衛星導航定位課程基于證據啟發的學習設計

劉智敏，劉尚國，孔巧麗，蘇 醒，崔健慧

（1.山東科技大學 測繪與空間信息學院，山東 青島 266590）

2016年9月《中國學生發展核心素養》頒布，以培養“全面發展的人”為核心，突出文化基礎、自主發展、社會參與3 個方面，包括人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新6 大素養。核心素養是學生應具備的能適應社會和終身發展需要的關鍵能力和必備品格。在“互聯網+教育”在線教學新常態的時代背景下，強化網絡在線課程建設，對金課“兩性一度”目標以及衛星導航定位原理等測繪類專業課程進行了教學設計與探討，取得了一定的研究成果[1-5]；進一步結合培養工程實踐能力的理論與方法有利于課程教學方法的設計。20 世紀20 年代美國著名統計學家Shewhart W A提出了“計劃—執行—檢查”（PDS）的概念，質量管理專家戴明將PDS循環進一步發展為“計劃—執行—檢查—處理”（PD?CA），即戴明環[6-7]。結合我國教育實際，將學習過程（邏輯思維培養過程）簡化為不斷學習與持續改進的“計劃—執行—檢查—改進”循環反復的4個步驟，這與工程教育專業認證的持續改進相一致。1946年美國學者、著名的學習專家愛德加·戴爾首先發現并提出了學習金字塔，即學習者采用不同的學習方式，在兩周以后還能記住內容（學習內容平均保持率）的百分比。保持度低的聽講、閱讀、視聽、演示等學習方式屬于被動學習范疇，其中聽講、演示與傳統教學相符，閱讀、視聽與線上教學相符；而討論、實踐、教授給他人、線上線下混合式課堂模式[2,4,8]等保持度高的主動學習方式被廣泛采用。自20世紀末循證醫學興起以來，掀起了一場浩浩蕩蕩的“循證實踐運動”，其中基于證據啟發的學習設計以學習科學領域的研究發現為基礎，指導教師為學習者進行學習設計[9-10]，基于對教育規律的理解實施教學活動，達到“知其然，知其所以然”的程度，能促進師生以有效、高效和愉快的方式完成教學任務?；趨f作認知負荷理論[10]，協作學習情境有助于小組學習者之間形成集體式的工作記憶；且協作學習的社會性將影響學習者認知架構中認知負荷的產生，引發認知負荷的分配優勢和交流成本等新的學習機制，有助于提升學習者的學習質量，為教師有效進行協作學習設計提供了科學證據?！缎l星導航定位原理與應用》是測繪類專業的主干課之一，應合理利用線上資源，激發學生主動思考，通過基于工程實踐的課程學習設計，使學生在工程實踐能力上得到鍛煉，以提高解決復雜工程問題的邏輯思維能力和工程實踐創新能力。

1 課程的學習設計

山東科技大學測繪學院的《衛星導航定位原理與應用》課程一直是測繪類專業核心課程，隨著測繪與空間科學技術的發展，先后進行了課程教學內容體系的整體優化、教學方法改革、程序專題和案例教學設計、課程試題庫建設、探討講座責任制教學改革、探索討論式授課[2,11-12]，以提高學生自主學習研究和實踐的能力。該專業在2014 年、2017 年兩次通過中國工程教育專業認證，基于OBE導向的課程教改對課程目標達成度起到積極作用；2018年在線開放課程在超星等平臺上線，以線上線下混合式授課；近年來進一步在教學環境、協作認知[10,13]專題案例設計、整合支架[9]等方面進行學習設計，包括課程教學設計和專題案例設計等，以達到培養學生實踐創新素養、提高工程實踐能力的目的。

1.1 基于學習金字塔和PDCA循環的課程設計

《衛星導航定位原理與應用》課程以超星學銀平臺的自建線上課程為支撐，基于PDCA 循環（圖1），采用線上線下混合式教學進行小班授課。在教學過程中，課前進行線上視頻等資源的學習，預習課上知識點；課堂上基于學習金字塔（圖2），智慧教室的圓桌式分組座位能有效提供協作學習環境，教師采用啟發式講授、整合關聯知識點與應用、分組討論等方式進行案例分析，深入學習研討、階梯式引導列舉工程案例，鼓勵學生上講臺講述小組討論的專題，打造高效課堂，促進自主性學習，并在對應理論課后有序安排實驗實踐課，有利于理論付諸于實踐，提高學習掌握度；課后布置公式推導、專題程序設計與文獻查閱等開放式作業，以小組為單位討論合作完成，在下次課堂上由學生講述、教師點評分析。

