測量學(xué)基礎(chǔ)課程的體驗式教學(xué)研究與探索

王阿昊 袁德寶 閻躍觀 唐偉 楊飛

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院 北京 100083

測量學(xué)基礎(chǔ)是測繪工程專業(yè)必修的一門核心課程，也是土木、地質(zhì)、采礦、資源環(huán)境等眾多理工類本科生需要學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程旨在讓學(xué)生認識到測繪科學(xué)與技術(shù)在國民經(jīng)濟發(fā)展、軍事與國防建設(shè)以及地球科學(xué)研究中的重要地位，學(xué)習(xí)以3S(GPS、RS和GIS)技術(shù)為代表的現(xiàn)代測繪新技術(shù)的基本概念與理論，掌握先進測繪儀器的原理以及使用方法，具備傳統(tǒng)大比例尺測繪與數(shù)字化測圖的作業(yè)能力，能夠?qū)Χ嘣礈y量數(shù)據(jù)進行科學(xué)處理和精度評定[1]。

隨著計算機科學(xué)、空間物理學(xué)、電子學(xué)、信息學(xué)的快速發(fā)展，新興測繪儀器層出不窮，測繪科學(xué)與技術(shù)得到巨大進步。測量學(xué)基礎(chǔ)課程具有極強的專業(yè)性與理論性，知識更新速度快，工程實踐要求高，再加上當(dāng)前移動互聯(lián)網(wǎng)時代社交媒體與產(chǎn)品對大學(xué)生思想的沖擊和影響，傳統(tǒng)的“灌輸型”教學(xué)模式已很難滿足學(xué)生對測量學(xué)基礎(chǔ)課程的興趣，為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和參與度，備受關(guān)注的“體驗式教學(xué)”模式提供了一種很好的解決方案[2]。體驗式教學(xué)以團隊為形式，學(xué)生為中心，通過體驗的手段將教學(xué)重心從傳授知識轉(zhuǎn)變?yōu)殚_啟智慧，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性與自主學(xué)習(xí)熱情[3]，可有效提高學(xué)生對測量學(xué)基礎(chǔ)課程的興趣，加強專業(yè)基礎(chǔ)知識的掌握，提升學(xué)生在測量工程中的實踐能力。

在強調(diào)“繼承與創(chuàng)新、交叉與融合”的新工科背景下，高校理工類應(yīng)用性課程的教學(xué)面臨嚴峻挑戰(zhàn)[4]。本文首先對測量學(xué)基礎(chǔ)的課程內(nèi)容、教學(xué)任務(wù)和培養(yǎng)目標(biāo)進行梳理，再借鑒其他教育工作者在授課方式和考核形式等方面對測量學(xué)基礎(chǔ)課程的改革經(jīng)驗，以此為基礎(chǔ)探索和研究“體驗式教學(xué)”在測量學(xué)基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用。將自主學(xué)習(xí)的機制引入課堂，讓學(xué)生始終處于主動參與、積極思考的聽課狀態(tài)，增強學(xué)生對測量學(xué)基礎(chǔ)專業(yè)知識的掌握和工程實踐能力的培養(yǎng)。

