翻转课堂在地理信息系统基础与实验课程中的探索实践

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　　[摘 要]翻转课堂模式将教学流程由“先教后学”转变为“先学后教”，将学生转变为教学活动的主体，实现了教学流程的逆序创新，是对传统课堂讲授模式的一种改革。本文对翻转课堂模式应用于交叉学科地理信息系统基础与实验课程中的必要性及具体设计实施进行了探索。具体实施阶段分为教学准备阶段、信息传递阶段、应用消化阶段和综合评价阶段。通过设置对照实验，表明翻转课堂模式的教学对学生的自主学习能力、思辨能力和创新能力等，都有积极的促进作用。
　　[关键词] 翻转课堂;地理信息系统;本科教育;地理学
　　 随着高等院校地理专业课程改革与建设，地理信息系统学科应运而生，是近20年来迅速发展起来的一门介于地球科学与信息科学之间的新兴专业基础学科。对广义地学体系来说，它将地学空间数据与计算机技术相结合，通过系统建立、操作与模型分析挖掘出对资源、环境、生态、区域规划、管理决策、灾害防治等方面的有用信息，已成为推动现代地学发展的强有力技术工具，并成为地理、地质、测绘、资源、环境等越来越多学科专业开设的本科基础课程[1-3]。对专业地理学科体系来说，掌握地理信息系统原理与方法，为深入学习区域规划、地理教育学及地理信息系统开发设计等应用地理学方面的课程提供基础知识支撑，是整个地理学科体系的入门课程之一。
　　在多年的课程教学中，发现地理信息系统课程教学存在如下一些问题。首先，学生教育背景差异大。高等教育中的地理科学授予的学位为理学学士，然而高中地理属于文科科目，这就导致了一个班级中学生有文有理，文、理学生的先导基础差别较大，理科考生缺乏相应的地理学背景，文科学生缺乏相应的数理逻辑背景。进一步考虑学生的生源地等背景情况，发现东西部教育资源不均衡带来了学生基础的一些差别。所以，使用统一的课堂讲授无法较好地满足不同教育背景学生的需求。其次，教育更新速度滞后于行业发展。中国的地理信息学科起步较晚，于1980年代才从国外引入，近30年来借助于计算机技术的大力发展，地理信息产业发展呈现蓬勃增长的应用趋势。但计算机及依赖其成长的技术的更新周期越来越短，现阶段教育培养的更新频率明显滞后于行业发展的速度，导致学生对课堂上讲授的内容学习积极性不高[4]。最后，中国人口基数较大，高等教育规模大，地理专业师资配比相较于国际发达国家而言比较低，学生课堂上得到的关注度不高，不能很好地因材施教，粗放型教育轉型比较困难[5][6，7]。
　　具体到课堂的反映来说，传统地理信息系统基础与实验分为理论课和实验课两部分。理论课教学采用传统的课程教学模式，即以教师讲授为主，上机实践以教师演示、学生自主操作和答疑模式进行。理论课堂上学生的参与感不强，听课专注力不高，师生互动不足，留给学生自主学习锻炼机会较少。上机课堂中学生按照老师的讲解和实验方案进行实验，由于课堂时间有限，学生对于方案背后的原理思考不足，导致无法脱离实验方案进行自主实验方案的设计和实施。此外，传统模式中老师是主体，学生缺乏自主意识，课程学习随着课堂的结束而结束，课后缺乏自主的思考与探索，思维发散度不高，导致对知识的理解不深入，实际动手能力欠佳。
　　上述问题表明地理信息系统课程教学方式的改革势在必行。如何设计针对不同背景学生的地理教育模式，如何更好地结合当下地理信息产业前沿发展方向，如何更优质的配置教师资源，如何培养学生掌握地理信息系统的原理，具备熟练的GIS软件操作技能，针对实际地学问题具备创新性的解决方案，使之适应现代地学的发展需求？这些都是教学改良应该考虑的要点[8，9]。
　　一、翻转课堂的理念
