“雙一流”背景下高校研究生《高級(jí)計(jì)量地理學(xué)》教學(xué)改革

賀智

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

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）03-0112-04

1 引言

2015年10月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《統(tǒng)籌推進(jìn)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(shí)施，目標(biāo)是在21世紀(jì)中葉建成高等教育強(qiáng)國(guó)。截至2022年2月，我國(guó)“雙一流”高校總計(jì)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(guó)大學(xué)及學(xué)科建設(shè)進(jìn)入全新階段。在國(guó)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(jī)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(guó)家科技創(chuàng)新與進(jìn)步的基石。2020年9月，教育部發(fā)布《關(guān)于加快新時(shí)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(guó)特色研究生教育強(qiáng)國(guó)的奮斗目標(biāo)。在此背景下，如何抓住機(jī)遇通過(guò)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(yàn)與8年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以講授的資源與環(huán)境專業(yè)《高級(jí)計(jì)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(jì)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(duì)區(qū)域?qū)W派的批評(píng)與否定，認(rèn)為地理學(xué)應(yīng)追求與探索法則，拉開了計(jì)量運(yùn)動(dòng)的帷幕。與傳統(tǒng)地理學(xué)強(qiáng)調(diào)各地域的記述與特殊性研究不同，計(jì)量地理學(xué)強(qiáng)調(diào)從空間角度、采用計(jì)量分析方法、探求地理規(guī)律，進(jìn)而導(dǎo)出地理學(xué)的一般理論。歷經(jīng)近70年的發(fā)展，計(jì)量地理學(xué)的理論日趨成熟。由于計(jì)量地理學(xué)將地理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科交叉技術(shù)應(yīng)用于地理學(xué)，同時(shí)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(duì)培養(yǎng)優(yōu)秀地理人才做出了突出貢獻(xiàn)。《高級(jí)計(jì)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(yùn)用數(shù)學(xué)方法來(lái)建立數(shù)學(xué)模型并解決實(shí)際地理問(wèn)題、培養(yǎng)編程動(dòng)手能力和從事科學(xué)研究的素養(yǎng)。國(guó)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(jì)量地理學(xué)基礎(chǔ)》、徐建華編著的《計(jì)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(lái)隨著大數(shù)據(jù)人工智能時(shí)代[10-13]的到來(lái)，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(jí)計(jì)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(shí)主要由教師直接、單向地傳授給學(xué)生，學(xué)生被動(dòng)接受、參與感不強(qiáng)、動(dòng)手能力較弱，導(dǎo)致對(duì)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(shí)間花費(fèi)理論教學(xué)上，較少涉及最新技術(shù)與應(yīng)用需求，與實(shí)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(guò)程缺乏課程思政元素的融入，缺乏把思政工作貫穿于整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)，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(jì)

針對(duì)“雙一流”背景下《高級(jí)計(jì)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(jì)。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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。OBE通過(guò)衡量學(xué)生學(xué)到了什么、能做什么來(lái)評(píng)價(jià)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(duì)教師教學(xué)過(guò)程和學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

具體而言，《高級(jí)計(jì)量地理學(xué)》是理論與應(yīng)用并重的交叉學(xué)科，在實(shí)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(jì)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(guò)操作計(jì)算機(jī)軟件提高動(dòng)手能力、最終提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。教師的教學(xué)活動(dòng)側(cè)重設(shè)計(jì)教學(xué)模式、監(jiān)控教學(xué)過(guò)程、指導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題。首先，設(shè)定源于遙感、測(cè)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(jì)基于OBE的教學(xué)模式；根據(jù)時(shí)代發(fā)展[14-15]、技術(shù)進(jìn)步與學(xué)生反饋，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容；最后，對(duì)教學(xué)效果實(shí)施評(píng)價(jià)。學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程側(cè)重學(xué)習(xí)理論知識(shí)、提高動(dòng)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(guò)查閱資料、實(shí)地調(diào)研等深入理解行業(yè)需求；然后，對(duì)目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行分解并尋求解決方案；在此基礎(chǔ)上通過(guò)搜集數(shù)據(jù)與編寫程序代碼來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題；最后，總結(jié)與凝練整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中獲取到的知識(shí)。

4 OBE教學(xué)模式在《高級(jí)計(jì)量地理學(xué)》教學(xué)中的改革與實(shí)踐

根據(jù)OBE教學(xué)模式設(shè)計(jì)，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(shí)（地理數(shù)據(jù)系統(tǒng)）、時(shí)空問(wèn)題（空間分布測(cè)度、時(shí)間序列分析）、統(tǒng)計(jì)問(wèn)題（相關(guān)分析與回歸分析、趨勢(shì)面分析、主成分分析、馬爾科夫預(yù)測(cè)）和規(guī)劃決策問(wèn)題（線性規(guī)劃分析、地理系統(tǒng)決策分析）。每個(gè)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(shí)間序列分析中，除了平滑法、趨勢(shì)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(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory，LSTM） ，并分析我國(guó)長(zhǎng)江、黃淮海流域特大洪水發(fā)生的時(shí)間間隔、與太陽(yáng)黑子周期的關(guān)系、如何在應(yīng)對(duì)洪水時(shí)做到未雨綢繆等思政元素。下面通過(guò)4個(gè)示例（即趨勢(shì)面分析、時(shí)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(jí)計(jì)量地理學(xué)》教學(xué)改革與實(shí)踐。

