新工科背景下1+3PBL互動性教學設計改革與實踐

李孟倩 金花 韓秀麗 李鳴鐸 郭力娜

摘? 要：課程建設是新工科建設的關鍵環節，是人才培養的主陣地。該文以本科課程遙感原理與應用的建設為例，針對現在大學生主體和工科專業課程特點，對課程內容、教學形式、考核標準進行基于PBL的互動教學改革，設計PBL與BOPPPS課堂互動、五星教學組織、KOSEAM學習環組合的學習形式，采用基于OBE多元化考核標準，形成一種符合新工科人才培養要求的1+3PBL教學模式，為促進學生綜合技能的培養、強化學生自主學習及合作創新能力提供新的思路。

關鍵詞：課程建設；PBL；互動教學；BOPPPS；五星教學組織；KOSEAM學習環

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）20-0042-05

Abstract： Curriculum construction is the key link of new engineering construction and the main position of talent training. Taking the construction of the undergraduate course "Remote Sensing Principle and Application" as an example， aiming at the characteristics of current college students and engineering courses， this paper carries out the interactive teaching reform based on PBL on the course content， teaching form and assessment standard， and designs the learning form of classroom interaction between PBL and BOPPPS， five-star teaching organization and KOSEAM learning ring combination. Based on OBE diversified assessment standards， a 1+3PBL teaching model has been formed， which meets the requirements of new engineering talents training， and provides new ideas for promoting the cultivation of students' comprehensive skills， strengthening students' ability of independent learning and cooperative innovation.

Keywords： curriculum construction; PBL; interactive teaching; BOPPPS; five-star teaching organization; KOSEAM learning ring

在工業4.0時代，為了主動應對科技革命和產業變革的挑戰，新工科理念應運而生，高等學校傳統工科專業必須以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養造就一批多樣化、創新型卓越工程科技人才[1-4]。課程作為人才培養的關鍵依托，其建設水平高低直接決定了人才培養質量。新工科課程的建設中需要重點把握學與教這個中心任務，以立德樹人為引領、以學生為中心，建設高質量的課程，就必須要求學生能夠參與真實、深度、完整、有效的學習。馬克思在《1844年經濟學哲學手稿》里指出“自由自覺的活動恰恰就是人的類特性”。從學習動力的角度講，自由對應的是學習興趣，自覺對應的是學習責任。如何讓學生從興趣與責任兩個角度主動參與學習，引導學生進行“真正”意義的學習，就需要每一名高校教師針對自己授課內容進行系統的設計。

PBL（Problem-based Learning，基于問題學習）由加拿大麥克馬斯特（McMaster）大學首創，是一種以建立終身學習能力為目標，強調在開放情境中，學生自主學習為主，教師指導為輔的教學模式。徐錦泱等[5]、常詠梅等[6]、易美榮等[7]分別對本科生課程信號與系統、碩士生課程信息技術、本碩博課程Advanced Compositesand TheirManufacturing Techniques中應用了基于項目學習的PBL教學，實踐表明學生實踐能力、溝通交流能力、主動學習意識均有所增強；包妮沙等[8]以PBL問題為導向進行了遙感原理與應用實驗教學設計并有效提高了學生自主學習能力；王杰等[9]、李英杰等[10]、楊強等[11]從思政元素融入教學內容、設計遙感思政案例、評價學生對案例匯報表現等方面進行了課程思政建設，實踐證明上述方法均能夠提高學生對專業的認同、提升學生的愛國情操和人文關懷；團隊對PBL教學模式下學生的學習情況進行了基于OBE理念的多元化考核，結果表明PBL教學模式不僅能夠促進學生自主深入學習能力、表達能力、思維能力等通用能力提升，也提升了其職業素質和思想素質[12]；PBL教學模式鼓勵學生自主學習和跨學科探究等理念[13]與新工科的課程建設內涵高度相符，且在醫學、基礎教育領域廣泛應用，團隊前期對PBL教學在工科領域進行了探究，以國家立項建設的第一批一流課程遙感原理與應用為例，該課程采用分模塊循序漸進的PBL融入式設計，逐漸增加PBL自主探究的學習比例，形成1+3PBL教學模式，讓教與學更富有科學精神和創造性，實現學生“真正”地有效學習。