　　翻转课堂起源于美国科罗拉多州的林地公园高中，2007年，化学老师Jonathan Bergmann和Aaron Sams偶然想到一个点子，他们将课堂讲授的内容录制成视频，初衷是让缺课的学生得以在家学习，结果受到学生们的一致欢迎[ 10 ]。翻转课堂的基本思想是采用“课外传授知识，课上内化知识”的策略开展教学。在课外，学生通过微视频自学基本知识，有效地实现新知识的原始积累。在课上，教师安排学生开展协作探究式活动，并当面解答学生的疑问，促使学生加深对知识的理解[ 11，12 ]。相比于传统教学，翻转课堂具有以下优点：（1）能够引导学生自主学习，学生易于根据各自的学习状况和特点，自由控制微视频播放的时间、地点、进度和频次，满足不同背景学生的个性化需要，从而提升学习效果，同时也培养了学生的自主学习能力。（2）在传统课堂的讲授教学中，学生是被动的吸收者，且由于学生刚接触新知识，无法进行深入的思考，导致师生之间的互动较少。在课后，学生做练习出现问题时无法及时同教师进行深入的交流讨论。翻转课堂调整了教师在学习过程中出现的次序，当学生完成课外自学，获得基础的新知识后，教师与学生再开展课内教学活动，通过交流互动，教师协助学生完成知识内化。（3）在知识共享的大背景下，翻转课堂使得教师能够利用网络获取各种网络教学资源，博采各家所长，整合成更适合本专业学生的资源，微视频免除了教师讲授的任务，从而使教师能集中精力设计和组织课堂教学活动，更加注重学生吸收和内化知识，提升了学习的深度[ 13 ]。
　　二、地理信息系统基础与实验翻转课堂的设计及实践
　　相较于传统的地理信息系统基础与实验课堂将理论课和实验课分开，翻转课堂是将课堂分为课上和课下。课程核心内容主要分为三大部分：空间数据基础、输入与处理;空间分析;空间数据可视化、输出。翻转课堂设计主要分为以下四个阶段[ 14 ]：
　　（一）教学准备阶段
　　教学准备阶段发生在课程开始前，教师要完成对翻转课堂的教学设计工作。教学设计是基于教学目标，考虑教学对象（学生）、时间及内容的情况下，制作整理课下学习内容（PPT、微视频、电子读物、网络资源、测试题库等）、设计课堂活动（主题任务、分组机制、活动指南、评价量规等）和教学环境配置（教学装备、在线平台、网络资源等）。教师可以广泛地收集国内外优良素材，配合章节的性质辅以不同形式的学习资料，比如绪论主要介绍学科的定位、历史发展，可以推荐学生阅读地学开拓科学家的传记，如陈述彭著述的《石坚文存》，在扩展信息量的同时对学科有更宏观的背景理解;另一方面，翻转课堂弱化了课堂上老师不同的教学风格，可以实现资源的高度共享。比如，可以集合同一教研组的人力资源一起进行教学工作的准备，在一定程度上节约了教师的时间投入。教学准备阶段是翻转课堂教学的前提保证，奠定了后续学习能否顺利进行的基调。 　　（二）信息传递阶段
　　信息傳递阶段主要发生在课下，针对相应的学习内容，学生自主规划学习素材、学习节奏、风格和呈现知识的方式，观看视频课件，收听播客，查阅网络资料，进行网络讨论，进行测试练习，通过这些方式达到对知识的初步记忆和理解，完成信息的传递。没有了课堂时间、地点的限制，面对多样化的学习资料，学生可以选择自己喜欢的学习形式如观看视频等进行学习，提升了学习的兴趣和广度。比如软件操作较多的空间分析部分，通过前期的教学准备阶段，将内容分解为内容明确的短视频，学生可以自由调节播放倍速，边看边实践。此外，没有了教师的参与，学生之间可以更自由地讨论自己的观念，针对分歧会自主地进行探寻，使信息的理解更趋向于深入。信息传递阶段是学生翻转课堂学习的第一站，教师要积极构建良好的传递介质，引导学生培养良好的自主学习习惯。
　　（三）应用消化阶段