圖1 PDCA循環法

圖2 學習金字塔

根據課程中每章的課堂學習表現和各組完成案例程度，對教學進度、方法等進行調整；同時評估每組的學習效率，提醒成績落后的小組；在課堂上的質疑解答中有所側重，通過啟發和引導得出正確解答，使學生感受到學習帶來的成就感，同時通過專業課培養學生主動學習、協作討論、解決問題的能力。課程結束后通過考試、調查問卷、督導同行評價、學評師等進行課程“學與教”的評價，及時發現教學中的問題并提出改進措施，以便在下一輪課程教學中進行改善。

1.2 基于證據啟發的工程實踐能力學習設計

《衛星導航定位原理與應用》是一門理論與實踐并重的專業課程[2-3,5]，以衛星導航定位（GNSS）項目設計實施和管理為導向，建立基于證據啟發的BDS/GNSS 專題案例設計，有助于培養學生解決復雜測繪問題的工程實踐能力[13-14]?！缎l星導航定位原理與應用》課程的專題案例設計見表1，根據社會對測繪專業人才的需求和課程大綱要求，考慮到個性化培養，基于證據啟發的實踐（圖3），設計了必做和選做任務，通過在線問題導向學習發布、小組討論完成，使學生多方面能力得到鍛煉：從外業儀器操作到內業編程或軟件處理；項目中遵守專業規范、儀器操作和數據處理過程中嚴謹的科學態度和積極解決專業問題的責任心；小組內的團結協作、小組之間的競爭與交流、師生之間的質疑與解疑；網絡等多途徑解決問題的創造意識；項目設計、總結報告的規范書寫與專業術語表達、邏輯思維綜合素養等。

表1 《衛星導航定位原理與應用》課程專題案例設計

圖3 基于證據啟發的學習設計

2 教學模式對比

對線上教學（2020年疫情原因開展了一學期的純線上課程）、平行班傳統教學（線下課程）和線上線下混合式教學等方式進行對比分析，將知識、能力、素質等方面培養的課時比對應課程達成度（表2）。達成度評價包括課程成績以及生產實習中學生完成的有效度考核，結果與學習金字塔的效果一致。從素質培養來看，傳統教學通過教師的言傳身教，對培養學生的嚴謹治學等科學精神成效明顯，由于基礎知識講授占用了課堂一半以上的時間，缺乏更多的案例研究投入，導致學生自主思考和實踐創新的鍛煉不足；線上教學有助于學生合理安排時間進行線上學習，促進了自學意識，但缺乏與教師面對面的質疑答疑、實驗實踐等環節，導致科學精神等感知的空白、知識靈活運用于實踐創新環節薄弱；混合式教學能激發學生充分利用課下時間進行線上自主學習，既預習了課程基本知識，又創造了自主學習、深度學習的契機，且為師生在課堂上提供了充裕的時空環境進行知識關聯、討論和案例實踐等深加工，有效提升了實踐創新素質。

表2 教學模式對比

隨著社會對專業人才全面發展的迫切需要，高校為了提高學生的專業知識、能力、素質培養的達成度，不斷進行教學改革，在教學評價與考核上越來越注重過程性考核和評價多元化。該課程的成績評定分為過程性評價（50%）和終結性評價（50%），過程性評價包括線上學習、課堂討論等平時成績和實驗；終結性評價以線下結課閉卷考試為主，主要通過案例分析等綜合題型考核知識的深入理解、靈活運用和解決專業復雜問題的能力。在教學改革實踐成效上，通過幾輪的教學效果分析，混合式下基于證據啟發的學習設計使學生課程成績優良率達到45%以上，有效提升了學生對知識的掌握度和解決專業問題的能力。

3 結 語

《衛星導航定位原理與應用》課程作為測繪類專業的一門理論與實踐并重的核心課程，對培養測繪類人才的工程實踐能力具有重要作用。結合GNSS 新發展和“互聯網+教育”的普及化[15]，有效利用在線教學和翻轉課堂，進行混合式下基于證據啟發的學習設計，有助于培養學生的工程項目技術設計、外業數據采集、內業數據處理、軟件二次開發和項目管理等實踐創新能力；同時從單一知識和技能，到知識關聯、合理分析、綜合應用解決問題等學習創造過程，通過PDCA 循序漸進地提高了課程學習的高階性；潛移默化地培育了學生嚴謹治學、實事求是的科學精神、實踐創新等核心素養。