林偉華,劉福江,鄭貴洲,楊 乃
(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地理與信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)
近年來隨著我國高等教育不斷發(fā)展,高等教育質(zhì)量的問題引起教育工作者的廣泛關(guān)注。特別是2018年6月教育部召開了新時(shí)代中國高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議,提出建設(shè)“一流本科教育”的要求。本科教育的主體是專業(yè)教育,專業(yè)教育的核心是課程。隨后,教育部印發(fā)《關(guān)于狠抓新時(shí)代全國高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神落實(shí)的通知》(教高函〔2018〕8號(hào))的文件,提出“各高校要全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容,淘汰‘水課’、打造‘金課’,切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量”的要求[1]。
教育部自1998年將地理信息科學(xué)(Geographic Information Science,GIS)專業(yè)列入《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》中以來,我國已有超過170所高校開設(shè)GIS專業(yè)[2],并且各高校在本科階段已將“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”作為GIS專業(yè)的必修基礎(chǔ)課廣泛開設(shè)。目前,國內(nèi)一些學(xué)者和一線教師對(duì)GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的教學(xué)提出眾多好的建議和方法,取得教學(xué)效果[3-10],以及針對(duì)金課建設(shè)的探索[11]。但是,在金課建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和要求下,針對(duì)GIS專業(yè)的“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程如何進(jìn)行相關(guān)教學(xué)實(shí)踐還未有相關(guān)研究和探討。文中主要結(jié)合本校GIS專業(yè)教學(xué)實(shí)際,基于金課的標(biāo)準(zhǔn)和要求,從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核評(píng)價(jià)等方面對(duì)GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程建設(shè)進(jìn)行探索和實(shí)踐,為進(jìn)一步提升GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)質(zhì)量和GIS專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量提供參考。
根據(jù)金課的“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn),即“高階性”“創(chuàng)新性”和“挑戰(zhàn)度”[1],其中,“高階性”就是知識(shí)、能力、素質(zhì)有機(jī)融合,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維。“創(chuàng)新性”是課程內(nèi)容具有前沿性和時(shí)代性,教學(xué)形式體現(xiàn)先進(jìn)性和互動(dòng)性,學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個(gè)性化?!疤魬?zhàn)度”是課程要有一定的難度[1]。
結(jié)合我校GIS專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”在GIS專業(yè)中的角色定位,GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程的“高階性”是將GIS與“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”專業(yè)知識(shí)、能力、素質(zhì)的有機(jī)融合,培養(yǎng)學(xué)生解決GIS工程與技術(shù)等有關(guān)圖形處理方面復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維?!皠?chuàng)新性”是指課程內(nèi)容能反映GIS圖形處理與可視化技術(shù)的前沿性和時(shí)代性,教學(xué)形式呈現(xiàn)先進(jìn)性和互動(dòng)性,充分利用現(xiàn)代各種線上線下教學(xué)優(yōu)勢(shì),學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個(gè)性化。“挑戰(zhàn)度”同樣是指課程對(duì)學(xué)生要有一定難度,需要跳一跳才能夠得著。
GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的教學(xué)需緊密與GIS專業(yè)內(nèi)容和特征相結(jié)合,以金課的“兩性一度”為標(biāo)準(zhǔn),以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力與思維為目標(biāo),以重塑教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核評(píng)價(jià)為抓手,以問題為導(dǎo)向的混合立體教學(xué)模式為核心,全面探索和實(shí)踐GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的課程教學(xué),培養(yǎng)GIS專業(yè)高質(zhì)量創(chuàng)新人才,如圖1所示。
以問題為導(dǎo)向的混合立體教學(xué)模式具體體現(xiàn)在:一是強(qiáng)調(diào)學(xué)生解決問題能力的培養(yǎng),以解決GIS中有關(guān)圖形處理與可視化問題為整個(gè)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的主線,轉(zhuǎn)變以往強(qiáng)調(diào)以知識(shí)為導(dǎo)向的培養(yǎng)和以教材知識(shí)點(diǎn)為主線的教學(xué)方式。二是強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng),充分利用線上、線下授課和實(shí)踐等多種方式,完成主動(dòng)學(xué)習(xí)、課程講授、師生互動(dòng)等形式的教學(xué),轉(zhuǎn)變以往教師教什么學(xué)生學(xué)什么的被動(dòng)教學(xué)方式。三是強(qiáng)調(diào)教學(xué)全過程多維度考核評(píng)價(jià),轉(zhuǎn)變以往較少顧及學(xué)習(xí)過程的以最終筆試、實(shí)踐成果與報(bào)告為主的單一考核評(píng)價(jià)方式。
圖1 金課導(dǎo)向下的教學(xué)思路
基于金課導(dǎo)向下的GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)“兩性一度”的要求,從解決GIS有關(guān)圖形處理和可視化問題的角度梳理和重塑教學(xué)內(nèi)容,如表1所示。課程選取的教學(xué)內(nèi)容依據(jù)和特點(diǎn)主要考慮以下幾個(gè)方面。
表1 問題導(dǎo)向的課程內(nèi)容
一是針對(duì)傳統(tǒng)面向計(jì)算機(jī)類專業(yè)的“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)內(nèi)容缺少與GIS專業(yè)技術(shù)中有關(guān)空間數(shù)據(jù)處理、分析、可視化的算法相結(jié)合及其缺少與GIS可視化最新技術(shù)相結(jié)合的問題,要把傳統(tǒng)面向計(jì)算機(jī)類專業(yè)的“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程根據(jù)GIS專業(yè)技術(shù)要求從內(nèi)容上、側(cè)重點(diǎn)上進(jìn)行刪減和補(bǔ)充,并將二維、三維GIS可視化最新技術(shù)和硬件發(fā)展相結(jié)合,最大限度地體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新性。
在結(jié)合GIS與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)類專業(yè)的“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容上,重點(diǎn)刪除GIS中不會(huì)涉及的一些教學(xué)內(nèi)容,選取在GIS中會(huì)涉及到的二維和三維圖形處理與可視化算法,并補(bǔ)充一些計(jì)算幾何和GIS常用算法。如刪除計(jì)算機(jī)動(dòng)畫等內(nèi)容;加入點(diǎn)、線、弧段、圓、多邊形之間關(guān)系判斷,多邊形疊加分析區(qū)域計(jì)算、線緩沖區(qū)計(jì)算、多邊形面積計(jì)算、三角網(wǎng)生成、地圖符號(hào)生成等常用GIS算法的教學(xué)內(nèi)容。在將二維、三維GIS可視化最新技術(shù)和硬件發(fā)展結(jié)合方面,主要結(jié)合空間統(tǒng)計(jì)分析可視化、大場(chǎng)景空中/地上/地表/地下三維一體可視化、VR/AR技術(shù)等相關(guān)技術(shù)等。
二是針對(duì)傳統(tǒng)面向計(jì)算機(jī)類專業(yè)的“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)過程忽視學(xué)生利用“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”知識(shí)解決GIS應(yīng)用、開發(fā)、研究等問題的能力培養(yǎng)問題,首先將每一章節(jié)從解決其應(yīng)用性問題、技術(shù)性問題、研究性問題等三個(gè)層次為主線設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容,然后綜合解決問題,即利用“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”知識(shí)解決GIS數(shù)據(jù)處理與可視化中的工程與技術(shù)問題,其問題的難度和解決問題的工作量依次增加,充分綜合運(yùn)用已學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),循序漸進(jìn)地鍛煉學(xué)生解決問題的能力,實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)的高階性。
