任務進行分解并尋求解決方案；在此基礎上通過搜集數據與編寫程序代碼來解決實際問題；最后，總結與凝練整個學習過程中獲取到的知識。

4 OBE教學模式在《高級計量地理學》教學中的改革與實踐

根據OBE教學模式設計，重新梳理與更新現有教學內容，凝練如圖2所示的4大教學專題：基礎知識（地理數據系統）、時空問題（空間分布測度、時間序列分析）、統計問題（相關分析與回歸分析、趨勢面分析、主成分分析、馬爾科夫預測）和規劃決策問題（線性規劃分析、地理系統決策分析）。每個專題都將基礎與前沿結合，滲透最新科學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域熱門的長短時記憶網絡（Long Short-Term Memory，LSTM） ，并分析我國長江、黃淮海流域特大洪水發生的時間間隔、與太陽黑子周期的關系、如何在應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）詳細展示基于OBE教學模式的《高級計量地理學》教學改革與實踐。

4.1 趨勢面分析

（1） 成果導向。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；收集降水量數據并用Matlab編程繪制降水量趨勢面；了解行業需求，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揮重要作用。

（2） 教學內容。趨勢面分析的行業需求；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；趨勢面分析的應用實例。

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

（4） 學生實驗。理解趨勢面分析的行業需求；將目標任務分解為收集數據、構建合適的趨勢面模型和顯著性檢驗方法；編寫Matlab代碼實現解決方案；總結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果。

4.2 時間序列分析

（1） 成果導向。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 和季節變動預測法等時間序列分析方法；收集時間序列數據并用Matlab編程分析變化趨勢并預測未來演變情況；了解行業需求，在實際中可挖掘各種現象的變化規律，并進一步解釋內在原因，為預測與決策提供可靠的數據支撐。

（2） 教學內容。時間序列分析的行業需求；時間序列分析的基本原理；長期趨勢分析和季節變動預測模型；時間序列分析的應用實例。

（3） 思政元素。時間序列分析可有效應用于我國社會經濟和地理對象的發展變化過程、發展狀態及未來演變預測等。

（4） 學生實驗。理解時間序列分析的行業需求；將目標任務分解為收集數據、構建問題驅動的時間序列分析模型；編寫Matlab代碼實現解決方案；總結掌握的時間序列分析知識。圖4為基于移動平均、滑動平均和指數平滑的長期趨勢分析結果。

4.3 主成分分析

（1） 成果導向。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、計算步驟；收集高光譜遙感數據并用Matlab編程實現主成分分析；在行業實際應用中，主成分分析可把原來多個變量降維為少數幾個綜合指標。

（2） 教學內容。主成分分析的行業需求；主成分分析的基本原理；主成分分析的推導過程及計算步驟；主成分分析的應用實例。

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

（4） 學生實驗。理解主成分分析的行業需求；將目標任務分解為收集數據、構建主成分分析模型；編寫Matlab代碼逐步進行主成分分析，以實現降維；總結掌握的主成分分析知識。圖5為高光譜遙感數據的主成分分析結果。

4.4 AHP 層次決策

（1） 成果導向。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、經濟和地理數據并構建層次結構模型；結合專家經驗構建判斷矩陣并用Matlab編程實現層次決策；了解行業需求，在面臨復雜決策時，對一些無法度量的因素，引入合理的度量標度，構造判斷矩陣來分析各因素的相對重要性。

（2） 教學內容。AHP層次決策的行業需求；層次決策分析的必要性；AHP層次決策分析的基本原理、實現過程與計算方法；AHP層級決策的應用實例。

（3） 思政元素。AHP層次決策分析對我國扶貧開發戰略決策定量分析、政府主導產業選擇以及區域綜合開發治理戰略決策等方面有重要作用。

（4） 學生實驗。理解AHP層次決策分析的行業需求；將目標任務分解為收集數據、構建AHP層次決策判斷矩陣和結構模型；編寫Matlab求解判斷矩陣的特征值與特征向量，以實現層次單排序和總排序；總結掌握的AHP層次決策分析知識。圖6為扶貧開發戰略中的層次結構模型。

5 結束語

“雙一流”建設是新時代高等教育發展的重要舉措。本文在OBE理念指導下，抓住“雙一流”建設契機，以資源與環境專業研究生《高級計量地理學》課程為個案，探討成果導向的OBE教學模式設計，形成貫穿成果導向、教師教學內容設計、思政元素融入和學生動手實驗等4個方面的OBE教學模式改革。以《高級計量地理學》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，設計基于OBE模式的教學改革實踐，從實際教學效果來看，學生對行業需求的理解、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、地理產業發展、科研成果推陳出新，未來將以學年為單位定期完善與更新教學內容，將OBE教學模式深入與靈活運用至日常教學中，培養適應時代發展的地理棟梁之才。