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摘 要 任务驱动教学法是基于建构主义教学理论的探究式教学方法，它能实现教育的根本目标。本文在分析任务驱动教学法内涵与特征的基础上，根据地理信息科学专业“遥感实验”课程的教学目标，设计了“地物光谱数据库的构建”实验教学案例，并详细阐述了任务驱动下实验教学的方案实施及考核方式。论文以期抛砖引玉，为地理信息科学实验课程建设提供一些新思路。
关键词 任务驱动 遥感实验 教学模式
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.02.028
Research on the Teaching Mode of the Remote Sensing
Experiment Based on Task Driven
FU Qiaoni，[1] RUAN renzong，[1] MAO Changping[2]
（[1] College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098;
[2]School of Earth Sciences and Engineering， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098）
Abstract The "Task-driven Teaching" method is an inquiry teaching method based on constructivism teaching theory. It will achieve the fundamental goal of education. Based on the analysis of the connotation and characteristics of "Task-driven Teaching" method， according to the teaching objectives of remote sensing experiment course of geographic information science， this paper designs an experimental teaching case of "Building Spectral Database of Features". We also elaborate the implementation and assessment methods of "Task-driven Teaching" method. We aim to provide some new ideas for the construction of geographic information science experiment course.
Keywords task-driven; remote sensing experiment; teaching mode
0 引言
实验教学在培养学生工程实践、应用创新等综合素质方面起着重要作用，是本科教学的重要组成部分。实验教学的主要目标是培养学生发现、分析并解决问题的能力。纵观当前高校地理信息科学专业遥感实验教学模式的现状，不难发现传统的实验教学多以“课堂+实训”的教学模式开展，存在一定的局限性。
“遥感实验”作为地理信息科学专业的核心实践课程，是学生掌握专业技能的必要途径。它把遥感原理落地至实例和实践中，也是对遥感基本理论知识的深化和提升。本文构建了基于任务驱动的遥感实验教学模式，让学习者在任务导向下完成实验项目。这不但可以激发学生的兴趣，还能培养学生的综合素质和创新能力，从而提高实验教学质量。[1]
1 课程实验的设计思路
“任务驱动”是一种建立在建构主义教学理论基础上的探究式教学方法，以探索问题来引导和维持学习者的兴趣和动机。[2]教学内容被设计成多个具体任务点，学生根据任务要求，运用所学知识设计实施方案并完成教学任务。这种教学模式颠覆了传统的知识传授教学理念，让学生在教师的指导下，从解决问题-完成任务的实践过程中自主获取知识。[3]
任务驱动教学模式是以任务为中心，将总任务分解成一个个具体的、可操作性强的子任务。学生和教师围绕一个个具体任务去实施教学。在任务驱动下，学生主动查阅资料，学习、消化并吸收自主探索过程中所涉及的相关知识。教师在教学中扮演教练员与辅导员的角色。师生之间及“生-生”之间通过交流互动，推动和促进任务的执行。在这种探究过程中，学生可以充分展示想法，获得个性化学习体验。[4]任务驱动教学法改变了传统“以教定学”的被动教学模式，以提高学生知识掌握与技能应用为主线，倡导学生的自主性、协作性与研究性学习，以消除传统实验教学的弊端。[5]