一1+3PBL教學模式簡介

依據新工科人才培養目標和教學內涵要求，遙感原理與應用課程在建設中，基于問題（Problem-Based Learning）的PBL教學模式，增加了課程思政的“1”及基于過程（Process-Based Learning）、基于項目（Project-Based Learning）兩種教學模式，形成1+3PBL教學模式。課程思政“1”是新工科關于“立德樹人”核心素養在課程建設方面的具體體現，包含學生家國情懷與工匠精神、科學精神與終身學習、溝通交流和團隊合作，以及工程應用和創新思維4個維度；3P分別指知識節點或問題（Problem），關鍵程序或過程（Process），工程項目的真實難題或關鍵技術（Project），1+3P的具體內涵見表1。B是能夠激發學習者參與熱情和主動學習的教學形式，如BOPPPS形式、五星教學組織、案例討論、對分課堂和KOSEAM學習環等；L（learning）引申為學習者采用學習方法，學習方法是在常用傳統講授法的基礎上，增加小組資料搜集整理、小組內部的分工協作和自主學習，和小組間探究討論、動手操作、工程應用等形式，還可以用集中匯報展示、教師點評等環節。

二? 1+3PBL教學總體設計

（一）? 課程介紹

遙感原理與應用是一門涉及新技術、多學科的基礎性、前沿性和交叉性課程，課程內容涉及多個交叉學科，主要包括遙感基礎理論（遙感物理、光譜分析）、遙感數據處理（校正、增強、解譯等）及遙感專題應用（資源調查、環境監測、礦山監查和農作物估產等）三個模塊。整個教學過程不僅要求學生掌握遙感探測的基本原理和基礎知識、熟練操作遙感圖像處理軟件進行遙感圖像校正、增強、分類等技能，還需要掌握遙感技術在測繪、農業、林業、礦產和海洋等專題方向應用的方法，具備利用遙感技術服務國民經濟建設的意識及運用遙感技術解決復雜實際問題的綜合能力和高階思維。

（二）? 1+3PBL教學總體設計

對應遙感原理與應用課程的三個模塊，將課程按照教學形式劃分了理論教學、上機操作、專題應用3個層次。應用1+3PBL教學模式對每一層次內容進行重構，其中，遙感基礎理論模塊提煉37個Problem知識點，圖像處理模塊規范6個Process操作過程，遙感專題應用模塊引入8個領域Project應用案例，具體如下。

理論教學部分劃分知識節點或要點（problem），采用基于問題形式講解理論知識，增加學生好奇心和參與意識。

上機操作部分引入工程或工藝中關鍵技術（process），從解決圖像處理中實際問題出發，設計講解內容的情境和數據，增強教學內容真實性和有效性。

專題應用部分主要是理論教學中的專題應用環節和2周綜合實踐環節，融入工程項目的真實問題（project）等，接近現實世界或真實工程情景。設計遙感在農業、林業、礦產和海洋等行業實際工程、科研方面應用的專題PBL探究模式，提高教與學的挑戰度，如圖1所示。

總體設計中隨著學生對遙感知識的累積量增大，P的挑戰度增加，同時，學生間互動和自主學習過程也隨之增加，學生逐漸從被動接受向主動學習轉變，教學環節從“教師為中心”向“學生為中心”轉變。在教學過程中，科學合理設計教學環節和課堂活動，可以激發學生的學習興趣，增加其學習責任。例如，精心設計一定比例的討論、演示，動手練習等互動性環節，讓學生在參與互動的過程中達到學而思、學而練和學而用效果，逐漸實現知識的“淺層”加工向“深度”學習發展，最終達到自主探究的學習狀態。

三1+3PBL分層次具體教學設計

“以學生為中心”的教學理念要求突出課堂教學中學生的“主體”、教師的“主導”地位，使學生能夠發揮自身的主體性、能動性和獨立性發現知識、進而創造知識、拓展能力，在具體的課堂活動上變被動接受為主動探究。遙感原理與應用課程基于不同的知識模塊，在不同的教學層次上按照內容Problem、Process和Project的難易度分別進行了教學設計以期充分發揮學生的自主學習性。

（一）基于Problem的PBL課堂教學設計

為了在有限學時情況下保證學習高效性，遙感基礎理論教學活動設計采用了Problem +BOPPPS的教學組織形式。將每一個遙感基礎理論知識點以問題為導向配合BOPPPS教學方法具體展開，包括B（bridge in）導言/導入、O（objective）課堂目標、P（pre-assessment）前測、P（participatory learning）參與式學習、P（post-assessment or practice）后測或應用和S（summary）總結6個環節。圖2所示為植被光譜曲線知識點的BOPPPS教學設計過程。整個課堂教學過程以學生獲取知識為主，在教學的不同環節適當加入師生互動，來保持喚醒學生專注力水平，提升課堂焦點知識的注意度和學生的知識遷移能力。同時，課堂穿插多種案例及小組討論，課后在線上發布最新的成果和案例，線上設置閱讀作業，拓寬學習內容。

