“GNSS测量与数据处理”线上线下混合式教学改革与实践
时间：2023-06-16 21:15:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘智敏，独知行，刘尚国，苏 醒，于胜文
(山东科技大学 测绘与空间信息学院,山东 青岛 266590)
2017年1月经国务院同意，教育部、财政部、国家发展和改革委员会印发《统筹推进世界一流大学和一流学科建设实施办法(暂行)》。2017年9月正式公布双一流建设名单。2019年11月教育部印发《关于一流本科课程建设的实施意见》，“实施一流本科课程‘双万计划’让本科课程优起来”。课程是高等学校教学的基本单元，是高校教学的核心内容。学科的概念体现了一种知识的分类，课程存在与培养目标和培养对象的适切性问题。大学的课程是分层分类的，不同课程有不同的课程目标，按照培养目标和课程目标，不同的学科知识通过结构化、逻辑化和系统化转化为课程[1-2]。测绘类专业课程在强化网络在线课程建设、结合测绘工程教育专业认证标准深化教学改革、提高课堂教学质量上取得了一定成果[3-10]。“GNSS测量与数据处理”是测绘专业的主干专业必修课，课程内容涵盖GNSS时空基准、信号与星历、误差源、定位方法、技术设计与外业实施、数据处理等理论与实践相结合的课程[11-12]。随着“互联网+高等教育”在线教学新常态的背景下，卫星导航定位科技发展迅猛、知识更新快，“GNSS测量与数据处理”课程通过线上线下混合式教学改革研究，包括混合式教学设计、课程思政案例、过程性考核及多元化评价等，一定程度上解决了教学中存在的几个问题，有助于达成该课程的知识、能力、素养等方面的教学目标，提升了学生“解决复杂工程问题”的能力和工程教育专业认证的课程达成度，促进了以课程为根本载体落实立德树人的根本任务。
2020-07-31中国建成北斗三号系统向全球提供服务，卫星导航定位技术的发展和提高，GPS向GNSS教学的发展[13]，课程内容进行扩容，同时本科教育的学分改制，该课程在测绘工程专业由3学分(18学时为1学分，46学时讲授+8学时实验=54学时)减至2.5学分(16学时为1学分，36学时讲授+4学时实验=40学时)，遥感、地信等其他测绘类相关专业的该课程同样进行了相应课时压缩，文中的研究成果同样适用，不做重复讨论。从知识、能力、素养方面在培养学生过程中，亟待解决以下问题：
1)由于前些年的大学道德教育与教学活动是分离的，导致大学生出现不重视道德修养，德与才教育不同步的情况，测绘类学生对职业规范和科学守拙的严谨精神要求更高，需要解决“如何将价值引领融入教学”的问题；
2)在教学过程中，针对课堂低头族、知识概念化、孤立化、学不知用等现象，需要解决“课程学时压缩、学生学习被动”的双重问题；
3)在考评与反馈上，面对一考定成绩与 “低头族、抬头率”的困境，需要解决“考评单一，改进不及时”的问题。
从教学理念与目标、教学内容与过程、教学设计与实施，采用线上、线下混合式教学，通过MOOC支撑对课程内容的学习，从传统的“理论教学+实践教学”平面化教学模式，拓展为“高效课堂+线上学习+翻转课堂+实验教学+测绘复杂问题解析实训”多维教学设计，通过讲座责任制[14]课堂教学讨论式，思维导图方法[15]作为预习和复习工具，案例教学法培养学生解决测绘复杂问题能力，提高课程的“两性一度”目标。主要从混合式教学设计、课程思政案例、过程性考核及多元化评价等几方面进行教学研究改革与实践解决以上问题。
2.1 采用讲座责任制、讨论式，打造线上线下混合式课堂