基于任务驱动的探究性遙感实验教学模式是一个以教师为主导、学生为主体的实验教学模式。教师根据教学大纲和培养目标，确定实验项目。实验以小组为单位进行，学生根据实验项目，参照实验教学指导书，拟定实验方案，设计实验步骤，确定实验方法，完成实验任务并展示实验成果;教师对学生给予指导和帮助，提示学生思考实验中出现的难题并各个击破。学生根据教师的反馈与评价重新建构实验相关知识体系，改进实验方案。教师在“理论-实践-理论”的过程中反思并调整实验教学大纲中的培养目标、实验目的、实验内容及考核方式等。基于任务驱动的探究性遥感实验教学模式就是一个开放式的、多重循环的教学模式。 2 实验内容的设计与实施
2.1 确定实验项目
在任务驱动教学模式中，任务的完成直接影响教学效果。因此，实验任务的设计非常关键。“地物光谱数据库的构建”实验目的是加深学生对地物光谱特征的认识，掌握地物光谱数据库的构建方法;探索不同地物由于组分及结构的差异，导致的光谱特征差异。实验内容包括：（1）采集地物光谱（包括植被、矿物、土壤、水体、人造物等）数据，配套观测数据说明文档;（2）处理地物光谱数据并构建地物光谱数据库;（3）分析地物的结构及组分差异对地物光谱特征的影响。
根据观测目标物的类型，设计了5个实验项目，由学生自行分组完成不同的实验任务：（1）植物光谱反射率测量及光谱数据库的构建;（2）矿物光谱反射率测量及光谱数据库的构建;（3）土壤光谱反射率测量及光谱数据库的构建;（4）水体光谱反射率测量及光谱数据库的构建;（5）人造地物光谱反射率测量及光谱数据库的构建。针对单个实验项目，又对照实验目标设置了多个小任务点：采样路线及采样方式的设计，环境条件记录、地物光谱测定、植被生理生化参数的测定等。实验以小组为单位进行，学生需要自主查阅资料，选择实验仪器，设计实验方案，明确技术路线，选择合适的方法进行数据处理、结果分析及精度评价。具体的，学生需要依次打卡每个小任务点，才能最终完成实验。
另外，为保证实验的顺利进行，学生拟定实验方案后，指导老师对各小组的实验方案进行初步审阅，就方案的科学性、完整性、可操作性和安全性等多方面进行考量，提出具体的意见和建议。学生可根据教师的意见对实验方案进行修改完善。
2.2 实施实验内容
实验方案确定后，各小组将分别据此开展实验，验证实验方案的可行性，分析实验数据的可信程度。
以“植物光谱反射率测量及光谱数据库的构建”实验为例。需要依次打卡以下小任务点才能完成：（1）调研试验区内典型的植物类型及其分布，确定待观测的植物;（2）规划采样路线，确定采样原则;（3）选择合适的实验仪器、工具及试剂;（4）进行植物光谱测量，记录观测数据（包括光谱反射率、叶片SPAD值、光照情况、空气温湿度、风力风向、经纬度等），拍摄目标地物照片;（5）采集植物叶片并编号，室内采用烘干法获取植物叶片含水量;（6）进行光谱数据处理，利用ENVI波谱工具新建光谱库，属性特征库与光谱数据一一对应;（7）分析影响地物光谱测定的因素以及植物生长状况（含水量、叶绿素含量等）对光谱的影响;（8）展示并讨论实验结果，撰写实验报告;（9）学有余力且条件具备时，可进行光谱变换和特征提取，以进一步探索：a、相同叶片含水量条件下不同树种的光谱差异，相同物种不同生长阶段的叶片含水量差异;b、相同物种不同叶绿素含量的叶片间的光谱差异，以及不同物种相同叶绿素含量的叶片间的光谱差异。指导教师全程跟组观摩，既能及时纠正错误、确保操作规范，又能从旁指导关键步骤（如任务点（2）、（4）、（7）），帮助理解，加深印象。
如进行“矿物光谱反射率测量及光谱数据库的构建”实验，可选取学生在自然地理野外实习中采集的矿物标本为实验对象，事先了解矿物的化学成分、结晶构造等。实验时需先用制样机磨制矿物，再用振筛机将磨好的矿物过筛，制取粒径区间不同的矿物样本;最后将不同种类不同粒径区间的样品平整放置于黑背景的实验桌面上，在仅有实验室光源的条件下，利用光谱仪进行室内测量，获取其光谱。
2.3 实验总结与评价
通过依次打卡相应的任务点，学生能有序地、完整地完成实验，并形象地表达实验结果，评价实验方案的科学合理性，以便后期进行改进和拓展。当实验过程中出现与预想结果不一致的情况时，学生必须主动思考、灵活处理才能在有限的时间内完成相应的实验内容，总结经验教训，很能考验学生的应变能力和团队协作能力。
在学生完成实验任务后，教师首先参与每个实验小组的讨论，分析实验的完成情况、实验过程遇到的问题及解决方法，探讨实验方案的可改进之处。进而，进行知识点的回顾，使没有及时跟上节奏或在操作中有疏漏的学生能够快速地将知识点与具体步骤对应起来，以达到全面掌握的效果。最后，组织实验小组进行答辩，由组长做整体汇报，每个小组成员就自己负责的部分做展开论述，此举不仅能锻炼学生的语言表达能力，加强小组间的交流，更能提高每个成员的参与度和积极性，实现“人人有收获，个个不划水”。
3 课程考核与实施效果