1 測量學(xué)基礎(chǔ)課程特點

測量學(xué)基礎(chǔ)的教材共分為11章，其中前9章為核心教學(xué)內(nèi)容，全面細致地闡述了大地測量學(xué)中涉及的常規(guī)概念、基本原理和重難點技術(shù)與方法。教材第1章為緒論，對測量學(xué)這一基本概念和研究內(nèi)容進行簡要介紹，按學(xué)科分類將測量學(xué)劃分為6個分支學(xué)科，同時詳細介紹了測量學(xué)的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。第2章為測量的基本知識，介紹了測量工作的基本內(nèi)容和原則，引入測繪地形圖及施工測量等概念，詳細講解了測量中使用的多種坐標(biāo)系及高斯投影相關(guān)知識。第3章為角度測量，需要學(xué)生理解水平角和豎直角的測角原理，掌握經(jīng)緯儀的操作要領(lǐng)，學(xué)會使用測回法測量水平角、豎直角，并具備計算豎盤指標(biāo)差的能力。第4章為高程測量，重點講解水準測量的原理和高程傳遞要領(lǐng)，需要學(xué)生掌握水準儀的操作要點，能夠完成水準測量中觀測、檢核、記錄和計算工作，同時了解引起水準測量誤差的多種因素和消除方法。第5章為距離測量與直線定向，介紹了鋼尺量距的一般方法和精密方法，需要學(xué)生利用視距測量的方法進行水平距離和高差的測定，學(xué)會使用全站儀，并理清方位角之間的關(guān)系和推算方法。第6章為測量誤差分析與精度評定，針對測量工作中遇到的系統(tǒng)誤差、偶然誤差進行詳細講解，重點掌握誤差傳播定律，學(xué)生具備計算觀測值函數(shù)中誤差的能力。第7章為小區(qū)域控制測量，需要了解控制測量的分類、建網(wǎng)原則、布網(wǎng)方式、精度等級及其適用范圍，學(xué)會導(dǎo)線的種類、精度和布設(shè)形式，掌握導(dǎo)線的外業(yè)測量方法與內(nèi)業(yè)計算。第8章為地形圖及其成圖方法，對地形圖基本知識和分類進行重點介紹，學(xué)生要掌握等高線特性及其描繪方法，可利用CASS軟件完成數(shù)字化測圖工作。第9章為地理空間信息分析與應(yīng)用，重點講解了目視分析、量算分析、圖解分析、數(shù)理統(tǒng)計分析和數(shù)學(xué)模型分析，學(xué)生要掌握平整場地土方量的量算方法，學(xué)會確定匯水面積，可根據(jù)等高線計算體積等。

從測量學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)任務(wù)和培養(yǎng)目標(biāo)可以看出，該課程具有以下特點：(1)測量數(shù)據(jù)的獲取、處理與應(yīng)用涉及高等數(shù)學(xué)、矩陣論、空間物理、地球科學(xué)、計算機編程以及地圖學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)知識，具備很強的專業(yè)性與理論性，學(xué)生必須具有良好的知識儲備才能理解多種測量技術(shù)的原理與方法；(2)作為典型的技術(shù)類應(yīng)用型課程，需要在課堂之外配套充足的實驗課程，使學(xué)生熟練掌握常規(guī)測量儀器的使用，提高工程項目的實踐能力，能在多種場景下完成小地區(qū)控制測量的設(shè)計、大比例尺地形圖的測繪以及基于計算機的數(shù)字化成圖工作；(3)測量學(xué)基礎(chǔ)交叉融合了多種新興學(xué)科，隨著新技術(shù)、新儀器的不斷涌現(xiàn)，該課程的知識更新速度較快，為了適應(yīng)更多更廣泛的工程化應(yīng)用，需要在課程教學(xué)中不斷補充和完善新的測量技術(shù)，使學(xué)生及時了解和掌握測量學(xué)發(fā)展的最新動態(tài)。

2 測量學(xué)基礎(chǔ)的“體驗式教學(xué)”模式

最早的體驗學(xué)習(xí)理論由美國組織行為專家大衛(wèi)·庫伯教授于20世紀80年代提出，其認為體驗學(xué)習(xí)應(yīng)以體驗為基礎(chǔ)，是一種持續(xù)的、適應(yīng)世界的完整過程，不以學(xué)習(xí)結(jié)果為導(dǎo)向，注重個體與環(huán)境的不斷交互作用，是一種可以創(chuàng)造知識、獲取智慧的學(xué)習(xí)過程[5]。與以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，體驗式教學(xué)以學(xué)生為中心，以自主學(xué)習(xí)為機制，通過設(shè)計與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的多元化情景，引起學(xué)生的求知欲，啟發(fā)學(xué)生的思路，引導(dǎo)學(xué)生在實踐過程中構(gòu)建感知、理解知識、產(chǎn)生情感和發(fā)展能力。值得注意的是，體驗式教學(xué)中學(xué)習(xí)主體是學(xué)生，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)和成長的幫助者，師生之間理應(yīng)保持一種平等的關(guān)系。教師要充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生在課堂上由被動接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿?，從課內(nèi)到課外，將教學(xué)內(nèi)容豐富化、多元化，同時注重學(xué)生個性化與差異化的教育，這樣才能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度和興趣，將自己的感受、體驗的情感、掌握的知識轉(zhuǎn)化為智慧，達到豐富學(xué)生精神世界和培養(yǎng)多樣化能力的目的[3]。