以学生为主体，教师为主导，产出为导向(Outcome-Based Education，OBE)，采用讲座责任制[14]、讨论式，打造线上线下混合式课堂的教学模式，其中线上学时不占课时，课外与课内学时比接近1∶1(见表1)，解决“学习被动、学时压缩”的双重问题。
课程内容上，GPS向GNSS教学的发展[13]，主要涉及到的内容有：案例讨论上，由单系统到多系统；
在GNSS时空基准上，考虑多模数据处理中时空基准统一；
卫星位置计算上，须添加北斗系统3种类型卫星的位置计算；
定位技术上，有多模定位、NRTK+PPP等。
教学设计上，按照课前、课中、课后培养学生主动学习能力：
1)课前，线上视频、测试习题的预习，采用思维导图工具对知识归纳，通过文献查阅相关内容，了解课上涉及的知识及应用、奠定知识点基础，调动了学生学习自主性、节省了课堂时间，实现学习的低阶目标[16]；
2)课中，在课堂上(线下)以讲座责任制为主，通过讲座教师课程模块的讲座[14]，采用启发式讲授知识点的整合关联及应用、讨论式进行案例分析和深入学习研讨、阶梯式引导应用举例，师生互动中进行知识的理解、应用和分析、讨论，如通过自身平台发布讨论主题，鼓励学生积极思考、陈述小组讨论结果及分析，打造高效课堂，促进自主性学习、过程性学习，同时在细节上加强对个人职业素质的培养，促进了高阶思维训练[17]；
3)课后，布置公式推导、主题程序设计、卫星系统最新发展及应用、文献查阅等开放式作业，以小组为单位讨论完成并进行互评，以独立承担GNSS项目设计实施和管理为导向，建立BDS/GNSS控制网设计案例库，促进解决复杂测绘问题的能力和终身学习的达成。课中和课后有助于实现学习的高阶目标[17-18]。
表1 “GNSS测量与数据处理”的线上线下混合式课程设计
2.2 课程思政和思政案例解析培养学生素质
GNSS技术推动了大地测量与导航定位领域的全新发展，世界主要军事大国和经济体都在竞相发展独立自主的GNSS，GNSS不仅是国家安全和经济的基础设施，也是体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志，在政治、经济、军事等方面具有重要的意义。结合中国北斗卫星导航系统(Beidou Satellite Navigation System，BDS)发展，落实“坚持显性教育和隐性教育相统一”，有步骤地推进“GNSS测量与数据处理”课程思政建设，围绕立德树人根本任务，培养担当民族复兴大任的时代新人等举措，探索实现专业课程思政，使“GNSS测量与数据处理”课程教学目标与思政育人目标有机融合，以BDS思政案例设计等解决“如何将价值引领融入教学”的问题，主要体现在以下几方面：
1)从课程绪论讲述GNSS的发展，包括我国北斗卫星导航系统的全面建成，成为GNSS全球服务的系统之一，培养学生作为中国人的自豪感和科技强国的责任使命感，弘扬新时代的北斗精神；
2)从卫星定轨理论、卫星定位原理方法的讲授，在科技研究领域，培养学生具有严谨治学的科学态度、实事求是的科学精神；
3)从GNSS控制网技术设计、测量实施及数据处理上，在工程技术应用领域，培养学生不断求知、探索，精益求精的大国工匠精神；
4)外业仪器按照测量规范操作和内业计算上，培养学生接受测绘职业道德教育熏陶，具备遵守职业规范职业素养；
5)从GNSS定位原理到数据处理的模型推导，从程序设计到专业软件操作及二次开发，结合卫星导航定位科技的新发展，培养学生用专业知识进行北斗卫星导航系统的数据处理与BDS/GNSS应用开发设计及创新创业发展。
2.3 教学考评与反馈上，注重过程考核和评价多元化
工程教育专业认证的核心理念之一是持续改进，有效的教学考评与反馈是持续改进的前提。注重过程性考核和评价多元化，有助于学生专业知识、能力、素质的培养。本课程成绩评定，通过线上、线下相结合；