例如，遙感課程在設計“高光譜反射率”這個知識點時，以塞罕壩10年森林儲量變化遙感圖像作為案例導入，提出問題“高光譜影像與多光譜影像哪個對森林環境變化更敏感？哪個對森林范圍變化更敏感？”案例以知識點高光譜反射率為主線，融入職業要求（思政點）展開，引發學生遙感監測環境的興趣點，提升課堂專注力；在參與式學習P環節，從光譜反射率定義、數學模型講起，引用水體、沙子、植被等不同類型地物遙感光譜，同一植被不同時段、不同健康狀態遙感光譜等案例進行多次互動式講解；最后總結S在總結光譜反射率關鍵點之后，引入問題“高光譜還能在哪個行業應用？”在學生回答后，教師可以列舉高光譜檢測藥品、注水豬肉等發明專利，引導學生創新精神和職業追求。

（二）? 基于Process的PBL上機操作設計

遙感課程上機操作環節不僅要求學生掌握圖像處理數學模型、獨立操作處理軟件，還需要掌握調控精度指標等技術，為實現這一目標，課程采用Process+五星教學組織形式。五星教學原理，是美國著名教學設計專家梅里爾倡導地教學組織形式，其內涵包括聚焦問題、激活舊識、示證新知、嘗試應用和融會貫通。教學團隊在遙感上機操作實踐部分，將遙感圖像處理的6個關鍵程序（Process），結合具體任務設計案例，從聚焦問題、激活舊識、示證新知、嘗試應用、融會貫通5方面進行參與互動式設計。教學設計從解決遙感圖像處理實際問題出發，設計講解內容的情境和數據，增強教學內容真實性和有效性，提高學生知識運用能力和遷移能力。

表2是以遙感圖像幾何校正為例的基于PBL的五星教學組織設計。

在五星教學模式中，示證新知環節通常可以占到任務教學時長30%左右。仍然以遙感圖像幾何校正為例，它至少包含以下環節：向學生明確展示幾何校正任務完成前后圖像發生變化，拋出問題“是什么原因導致影像幾何校正前后存在變化呢？”；展示任務操作知識路徑、每一步必要操作和過程結果，并對各個步驟后果進行總結。還需要講解過程中設計一些提問或示錯做法，將學生注意力引到操作具體細節，激發學習參與興趣。通過運用五星教學思想設計上機教學內容時，需要準備多樣式、多工程背景的遙感圖像和具體案例，不同小組選取不同類型練習數據，可以激發學習者主觀學習熱情；同時小組間存在工程問題差異性，能夠產生組間相互學習和討論可能性，更能促進學生形成高階思維模式，建立批判性思維。

（三）? 基于Project的PBL專題應用設計

遙感專題應用的PBL教學組織主要采用Project+KOSEAM教學環方式開展。KOSEAM教學環包括獲取基礎理論（knowledge）、建立學習目標（object）、自主學習（study）、交流探究（explore）、行動實踐（act）和綜合考評（measure）六個環節，這六個環節之間層層遞進，逐步上升，符合認知金字塔規律。根據遙感專題應用的內容重點和成果需要，對每一個環節具體設計學習組織形式、教師活動以及學生活動，具體設計形式見表3。

遙感課程在運用KOSEAM教學環組織專題應用教學時，通常需要建立一個明確專題內容，例如以遙感在農業方面專題應用為例，其具體實施步驟如下。

1? 知識準備

教師圍繞這個專題發布項目名稱、任務要求、推薦閱讀的書目和參考文獻、往屆優秀案例展示等內容。推薦書目和參考文獻的閱讀，可以輔助學生回憶、構建解決項目的先決知識和技能。往屆優秀案例展示可以輔助學生構建有用的解決項目的流程，提供解決項目問題的“支架”。

2? 建立目標

在項目實施時，教師首先明確項目學習目標，包括知識、技能目標和關鍵技術要點，還需要明確完成成果的具體形式。清晰的學習目標有助于維持學生持續學習的動力，同時，也是學生自我評價的標準。

3? 自主學習

學生完成任務分工后，進入了有目的的主動學習階段，在這個階段學生可以借助優質的書籍或網絡資源進行輔助，對水稻種植面積動態監測涉及的分類、動態分析等關鍵點的基礎理論、常用方法、數據處理的過程及參數選擇方法到結果分析方法逐步深入地進行總結歸納，為解決問題進行知識儲備。自主學習的過程貫穿整個項目學習階段。

