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国家级一流本科课程:3S综合实习

2021-03-18          发布:[信息工程学院]

1 课程概述

《3S综合实习》是面向GIS专业二年级学生,在其修完遥感(RS)、全球定位系统(GNSS)、地理信息系统(GIS)及相关主干课程之后,综合利用上述3S空间信息技术开展野外数据获取、数据处理、数据分析和应用的一门专业综合实践课程,3个学分,为期3周。

该课程是我校在开展半个多世纪的野外地质实习的基础上2013年开始探索地学学科与现代GIS空间信息学科深度创新融合而逐步形成的一门特色实践课程。

《3S综合实习》课程,将地学学科与现代GIS空间信息学科进行深度融合,综合运用3S技术,引入“虚+实”相结合的线上线下混合式教学模式,引导学生根据上方山区域经济与文化发展需求,开展基于真实项目研究和实施。

截止目前,已成功开设3轮,受益学生198人次。

2015年正式建立北京上方山《3S综合实习》野外教学实习基地;依托该课程实践教学成果,2018年成功获批国家虚拟仿真教学实验项目;2019年获批北京市实践教学教改项目和教育部专业教指委教学成果二等奖;培养学生在立德树人、创新创业、科学研究、技术革新方面取得了大量的成绩和奖项。该课程已成为中国地质大学(北京)GIS专业中一门重要的综合实践课程,是贯通GIS专业各主干课程、衔接基础专业课程和高阶专业课程、理论联系实际的重要支撑课程。

2 教学目标

结合我校“特色+精品”培养地球科学领域一流人才的办学定位,本课程以贯通3S技术、衔接专业课群,培养工程型+研究型的地学特色复合型GIS人才为课程定位。

在知识水平方面:

要求学生能够熟练掌握3S专业基本知识,融汇贯通其内涵与外延, 理解3S技术在空间信息采集、分析和应用上的作用,以其与相关交叉学科的关系,能够在思维上构建3S综合知识体系;

在能力水平方面:

要求学生具备综合运用3S技术在实际中发现地理空间问题、获取空间数据、分析空间模式、创建空间模型、形成科学研究报告或工程化方案能力;

能够绘制相关分析成果专题地图,构建GIS数据库和开发相关GIS软件系统,形成对研究成果的规范性表达的能力。

具备综合运用3S技术及交叉学科知识开展科学探究、自主学习的能力;具备对复杂、综合学科问题开展综合评价和多角度深度分析的能力;

能够对实际问题提出创造性设计、形成解决方案、制定计划并有效组织开展工程化、规范化实施的综合能力;

从而在素质水平方面,能够践行并养成科学探索精神、团队协作精神、工匠精神,专业素养,科技强国,社会服务意识,全面发展,为今后更高层次的专业学习、研究打下基础。

图1 课程人才培养体系

3 教学团队

由5名信息工程学院教师组成,其中高级职称2人,博士学位4人,具备海外经历4人,团队成员专业研究方向涵盖3S技术领域各个方面,团队成员结构年轻,专业结构配置合理、在3S技术教学、科研和工程应用上能力出众,成果丰富。

4 教学设计思路

《3S综合实习》课程的大场景性、数据综合多样性、技术体系的密集性、实际问题研究的复杂性、长期性、多学科的交叉性、工程实施的规范性等问题一直是该课程的痛点。如何在一个较短的时间内完成这样一个复杂的实习工程是一个巨大的挑战。

本课程充分利用线上+线下,校内+校外,虚拟+现实的实习场景三结合模式,将这个庞大的教学内容进行分解和有机衔接,

第1周:学生在校内开展线上虚拟仿真,熟悉上方山实习环境,完成项目前期设计和编定野外工作计划,准备野外数据;第2-3周:学生在校外,综合运用3S技术,调研上方山基地现实问题,结合课程思政、科技服务上方山区域经济与文化需求,确定研究项目,开展真实项目研究和实施,学生最终成果将汇总线上,反馈完善虚拟仿真。

该实地实习项目,搭建有校内多专业方向高水平教师团队+校外多领域专家团队+研究生、本科生助教构成的指导教师三结合模式教学团队,教学团队的老师们共同完成寻求复杂的多学科实践问题的专业性和多层次性的分化指导教学。近年来,还把各种无人机、激光Lidar、云技术等专业新设备、新技术引入实习课程,进一步提升课程专业效果;虚拟仿真平台、智慧教室、学习通软件等先进的教学信息化装备融入课程,大大提升了教学实习效率、教学效果提升显著。在教学组织上,坚持以学生为中心,遵循学生专业成长规律,发挥学生特长和兴趣,促进学生主学习能力发展。在校内实习阶段,夯实学生的专业基础知识;校外实习部分,教师和多领域专家围绕3s技术,引入新知识和新技术,引导学生以项目课题为目标开展自我探索、自主学习,从科研能力、知识获取能力、工程实施能力上充分考验自己、锻炼自己。

图2 课程教学设计架构

5 教学环境

在教学环境上,线上教学资源我们采用基于我校3S综合实习野外实习基地资源构建的国家级虚拟仿真实验项目平台“复杂地形条件下空间信息采集与地理环境仿真虚拟实验”;线下教学研讨以超星公司为学校打造的“智慧教室”和 “学习通”软件为依托;再结合我校在北京房山上方山建立的3S综合实习野外实习基地构建了一个线上+线下、虚拟+现实、校内+校外、理论+实践的综合教学环境体系。在此基础上,我们以项目的形式让学生构建了实习数据和成果展示的实习云系统,实现了线上和线下教学资源和教学管理的一体化,实现了教学混合教学过程和成果资源的历史保存和内容的迭代更新、累加升级发展。