　　应用消化阶段主要发生在课堂，是学生与学生之间、学生与老师之间互动的主要场所，老师通过作业练习、提问、课堂讨论、小组项目、反思总结等形式，检查学生对前一阶段习得知识的掌握情况，并引导学生进行深入的应用和分析。同时，教师需要对学生的疑惑、小组讨论做精心的准备和细致的观察，真正做到因材施教。该阶段旨在提高学生的学习效益，达到知识的内化吸收状态。如在学习了多种空间分析方法后，引导学生以小组形式开展项目——堰塞湖灾害评估，从空间数据获取、输入、空间分析一体化的解决方案，提升学生解决实际问题的能力。
　　（四）综合评价阶段
　　综合评价阶段是对学生信息传递阶段以及应用消化阶段成果的考察，一方面，老师通过学生作业练习、回答提问、课堂讨论、小组项目情况评估学生的学习状况;另一方面，学生通过个人讲述、学习汇报、自我评价、小组互评等形式对学习过程和学习结果进行交流和评价，在深化学生对知识的理解力的同时，对翻转课堂各阶段进行总结评价及不断完善。良好的评价机制可以更好地反馈教学准备阶段的不足，对于翻转课堂的良好运作和正向发展必不可少。
　　三、翻转课堂取得的改革成效
　　本课程教学改革在2017年秋季学期进行试点研究，选取的人数、男女比例、生源背景等基本一致的同一专业两个班级学生进行对比实验，分别进行传统授课模式和翻转课堂模式的课程教学，翻转课堂模式班级下文一律称为实验班，传统授课模式班级下文一律称为对照班。经过一学期的传统讲授与翻转课堂对照实验，对两个班的期末考试成绩进行了统计分析。
　　 统计结果表明实验班的平均成绩普遍优于对照班。对照班地理信息系统基本原理卷面成绩平均分为75.69，而实验班平均分为78.20，高出对照班2.51分;对照班地理信息系统上机实验卷面成绩平均分为85.52，而实验班平均分为87.88，高出对照班2.36分。各分数段内学生成绩人数占比分布如下表1所示。从中可以看出，高分段（≥90）实验班学生人数比对照班学生人数占比高8.6%（原理）和13.2%（实验）。在优良分段（>=80分）实验班的人数比对照班学生人数占比高6.6%（原理）和2.5%（实验），说明实验班学生在知识掌握深度上优于对照班学生，成绩好的学生通过翻转课堂成绩向高分段提升。低分段（≤69）实验班学生人数比对照班学生人数占比低3.4%（原理）和3.8%（实验），说明低分段学生在翻转课堂模式中也能有受益。
　　此外，通过整理分析学生平时上交的作业和最后提交的地理信息产业调研报告，发现实验班学生在设计项目方案时的创新意识更强，而且对于整个地理信息行业的了解更加深入，能够更加客观全面地分析和评价各个行业公司，体现出较强的思辨和综合分析能力。
　　四、结语
　　翻转课堂模式将传统的以教师为主体的学生被动学习，转变为以学生为主体的主动学习，教师引导学生深入探索研究主题，学生从教学对象转变为学习中心，积极建立自己的知识结构，以更加自主的方式参与并评估自己的学习。与此同时，教师针对学生的情况因材施教，调动学生的主观能动性，提升整体的课程学习效果。
　　本文初步建立了一套翻转课堂应用于地理信息系统基本原理与实践课程的从教学准备、信息传递、消化内化到综合评价阶段的实施方案，结合今后不断深入的课程改革，将不断细化知识点，配合有效的测试，高效的讲解和讨论，更具目的性的分组项目，进一步提高课上时间的学习效果，不断细化课程考核指标，建立更加全面深入的翻转课堂评价体系。同时，细致深入地对学生的接受程度、知识掌握效果和时间花费情况进行反馈收集，最终将改进后的较成熟的翻转课堂模式推广到更多本科生的教学上，在提高成绩的同时培养学生的自主学习能力、创新能力和辨证思维意识。
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