三是針對(duì)傳統(tǒng)面向計(jì)算機(jī)類專業(yè)的“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)過程著重講授圖形處理和顯示的基本經(jīng)典算法,而忽視GIS可視化中最新研究成果和前沿技術(shù)問題,每個(gè)章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容不僅需要掌握傳統(tǒng)經(jīng)典的相關(guān)算法,還需要講授與本章節(jié)相關(guān)最新的GIS技術(shù)與方法,引導(dǎo)學(xué)生通過自己動(dòng)手查閱文獻(xiàn),讓學(xué)生掌握最新研究成果或相關(guān)改進(jìn)的算法,在難度上較以往有一定的挑戰(zhàn)度。
為了實(shí)現(xiàn)GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”金課培養(yǎng)的目標(biāo),課程教學(xué)方式是核心。與傳統(tǒng)主要依靠教師講授,學(xué)生被動(dòng)吸收知識(shí)不同,要充分利用課前、課中和課后多個(gè)環(huán)節(jié),調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣和能力,并針對(duì)不同的教學(xué)環(huán)節(jié)利用線上和線下教學(xué)優(yōu)勢(shì)施以不同教學(xué)方法,這也是體現(xiàn)金課對(duì)教學(xué)方式的“創(chuàng)新性”要求,如表2所示。其中,課中主要指?jìng)鹘y(tǒng)授課課時(shí)部分,課后主要指課外學(xué)時(shí)和上機(jī)學(xué)時(shí)部分,課前主要指課外學(xué)時(shí)部分。
表2 不同環(huán)節(jié)的課程教學(xué)方法
在課前可利用QQ群、騰訊課堂和超星學(xué)習(xí)通等工具打造線上金課,在線上提供給學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的要求、任務(wù)和材料,采用個(gè)體化和實(shí)踐的教學(xué)方法,讓學(xué)生在課前充分利用自主時(shí)間完成教學(xué)內(nèi)容自學(xué),并完成作業(yè)和實(shí)踐,讓學(xué)生通過自己的努力解決相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用性問題和技術(shù)性問題,并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提交作業(yè)和提交未解決或疑惑的問題,問題經(jīng)教師匯總、整理和分類后,通過線上推送給所有學(xué)生或分小組學(xué)生,讓學(xué)生通過思考、動(dòng)手實(shí)踐、查閱資料等方式準(zhǔn)備解答問題的內(nèi)容,為課中翻轉(zhuǎn)課堂的順利開展提供基礎(chǔ)。其中,學(xué)習(xí)材料有課程大綱、課程日歷、課程問題與作業(yè)、課程PPT、課程微視頻、網(wǎng)絡(luò)課程資源鏈接等。
課中教學(xué)主要采用教師中心和相互作用的教學(xué)方法打造線下金課。課中教學(xué)的教師中心方法主要是以每章節(jié)教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的應(yīng)用性問題和技術(shù)性問題為主線,采用啟發(fā)式、案例教學(xué)法等,針對(duì)教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí),通過教師講授方式進(jìn)行教學(xué),該方式占用課中教學(xué)1/2—2/3左右學(xué)時(shí)。課中的相互作用方法主要是針對(duì)課前提交作業(yè)和未解決或疑惑的問題設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)課堂,由學(xué)生唱主角,教師在一旁引導(dǎo),通過全班討論、小組討論等方式完成問題的預(yù)解答,最后由教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)、總結(jié),該方式占用課中教學(xué)1/2~1/3左右學(xué)時(shí)。另外,課中的實(shí)踐課程學(xué)時(shí)主要是完成實(shí)踐教學(xué)。
課后教學(xué)主要采用個(gè)體化的教學(xué)方法、實(shí)踐的教學(xué)方法、相互作用的教學(xué)方法打造線上與線下金課。一方面課后針對(duì)課前和課中遺留的問題進(jìn)行學(xué)生個(gè)體線上和線下答疑;另一方面針對(duì)研究性問題和綜合實(shí)踐的學(xué)習(xí)任務(wù),通過小組討論、查閱資料等完成相關(guān)問題的解答。
