“大地測量學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)改革探討

王建強(qiáng)

(東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

“大地測量學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)改革探討

王建強(qiáng)

(東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

大地測量學(xué)是測繪工程專業(yè)中一門基礎(chǔ)課程。文章從大地測量學(xué)的課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法與手段幾個(gè)方面論述大地測量學(xué)基礎(chǔ)課程建設(shè),重點(diǎn)分析大地測量學(xué)課程內(nèi)容教學(xué)適用的現(xiàn)代教學(xué)方法和教學(xué)手段。結(jié)合教學(xué)效果的反饋信息，提出改善課程教學(xué)的一些措施。

大地測量；課程；教學(xué)；實(shí)踐

大地測量學(xué)是一門古老而又活躍的學(xué)科。它是研究和確定地球的形狀、大小、重力場、整體與局部運(yùn)動和地表面點(diǎn)的幾何位置以及它們的變化的理論和技術(shù)的學(xué)科。大地測量工作是為大規(guī)模測制地形圖提供地面的水平位置控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，為用重力勘探地下礦藏提供重力控制點(diǎn)，同時(shí)也為發(fā)射人造地球衛(wèi)星、導(dǎo)彈和各種航天器提供地面站的精確坐標(biāo)和地球重力場資料。目前國內(nèi)大地測量學(xué)課程[1]主要內(nèi)容可分為五部分：(1)大地測量的基礎(chǔ)知識；(2)重力場基礎(chǔ)知識；(3)地球橢球及地圖投影；(4)大地測量基本技術(shù)與方法；(5)深空大地測量學(xué)概述[2]。該課程是一個(gè)基礎(chǔ)課程，它對于測繪學(xué)科相關(guān)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)課程學(xué)習(xí)、科學(xué)研究以及創(chuàng)新工作能力的培養(yǎng)有很深的影響。東華理工大學(xué)測繪工程專業(yè)根據(jù)學(xué)生的知識情況、學(xué)習(xí)興趣以及學(xué)校的基礎(chǔ)條件等因素，利用這些年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的積累，對此課程進(jìn)行改革，以更好地提高大地測量學(xué)基礎(chǔ)課的教學(xué)效果。

1 教學(xué)目標(biāo)

通過大地測量學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)，使學(xué)生掌握大地測量學(xué)的基礎(chǔ)理論、主要技術(shù)與方法和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和靈活運(yùn)用能力。為學(xué)生學(xué)習(xí)后繼課程，進(jìn)一步學(xué)習(xí)新理論、新知識以及新技術(shù)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。課程建設(shè)目標(biāo)從兩個(gè)方面著手，一個(gè)是知識目標(biāo)，一個(gè)是能力目標(biāo)。對于知識的學(xué)習(xí)目標(biāo)，從深到淺分為掌握、理解和了解三個(gè)層次，這三個(gè)層次對應(yīng)的知識體系如圖1所示。圖1中的學(xué)習(xí)層次劃分首先是依據(jù)知識內(nèi)容對學(xué)生將來發(fā)展的影響力上，影響力越大，層次劃分越深。其次是依據(jù)知識的難易程度，知識難度越大，層次劃分越淺。這些知識中，天文測量的開展已經(jīng)較少，但是該知識對科學(xué)研究是有作用的，地球形狀、地球橢球和投影變換是測繪學(xué)科的核心內(nèi)容，在生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)揮舉足輕重作用，是必須掌握的內(nèi)容。地球重力場內(nèi)容相對來說難度較大，需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，學(xué)生能理解即可。大地控制網(wǎng)和大地測量技術(shù)內(nèi)容較多，理論也比較嚴(yán)密，具有很大的研究潛力，因此需要學(xué)生理解，以備將來研究使用。大地測量學(xué)發(fā)展趨勢是學(xué)科前沿，深空大地測量學(xué)是大地測量學(xué)近年來發(fā)展的熱點(diǎn)，作為大學(xué)生的知識體系，需要了解該方面的內(nèi)容。

