基于OBE的物理大地測量學課程改革探索

白永良 范士杰 趙健 王心眾

摘? 要：測繪工程等專業(yè)的物理大地測量學課程存在內容多課時少、課程內容與先進技術脫節(jié)、以教師為主的填鴨式教學等問題，導致教學效果一般。為了解決這些問題，基于OBE理念創(chuàng)新了課程教學過程，并采用問題驅動教學方法系統(tǒng)性地設計了包含學習成果、引入問題、教學內容、教學方式、效果評價等要素的課程結構。為測繪工程等工科專業(yè)接受工程教育認證和“新工科”建設奠定了良好基礎，更重要的是提高了學生培養(yǎng)質量。

關鍵詞：OBE理念;問題驅動;物理大地測量學;課程改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）09-0071-03

Abstract： The physical geodesy course of surveying and mapping engineering has many problems such as less content， less content of course content and advanced technology， and teacher-based cramming teaching， which leads to general teaching effects. In order to solve these problems， the course teaching process was innovated based on the OBE concept， and the course structure including learning results， introduction problems， teaching contents， teaching methods， effect evaluation and other elements was systematically designed using problem-driven teaching methods. It has laid a good foundation for the engineering majors such as surveying and mapping engineering to receive engineering education certification and the construction of "new engineering"， and more importantly， to improve the quality of student training.

Keywords： OBE concept; task-driven teaching method; physical geodesy; course reform

為了接受工程教育認證，很多工學專業(yè)都按照OBE（Outcome based education）理念對本科培養(yǎng)方案進行了修訂。OBE是以成果為導向的教學模式，由美國學者Spady William G.于1994年正式提出[1]。OBE理念強調以學生學習成果為起點反向設計人才培養(yǎng)方案和培養(yǎng)過程[2]，強調如下4個問題[3]：學生學什么？為什么學？如何學？學得怎么樣？學習產出導向（OBE）是工程教育專業(yè)認證和“新工科”建設的核心理念，要求將面向工科學生的教學理念從“內容為本”轉變?yōu)椤皩W生為本”[4]，以學生的“學習成果”為導向，最終達成的核心目標是培養(yǎng)掌握知識和具備能力的新工科學生。與傳統(tǒng)填鴨式教學理念相比，OBE理念關注學生能夠做什么，而不是簡單的學生知道什么，可以有效提升教學效果。

課程是培養(yǎng)方案的重要支撐，為了將OBE理念真正落到實處、提高人才培養(yǎng)質量，除修訂培養(yǎng)方案之外，還需要按照OBE理念對每一門課程實施教學活動。本文以測繪工程專業(yè)的核心課程物理大地測量學為研究對象，按照OBE理念并引入問題驅動教學法，從學習成果、引入問題、學習內容、教學方式、效果評價等方面對該課程進行了系統(tǒng)性改革。

一、物理大地測量學課程教學存在的問題

物理大地測量學又稱地球重力學，是測繪工程專業(yè)的一門重要學科基礎課。課程目標是利用地球物理和大地測量的手段，研究和測定地球形狀、重力場及各自隨時間的變化，進而解決相關的理論與工程問題。開設測繪工程專業(yè)的大部分高校都開設了物理大地測量學課程，物理大地測量學也是地球物理學、資源勘查工程等專業(yè)本科生的必修或選修課程[5]。該課程具有邏輯性強、公式推導內容多、知識點之間關聯程度高等特點。雖然各個學校的具體情況不同，但是從整體上看，學生很難通過課程學習做到學以致用，具體原因表現在以下三方面。

（一）內容多學時少

物理大地測量學作為由大地測量學、地球物理學、地質學和天文學交叉派生出來的邊緣學科[6]，學科范圍廣、涉及內容多，但往往僅有30-40教學課時。在有限的學時條件下，很難全面講解課程涉及的所有內容，容易導致學生對知識點掌握不牢固、對課程邏輯體系認識不清晰，最終導致學生難以利用所學知識解決理論和實際問題等后果，教學效果不理想。

（二）與先進技術脫節(jié)

經過幾百年的發(fā)展，物理大地測量學具備完善的理論體系，尤其是在引力位和確定大地水準面方面，理論體系較為成熟[5]。為了保證學生能夠準確掌握課程的核心內容，教學過程往往偏重于對經典理論的講解、核心公式的推導;同時，受到課時限制，學科最新理論與技術成果往往被忽略。導致教學內容與先進科研成果的脫節(jié)，學生很難將所學知識與學科最新發(fā)展成果關聯起來，無法達到學以致用的目的。

（三）以教師為主的填鴨式教學

鑒于課程核心內容以邏輯推理、公式推導為主，前后知識點之間的關聯程度高，同時受到傳統(tǒng)教學理念和教學方法限制，課堂授課仍以內容為本、教師為主。雖然講授內容飽滿，但學生參與程度不夠、學習積極性較差。學生僅能夠掌握具體的定義、定理、特征等，而對所學知識的目的、用途不甚了解，缺少學習動力，最終結果是學生很難利用所學知識解決實際問題。

二、基于OBE理念的物理大地測量學教學過程設計

根據學科內容，物理大地測量學主要的教學內容可以劃分為緒論、重力及其測量、位理論基礎、大地水準面確定方法及實際應用五個章節(jié)[5]。課程的整體思路為，首先從宏觀上把握課程的內涵與外延（第一章，緒論）;理解重力概念和重力測量原理，掌握不同的重力測量手段，并了解重力場在地學中的應用價值（第二章，重力測量）;為了便于表達和計算重力這一矢量參數，引入與重力關聯的標量參數重力位，重點講解重力位主要分量引力位的特征及解算方法、表達方式等（第三章，位理論基礎）;基于引力位給出大地測量學中關鍵參數的解算方法（第四章，確定大地水準面）;最后利用物理大地測量學解決相關的理論問題和實際問題（第五章，實際應用）。

