基于创设项目的PBL模式在地理空间信息工程教学改革中的应用

吴 亮,郭明强,谢 忠

(1.中国地质大学(武汉) 信息工程学院,湖北 武汉 430074;2.国家地理信息系统工程研究中心,湖北 武汉 430074)

地理空间信息工程是研究地理空间信息存储、处理、分析、管理、分发及应用的科学与技术，是测绘科学、信息科学、计算机科学、地理科学交叉发展起来的一门专业，利用测绘技术、计算机技术、网络技术、传感器技术和移动通讯技术，解决地理空间数据采集、处理、可视化、分析、表示和服务的工程技术问题，进行数字地图设计，研发地理空间信息工程软硬件平台。在“智慧城市”和“新型城镇化”快速发展的新地理信息时代，地理空间信息工程应用已经渗透到城市规划、国土资源、水利、农业、林业、公安、交通等经济社会的各行各业[1]。随着我国地理信息产业蓬勃发展[2]，社会企事业单位、科研教学等机构迫切需要一大批具有自主学习能力、创新能力、实践能力、团队协作能力以及交流能力的地理空间信息工程技术人才。

以问题为导向的教学方法(Problem/Project-Based Learning，简称PBL)最早起源于20世纪50年代的医学教育领域，发展于建构主义教育理念，是近年来国际社会普遍认同的一种研究性教学模式。它强调以学生为主体，以教师为主导，将学习与任务或问题挂钩；鼓励自主学习；激发学习者的热情和兴趣；倡导讨论、思辨、合作、共享；鼓励对学习内容和过程的反思，培养学生的综合应用能力[3-4]。迄今为止，国内开展的PBL教学仍处于初级阶段，且主要应用于医学教育领域，而在地理空间信息工程教学中的应用较少。鉴于传统教学方法存在的瓶颈，引入PBL教学方法，本文将PBL教学方法的精华与传统教学方法相结合进行了应用探索，为进一步进行地理空间信息工程教学模式的改革提供理论依据。

1 PBL教学与传统教学的区别

目前，传统教学模式在各类高校中占据着主导地位。在传统教学模式下，教师是教学的主体，具有绝对的权威，为学生做系统、细致的讲解，学生只需顺着老师的思路将知识点理解熟记即完成了学习过程，不需要过多的思考或者说根本没有机会进行深入思考，发现问题，学习创新[5]。

而在基于创设项目的PBL教学模式下，以项目和问题为驱动，学生依据自己的兴趣进行较为深入的科学实验，是主观的学术研究的需要；在导师的指导下，学生以小组的形式通过实验过程及深入的思考构建独有的知识结构，在对项目和问题进行研究的过程中学习专业知识并灵活运用解决实际问题，具有一定的实践能力、团队协作能力和创新能力[6]。这种教学模式与传统教学模式有很大的不同[5，7]，下面利用表格的形式对比阐述PBL教学与传统教学的区别(见表1)。

表1 传统教学与PBL教学的比较

2 基于创设项目的PBL模式在地理空间信息工程专业中的应用

在地理空间信息工程专业，采用PBL教学方法，以问题、项目为驱动，要求学生灵活运用学过的理论知识和实践技能去独立分析和解决实际问题，使学生的实践能力、交流能力、创新能力、自主学习的能力在创设项目、分析项目、实践项目、评价反思全过程的实战训练中得到有效锻炼和提高，其教学设计如图1所示。

图1 地理空间信息工程教学设计

2.1 创设项目

虽然PBL是一种以学生为主体，教师为导向的教学模式，但教师却需要在教学前期投入更多的精力和时间做准备工作。为引导学生确定学习问题，教师选取教材的全部或者部分内容讲授总论、重点内容和基本概念；借助网络平台，教师上传自己录制的专业课程微课视频、收集的教辅材料和实验工具。

项目的创设是PBL教学的起点，是PBL教学成功运行的关键一步。在项目创设上，应根据社会对人才的需求，本着因材施教的方针，综合考虑学生的学习能力、特长、兴趣爱好、志向抱负，帮助学生组建学习小组，引导学习小组创建高质量的问题。具体的方式则可以为：教师提供有针对性设置的问题/项目供学生选择；也可引导学生们展开头脑风暴式讨论，列出自己感兴趣的话题、任务和问题。

学生在选择PBL学习问题或项目时，老师应严格把关，但在老师允许的范围之内，可以满足学生的兴趣选择，使学生能沉浸在快乐的氛围中学习，最大限度地提升其自主学习能力、创新能力和实践能力。教师在教学过程中重点要考虑，问题应能够引出与所学专业相关的原理和概念，并且问题应来源于现实生活，具有较强的现实意义，激发探究问题的动机、兴趣和热情，同时问题应足够复杂，具有挑战性，促进自主学习[8-9]。

在教学的开展中，学生的分组基本强调自愿组合，从而形成的学习小组就是典型的异质小组[10]。从协作学习的角度来看，异质组更有利于融合各小组成员所拥有的不同文化背景，互相取长补短，提升学习效果。由于地理空间信息工程的跨学科性，各小组成员应具有不同特长，以利于活动的开展。在自愿组合的学习小组的基础之上，教师应有意地加以干预和引导，针对小组成员的兴趣爱好和个人优势，使其成为异质组。

2.2 分析项目

各个学习小组所选择的问题是不同的，各成员的子问题也是不同的，具体问题具体分析，分析的过程中必然少不了查找资料的环节，善于查找资料也应是当代大学生必备技能之一。作为教师，应教会学生如何利用学校已有的资源(教辅资料库、文献检索平台和网络检索工具)去检索问题寻求答案的方法。这种“授之以渔”的方式虽然难以在传统课堂教学中体现，却可以让学生体会自主学习的过程，使其终生受用。