圖1 知識學(xué)習(xí)層次

對于能力目標(biāo)，劃分為四個(gè)內(nèi)容如圖2所示。抽象思維和邏輯推理的理性思維能力是大地測量學(xué)中復(fù)雜幾何及物理關(guān)系中需要面對的問題，特別是幾何和物理之間的聯(lián)系性。綜合、歸納、分析和解決問題能力在大地測量學(xué)中主要體現(xiàn)在建立大地控制網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)高斯投影正反算等問題。自主學(xué)習(xí)能力是在大地測量學(xué)中一些更為復(fù)雜的公式推導(dǎo)中需要提升的能力，比如重力場球函數(shù)表達(dá)式、大地主題解算等內(nèi)容。獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力是培養(yǎng)大學(xué)生的主觀能動性和靈活性，由于大地測量學(xué)是一個(gè)還在不斷發(fā)展的學(xué)科，很多問題還有待解決，例如大地主題解算的精度問題、重力場模型的高階次問題等。

圖2 能力目標(biāo)層次

2 教學(xué)內(nèi)容

大地測量學(xué)的知識體系可以分為四部分：大地測量的基本知識、地球重力場及地球形狀的基本理論、地球橢球及其數(shù)學(xué)投影變換的基本理論、大地坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)換算基礎(chǔ)。這四個(gè)知識體系內(nèi)容及其學(xué)時(shí)分配是一個(gè)需要不斷驗(yàn)證的課題。根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及課程知識體系特點(diǎn)，該課程內(nèi)容總學(xué)時(shí)48學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)分配如下。

(1)大地測量的基本知識，合計(jì)10個(gè)學(xué)時(shí)。該知識領(lǐng)域可分為兩個(gè)單元。一個(gè)單元是大地測量學(xué)的基礎(chǔ)知識，用2個(gè)學(xué)時(shí)。該內(nèi)容包括大地測量學(xué)的定義和作用、大地測量學(xué)的體系和內(nèi)容、大地測量學(xué)的發(fā)展簡史及展望。另一個(gè)知識單元是坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)，用8個(gè)學(xué)時(shí)，該知識單元主要為地球的運(yùn)轉(zhuǎn)和時(shí)間系統(tǒng)，坐標(biāo)系統(tǒng)和坐標(biāo)換算基礎(chǔ)。

(2)地球重力場及地球形狀的基本理論，合計(jì)8學(xué)時(shí)。該知識領(lǐng)域包含地球重力場的基本原理、高程系統(tǒng)、測定垂線偏差和大地水準(zhǔn)面差距、確定地球形狀的基本概念。

(3)地球橢球及其數(shù)學(xué)投影變換的基本理論，合計(jì)18學(xué)時(shí)。該知識領(lǐng)域包含地球橢球的基本參數(shù)、橢球面上的常用坐標(biāo)系及其相互關(guān)系、橢球面上的大地測量計(jì)算、將地面觀測值歸算至橢球面、地圖數(shù)學(xué)投影變換的基本概念、高斯平面直角坐標(biāo)系。

(4)大地測量基本技術(shù)與方法，合計(jì)12學(xué)時(shí)。該知識領(lǐng)域包含平面大地控制網(wǎng)建立的基本原理、高程控制網(wǎng)建立的基本原理、大地測量觀測儀器及觀測方法、大地測量數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)庫簡介。

3 教學(xué)方法與手段

教學(xué)方法在當(dāng)前也形成了一個(gè)系統(tǒng)，采用啟發(fā)式[3]、討論式等多種行之有效的教學(xué)方法，加強(qiáng)師生之間、學(xué)生之間的交流，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，強(qiáng)化科學(xué)思維的訓(xùn)練。李秉德教授按照教學(xué)方法的外部形態(tài)，以及相對應(yīng)的這種形態(tài)下學(xué)生認(rèn)識活動的特點(diǎn)，把中國的中小學(xué)教學(xué)活動中常用的教學(xué)方法分為五類[4]。該方法同樣適用大學(xué)教育，具體到大地測量學(xué)課程，根據(jù)課程特點(diǎn)，將分類方法和教學(xué)內(nèi)容對照如表1。從表1中可以看出，有些教學(xué)內(nèi)容可以使用多種教學(xué)方法，例如大地測量技術(shù)通過講授、討論等方法讓學(xué)生了解知識，通過實(shí)驗(yàn)方法讓學(xué)生得到實(shí)際鍛煉，加深對知識的了解，通過多媒體課件讓學(xué)生欣賞大地測量技術(shù)在社會中應(yīng)用及發(fā)展?fàn)顩r，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。當(dāng)然有些教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)方法相對來說比較單一，例如地球形狀內(nèi)容，通過演示可以讓學(xué)生直觀地了解地球形狀是一個(gè)什么樣子。盡管地球形狀內(nèi)容也可以通過講授法讓學(xué)生獲得該領(lǐng)域知識，但是效果顯得較差。一方面是教師講授比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，另一方面學(xué)生接受也比較困難。從表1中可以看出，大地測量學(xué)基礎(chǔ)課程需要用多種方法講授，才能起到更好的效果。