课程考核是检验任务驱动模式下教学效果的重要手段，也是实验课程必不可少的环节。传统的考核方式是以教师评阅实验报告为主，实践证明，该方式难以全面有效地反映实习效果和学生的真实水平。而任务驱动模式的实验教学考核方式是综合性的，评价内容更加多元化，包括学生自主获取知识的渠道，对于实验技能的掌握程度，数据分析与成果表达，思维创新能力，小组分工与团队协作等。这些考核项，有些可以通过教师观察确定，有些需要通过评阅实验报告获得，有些需要通过上机测试，还加入了组内互评的环节，帮助教师全方位了解在整个实验过程中每位学生的真实表现。
遥感实验课程的最终成绩是以上各项成绩的加权平均。成绩加权平均的权重是通过多年的课程成绩数据分析得到的，并且随着每年教学具体情况适当微调。表1和图1为任务驱动教学模式施行前后的学生成绩情况。由图表可见，在不考虑学风和个体差异等因素的影响时，学生的平均成绩总体呈上升趋势，总体增长率为2.2%。其中，改革前后相比，高分段（80-100分）的人数和比例有显著增长;中等分数段（60-79分）的人数和比例有明显下降趋势;始终没有不及格情况出现。由此可见，通过任务驱动法在课程中的实施，激发了学生的学习兴趣，提高了学习效果。
4 结语
根据“遥感实验”课程特点和教学目标，设计了“地物光谱数据库的构建”实验，并以此为例进行了任务驱动教学模式的实践和探索。学生通过依次打卡任务点，结合师生讨论或“生-生”讨论，能有序完成实验，并进行思考和拓展——这个过程激发了学生的好奇心和学习兴趣，培养了学生分析和解决问题的能力。以实验小组为单位自主开展实验，教师仅从旁指导关键步骤，锻炼了学生的团队协作能力和应变能力。同时，通过多元化的考核方式，培养了学生写作与口头表达能力。
项目资助：教育部第二批“三全育人”综合改革试点院（系）河海大学地球科学与工程学院（项目编号：1071-B19133）;河海大学中央高校基本科研业务费项目“亚热带典型植物对降水频次的高光谱响应研究”（项目编号：2019B40614）
参考文献
[1] 李樹平，赵杰.基于任务驱动的探究性计算机实验教学模式[J].职教论坛，2010，（6）：53-55.
[2] 晏湧，蓝波.“任务驱动”教学法在电工电子技术课程中的应用[J].实验技术与管理，2012，29（9）：163-166.
[3] 王锐，李永吉，王艳宏，等.任务驱动教学法在《中药药剂学》实验课教学中的实践与思考[J].中医药导报，2012，18（8）：126-127.
[4] 郑云翔.新建构主义视角下大学生个性化学习的教学模式探究[J].远程教育杂志，2015，229（4）：48-58.
[5] 刘红梅.任务驱动式案例教学法的构建与应用[J].江苏高教，2016，（4）：71-73.
关键词 任务驱动 遥感实验 教学模式
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.02.028
Research on the Teaching Mode of the Remote Sensing
Experiment Based on Task Driven
FU Qiaoni，[1] RUAN renzong，[1] MAO Changping[2]
（[1] College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098;
[2]School of Earth Sciences and Engineering， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098）
Abstract The "Task-driven Teaching" method is an inquiry teaching method based on constructivism teaching theory. It will achieve the fundamental goal of education. Based on the analysis of the connotation and characteristics of "Task-driven Teaching" method， according to the teaching objectives of remote sensing experiment course of geographic information science， this paper designs an experimental teaching case of "Building Spectral Database of Features". We also elaborate the implementation and assessment methods of "Task-driven Teaching" method. We aim to provide some new ideas for the construction of geographic information science experiment course.
