工程教育專業認證背景下GIS課程教學改革探索

馮徽徽 鄒 濱 周曉光 張云生

1中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083

工程教育專業認證是我國近幾年來工程教育工作中的重要內容，它依照國際通行的工程教育質量保障制度，以培養目標和畢業要求為導向，評價畢業生是否達到既定的質量標準要求，進而為人才培養與專業提升提供科學合理的建議［1，2］。其中，工程教育專業認證的畢業要求是面向產出教育模式（outcomes-based education）的通用標準要求，包括工程知識、問題分析等12條細則要求，也為各個教學環節提供了所須遵循的基本范式。自2016年中國正式加入國際工程教育《華盛頓協議》組織以來，眾多高校陸續開展了工程教育專業認證，迄今已有227所高校共有1 170個專業通過了認證，極大推進了我國工程教育專業人才培養水平［3］。

作為測繪學、地理學、地圖學、遙感和計算機科學等多學科的交叉學科，地理信息系統（geographic information system，GIS）已廣泛應用于國土資源、位置導航與社會人文等諸多領域。在此背景下，越來越多的學校開設了GIS課程，為國家與行業培養了大批的優秀人才［4］。為切實提升測繪類、地理信息系統等專業的人才培養水平、適應行業發展需求，部分高校已開展了工程教育專業認證并在此基礎上開展了相關課程的教學設計與改革，取得了一系列的成果［5，6］。

然而，由于工程教育專業認證時間較短，我國目前依然存在專業人才輸出與行業需求脫節、人才實踐創新能力差等問題，面向工程教育專業認證的GIS課程改革經驗依然十分匱乏［5］。因此，進一步加強專業認證標準下GIS課程教學改革成為專業發展與人才培養迫在眉睫的問題。

本文從工程教育專業認證的通用畢業要求出發，從教學大綱、教學方法以及考試考核等方面研究GIS課程教學改革策略，為工程教育專業認證規劃與實施提供了科學的借鑒作用，以期提升高校測繪類、地理信息類、遙感技術與應用類等方面專業人才的培養質量。

1 工程教育專業課程目標及認證要求

1.1 工程教育專業課程目標

GIS課程是眾多高校地圖學、地理學、遙感技術與應用、測繪工程等專業的必修課，課程主要目標在于使學生掌握利用GIS技術來解決空間數據管理、空間分析與應用等與地理信息相關的知識和技能，并具有建立中小型地理信息應用系統的能力。通過該課程的學習，使學生能夠掌握在什么情況下需要選用哪種空間數據模型來解決相應的問題，并能夠選擇適當的實現方法，為后續《空間分析》《數字圖像處理》《地理信息系統二次開發》《畢業設計》等課程學習提供專業知識與分析能力。具體來說，通過課程學習，須使學生達成以下3個目標：

1）課程目標1：掌握空間數據及其表達方法，包括矢量數據單元、柵格數據單元、矢量數據模型、柵格數據模型、數字高程模型等，空間數據查詢與處理的基本算法，空間數據索引方法等；

2）課程目標2：具有根據空間問題選用合適的空間數據與數據表達模型、運用合適的GIS軟件建立對應的地理信息平臺以及利用GIS工具解決實際應用問題的能力；

3）課程目標3：具有一定的英文表達能力和英文檢索能力。

1.2 工程教育專業認證要求

基于上述課程目標，需要進一步研究其對應的工程教育專業認證的12條畢業要求指標點，明確學生培養方向，指導后續課程的章、節安排等教學環節。相關研究指出［7］，戰略性新型產業應用型GIS人才培養重點體現在協同創新能力、工程應用能力和科研實踐能力的培養，從而服務于國家資源環境等管理與規劃，促進可持續發展水平。這與專業認證畢業要求中的“環境和可持續發展”以及“溝通”指標點具有很好的對應關系，為進一步細化各課程目標奠定了基礎。課程目標與工程教育專業認證畢業要求指標點的對應關系如表1所示。

表1 課程目標與畢業要求指標點的對應關系Tab.1 The Correspondence Between the Course Targets and Graduation Requirements

2 教學內容及其對應的課程目標

針對工程教育專業課程目標，進一步設計課程章、節及其教學內容（見表2）。具體而言，可從GIS數據收集、管理、分析和應用等4個方面將課程分為13章，在此基礎上明確各章、節的教學內容、教學重點與難點。與傳統教學模式相比，面向工程教育專業認證的教學模式最大的區別在于須將課程目標貫穿于整個教學環節，進而服務于專業認證畢業要求的具體指標點，提升教學的目標導向性，培養有針對性的專業人才。此外，各章、節須根據教學內容特點研究具體對應的課題目標及畢業要求指標點，突出特色與側重點，避免不同章、節間課程目標的無差別全覆蓋。