4.1 趨勢(shì)面分析

（1） 成果導(dǎo)向。理解趨勢(shì)面分析的概念與作用；掌握基于線性/非線性回歸的趨勢(shì)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(shì)面；了解行業(yè)需求，在實(shí)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(shì)面分析的行業(yè)需求；趨勢(shì)面分析的一般原理；趨勢(shì)面分析的線性/非線性回歸模型；趨勢(shì)面擬合程度的檢驗(yàn)方法；趨勢(shì)面分析的應(yīng)用實(shí)例。

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

（4） 學(xué)生實(shí)驗(yàn)。理解趨勢(shì)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(shì)面模型和顯著性檢驗(yàn)方法；編寫Matlab代碼實(shí)現(xiàn)解決方案；總結(jié)掌握的趨勢(shì)面分析知識(shí)。圖3為基于一次、二次、三次和四次多項(xiàng)式回歸模型的降水量趨勢(shì)面分析結(jié)果。

4.2 時(shí)間序列分析

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

（2） 教學(xué)內(nèi)容。時(shí)間序列分析的行業(yè)需求；時(shí)間序列分析的基本原理；長(zhǎng)期趨勢(shì)分析和季節(jié)變動(dòng)預(yù)測(cè)模型；時(shí)間序列分析的應(yīng)用實(shí)例。

（3） 思政元素。時(shí)間序列分析可有效應(yīng)用于我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和地理對(duì)象的發(fā)展變化過(guò)程、發(fā)展?fàn)顟B(tài)及未來(lái)演變預(yù)測(cè)等。

（4） 學(xué)生實(shí)驗(yàn)。理解時(shí)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(wèn)題驅(qū)動(dòng)的時(shí)間序列分析模型；編寫Matlab代碼實(shí)現(xiàn)解決方案；總結(jié)掌握的時(shí)間序列分析知識(shí)。圖4為基于移動(dòng)平均、滑動(dòng)平均和指數(shù)平滑的長(zhǎng)期趨勢(shì)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(jì)算步驟；收集高光譜遙感數(shù)據(jù)并用Matlab編程實(shí)現(xiàn)主成分分析；在行業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，主成分分析可把原來(lái)多個(gè)變量降維為少數(shù)幾個(gè)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(guò)程及計(jì)算步驟；主成分分析的應(yīng)用實(shí)例。

（3） 思政元素。隨著“高分專項(xiàng)”的啟動(dòng)，我國(guó)遙感事業(yè)得到了極大發(fā)展，空間、時(shí)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(duì)遙感數(shù)據(jù)降維、提取有效信息；

（4） 學(xué)生實(shí)驗(yàn)。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(jìn)行主成分分析，以實(shí)現(xiàn)降維；總結(jié)掌握的主成分分析知識(shí)。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(jì)算方法；收集適于AHP層次決策的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)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(yàn)構(gòu)建判斷矩陣并用Matlab編程實(shí)現(xiàn)層次決策；了解行業(yè)需求，在面臨復(fù)雜決策時(shí)，對(duì)一些無(wú)法度量的因素，引入合理的度量標(biāo)度，構(gòu)造判斷矩陣來(lái)分析各因素的相對(duì)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(shí)現(xiàn)過(guò)程與計(jì)算方法；AHP層級(jí)決策的應(yīng)用實(shí)例。

（3） 思政元素。AHP層次決策分析對(duì)我國(guó)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(shí)驗(yàn)。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(shí)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(shí)。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(yǔ)

“雙一流”建設(shè)是新時(shí)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(jī)，以資源與環(huán)境專業(yè)研究生《高級(jí)計(jì)量地理學(xué)》課程為個(gè)案，探討成果導(dǎo)向的OBE教學(xué)模式設(shè)計(jì)，形成貫穿成果導(dǎo)向、教師教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、思政元素融入和學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)等4個(gè)方面的OBE教學(xué)模式改革。以《高級(jí)計(jì)量地理學(xué)》的重點(diǎn)知識(shí)為例，包括趨勢(shì)面分析、時(shí)間序列分析、主成分分析和AHP層次決策等，設(shè)計(jì)基于OBE模式的教學(xué)改革實(shí)踐，從實(shí)際教學(xué)效果來(lái)看，學(xué)生對(duì)行業(yè)需求的理解、動(dòng)手編程能力、科研水平等都有不同程度的提高。由于科技進(jìn)步、地理產(chǎn)業(yè)發(fā)展、科研成果推陳出新，未來(lái)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(yùn)用至日常教學(xué)中，培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的地理?xiàng)澚褐拧?/p>