4? 交流探究

經過一段時間學習后，由教師組織在課堂內進行面面交流，多方位互動。通過組內互動、組間互動及師生互動，鍛煉學生溝通與表達技巧，同時通過團隊研討和探究環節，可以加深學生對任務涉及知識的深度理解。

5? 行動實踐

在此階段每個小組按照討論確定的方案完成每一項具體遙感數據導入、預處理、特征提取、信息識別和綜合分析，并檢查具體精度。這個環節是提高學生工程實踐能力關鍵環節，同時通過反復動手實踐和交流探究，針對關鍵問題和難點可能會間接引發學生的創新思維。

6? 綜合考評

學生完成任務后，由教師統一組織進行集中匯報、展示講解的環節，學生“作品”展示會對學習效果達到強化作用，也是學生之間相互學習和評價提升的環節。通過每個小組“作品”展示和交流分享，其他小組可以學習到不同類型遙感專題知識，擴大專題應用擴展學習效應。同時通過學生互評和討論，又起到反饋糾正和知識內化的作用。

在整個KOSEAM教學環過程中，教師和學生參與程度是逐漸變化的。在知識準備和建立目標環節，教師負責講解示范、分析要點、傳遞顯性知識，學生被動接受；在其他環節，教師充當學習向導和顧問的角色，負責總結點評和指引釋疑關鍵問題，傳遞隱性知識，學生全程參與主動探究學習。在這種教學過程中，學生興趣和責任是逐漸建立起來的，教師需要設計每個步驟教學策略和方法，合理適度地引導，適當拋出問題激勵學生，發掘學生的創造潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力。

四? 1+3PBL多元化考核設計

1+3PBL多元化考核方法是以激發學生學習動力和專業志趣為著力點的過程評價，包含自主學習考核、理論學習考核、上機操作考核、創新能力考核和專題PBL考核5個部分，見表4。自主學習考核是對學生課堂內外、線上線下主動學習情況的評價；理論學習考核是對學生專業基礎知識掌握程度的考核；上機操作考核主要考核學生的實踐動手能力及操作的規范性；創新能力考核是針對學習興趣濃厚、能力較強的學生設計的創新作業，在滿足學生個性化發展基礎上提升了課程考核的創新性；專題PBL考核是一種基于學習過程參與度、成果答辯、海報展覽等方式進行的非標準化、綜合性考核，以檢測學生思維能力、團隊能力、解決實際問題能力和表達能力等，提升了課程學習過程的挑戰度。

五? 結束語

1+3PBL教學模式以新工科核心素養為依據，以理論問題、關鍵技術和工程項目為導向，將思維能力訓練、價值觀提升、實踐能力培養和專業學科理論教學及知識目標培養有機結合。整個3PBL教學過程中要求以模塊化的知識點與問題或案例進行組合，形成一條知識明線條貫穿學習全過程；愛國情懷、職業修養和工匠精神等課程思政要素為暗線，兩條線全方位、全過程融合到整個教學過程，引導學生知識、能力與價值學習方向。

1+3PBL教學模式的充分應用，實現課程教學的高階性、創新性和挑戰度，教師做好充足逆向教學的準備。需要教師重塑課程內容，精心設計教學策略，要求教師團隊投入大量精力，從課前知識預習、課后的反饋反思和專題任務互動指導等方面進行細化設計，制定好方案，才能保證教學效果的達成度。通過課程問卷調查和學生學習成果達成度分析發現，單次PBL學習過程中，生生互動次數超過10次，查閱資料量超過15篇參考文獻，課下自學時間約1小時/天，師生課下交流次數約3次/項。1+3PBL教學模式有效提升了學生的課堂參與度，提高了學生的自主學習能力，優化了課程教學效果，為培養能夠主動服務科學研究、技術創新研究的優秀人才提供了支持。

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基金項目：國家自然基金項目“基于MEMS井下Baseline-RFMDR緊耦合定位理論與方法”（42274056）；國家級一流線下課程“遙感原理與應用”（無編號）；河北省教育廳教學改革研究與實踐項目“新工科背景下多學科交叉課堂教學設計與實施策略的研究”（2021GJJG204）；河北省教育廳教學改革研究與實踐項目“工科PBL教學模式的研究與深度應用”（2017GJJG105）；河北省教育廳創新創業教育教學改革與實踐項目（2023cxcy100）

第一作者簡介：李孟倩（1986-），女，漢族，河北唐山人，博士，講師。研究方向為遙感在地學方向的應用。

*通信作者：汪金花（1974-），女，漢族，新疆伊犁人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為高光譜遙感與室內定位。