構(gòu)建全周期學(xué)習(xí)的多層次實(shí)踐教學(xué)是打造GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”金課的重要一環(huán)。從實(shí)踐教學(xué)過程看,相較以往主要在課后完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式,實(shí)踐教學(xué)的核心是通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)在課前完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),學(xué)生在課中通過自己動(dòng)手完成具有探索和研究性的提高性實(shí)驗(yàn),學(xué)生在課后組成團(tuán)隊(duì)合作完成有一定難度的、需要解決GIS工程技術(shù)可視化方面的綜合性實(shí)驗(yàn),這些實(shí)踐課程在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到具有一定的“挑戰(zhàn)度”“高階性”“創(chuàng)新性”要求。
課程實(shí)踐教學(xué)是充分利用不同的教學(xué)時(shí)間,將專業(yè)知識(shí)、能力、素質(zhì)等培養(yǎng)要求與不同層次實(shí)踐教學(xué)任務(wù)有機(jī)融合,讓學(xué)生通過上機(jī)學(xué)會(huì)動(dòng)手解決GIS有關(guān)圖形處理方面應(yīng)用、工程技術(shù)以及綜合性復(fù)雜問題的能力,如表3所示。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、提高性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)均是要通過學(xué)生自主學(xué)習(xí),并通過上機(jī)應(yīng)用和編程的方式進(jìn)行教學(xué)。其中,驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要解決教學(xué)內(nèi)容中應(yīng)用性和技術(shù)性問題,提高性實(shí)驗(yàn)主要解決教學(xué)內(nèi)容中研究性問題,綜合性實(shí)驗(yàn)主要解決金課要求的綜合性問題。
全周期學(xué)習(xí)的多層次實(shí)踐教學(xué)與傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)比較突出的特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
一是傳統(tǒng)的課程實(shí)踐教學(xué)一般要求在上機(jī)實(shí)習(xí)學(xué)時(shí)內(nèi)完成課程內(nèi)容相關(guān)算法驗(yàn)證的任務(wù),與傳統(tǒng)的課程實(shí)踐教學(xué)的方式不同,該課程實(shí)踐需要在課堂課程前、課中的實(shí)踐課程學(xué)時(shí)內(nèi)和課后完成不同的上機(jī)實(shí)習(xí)任務(wù),實(shí)習(xí)時(shí)間從課程開始的前一兩周一直持續(xù)到課程結(jié)束后的三四周左右。
二是在每章節(jié)課堂學(xué)習(xí)前除了需自主在線學(xué)習(xí)和完成傳統(tǒng)習(xí)題作業(yè)外,還需熟悉和掌握本章節(jié)相關(guān)技術(shù)在GIS平臺(tái)或應(yīng)用系統(tǒng)中體現(xiàn)的功能,并且對(duì)該章節(jié)所涉及的基本算法需要自己編程驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)。在課中的實(shí)踐課程學(xué)時(shí)內(nèi)主要完成對(duì)已有算法的改進(jìn)上機(jī)實(shí)習(xí),其難度相對(duì)于傳統(tǒng)完成課程內(nèi)容相關(guān)算法驗(yàn)證任務(wù)有所增加,也需要學(xué)生在課程學(xué)時(shí)外花時(shí)間查閱一定的文獻(xiàn)。
表3 不同環(huán)節(jié)的課程實(shí)踐教學(xué)方式
三是實(shí)踐課程是將技術(shù)應(yīng)用和編程開發(fā)相結(jié)合。技術(shù)應(yīng)用主要體現(xiàn)在掌握課前需完成相關(guān)技術(shù)在GIS平臺(tái)或GIS應(yīng)用系統(tǒng)中體現(xiàn)的功能,課后利用已有三維建模與可視化工具對(duì)特定區(qū)域構(gòu)建三維系統(tǒng)。編程開發(fā)主要體現(xiàn)在課中對(duì)現(xiàn)有算法的改進(jìn),課后編程實(shí)現(xiàn)二維或三維GIS平臺(tái)編輯與可視化原型系統(tǒng)。
四是實(shí)踐課程將自主獨(dú)立上機(jī)實(shí)習(xí)和分小組團(tuán)隊(duì)完成相結(jié)合,既鍛煉個(gè)人獨(dú)立思考和動(dòng)手能力,又在解決大型GIS工程與技術(shù)綜合問題方面培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。其中,在課前和課中實(shí)踐中以獨(dú)立上機(jī)為主,課后的綜合性實(shí)踐以分小組團(tuán)隊(duì)合作為主,課后的綜合性實(shí)踐根據(jù)在項(xiàng)目實(shí)施中對(duì)項(xiàng)目管理、協(xié)調(diào)溝通、質(zhì)量監(jiān)控、方案編寫、技術(shù)研發(fā)等角色協(xié)同完成的需要,組建由3~4人構(gòu)成的小組為宜,并按角色分工,每個(gè)學(xué)生可承擔(dān)幾個(gè)不同角色任務(wù)。