图3 课程教学过程

6 教学方法

1.“虚+实”相结合的线上线下混合式教学,利用虚拟仿真平台对野外基地环境的模拟仿真,能使学生迅速获得基地地形地貌的整体地理环境的直观感受,帮助学生熟悉野外基地环境,辅助空间分析和考察方案设计,为野外实习准备好数据和分析资料,提高野外考察效率和精准度。同时实地考察的结果也能反馈和完善虚拟仿真平台数据,线上线下相得益彰。

2.引入项目研究型教学模式,以真实项目研究为目标,科技为民,服务实际、解决实际问题,让学生真正理解所学3S知识在实际中的作用,融合贯通相关专业知识和技能,培养学生兴趣,激发学习热情。

3.引入成长性思维、在遇到没学过的知识时,由浅入深、层层诱导学生主动寻找问题、思考问题、自我学习、寻找答案的探索式自主学习模式。

4.引入工程化思想,强调从过程到结果的数据处理的流程规范化、成果地图及科研报告的标准化,培养学生工程素养。

5.引入讨论式教学,OBE理念,翻转课堂,在选题确立、问题探讨、成果汇报中,充分发挥学生能动性,积极开展创新性、头脑风暴式的讨论,生讲生评,提升学生分析能力、表达能力和创新思维

6.引入分阶段、多过程的多级多元的过程学习型、提升式的目标考核评价体系。从项目选题、方案确定和实施过程、结题等多环节开展汇报、师生共同研讨和考核,每晚还有一天的工作汇报总结和讨论。最终成果要经历向指导老师、基地用户行业专家、学校领导老师的层层考核汇报、修改提升。层层把关、及时指导,日日提升,确保项目质量、教学效果。

图4 OBE线上线下混合式教学模式

7 创新特色

(1)教学形式创新:采用线上线下相结合,校内校外相结合、虚拟现实相结合的三结合、混合式教学形式创新,解决大场景多学科综合实习的痛点。

(2)教学内容创新:以解决实际问题的项目是教学,教学内容紧扣社会实际需求;融入3S和交叉专业新技术新方法,紧扣最新技术、专业前沿;历年成果累加、内容提升,滚动迭代;常做常新。

(3)教学团队的创新:指导教师由校内不同专业背景的老师+校外专家和企业导师+学生助教的三位一体多面教学指导团队。形成多学科交叉、学校、社会、企业三结合的导师团队。

(4)考核方式创新:分阶段、多过程、多环节的多级多元的过程学习型、反思提升式的目标考核评价体系,考核迭代提升式;考核过程化和多目标化延伸创新,考核强调研究性、创新性、综合性。

图5 课程人才培养模式特色

8 教学效果评价与比较

学生普遍评价通过本课程实习从知识上对专业知识的认识加深了,专业领域内涵和外延扩大了,对专业的学习热情提高了,学习主动性加强了。获得的自主学习、自主研究的能力,面对实际问题更有自信心了。在专业成果的表达上更专业和规范化了。学生后期学习成绩提升明显。在后续各类学科竞赛、创新项目和科学研究进步显著。

图6 上方山实习基地集体照

2018年第一届参与实习的学生获得北京高校十佳示范班集体称号;2018年赵林峰10041552同学,基于当年在实习中综合应用3S技术开展地理空间分析和模式发现的体验和总结,结合后续深度专业学习,继续开展地理空间模式研究,在知识迁移举一反三后,以“基于地理分区与CA-FLUS模型的城市扩张模拟与预警”为题完成本科毕业设计,获得北京市优秀毕业论文;2019年第二届参加实习的学生焦雅楠1004165110、张珂汇1004165105同学延续基地实习研究项目 “上方山智慧旅游大数据系统” 获批北京市教委“实培计划”毕业设计(创新类)项目,并发表科技论文5篇;田涔玄1004165126同学,将实习中的上方山三维地形分析和建模技术迁移到了北京冬奥会山地滑雪赛道的建模与分析中并以此为题获得全国三维数字化创新设计大赛全国一等奖,并应邀在大赛大会上发言。2019年第三届参加实习的学生,依托实习成果获得全国三维数字化创新设计大赛北京赛区三等奖、软件著作权4项,实习开发上方山森林防火监控巡查系统获基地地方认可,并已签订技术服务合同投入实际运营应用。

有效大二阶段的实习,有质量的研究项目,不仅用于实习,还用于后续专业学习、大创实践、毕业设计,解决了大二实习,与后续专业学习、研究脱节的矛盾;实习课程,不仅提升学生的专业成长迅速,而且探索了专业实习课程设计的新范式。

教学团队依托实习教学成果,2018年获批国家虚拟仿真实验项目、2019获得教育部专业教指委教学成果二等奖,2019获批北京市基地建设教改项目。

未来,我们将在现有基础上,进一步迭代完善实践教学条件和提升教学内容,引入更多最新技术和交叉专业与3S技术结合,与更多专家和科研单位、企业联合开展项目实习,进一步完善线上课程和虚拟仿真平台建设,探索引入大数据+GIS,人工智能+GIS,物联网+GIS的最新前沿技术到实习中来,开创3S综合实习课程的发展新高度。