“双一流”背景下高校研究生...——OBE理念下的个案研究_贺智.pdf

交叉与综合Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）第19卷第3期(2023年1月）本栏目责任编辑：李雅琪“双一流”背景下高校研究生 高级计量地理学 教学改革OBE理念下的个案研究贺智1,2(1.中山大学 地理科学与规划学院，广东 广州 510275；2.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东 珠海 519082)摘要：“双一流”建设是我国高等教育面临的重大发展机遇与严峻挑战。为适应国家教育现代化战略、精准定位“双一流”建设目标、肩负高层次创新人才培养使命，遵从中山大学“厚基础、宽口径、重个性、求创新”的人才培养理念，以地理学硕士研究生培养方案为导向，针对 高级计量地理学 课程特点与教学模式不足，提出基于OBE理念的高校硕士研究生 高级计量地理学 教学改革方案，面向地理行业需求、以成果为导向制定渗透思政元素的顶层内容设计，探索OBE教学模式下的个案研究，培养紧扣国家战略的新时代硕士研究生。关键词:“双一流”；计量地理学；教学改革；硕士研究生中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)03-0112-04开放科学（资源服务）标识码(OSID)：1 引言2015年10月，国务院印发 统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案，2016年起开始实施，目标是在21世纪中叶建成高等教育强国。截至2022年2月，我国“双一流”高校总计147所。“双一流”建设1-3使高等教育受到了前所未有的重视，标志着我国大学及学科建设进入全新阶段。在国家政策关怀下，中山大学有幸入选“双一流”建设名单，是该校教育质量提升的重要机遇与挑战。与本科教育注重通才培养不同，研究生教育肩负着高层次创新专才培养使命，是国家科技创新与进步的基石。2020年9月，教育部发布 关于加快新时代研究生教育改革发展的意见，明确提出到2035年初步建成具有中国特色研究生教育强国的奋斗目标。在此背景下，如何抓住机遇通过教学改革从本质上提升高等院校硕士研究生教学水平与人才培养质量，是当务之急。笔者根据13年科研经验与8年教学经验，以讲授的资源与环境专业 高级计量地理学4,5为例，探索成果导向(Outcomes-basedEducation，OBE)6-9的教学改革策略，以期为“双一流”建设培养高层次拔尖人才提供参考。2 传统教学模式难以满足“双一流”背景下的地理学高层次人才培养目标计量地理学始于20世纪50年代初期，地理学家Schaefer等人发起了对区域学派的批评与否定，认为地理学应追求与探索法则，拉开了计量运动的帷幕。与传统地理学强调各地域的记述与特殊性研究不同，计量地理学强调从空间角度、采用计量分析方法、探求地理规律，进而导出地理学的一般理论。历经近70年的发展，计量地理学的理论日趋成熟。由于计量地理学将地理、数学、计算机等多学科交叉技术应用于地理学，同时服务于地理学理论研究与应用需求，在地理学科中占据重要地位，对培养优秀地理人才做出了突出贡献。高级计量地理学 是中山大学地理科学与规划学院资源与环境专业硕士研究生的必修课，旨在掌握建立定量概念和地理学方法论基础、运用数学方法来建立数学模型并解决实际地理问题、培养编程动手能力和从事科学研究的素养。国内已有多所高校（如北京大学、北京师范大学、南京师范大学等）开始了相关课程，并推出了一系列教材，经典的有张超、杨秉赓编著的 计量地理学基础、徐建华编著的 计量地理学和 现代地理学中的数学方法 等。但是，近年来随着大数据人工智能时代10-13的到来，传统教学模式难以满足“双一流”背景下的地理学高层次人才培养要求。以高级计量地理学 为例，存在如下不足：(1)教学模式落后，课程知识主要由教师直接、单向地传授给学生，学生被动接受、参与感不强、动手能力较弱，导致对原理的理解不够深入。