本文基于上述體驗學(xué)習(xí)理論，研究和探索了測量學(xué)基礎(chǔ)課程的“體驗式教學(xué)”模式，主要模塊包括：測量學(xué)應(yīng)用熱點講座、多媒體互動教學(xué)軟件、虛實一體化數(shù)字測圖教學(xué)系統(tǒng)、教學(xué)科研相結(jié)合等。

2.1 測量學(xué)應(yīng)用熱點講座

在課堂上引入有關(guān)測量學(xué)應(yīng)用的熱點新聞、重點時事，不僅能讓抽象的測量學(xué)走進生活，還能激發(fā)學(xué)生的求知欲。比如2020年7月北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面建成，可將央視制作的三集紀錄片《北斗》以講座的形式引入教學(xué)環(huán)節(jié)，不但能豐富課堂形式、增強學(xué)習(xí)過程的趣味性，還能讓學(xué)生更加直觀地感受到北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程及其在國家發(fā)展戰(zhàn)略中的重要作用與意義。2020年，我國實施了最新一次的珠穆朗瑪峰高程測量，可圍繞紀錄片《登珠峰的人》開展講座，讓學(xué)生對測量學(xué)基礎(chǔ)中的核心課程(高程測量)具有更深刻的理解和進一步的認識，達到充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的目的。為了在課堂教學(xué)中融入一部分課程思政的元素，可將《大地雄心——國測一大隊紀事》這部講述測繪隊員真實故事的專題紀錄片引入課堂教學(xué)，通過震撼人心的畫面、艱難曲折的故事，讓學(xué)生了解到測量學(xué)在捍衛(wèi)祖國領(lǐng)土主權(quán)和領(lǐng)土完整方面所做的巨大貢獻。作為我國第一部測繪地理信息題材的大型紀錄片，《地圖傳奇》由國家測繪地理信息局與中央電視臺合作拍攝，主要圍繞中國五千年文明史演進過程中出現(xiàn)的重要地圖展開，可以讓學(xué)生了解到我國古代至今測繪歷史和重大測繪科技的發(fā)展，同時提高學(xué)生在第七章“地形圖及其成圖方法”中的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 多媒體互動教學(xué)軟件

測量學(xué)基礎(chǔ)課程涉及諸多高等數(shù)學(xué)、矩陣論的數(shù)學(xué)模型及數(shù)據(jù)處理方法，枯燥的數(shù)學(xué)公式讓學(xué)生對課程缺乏興趣，復(fù)雜煩瑣的推導(dǎo)過程很難讓學(xué)生集中注意力。為了解決這一問題，本文提出利用多媒體手段開發(fā)相關(guān)數(shù)學(xué)模型的軟件和程序，讓學(xué)生在交互式的軟件操作中加深對知識點的理解[6]，激發(fā)學(xué)生對程序背后公式算法和原理的求知欲，減輕學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的畏難情緒。比如，在手機端開發(fā)界面友好的小程序，實現(xiàn)空間直角坐標(biāo)系與大地地理坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換、高斯投影的快速換算、距離交會和角度交會等運算量較大的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，也可以基于Excel編寫水準測量、導(dǎo)線測量等常規(guī)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理程序。這些多媒體互動教學(xué)軟件的使用，不僅讓學(xué)生在實踐中加深了對理論知識的理解，更能讓學(xué)生明白計算機編程能力在測量學(xué)工程化應(yīng)用中的重要性。

2.3 虛實一體化數(shù)字測圖教學(xué)系統(tǒng)