表1 教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容

與教學(xué)內(nèi)容相適應(yīng)的教學(xué)手段有必要研究。教學(xué)手段是師生在教學(xué)活動中相互傳遞信息的工具、媒體或設(shè)備。在科學(xué)技術(shù)的推動下，教學(xué)手段從早期的口頭語言、文字和書籍、印刷教材發(fā)展到電子視聽設(shè)備和多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等五個(gè)使用階段。 大地測量學(xué)基礎(chǔ)是一個(gè)理論與技術(shù)并存的課程，廣泛采用這些教學(xué)手段，以口頭語言、文字和書籍、印刷教材為主，多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為輔。在基礎(chǔ)理論上，主要采用傳統(tǒng)方法，例如大地主題解算內(nèi)容，必須分步進(jìn)行講解，否則學(xué)生難以接受。對部分理論課程和技術(shù)，采用現(xiàn)代多媒體技術(shù)，把幻燈機(jī)、投影儀、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)等等搬入課堂，作為直觀教具應(yīng)用，例如GPS衛(wèi)星星座，6個(gè)軌道在太空中的位置，利用視覺媒體可以讓學(xué)生直接理解衛(wèi)星星座的空間位置特征?，F(xiàn)代教學(xué)媒體可以分為視覺媒體、聽覺媒體、視聽媒體和交互媒體。根據(jù)現(xiàn)代教學(xué)媒體類型，適用的大地測量學(xué)內(nèi)容如表2。從表2中可以看出，大地測量學(xué)課程內(nèi)容幾乎不需要聽覺媒體，但是對視覺媒體和交互媒體需求性較強(qiáng)。

表2 現(xiàn)代教學(xué)媒體和教學(xué)內(nèi)容

實(shí)踐教學(xué)使學(xué)生獲得實(shí)踐知識、開闊眼界，豐富并活躍學(xué)生的思想，加深對理論知識的理解掌握，進(jìn)而在實(shí)踐中對理論知識進(jìn)行修正、拓展和創(chuàng)新。大地測量學(xué)實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生以下幾方面能力。

(1)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的能力。通過課堂上的講授和課下的學(xué)習(xí)，能夠獨(dú)立完成大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系的相互轉(zhuǎn)換程序。掌握高斯投影基本原理，完成高斯投影正反算的程序?qū)崿F(xiàn)，學(xué)會在實(shí)驗(yàn)中總結(jié)自己的學(xué)習(xí)過程，提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的學(xué)習(xí)能力。能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、撰寫合格的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，逐步形成自主實(shí)驗(yàn)的基本能力。

(2)分析與研究的能力。明確大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系的建立過程，在此基礎(chǔ)上能夠通過數(shù)學(xué)表達(dá)式將兩種坐標(biāo)系聯(lián)系起來，通過數(shù)學(xué)方法解決兩種關(guān)系的建立。通過實(shí)驗(yàn)完成大地測量學(xué)中一些基本內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生具有初步的分析與研究的能力。

(3)理論聯(lián)系實(shí)際的能力。通過高斯投影變換完成實(shí)際中的三維坐標(biāo)向二維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，便于實(shí)際應(yīng)用。通過實(shí)驗(yàn)分析掌握解決問題的科學(xué)方法，逐步提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識和技能解決實(shí)際問題的能力。

(4)創(chuàng)新能力。通過空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生編寫程序中優(yōu)化程序的能力，并通過合理的設(shè)計(jì)編寫更具有人性化的窗口界面，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

按照上述教學(xué)要求，應(yīng)通過開設(shè)一定數(shù)量的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性或研究性實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。這三類實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次可按一定比例開設(shè)。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)：學(xué)習(xí)大地測量學(xué)中坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換[5]，主要包括天文坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換，空間直角坐標(biāo)系和站心坐標(biāo)系之間的相互變換。此類實(shí)驗(yàn)為適應(yīng)測繪學(xué)科的普及性實(shí)驗(yàn)。