Keywords task-driven; remote sensing experiment; teaching mode
0 引言
实验教学在培养学生工程实践、应用创新等综合素质方面起着重要作用，是本科教学的重要组成部分。实验教学的主要目标是培养学生发现、分析并解决问题的能力。纵观当前高校地理信息科学专业遥感实验教学模式的现状，不难发现传统的实验教学多以“课堂+实训”的教学模式开展，存在一定的局限性。
“遥感实验”作为地理信息科学专业的核心实践课程，是学生掌握专业技能的必要途径。它把遥感原理落地至实例和实践中，也是对遥感基本理论知识的深化和提升。本文构建了基于任务驱动的遥感实验教学模式，让学习者在任务导向下完成实验项目。这不但可以激发学生的兴趣，还能培养学生的综合素质和创新能力，从而提高实验教学质量。[1]
1 课程实验的设计思路
“任务驱动”是一种建立在建构主义教学理论基础上的探究式教学方法，以探索问题来引导和维持学习者的兴趣和动机。[2]教学内容被设计成多个具体任务点，学生根据任务要求，运用所学知识设计实施方案并完成教学任务。这种教学模式颠覆了传统的知识传授教学理念，让学生在教师的指导下，从解决问题-完成任务的实践过程中自主获取知识。[3]
任务驱动教学模式是以任务为中心，将总任务分解成一个个具体的、可操作性强的子任务。学生和教师围绕一个个具体任务去实施教学。在任务驱动下，学生主动查阅资料，学习、消化并吸收自主探索过程中所涉及的相关知识。教师在教学中扮演教练员与辅导员的角色。师生之间及“生-生”之间通过交流互动，推动和促进任务的执行。在这种探究过程中，学生可以充分展示想法，获得个性化学习体验。[4]任务驱动教学法改变了传统“以教定学”的被动教学模式，以提高学生知识掌握与技能应用为主线，倡导学生的自主性、协作性与研究性学习，以消除传统实验教学的弊端。[5]
基于任务驱动的探究性遙感实验教学模式是一个以教师为主导、学生为主体的实验教学模式。教师根据教学大纲和培养目标，确定实验项目。实验以小组为单位进行，学生根据实验项目，参照实验教学指导书，拟定实验方案，设计实验步骤，确定实验方法，完成实验任务并展示实验成果;教师对学生给予指导和帮助，提示学生思考实验中出现的难题并各个击破。学生根据教师的反馈与评价重新建构实验相关知识体系，改进实验方案。教师在“理论-实践-理论”的过程中反思并调整实验教学大纲中的培养目标、实验目的、实验内容及考核方式等。基于任务驱动的探究性遥感实验教学模式就是一个开放式的、多重循环的教学模式。 2 实验内容的设计与实施
2.1 确定实验项目
在任务驱动教学模式中，任务的完成直接影响教学效果。因此，实验任务的设计非常关键。“地物光谱数据库的构建”实验目的是加深学生对地物光谱特征的认识，掌握地物光谱数据库的构建方法;探索不同地物由于组分及结构的差异，导致的光谱特征差异。实验内容包括：（1）采集地物光谱（包括植被、矿物、土壤、水体、人造物等）数据，配套观测数据说明文档;（2）处理地物光谱数据并构建地物光谱数据库;（3）分析地物的结构及组分差异对地物光谱特征的影响。
根据观测目标物的类型，设计了5个实验项目，由学生自行分组完成不同的实验任务：（1）植物光谱反射率测量及光谱数据库的构建;（2）矿物光谱反射率测量及光谱数据库的构建;（3）土壤光谱反射率测量及光谱数据库的构建;（4）水体光谱反射率测量及光谱数据库的构建;（5）人造地物光谱反射率测量及光谱数据库的构建。针对单个实验项目，又对照实验目标设置了多个小任务点：采样路线及采样方式的设计，环境条件记录、地物光谱测定、植被生理生化参数的测定等。实验以小组为单位进行，学生需要自主查阅资料，选择实验仪器，设计实验方案，明确技术路线，选择合适的方法进行数据处理、结果分析及精度评价。具体的，学生需要依次打卡每个小任务点，才能最终完成实验。
另外，为保证实验的顺利进行，学生拟定实验方案后，指导老师对各小组的实验方案进行初步审阅，就方案的科学性、完整性、可操作性和安全性等多方面进行考量，提出具体的意见和建议。学生可根据教师的意见对实验方案进行修改完善。
2.2 实施实验内容
实验方案确定后，各小组将分别据此开展实验，验证实验方案的可行性，分析实验数据的可信程度。