實施OBE理念的關鍵性步驟包括，確定學習成果、構建課程體系、確定教學策略、自我參照評價、逐級達到頂峰。依據物理大地測量學課程特點、遵循OBE理念實施的關鍵步驟，從以下五個方面分析本文設計的物理大地測量學教學過程（圖1）。

1. 確定學習成果。物理大地測量學課程的學習成果為掌握物理及大地測量的基本概念和方法并具有將其運用到測繪工程領域的能力，具備結合文獻研究分析測繪工程中的復雜問題并獲得有效結論的能力。

2. 構建課程體系?？紤]到課時有限，將課程內容分為兩部分：（1）課程最為核心的、具有嚴密數理推導的基礎理論;（2）涉及范圍寬泛且具有典型意義的學科前沿與工程應用。保證學生掌握核心理論的同時，也能夠適度了解當前的學科前沿。

3. 根據學習內容的特點，設計不同的教學方法。以清晰明了的主線講解學科最為核心的理論體系，以發(fā)散、互動的方式學習學科前沿與工程應用案例。具體地，緒論部分以教師講授為主，引導學生思考學科內涵與外延及潛在的應用領域;重力測量一章與先進的衛(wèi)星測高、衛(wèi)星重力等觀測技術密切相關，鼓勵學生積極查閱資料、討論與分享自己的認識與觀點，教師進行點評;第三章和第四章的難點和重點都是基礎理論，教學手段以教師講解為主，板書配合多媒體講解核心概念的物理含義、前后知識點之間的關聯關系、重要性質與定理的推導等;最后的實際應用一章，回歸到以學生為主的啟發(fā)式、討論式的學習模式。

4. 針對不同的教學內容與教學方式，采用不同的效果評價方法。學習基礎理論時以課堂提問、課內測驗為主，以課后作業(yè)、學生討論為輔;學習學科前沿與工程應用時，以大作業(yè)、學生討論為主，以課內測驗為輔。動態(tài)、全方位掌握教學效果，為教學改進奠定基礎。

5. 逐級達到頂峰：根據教學效果評價，做好教學反思與改進，針對存在的問題進行適度迭代，彌補缺陷、提升教學效果、防止學生掉隊，最終實現課程的教學目標。

三、基于“問題驅動”的教學方法設計

問題驅動教學法即基于問題的教學方法（Problem-Based Learning，PBL），是以學生為主體、以各種專業(yè)問題為學習起點、讓學生圍繞問題尋求解決方案的一種教學方法[7，8]。問題驅動教學法能夠有效提高學生學習的主動性，提高學生在教學過程中的參與程度，激發(fā)學生的求知欲，活躍其思維，培養(yǎng)學生發(fā)現問題、尤其是解決問題的能力。該教學方法可以從教學手段的角度有力支撐OBE教學理念，提高教學效果。

在圖1所示基于OBE理念的物理大地測量學教學過程基礎上，為了有效實施問題驅動的教學方法，設計了物理大地測量學詳細的課程結構（表1）。從整個課程的角度，采用總分總（WPW， Whole-Part-Whole）的問題設計模式[9]。緒論一章重點解決的是物理大地測量學能夠解決什么問題？如何解決問題？為了回答該問題，需要學習學科的目標、發(fā)展歷程、內涵與外延等。通過緒論明確重力在大地測量、固體地球科學、天文學中的作用，隨后學習第二章重力測量時，需要學生思考如何測得重力場？如何監(jiān)測重力場變化？因此，需要學習重力的嚴密定義、測量原理及具體的測量手段。矢量參數重力的相關計算相對復雜，因此需要尋找合適的標量（重力位或引力位）來表征重力或引力，問題是該標量場具有何種性質？如何利用該性質進行解算？用什么函數表達該標量場？為了解決上述問題，需要學習引力位的概念、引力位的性質、邊值問題及球函數等。第四章回歸到利用重力場求解大地水準面的問題上，需要明確重力和重力位同大地水準面高、垂線偏差之間的關系，進而利用歸算后的重力、重力位求解大地水準面形狀。最后的第五章實際應用，根據學生興趣及新聞時事設計或者引入工程問題，引導學生設計一套基于物理大地測量學及相關學科的解決方案，進而達到利用所學理論知識，解決大地測量、地球科學、國防建設中實際問題的目的。

四、結束語

針對物理大地測量學存在的內容多課時少、課程內容與先進技術脫節(jié)、以教師為主的填鴨式教學等問題，采用OBE教學理念和問題驅動的教學方法，設計了一套切實可行的課程結構。該課程結構明確回答了學生從物理大地測量學課程中學什么、為什么學、如何學、學得怎么樣這4個問題，同時提高了學生學習的積極性，為接受工程教育認證和“新工科”建設奠定了良好基礎，更重要的是提高了學生培養(yǎng)質量。

參考文獻：

[1]Spady，W.G.. Outcome-Based Education： Critical Issues and Answers[M].Arlington： American Association of School Administrators，1994：1-10.

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[5]羅志才，李建成，操華勝，等.物理大地測量學的設置與教學法研究[J].測繪信息與工程，2008（03）：47-49.

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[9]范士杰，彭秀英，趙健.基于WPW學習模式的測繪工程專業(yè)課程體系改革[J].高教論壇，2018（09）：34-37+45.