衛(wèi)星導(dǎo)航定位課程基于證據(jù)啟發(fā)的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

劉智敏，劉尚國(guó)，孔巧麗，蘇 醒，崔健慧

（1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪與空間信息學(xué)院，山東 青島 266590）

2016年9月《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》頒布，以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，突出文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會(huì)參與3 個(gè)方面，包括人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實(shí)踐創(chuàng)新6 大素養(yǎng)。核心素養(yǎng)是學(xué)生應(yīng)具備的能適應(yīng)社會(huì)和終身發(fā)展需要的關(guān)鍵能力和必備品格。在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”在線教學(xué)新常態(tài)的時(shí)代背景下，強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)在線課程建設(shè)，對(duì)金課“兩性一度”目標(biāo)以及衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理等測(cè)繪類專業(yè)課程進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)與探討，取得了一定的研究成果[1-5]；進(jìn)一步結(jié)合培養(yǎng)工程實(shí)踐能力的理論與方法有利于課程教學(xué)方法的設(shè)計(jì)。20 世紀(jì)20 年代美國(guó)著名統(tǒng)計(jì)學(xué)家Shewhart W A提出了“計(jì)劃—執(zhí)行—檢查”（PDS）的概念，質(zhì)量管理專家戴明將PDS循環(huán)進(jìn)一步發(fā)展為“計(jì)劃—執(zhí)行—檢查—處理”（PD?CA），即戴明環(huán)[6-7]。結(jié)合我國(guó)教育實(shí)際，將學(xué)習(xí)過程（邏輯思維培養(yǎng)過程）簡(jiǎn)化為不斷學(xué)習(xí)與持續(xù)改進(jìn)的“計(jì)劃—執(zhí)行—檢查—改進(jìn)”循環(huán)反復(fù)的4個(gè)步驟，這與工程教育專業(yè)認(rèn)證的持續(xù)改進(jìn)相一致。1946年美國(guó)學(xué)者、著名的學(xué)習(xí)專家愛德加·戴爾首先發(fā)現(xiàn)并提出了學(xué)習(xí)金字塔，即學(xué)習(xí)者采用不同的學(xué)習(xí)方式，在兩周以后還能記住內(nèi)容（學(xué)習(xí)內(nèi)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(xué)習(xí)方式屬于被動(dòng)學(xué)習(xí)范疇，其中聽講、演示與傳統(tǒng)教學(xué)相符，閱讀、視聽與線上教學(xué)相符；而討論、實(shí)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(dòng)學(xué)習(xí)方式被廣泛采用。自20世紀(jì)末循證醫(yī)學(xué)興起以來，掀起了一場(chǎng)浩浩蕩蕩的“循證實(shí)踐運(yùn)動(dòng)”，其中基于證據(jù)啟發(fā)的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)以學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，指導(dǎo)教師為學(xué)習(xí)者進(jìn)行學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)[9-10]，基于對(duì)教育規(guī)律的理解實(shí)施教學(xué)活動(dòng)，達(dá)到“知其然，知其所以然”的程度，能促進(jìn)師生以有效、高效和愉快的方式完成教學(xué)任務(wù)。基于協(xié)作認(rèn)知負(fù)荷理論[10]，協(xié)作學(xué)習(xí)情境有助于小組學(xué)習(xí)者之間形成集體式的工作記憶；且協(xié)作學(xué)習(xí)的社會(huì)性將影響學(xué)習(xí)者認(rèn)知架構(gòu)中認(rèn)知負(fù)荷的產(chǎn)生，引發(fā)認(rèn)知負(fù)荷的分配優(yōu)勢(shì)和交流成本等新的學(xué)習(xí)機(jī)制，有助于提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)質(zhì)量，為教師有效進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)證據(jù)?！缎l(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用》是測(cè)繪類專業(yè)的主干課之一，應(yīng)合理利用線上資源，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，通過基于工程實(shí)踐的課程學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，使學(xué)生在工程實(shí)踐能力上得到鍛煉，以提高解決復(fù)雜工程問題的邏輯思維能力和工程實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1 課程的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