(2)教学内容重理论轻应用，大部分教学时间花费理论教学上，较少涉及最新技术与应用需求，与实际生产部门需求联系不紧密。(3)忽视了课程思政作用，课程教学过程缺乏课程思政元素的融入，缺乏把思政工作贯穿于整个教学收稿日期：2022-06-22基金项目：中山大学2022年本科教学质量工程类项目(37000-12220011)；广东省自然科学基金项目(2019A1515011877)；广州市科技计划项目(202002030240)；南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）(99147-42080011)作者简介：贺智(1988)，女，湖南湘潭人，副教授，博士，主要研究方向为高分/高光谱遥感、模式识别和深度学习。E-mail：http：/Tel：+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.19,No.3,January2023112DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0159交叉与综合Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）第19卷第3期(2023年1月）本栏目责任编辑：李雅琪设计，难以响应“立德树人”目标。3“双一流”背景下的OBE教学模式设计针对“双一流”背景下 高级计量地理学 课程教学的不足，提出基于OBE教学模式设计。OBE是Spady于1981年提出的成果导向教育理念，提倡以学生为中心，以教学目标或教学成果为导向，反推所需教学内容、教学方法与评价标准等。OBE通过衡量学生学到了什么、能做什么来评价教学成效。本文秉承OBE理念，以学生为中心、以成果为导向，构建以立德树人为目标的教学改革思路。如图1所示，以成果为导向，分别对教师教学过程和学生学习过程进行设计。成果导向理解基本概念掌握理论方法提高动手能力解决实际问题教师学生理解行业需求编写程序代码分解目标任务寻求解决方案总结掌握知识源于行业需求持续改进教学内容制定培养目标设计教学模式实施教学评价教学过程教学过程学习过程学习过程设计监控指导学习执行反馈“双一流双一流”建设背景建设背景图1 OBE教学模式设计具体而言，高级计量地理学 是理论与应用并重的交叉学科，在实际生产中有广阔应用前景，该课程的成果导向包括：理解计量地理相关的基本概念、掌握数学理论方法与模型、通过操作计算机软件提高动手能力、最终提高解决实际问题的能力。教师的教学活动侧重设计教学模式、监控教学过程、指导学生解决实际问题。首先，设定源于遥感、测绘、规划等行业需求的教学专题；然后，制定教学培养目标、设计基于OBE的教学模式；根据时代发展14-15、技术进步与学生反馈，持续改进教学内容；最后，对教学效果实施评价。学生的学习过程侧重学习理论知识、提高动手能力和执行能、反馈学习成果。首先，根据教师制定的教学专题通过查阅资料、实地调研等深入理解行业需求；然后，对目标任务进行分解并寻求解决方案；在此基础上通过搜集数据与编写程序代码来解决实际问题；最后，总结与凝练整个学习过程中获取到的知识。4 OBE教学模式在 高级计量地理学 教学中的改革与实践根据OBE教学模式设计，重新梳理与更新现有教学内容，凝练如图2所示的4大教学专题：基础知识（地理数据系统）、时空问题（空间分布测度、时间序列分析）、统计问题（相关分析与回归分析、趋势面分析、主成分分析、马尔科夫预测）和规划决策问题（线性规划分析、地理系统决策分析）。每个专题都将基础与前沿结合，渗透最新科学研究成果与课程思政元素。例如，在时间序列分析中，除了平滑法、趋势线拟合法和自回归分析法等，还将涉及人工智能领域热门的长短时记忆网络(Long Short-Term Memory，LSTM)，并分析我国长江、黄淮海流域特大洪水发生的时间间隔、与太阳黑子周期的关系、如何在应对洪水时做到未雨绸缪等思政元素。