围绕自己感兴趣的问题，小组成员从问题的历史背景、现实意义、研究现状等几个方面自主性开展小组讨论、分析，多角度、多方位思考，进行知识沟通和信息共享，最终形成一致合理的书面解决方案。

2.3 实践项目

这一环节是PBL教学模式中的核心，也是区别于传统教学的一个重要特征，学生学习的大多数知识点和掌握的专业技巧都在此环节中完成。地理空间信息工程是一门集地理、遥感、测绘、计算机、数学等多个学科为一体的跨学科专业，一个地理空间信息工程学习问题往往需要有各种专业特长的人交流探讨、通力协作才能完成。其特点是具有很强的实践性、应用性和协作性，其理论方法覆盖广、发展快，软件更新换代频繁。因此在问题解决过程中，学习小组需要花费大量的时间和精力广泛学习理论方法，验证工具的适用性，优良的方法、合适的工具往往能加快解决问题的步伐。这一过程中小组成员通过进一步分析问题、细化任务并逐步将之解决，新学习的知识得到了巩固与理解，知识体系得到了修正和完善。

2.4 评价反思

传统教学的评价模式通常比较单一，主要以考试成绩或课程报告作为评价依据，是一种主要依据结果的评价模式。而这个结果中又无法充分体现出学生的其他学习能力，故容易埋没某些学生的优势能力[10]。PBL教学评价由老师、小组成员以及学习者自己共同完成，它既关注考核结果的评价，也重视学习过程的评价，将定量评价和定性评价相结合，弥补了传统教学评价模式的缺陷。根据相关的评价结果，学生可以调整学习的进度、学习方法以及学习重点，教师适时地给学生必要的引导与控制，帮助其快速理解问题与获得相关技能。

“学而不思则罔，思而不学则殆。”体现了反思实质上是学生与自己的一种对话，是一种深层次的自我学习。在解决问题的过程中通过学习与反思相结合，学生才能理解问题本质、内化知识。

3 基于创设项目的PBL教学在地理空间信息工程专业的实践成效

在开展基于创设项目的PBL教学后，为了进一步了解学生的学习效果，量化教学成效，笔者针对所教授的两个班50名同学设计了问卷调查。此次问卷调查以互联网的形式进行，把问卷调查的网址发送到学生邮箱，邀请他们参与调查，有效问卷50份， 有效率为100%。经过分析调查结果，笔者得出基于创设项目的PBL教学的实践成效主要体现在以下几个方面。

3.1 学生实践成果显著

在教学实践中，以笔者讲授的《地理信息系统原理与应用》为例，以GIS基本原理为指导，以 GIS平台 (MapGIS、ArcGIS等)为工具，以GIS问题为驱动，来进行教学任务的展开。表2总结归类了部分学生的实践成果并给出相应的案例。

表2 基于创设项目的PBL教学的实践成果

采用基于创设项目的PBL教学方法教授课程设计，学生能够很好地掌握地图数据的采集与输入、编辑与更新、存储与管理、显示与交互等基本GIS功能。如何将GIS应用于交通分析、门店选址和房价分析预测等问题受到学生的普遍关注。在项目问题的驱使下，学生会自主交流讨论、深入学习GIS高级知识即空间分析方法，如缓冲区分析、叠置分析、网络分析和空间统计并尝试动手实践问题。可见，基于创设项目的PBL教学方法可以很好地开展地理空间信息工程专业教学活动，锻炼了学生的独立分析解决问题的综合能力，培养了学生的学习兴趣，达到了预期的教学目标。

3.2 教学效果明显改善

调查结果显示，有76%的学生认为开展基于创设项目的PBL教学改革是有必要的(图2)，并且88%的学生对教学的各个环节(设置问题、分析问题、解决问题、评价反思)都比较满意，如图3所示。在人际关系方面，通过频繁的讨论思辨、合作共享，同学之间更团结、亲密，师生之间更融洽；在教学结果方面，有96%的学生成绩优良(≥70分)，其中44%的学生成绩优秀(≥85分)，详见图4。

图3 教学环节的满意程度

图4 学生学习成绩

图5 综合能力显著提高

3.3 学生综合能力显著提高

在基于创设项目的PBL教学模式下，当学习小组遇到具有挑战性的新问题时，激发了学生学习的自主性、积极性，必然会利用多种途径寻求问题的解决方法，无形之中投入了更多的学习时间，正是这种忘我的学习，深入探究，交流共享，用孜孜不倦的态度来学习，帮助学生理解了问题的本质，培养了学生独立分析解决问题的综合能力。调查结果显示，学生的各项能力均有一定的提高，其中团队协作能力、自主学习能力及实践能力显著提高，详见图5、表3。在第二课堂，广大学生踊跃参加全国GIS二次开发大赛、大学生科技创新项目、“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛等各种科技竞赛，获奖颇丰，较好的展示了学生的综合应用能力。

表3 各项能力的提高程度 %

4 结束语

地理空间信息工程专业毕业生想要能迅速满足社会和市场需求，高校必须大胆尝试教学模式改革，更新教学思路，改进教学方法，使其贴近学生，适用于教师。PBL教学不仅帮助学生建立专业知识结构，让学生能够更好地掌握专业知识，即以解决问题为驱使，以主动学习为主，通过参与、探索、讨论、共享，将各科知识融合，更深层次地理解掌握，而且在解决问题和学习的过程中培养复合型工程技术人才所必需的能力和素养。笔者将PBL模式应用于地理空间信息工程教学改革，取得了预期的教学效果。图5显示，创新能力和语言表达能力在这个过程中提升的相对较慢，同时为教学改良指明了方向，在今后的教学改革实践中需要不断丰富、改进与完善。