考评阶段上，分为过程性评价占40%、终结性评价占60%：过程性考核包括线上学习、课堂讨论等平时成绩和实验(如图1所示)；
终结性评价以线下结课闭卷考试为主，主要以选择题、论述题、综合案例为主(比例分配如图2所示)，考核知识的深入理解、灵活运用和解决专业复杂问题能力，提升学生专业兴趣及自主学习能力。
过程性考核中，以线上(课外)学习和思维导图记录的方式奠定知识点基础，实现学习的低阶目标[16]；
而在线下(课堂)的知识整合和问题讨论的师生互动中进行知识的理解、应用和分析、讨论，有助于知识的联系与应用解决专业问题能力的锻炼，同时在细节上加强对个人职业素质的培养，课后小组专题讨论与程序设计等环节，促进了学习的高阶目标实现[17-18]。过程性考核与终结性评价相结合，是课程实施“课程目标-教学设计-课堂教学-全程考核-达成度评价-反馈改进”(如图3)中反馈环节的衡量要点。有助于推动教学内容和方法改进，解决“考评单一，改进不及时”的问题。
2.4 教学实践与成绩分析
按照以上教学设计对测绘专业的“GNSS测量与数据处理”教学改革实施，为了对比教学改革实践成效，在测绘工程18级的4个平行班中，18-1.2班实施讲座责任制混合式教学模式，18-3.4班按照传统授课方式(提供了同样的线上课程资源)；
试卷统一出题(同样平时成绩、实验成绩等过程考核共占40%，试卷成绩作为终结性考核占课程的60%)、统一批改。值得注意的是，考试卷面一改常规的填空、名词解释、简答题等教材上的固定答案形式，而是按照能力培养为主，参考注册测绘师综合能力考试的题型，包括单选题、多选题、综合分析解答类开放式考题，考核学生对知识的灵活运用、分析问题解决问题和逻辑思维表达等能力培养达成度。
图1 课程考核评价比例
图2 考试题型比例
图3 课程设计实施与考核评价循环图
为了对比不同教学模式学生的成绩整体趋势，以班级均分、五级值占比来泛化个体差异，结果对比如表2所示。
1)班级的试卷卷面成绩平均分都在67～73分的范围，平行班整体试卷成绩达到期望值70分，班级内的个人成绩符合正态分布规律，表明试卷出题难度适当。
2)进一步分析平行班各班试卷成绩分布，优良率总占比上，混合式教学模式班达到43%和39%，高于传统教学模式班级的19%和24%；
及格和不及格率总占比上，混合教学模式班为23%和25%，低于传统模式班的56%和41%。
3)通过各班的终结性考核(试卷成绩)与过程性考核的相关性分析，发现试卷均分达到70分以上的3个班，过程性考核平均成绩为优良；
而试卷均分未到68的班级，过程性考核平均成绩仅为中等，验证了学习过程对学习结果的重要性。由此得出，线上线下混合式教学设计与教学方法改革成效显著。
表2 混合式教学讲座责任制改革与传统模式的平行班成绩对比
顺应“互联网+高等教育”在线教学新常态的发展要求[12]，结合卫星导航定位新发展，以学生为主体，以教师为主导，建立了线上线下混合教学内容设计、教学方法设计、过程考核和评价多元化实施，采用思维导图工具、讨论式、案例式的讲座责任制等教学研究改革与实践，结合工程教育专业认证要求，以OBE理念进行教学设计优化，用专业知识进行北斗卫星导航系统的数据处理与BDS/GNSS应用设计开发，注重产教融合应用，有利于学生通过自主学习，提高解决复杂工程问题能力，培育学生严谨治学的科学态度、实事求是的科学精神和创新能力及职业素质，达到知识、能力、素质培养的课程目标。有效的考核评价办法也有助于推动教学内容和方法持续改进，提高了课程的“两性一度”目标，并在同类专业课中应用推广。
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