綜合性實(shí)驗(yàn)：完成大地坐標(biāo)系同空間直角坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)中，估計(jì)各種不同的參考橢球?qū)D(zhuǎn)換的影響；進(jìn)行高斯投影實(shí)驗(yàn)中，綜合分析各個(gè)區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)在投影后的位置變化。此類實(shí)驗(yàn)的目的是鞏固學(xué)生在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)階段的學(xué)習(xí)成果、開闊學(xué)生的眼界和思路，提高學(xué)生對測繪領(lǐng)域數(shù)據(jù)處理的綜合運(yùn)用能力。

研究性實(shí)驗(yàn)：大地測量主題正反算，要求學(xué)生完成大地測量主題正反算的程序，研究人性化的數(shù)據(jù)輸入輸出接口，研究改進(jìn)公式提高大地測量正反算的計(jì)算精度。該實(shí)驗(yàn)的目的是逐步掌握科學(xué)思想和科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的能力和運(yùn)用所學(xué)知識解決給定[6]問題的能力。

對于大地測量學(xué)實(shí)踐教學(xué)來說，現(xiàn)在更多的是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，可以將大地測量數(shù)據(jù)處理過程分為三大塊：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)評估。以地圖高斯投影為例，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊內(nèi)容有：地球參考橢球的選擇，坐標(biāo)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；數(shù)據(jù)處理過程：地圖投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算；數(shù)據(jù)評估：通過外符合精度或者內(nèi)符合精度評估數(shù)據(jù)處理質(zhì)量，給出定性和定量結(jié)論。

4 總結(jié)

大地測量學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容豐富，課程建設(shè)目標(biāo)應(yīng)當(dāng)明確，教學(xué)方法與手段要因地制宜，靈活多樣。該課程的實(shí)踐教學(xué)對學(xué)生掌握知識具有重要作用。當(dāng)前大地測量學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)和實(shí)踐還存在不少需要解決的問題，尋找該課程最佳教學(xué)方案，不僅對測繪專業(yè)的教學(xué)具有參考價(jià)值,對于工科專業(yè)的教學(xué)也有一定的指導(dǎo)作用。后續(xù)的研究將重點(diǎn)圍繞實(shí)踐教學(xué)展開，提高學(xué)生的實(shí)際動手能力和創(chuàng)新能力，為社會培養(yǎng)更多具有創(chuàng)造價(jià)值潛力的復(fù)合型人才。

[1]孔祥元,郭際明,劉宗泉.大地測量學(xué)基礎(chǔ)[M].武漢:武漢出版社,2010.

[2]孔祥元,劉宗泉,張松林,等.“大地測量學(xué)基礎(chǔ)”課程建設(shè)和教學(xué)改革[J].測繪信息與工程,2002,27(6):39-40.

[3]李健,李保利,喬書波.基于網(wǎng)絡(luò)資源的“大地測量學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)創(chuàng)新模式探索[J].測繪工程,2009(1):77-80.

[4]李孔文.七要素說:李秉德教學(xué)論的核心思想[J].當(dāng)代教育與文化,2012(5):59-63.

[5]董春來,劉彥芳,焦明連,等.“大地測量學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪通報(bào),2010(9):73-76.

[6]丁士俊,郭際明,劉宗權(quán),等.大地測量學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)與實(shí)踐改革研究[J].測繪工程,2007(1):73-75.

Discussion on the Course Construction for Geodesy Foundation

WANG Jian-qiang

(FacultyofGeomatics,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang330013,China)

Geodesy is a basic discipline in the field of survey engineering. This paper discusses three issues which are curriculum teaching goals, teaching content and teaching methods. And the analysis is focused on the modern teaching methods which are applicable to the course construction. According to teaching effectiveness feedback, some measures are proposed to improve the course teaching.

Geodesy; curriculum; teaching; practice

2013-11-30

國家自然科學(xué)基金(41304020)；江西省教育廳青年基金項(xiàng)目(GJJ12394)；東華理工大學(xué)博士科研啟動基金項(xiàng)目 (DHBK201114)。

王建強(qiáng)(1981—)，男，湖北棗陽人，博士，講師，主要從事大地測量學(xué)與測量研究工程研究。

王建強(qiáng).“大地測量學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)改革探討[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：社會科學(xué)版，2014，33(2)：182-185.

Wang Jian-qiang.Discussion on the course construction for Geodesy Foundation[J].Journal of East China Institute of Technology(Social Science)，2014，33(2)：182-185.

G642.0

A

1674-3512(2014)02-0182-04