以“植物光谱反射率测量及光谱数据库的构建”实验为例。需要依次打卡以下小任务点才能完成：（1）调研试验区内典型的植物类型及其分布，确定待观测的植物;（2）规划采样路线，确定采样原则;（3）选择合适的实验仪器、工具及试剂;（4）进行植物光谱测量，记录观测数据（包括光谱反射率、叶片SPAD值、光照情况、空气温湿度、风力风向、经纬度等），拍摄目标地物照片;（5）采集植物叶片并编号，室内采用烘干法获取植物叶片含水量;（6）进行光谱数据处理，利用ENVI波谱工具新建光谱库，属性特征库与光谱数据一一对应;（7）分析影响地物光谱测定的因素以及植物生长状况（含水量、叶绿素含量等）对光谱的影响;（8）展示并讨论实验结果，撰写实验报告;（9）学有余力且条件具备时，可进行光谱变换和特征提取，以进一步探索：a、相同叶片含水量条件下不同树种的光谱差异，相同物种不同生长阶段的叶片含水量差异;b、相同物种不同叶绿素含量的叶片间的光谱差异，以及不同物种相同叶绿素含量的叶片间的光谱差异。指导教师全程跟组观摩，既能及时纠正错误、确保操作规范，又能从旁指导关键步骤（如任务点（2）、（4）、（7）），帮助理解，加深印象。
如进行“矿物光谱反射率测量及光谱数据库的构建”实验，可选取学生在自然地理野外实习中采集的矿物标本为实验对象，事先了解矿物的化学成分、结晶构造等。实验时需先用制样机磨制矿物，再用振筛机将磨好的矿物过筛，制取粒径区间不同的矿物样本;最后将不同种类不同粒径区间的样品平整放置于黑背景的实验桌面上，在仅有实验室光源的条件下，利用光谱仪进行室内测量，获取其光谱。
2.3 实验总结与评价
通过依次打卡相应的任务点，学生能有序地、完整地完成实验，并形象地表达实验结果，评价实验方案的科学合理性，以便后期进行改进和拓展。当实验过程中出现与预想结果不一致的情况时，学生必须主动思考、灵活处理才能在有限的时间内完成相应的实验内容，总结经验教训，很能考验学生的应变能力和团队协作能力。
在学生完成实验任务后，教师首先参与每个实验小组的讨论，分析实验的完成情况、实验过程遇到的问题及解决方法，探讨实验方案的可改进之处。进而，进行知识点的回顾，使没有及时跟上节奏或在操作中有疏漏的学生能够快速地将知识点与具体步骤对应起来，以达到全面掌握的效果。最后，组织实验小组进行答辩，由组长做整体汇报，每个小组成员就自己负责的部分做展开论述，此举不仅能锻炼学生的语言表达能力，加强小组间的交流，更能提高每个成员的参与度和积极性，实现“人人有收获，个个不划水”。
3 课程考核与实施效果
课程考核是检验任务驱动模式下教学效果的重要手段，也是实验课程必不可少的环节。传统的考核方式是以教师评阅实验报告为主，实践证明，该方式难以全面有效地反映实习效果和学生的真实水平。而任务驱动模式的实验教学考核方式是综合性的，评价内容更加多元化，包括学生自主获取知识的渠道，对于实验技能的掌握程度，数据分析与成果表达，思维创新能力，小组分工与团队协作等。这些考核项，有些可以通过教师观察确定，有些需要通过评阅实验报告获得，有些需要通过上机测试，还加入了组内互评的环节，帮助教师全方位了解在整个实验过程中每位学生的真实表现。
遥感实验课程的最终成绩是以上各项成绩的加权平均。成绩加权平均的权重是通过多年的课程成绩数据分析得到的，并且随着每年教学具体情况适当微调。表1和图1为任务驱动教学模式施行前后的学生成绩情况。由图表可见，在不考虑学风和个体差异等因素的影响时，学生的平均成绩总体呈上升趋势，总体增长率为2.2%。其中，改革前后相比，高分段（80-100分）的人数和比例有显著增长;中等分数段（60-79分）的人数和比例有明显下降趋势;始终没有不及格情况出现。由此可见，通过任务驱动法在课程中的实施，激发了学生的学习兴趣，提高了学习效果。
4 结语
根据“遥感实验”课程特点和教学目标，设计了“地物光谱数据库的构建”实验，并以此为例进行了任务驱动教学模式的实践和探索。学生通过依次打卡任务点，结合师生讨论或“生-生”讨论，能有序完成实验，并进行思考和拓展——这个过程激发了学生的好奇心和学习兴趣，培养了学生分析和解决问题的能力。以实验小组为单位自主开展实验，教师仅从旁指导关键步骤，锻炼了学生的团队协作能力和应变能力。同时，通过多元化的考核方式，培养了学生写作与口头表达能力。
项目资助：教育部第二批“三全育人”综合改革试点院（系）河海大学地球科学与工程学院（项目编号：1071-B19133）;河海大学中央高校基本科研业务费项目“亚热带典型植物对降水频次的高光谱响应研究”（项目编号：2019B40614）
参考文献
[1] 李樹平，赵杰.基于任务驱动的探究性计算机实验教学模式[J].职教论坛，2010，（6）：53-55.
[2] 晏湧，蓝波.“任务驱动”教学法在电工电子技术课程中的应用[J].实验技术与管理，2012，29（9）：163-166.
[3] 王锐，李永吉，王艳宏，等.任务驱动教学法在《中药药剂学》实验课教学中的实践与思考[J].中医药导报，2012，18（8）：126-127.
[4] 郑云翔.新建构主义视角下大学生个性化学习的教学模式探究[J].远程教育杂志，2015，229（4）：48-58.
[5] 刘红梅.任务驱动式案例教学法的构建与应用[J].江苏高教，2016，（4）：71-73.