山東科技大學(xué)測(cè)繪學(xué)院的《衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用》課程一直是測(cè)繪類專業(yè)核心課程，隨著測(cè)繪與空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先后進(jìn)行了課程教學(xué)內(nèi)容體系的整體優(yōu)化、教學(xué)方法改革、程序?qū)ｎ}和案例教學(xué)設(shè)計(jì)、課程試題庫(kù)建設(shè)、探討講座責(zé)任制教學(xué)改革、探索討論式授課[2,11-12]，以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)研究和實(shí)踐的能力。該專業(yè)在2014 年、2017 年兩次通過中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證，基于OBE導(dǎo)向的課程教改對(duì)課程目標(biāo)達(dá)成度起到積極作用；2018年在線開放課程在超星等平臺(tái)上線，以線上線下混合式授課；近年來進(jìn)一步在教學(xué)環(huán)境、協(xié)作認(rèn)知[10,13]專題案例設(shè)計(jì)、整合支架[9]等方面進(jìn)行學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，包括課程教學(xué)設(shè)計(jì)和專題案例設(shè)計(jì)等，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新素養(yǎng)、提高工程實(shí)踐能力的目的。

1.1 基于學(xué)習(xí)金字塔和PDCA循環(huán)的課程設(shè)計(jì)

《衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用》課程以超星學(xué)銀平臺(tái)的自建線上課程為支撐，基于PDCA 循環(huán)（圖1），采用線上線下混合式教學(xué)進(jìn)行小班授課。在教學(xué)過程中，課前進(jìn)行線上視頻等資源的學(xué)習(xí)，預(yù)習(xí)課上知識(shí)點(diǎn)；課堂上基于學(xué)習(xí)金字塔（圖2），智慧教室的圓桌式分組座位能有效提供協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境，教師采用啟發(fā)式講授、整合關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)與應(yīng)用、分組討論等方式進(jìn)行案例分析，深入學(xué)習(xí)研討、階梯式引導(dǎo)列舉工程案例，鼓勵(lì)學(xué)生上講臺(tái)講述小組討論的專題，打造高效課堂，促進(jìn)自主性學(xué)習(xí)，并在對(duì)應(yīng)理論課后有序安排實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課，有利于理論付諸于實(shí)踐，提高學(xué)習(xí)掌握度；課后布置公式推導(dǎo)、專題程序設(shè)計(jì)與文獻(xiàn)查閱等開放式作業(yè)，以小組為單位討論合作完成，在下次課堂上由學(xué)生講述、教師點(diǎn)評(píng)分析。

圖1 PDCA循環(huán)法

圖2 學(xué)習(xí)金字塔

根據(jù)課程中每章的課堂學(xué)習(xí)表現(xiàn)和各組完成案例程度，對(duì)教學(xué)進(jìn)度、方法等進(jìn)行調(diào)整；同時(shí)評(píng)估每組的學(xué)習(xí)效率，提醒成績(jī)落后的小組；在課堂上的質(zhì)疑解答中有所側(cè)重，通過啟發(fā)和引導(dǎo)得出正確解答，使學(xué)生感受到學(xué)習(xí)帶來的成就感，同時(shí)通過專業(yè)課培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、協(xié)作討論、解決問題的能力。課程結(jié)束后通過考試、調(diào)查問卷、督導(dǎo)同行評(píng)價(jià)、學(xué)評(píng)師等進(jìn)行課程“學(xué)與教”的評(píng)價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的問題并提出改進(jìn)措施，以便在下一輪課程教學(xué)中進(jìn)行改善。

1.2 基于證據(jù)啟發(fā)的工程實(shí)踐能力學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

《衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用》是一門理論與實(shí)踐并重的專業(yè)課程[2-3,5]，以衛(wèi)星導(dǎo)航定位（GNSS）項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施和管理為導(dǎo)向，建立基于證據(jù)啟發(fā)的BDS/GNSS 專題案例設(shè)計(jì)，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜測(cè)繪問題的工程實(shí)踐能力[13-14]?！缎l(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用》課程的專題案例設(shè)計(jì)見表1，根據(jù)社會(huì)對(duì)測(cè)繪專業(yè)人才的需求和課程大綱要求，考慮到個(gè)性化培養(yǎng)，基于證據(jù)啟發(fā)的實(shí)踐（圖3），設(shè)計(jì)了必做和選做任務(wù)，通過在線問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)發(fā)布、小組討論完成，使學(xué)生多方面能力得到鍛煉：從外業(yè)儀器操作到內(nèi)業(yè)編程或軟件處理；項(xiàng)目中遵守專業(yè)規(guī)范、儀器操作和數(shù)據(jù)處理過程中嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和積極解決專業(yè)問題的責(zé)任心；小組內(nèi)的團(tuán)結(jié)協(xié)作、小組之間的競(jìng)爭(zhēng)與交流、師生之間的質(zhì)疑與解疑；網(wǎng)絡(luò)等多途徑解決問題的創(chuàng)造意識(shí)；項(xiàng)目設(shè)計(jì)、總結(jié)報(bào)告的規(guī)范書寫與專業(yè)術(shù)語(yǔ)表達(dá)、邏輯思維綜合素養(yǎng)等。