表2 課程內容設計及其對應的課程目標Tab.2 Course Contents Design and the Corresponding Course Targets

3 教學方法及其對應的教學內容

教學方法是教學實施環節的重要內容，需要結合各章、節內容的特點、難點與重點，從教學思路和教學模式兩個方面探索最佳的教學方法。

3.1 教學思路

教學思路設計要求根據章、節的特色，具體細化其教學流程，包括問題的引入、各PPT頁之間的銜接等。此外，教學過程中還須考慮思政要求的挖掘與融入［8，9］，提升學生自主學習的積極性。如通過演示典型地理信息應用系統來展示系統構成、特點、功能與應用領域，增強學生學習熱情與自豪感；通過講授和演示多個地理信息應用系統來加深學生對地理信息在資源、環境、災害預警與救援等社會服務中的重要作用的理解；通過演示實驗來加深學生對網絡地理信息系統的基本概念、特點與功能的理解，通過研討來探索未來WebGIS的新模式，加深學生的研究興趣；通過結合應用實例來闡述商業地理信息系統評價體系，通過研討來加深學生對評價體系指標的理解［10］。

3.2 教學模式

在教學模式上，采用多種途徑實現“以教師為中心”向“以學生為中心”的模式轉變，避免傳統教師滿堂灌的教學模式，采取課堂講授、翻轉課堂、任務驅動等多形式相結合模式，提高課堂教學的生動性、激發學生學習積極性。

1）對于基礎知識，主要采用課程講授的方式講解GIS基本原理，并通過播放視頻資料、圖片和演示等方式加以講解，強化學生的感性認識與理解，為其后續學習奠定扎實的理論基礎。如在講解柵格和矢量數據時，可通過同時展示衛星遙感影像和百度電子地圖，介紹分辨率、拓撲關系等相關概念，增加其對GIS最常用兩種數據格式的認知。

2）對于實踐與討論性課程，采用翻轉課堂模式，課前向學生發放資料提前預習，要求其利用課堂學習對某一專題性內容提出解決方案，并在課堂上進行匯報，由教師對其特點與不足進行點評。利用該模式，改變了以往傳統課堂以教師教課為中心的固有模式，使知識傳遞在課前完成，課堂時間成為教師為學生答疑解惑、學生與學生討論，實現知識內化與鞏固的時間。

3）針對部分學生積極性不高等問題，采用任務驅動的教學方式促使其主動學習。如通過課堂、課后作業的形式，促進學生進行適當地復習，同時根據作業情況檢驗其對課堂知識的掌握情況；針對GIS工程應用等問題，布置相應的專題，要求其自由組隊共同完成系統開發、報告撰寫等任務。通過任務驅動的教學模式，可大大提高學生實際動手能力，加深了對理論知識的理解，提升其學習和分析實際問題的能力。

4 課程考核及其對應的課程目標達成度

4.1 課程考核

考試考核是檢驗教學效果的重要方式，結合工程教育專業認證的要求，考試考核環節主要包括課程考核和目標達成度兩個方面。

課程考核以考核學生能力培養目標的達成為主要目的，以檢查學生對各知識點的掌握情況和應用能力為重點內容，同時需要明確考核對課程目標的支撐，為后期教學效果評估、針對性的進行教學改進奠定基礎。

課程考核一般包括平時考核和期末考核兩部分。平時考核評價由作業和實驗構成，主要考核作業與試驗結果、報告質量等（見表3）。期末考核方式采用閉卷考試的形式，系統全面考核學生對GIS課程體系的掌握能力。最終成績為平時考核與期末考核的加權平均值。

表3 平時考核評分細則及其對應的課程目標Tab.3 Scoring Details in Daily Assessment and the Corresponding Targets

4.2 課程目標達成度

為定量化評估課程教學效果，須根據學生的最終成績，開展課程目標達成度評價，包括課程分目標和課程總目標達成度評價，有效地解決了傳統教學效果評價的主觀性與盲目性，為課程持續改革提供量化評價標準。課程目標達成度計算方法如表4所示。

表4 課程目標達成度計算方法Tab.4 Achievement Calculations of the Course Targets

5 結束語

作為測繪學、地圖學、地理學、遙感技術等專業的重要必修課，GIS課程教學改革對于適應新形勢下國土資源環境等領域的專業性人才培養具有重要意義。工程教育專業認證的相關要求為其提供了切實可行的標準規范，有助于進一步促進人才培養要求。隨著全國范圍內工程教育專業認證的持續推進，勢必強化課程教學改革廣度和深度，全面提升GIS教學與人才培養水平。