合理的課程考核方式是打造GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”金課的重要保障??己酥饕轻槍?duì)學(xué)生完成的具有一定“高階性”“創(chuàng)新性”和“挑戰(zhàn)度”的課前驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)成果、課中提高性實(shí)驗(yàn)成果和課后綜合性實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行評(píng)價(jià),如表4所示。在評(píng)價(jià)課前驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)成果、提高性實(shí)驗(yàn)成果和綜合性實(shí)驗(yàn)成果中,其解決GIS工程技術(shù)中復(fù)雜問題量越多評(píng)判的成績?cè)礁?,其?yīng)用和探究完成的成果越新穎或具有創(chuàng)新點(diǎn)越多評(píng)判的成績?cè)礁撸渫瓿傻碾y度越高評(píng)判的成績?cè)礁摺?/p>
與傳統(tǒng)以課程結(jié)束后通過期末考試和上機(jī)實(shí)踐成績?yōu)橹饕己朔绞讲煌?,本課題考核貫穿課前、課中和課后全過程,并且將個(gè)人考核和分小組考核相結(jié)合,既強(qiáng)調(diào)個(gè)人學(xué)習(xí)努力也考慮小組團(tuán)隊(duì)合作精神考核,考核方式具有一定“創(chuàng)新性”。另外,將自主學(xué)習(xí)、講授、討論學(xué)習(xí)情況考核相結(jié)合,理論知識(shí)學(xué)習(xí)與上機(jī)實(shí)踐學(xué)習(xí)相結(jié)合,從提交或完成的程序、作業(yè)、表達(dá)、試卷、應(yīng)用系統(tǒng)與平臺(tái)等成果,突出知識(shí)、能力、素養(yǎng)和創(chuàng)新等方面的多維度考察,如驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)成果、作業(yè)完成情況、期末考試等重點(diǎn)考察學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí),提高性實(shí)驗(yàn)成果、考勤和課堂成績等重點(diǎn)考察學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐、表達(dá)能力,綜合性實(shí)驗(yàn)成果從應(yīng)用和開發(fā)兩方面重點(diǎn)考察學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作素養(yǎng)和創(chuàng)新能力等。
在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)GIS專業(yè)的近兩年的兩屆3個(gè)班的GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)實(shí)踐中,通過文中以問題為導(dǎo)向的混合立體教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐,GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程的教學(xué)效果和質(zhì)量有了很大的提高,極大地提升了學(xué)生對(duì)該課程和GIS專業(yè)的學(xué)習(xí)能動(dòng)性和探索精神,達(dá)到了一定的金課建設(shè)要求。對(duì)學(xué)生來講,該課程較以往只需掌握?qǐng)D形處理與顯示的基本算法上難度有所提高,有一定的“挑戰(zhàn)度”;學(xué)生在解決GIS工程與技術(shù)有關(guān)圖形處理方面復(fù)雜問題的綜合能力上較以往有較大提升,體現(xiàn)了GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程一定的“高階性”;學(xué)生掌握一定GIS可視化最新技術(shù),并且學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與探究能力得到較大提高,體現(xiàn)一定的“創(chuàng)新性”。
高校各專業(yè)在金課導(dǎo)向下的各課程教學(xué)也是不斷探索和完善的過程,需要眾多學(xué)者和教師根據(jù)金課的要求從教學(xué)思路、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核評(píng)價(jià)等多方面進(jìn)行深入研究、探討和實(shí)踐,不斷地完善相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法,提升教學(xué)效果和質(zhì)量,最終達(dá)到金課標(biāo)準(zhǔn)。文中針對(duì)GIS專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”提供在金課導(dǎo)向下進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐的相關(guān)思路和方法,為全面探索和實(shí)踐金課導(dǎo)向下GIS專業(yè)其它相關(guān)課程教學(xué),培養(yǎng)GIS專業(yè)高質(zhì)量創(chuàng)新人才提供借鑒。