表1 《衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用》課程專題案例設(shè)計(jì)

圖3 基于證據(jù)啟發(fā)的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

2 教學(xué)模式對(duì)比

對(duì)線上教學(xué)（2020年疫情原因開展了一學(xué)期的純線上課程）、平行班傳統(tǒng)教學(xué)（線下課程）和線上線下混合式教學(xué)等方式進(jìn)行對(duì)比分析，將知識(shí)、能力、素質(zhì)等方面培養(yǎng)的課時(shí)比對(duì)應(yīng)課程達(dá)成度（表2）。達(dá)成度評(píng)價(jià)包括課程成績(jī)以及生產(chǎn)實(shí)習(xí)中學(xué)生完成的有效度考核，結(jié)果與學(xué)習(xí)金字塔的效果一致。從素質(zhì)培養(yǎng)來看，傳統(tǒng)教學(xué)通過教師的言傳身教，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)等科學(xué)精神成效明顯，由于基礎(chǔ)知識(shí)講授占用了課堂一半以上的時(shí)間，缺乏更多的案例研究投入，導(dǎo)致學(xué)生自主思考和實(shí)踐創(chuàng)新的鍛煉不足；線上教學(xué)有助于學(xué)生合理安排時(shí)間進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，促進(jìn)了自學(xué)意識(shí)，但缺乏與教師面對(duì)面的質(zhì)疑答疑、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐等環(huán)節(jié)，導(dǎo)致科學(xué)精神等感知的空白、知識(shí)靈活運(yùn)用于實(shí)踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)薄弱；混合式教學(xué)能激發(fā)學(xué)生充分利用課下時(shí)間進(jìn)行線上自主學(xué)習(xí)，既預(yù)習(xí)了課程基本知識(shí)，又創(chuàng)造了自主學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的契機(jī)，且為師生在課堂上提供了充裕的時(shí)空環(huán)境進(jìn)行知識(shí)關(guān)聯(lián)、討論和案例實(shí)踐等深加工，有效提升了實(shí)踐創(chuàng)新素質(zhì)。

表2 教學(xué)模式對(duì)比

隨著社會(huì)對(duì)專業(yè)人才全面發(fā)展的迫切需要，高校為了提高學(xué)生的專業(yè)知識(shí)、能力、素質(zhì)培養(yǎng)的達(dá)成度，不斷進(jìn)行教學(xué)改革，在教學(xué)評(píng)價(jià)與考核上越來越注重過程性考核和評(píng)價(jià)多元化。該課程的成績(jī)?cè)u(píng)定分為過程性評(píng)價(jià)（50%）和終結(jié)性評(píng)價(jià)（50%），過程性評(píng)價(jià)包括線上學(xué)習(xí)、課堂討論等平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)；終結(jié)性評(píng)價(jià)以線下結(jié)課閉卷考試為主，主要通過案例分析等綜合題型考核知識(shí)的深入理解、靈活運(yùn)用和解決專業(yè)復(fù)雜問題的能力。在教學(xué)改革實(shí)踐成效上，通過幾輪的教學(xué)效果分析，混合式下基于證據(jù)啟發(fā)的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)使學(xué)生課程成績(jī)優(yōu)良率達(dá)到45%以上，有效提升了學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握度和解決專業(yè)問題的能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

《衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用》課程作為測(cè)繪類專業(yè)的一門理論與實(shí)踐并重的核心課程，對(duì)培養(yǎng)測(cè)繪類人才的工程實(shí)踐能力具有重要作用。結(jié)合GNSS 新發(fā)展和“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的普及化[15]，有效利用在線教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂，進(jìn)行混合式下基于證據(jù)啟發(fā)的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、軟件二次開發(fā)和項(xiàng)目管理等實(shí)踐創(chuàng)新能力；同時(shí)從單一知識(shí)和技能，到知識(shí)關(guān)聯(lián)、合理分析、綜合應(yīng)用解決問題等學(xué)習(xí)創(chuàng)造過程，通過PDCA 循序漸進(jìn)地提高了課程學(xué)習(xí)的高階性；潛移默化地培育了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、實(shí)事求是的科學(xué)精神、實(shí)踐創(chuàng)新等核心素養(yǎng)。