下面通过4个示例（即趋势面分析、时间序列分析、主成分分析和 AHP 层次决策）详细展示基于OBE教学模式的 高级计量地理学 教学改革与实践。图2高级计量地理学 教学专题4.1 趋势面分析(1)成果导向。理解趋势面分析的概念与作用；掌握基于线性/非线性回归的趋势面分析方法；收集降水量数据并用Matlab编程绘制降水量趋势面；了解行业需求，在实际中可反映河流或湖泊水位及流量变化，在政府防汛抗洪决策发挥重要作用。(2)教学内容。趋势面分析的行业需求；趋势面分析的一般原理；趋势面分析的线性/非线性回归模型；趋势面拟合程度的检验方法；趋势面分析的应用实例。(3)思政元素。趋势面分析可有效应用于我国防汛抗洪及挖掘人口和经济要素空间分布规律等。(4)学生实验。理解趋势面分析的行业需求；将目标任务分解为收集数据、构建合适的趋势面模型和显著性检验方法；编写Matlab代码实现解决方案；总结掌握的趋势面分析知识。图3为基于一次、二次、三次和四次多项式回归模型的降水量趋势面分析结果。(a)一次多项式(b)二次多项式(c)三次多项式(d)四次多项式图3 一次、二次、三次、四次多项式趋势面结果113交叉与综合Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）第19卷第3期(2023年1月）本栏目责任编辑：李雅琪4.2 时间序列分析(1)成果导向。理解时间序列分析的概念与作用；掌握平滑法、趋势线拟合法、自回归分析法、LSTM和季节变动预测法等时间序列分析方法；收集时间序列数据并用Matlab编程分析变化趋势并预测未来演变情况；了解行业需求，在实际中可挖掘各种现象的变化规律，并进一步解释内在原因，为预测与决策提供可靠的数据支撑。(2)教学内容。时间序列分析的行业需求；时间序列分析的基本原理；长期趋势分析和季节变动预测模型；时间序列分析的应用实例。(3)思政元素。时间序列分析可有效应用于我国社会经济和地理对象的发展变化过程、发展状态及未来演变预测等。(4)学生实验。理解时间序列分析的行业需求；将目标任务分解为收集数据、构建问题驱动的时间序列分析模型；编写Matlab代码实现解决方案；总结掌握的时间序列分析知识。图4为基于移动平均、滑动平均和指数平滑的长期趋势分析结果。4.3 主成分分析(1)成果导向。理解主成分分析的概念与作用；掌握主成分分析的模型、推导、计算步骤；收集高光谱遥感数据并用Matlab编程实现主成分分析；在行业实际应用中，主成分分析可把原来多个变量降维为少数几个综合指标。(2)教学内容。主成分分析的行业需求；主成分分析的基本原理；主成分分析的推导过程及计算步骤；主成分分析的应用实例。(3)思政元素。随着“高分专项”的启动，我国遥感事业得到了极大发展，空间、时间和光谱分辨率不断提高、数据量也不断加大，主成分分析可对遥感数据降维、提取有效信息；(4)学生实验。理解主成分分析的行业需求；将目标任务分解为收集数据、构建主成分分析模型；编写Matlab代码逐步进行主成分分析，以实现降维；总结掌握的主成分分析知识。图5为高光谱遥感数据的主成分分析结果。4.4 AHP层次决策(1)成果导向。理解AHP 层次决策的概念与作用；掌握AHP层次决策分析的基本原理与计算方法；收集适于AHP层次决策的社会、经济和地理数据并构建层次结构模型；结合专家经验构建判断矩阵并用Matlab编程实现层次决策；了解行业需求，在面临复杂决策时，对一些无法度量的因素，引入合理的度量标度，构造判断矩阵来分析各因素的相对重要性。(2)教学内容。AHP层次决策的行业需求；层次决策分析的必要性；AHP层次决策分析的基本原理、实现过程与计算方法；AHP层级决策的应用实例。(3)思政元素。AHP层次决策分析对我国扶贫开发战略决策定量分析、政府主导产业选择以及区域综合开发治理战略决策等方面有重要作用。(4)学生实验。理解AHP层次决策分析的行业需求；将目标任务分解为收集数据、构建AHP层次决策判断矩阵和结构模型；编写Matlab求解判断矩阵的特征值与特征向量，以实现层次单排序和总排序；总结掌握的AHP层次决策分析知识。图6为扶贫开发