測量學(xué)基礎(chǔ)課程十分注重理論知識與實踐能力的結(jié)合，“數(shù)字測圖”作為課程的核心教學(xué)內(nèi)容，不僅在實際生產(chǎn)生活中具有覆蓋面廣、服務(wù)專業(yè)多的特點，還能有效培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決實際復(fù)雜工程問題的能力[7]。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)測繪系獲批一項教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目，建立了虛實一體化數(shù)字測圖實踐基地，配備多種新興測量儀器和設(shè)備，在計算機端搭建的數(shù)字化平臺能以視頻的方式對常規(guī)測量儀器進行介紹，并對各種儀器的使用方法和操作步驟進行展示與教學(xué)，充分滿足了學(xué)生在線上完成多場景、多元化數(shù)字測圖任務(wù)的需求，有效提高了學(xué)生線上學(xué)習(xí)的教學(xué)質(zhì)量。在虛實一體化數(shù)字測圖教學(xué)系統(tǒng)的幫助下，現(xiàn)已形成課堂教學(xué)+實踐教學(xué)+創(chuàng)新教學(xué)三位一體的智能化數(shù)字測圖課程體系，積極融入的現(xiàn)代化測繪新技術(shù)全方位深化了學(xué)生對地形空間數(shù)據(jù)采集、輸入、成圖、繪圖、輸出和管理的整套測繪系統(tǒng)的理解，極大程度提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情及其實踐創(chuàng)新能力。

2.4 教學(xué)與科研相結(jié)合

目前，測量學(xué)基礎(chǔ)課程的教材內(nèi)容普遍具有滯后性，很多理論、算法、模型都配套了成熟完善的解算流程和結(jié)論，枯燥、復(fù)雜的公式很難激發(fā)學(xué)生的探索熱情與創(chuàng)新意識。為此，教師可將自己從事的科研項目與教學(xué)工作相結(jié)合，將科研問題中涉及的測量學(xué)知識要點、技術(shù)瓶頸、研究方法、前沿結(jié)論等引入課堂，建立科研創(chuàng)新與基礎(chǔ)理論之間的聯(lián)系[8]。比如測量學(xué)基礎(chǔ)中與衛(wèi)星導(dǎo)航密切相關(guān)的GPS差分定位技術(shù)，其在礦區(qū)開采沉陷、橋梁變形監(jiān)測等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，教師可將承擔(dān)過的相關(guān)工程項目作為經(jīng)典案例，以現(xiàn)場圖片、實驗設(shè)計、結(jié)果分析的形式向?qū)W生進行講解與展示，讓學(xué)生更加直觀地感受到測量學(xué)基礎(chǔ)課程與當(dāng)前科學(xué)研究、工程實踐之間的密切關(guān)系，以發(fā)現(xiàn)問題、思考問題的學(xué)習(xí)模式主動參與到課堂學(xué)習(xí)中，從而激發(fā)出學(xué)生的探索欲和求知欲。教師也可在課前讓學(xué)生搜集一些國家大型測繪工程案例的實施資料，也可通過電子圖書館搜索相關(guān)重點技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，以便學(xué)生在課堂上開展相關(guān)討論或辯論，讓科研走進課堂，同時培養(yǎng)學(xué)生檢索文獻、閱讀文獻和自主學(xué)習(xí)的能力。

結(jié)語

本文闡述了測量學(xué)基礎(chǔ)課程的主要特點及其在新工科背景下教學(xué)工作面臨的諸多挑戰(zhàn)，研究和探索了“體驗式教學(xué)”模式在測量學(xué)基礎(chǔ)課程的應(yīng)用，提出了測量學(xué)應(yīng)用熱點講座、多媒體互動教學(xué)軟件、虛實一體化數(shù)字測圖教學(xué)系統(tǒng)、教學(xué)與科研相結(jié)合四大模塊進行體驗式教學(xué)，以期提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和探索欲，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、自主學(xué)習(xí)的能力，同時夯實學(xué)生的基礎(chǔ)專業(yè)知識與工程實踐能力。