基于科研反哺教學(xué)的“變形測量”課程教學(xué)改革與實踐

吳瑞娟 宋鵬 鄭文兵 王芳

摘 要 在“空天地”智能感知技術(shù)迅猛發(fā)展背景下，本文針對測繪工程專業(yè)“變形測量”課程教學(xué)過程中存在的問題，提出科研反哺教學(xué)模式下的課程改革。通過科研成果進(jìn)課堂、理論授課與工程實踐相結(jié)合、課程考核體系優(yōu)化來實現(xiàn)，實踐表明通過課程改革，學(xué)生在測繪技能競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目以及科研論文方面成果凸顯。

關(guān)鍵詞 科研反哺教學(xué) 變形測量 課程改革

中圖分類號：G424?????????????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.12.029

Abstract Under the circumstances of rapid space/air/ground-based intelligent sensing technologies development， some problems in the deformation monitoring course for surveying and mapping engineering major are obvious， therefore， curriculum reform based on scientific research-assisted education mode is proposed. The specific methods are as follows， adding scientific research results in the classroom， combining theoretical teaching with engineering practice， and the optimization of course assessment system. Curriculum practice results show that students have made outstanding achievements in surveying and mapping skills competitions， innovation projects and scientific papers improve obviously.

Keywords scientific research-assisted education; deformation monitoring; curriculum reform

0 前言

“變形測量”課程是測繪工程類專業(yè)的核心課程之一，“變形測量”課程主要介紹工程建筑物/構(gòu)筑物等變形體的變形監(jiān)測方案設(shè)計、監(jiān)測網(wǎng)平差、變形監(jiān)測技術(shù)、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、變形預(yù)測預(yù)報以及典型工程案例等內(nèi)容，旨在為測繪工程專業(yè)學(xué)生從事工程建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作打下基礎(chǔ)。教學(xué)與科研相互依存，相互促進(jìn)，科研反哺教學(xué)模式是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的有效手段。在“空天地”一體化智能感知技術(shù)發(fā)展和工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，本文針對“變形測量”課程教學(xué)過程中的問題，利用科研反哺教學(xué)模式開展測繪工程類專業(yè)課程教學(xué)的創(chuàng)新實踐，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 “變形測量”課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1教材內(nèi)容滯后，教學(xué)方法單一

在測繪地理信息行業(yè)新形勢下，變形測量技術(shù)發(fā)展為低空無人機等空基監(jiān)測技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar， InSAR）等天基監(jiān)測技術(shù)、以及全站儀、GNSS（Global Navigation Satellite System， 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）接收機等地基監(jiān)測技術(shù)組成的“空—天—地”一體化監(jiān)測技術(shù)。隨著無人機、衛(wèi)星等新型搭載平臺及各類新式傳感器等新技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理方式發(fā)生了深刻變革。目前出版的變形測量相關(guān)書籍較多，然而由于教材出版周期較長，導(dǎo)致教材涵蓋的新技術(shù)、新方法有限，往往滯后于科學(xué)前沿。教材內(nèi)容與技術(shù)發(fā)展的不同步，是“變形測量”教學(xué)時遇到的問題之一。

變形測量課程一般采用多媒體教學(xué)，教師講授知識，并伴有一定程度的教學(xué)互動和簡單的校內(nèi)實驗。實際上，學(xué)生走上工作崗位后應(yīng)對的不是零散的知識，而是實際的工程項目，涉及一個復(fù)雜的監(jiān)測過程。因此，以具體工程為對象，圍繞具體工程項目進(jìn)行監(jiān)測、分析、預(yù)測全過程，是學(xué)生就業(yè)面臨的實際情況。

1.2重理論知識教學(xué)，輕工程實踐操作

“變形測量”是一門理論和實踐并重的課程，目前該課程課時共48學(xué)時，其中理論部分32學(xué)時，數(shù)據(jù)處理部分16學(xué)時。由于實驗場地布設(shè)難度較大、先進(jìn)儀器設(shè)備昂貴、應(yīng)用型大學(xué)教研經(jīng)費有限等因素，導(dǎo)致該課程教學(xué)過程中僅進(jìn)行理論教學(xué)、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理兩方面教學(xué)內(nèi)容，未開展工程實踐。因此，立足應(yīng)用型大學(xué)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，提高學(xué)生的實踐操作能力，是變形測量課程需創(chuàng)新改革的內(nèi)容。

1.3課程評價單一，缺乏綜合考核

目前“變形測量”課程成績由平時成績和期末成績構(gòu)成，平時成績占比30%，期末成績占比70%，平時成績由考勤、平時作業(yè)、課堂表現(xiàn)三部分構(gòu)成，期末成績由試卷成績得出。平時成績學(xué)生之間差異不大，最終成績主要取決于期末成績，而期末成績采用試卷難以全面考核學(xué)生對課程的掌握程度，目前課程評價較為單一。單一的評價方式難以有效激勵學(xué)生平時的學(xué)習(xí)主動性，因此建立綜合課程評價體系，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、積極性的一種途徑。

2 “變形測量”科研反哺教學(xué)的必要性

通過分析“變形測量”課程教學(xué)現(xiàn)狀得出，課程教學(xué)內(nèi)容存在滯后性，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱，以及教學(xué)評價機制較為單一。目前針對該課程教學(xué)過程中存在的問題，李培現(xiàn)等[1]在變形監(jiān)測技術(shù)課程中重點開設(shè)案例式教學(xué);張為成等[2]重點以學(xué)生為內(nèi)部反饋，以企事業(yè)單位為外部反饋持續(xù)改進(jìn)課程教學(xué)方案。為了順應(yīng)變形監(jiān)測技術(shù)的蓬勃發(fā)展，戴吾蛟等[3]建立了基本方法—新技術(shù)—模擬工程項目實例課程體系。

目前科研反哺教學(xué)在過程裝備與控制工程專業(yè)、[4]制藥工程專業(yè)、[5]生物工程專業(yè)、[6]生物分離工程專業(yè)等[7]已開展了相關(guān)課程體系的教學(xué)改革探索與實踐，提高了本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、[8]開闊了學(xué)生視野、啟迪了科學(xué)思維等人才培養(yǎng)目標(biāo)。為落實《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》（教高〔2018〕2號）文件精神，圍繞全面提高人才培養(yǎng)能力這個核心點，推進(jìn)高水平人才培養(yǎng)體系建設(shè)，努力推動教學(xué)和科研良性互動、協(xié)調(diào)發(fā)展、共同提高，我校結(jié)合本科教學(xué)工作審核評估要求，擬定了科研促進(jìn)應(yīng)用型課程體系建設(shè)、鼓勵科研成果與教學(xué)實踐有機結(jié)合、鼓勵教師吸收學(xué)生參與其科研活動等十條科研反哺教學(xué)實施意見。

隨著智慧測繪技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)了一批新型的監(jiān)測設(shè)備與技術(shù)，利用新型技術(shù)已獲得了大量的科研成果和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。將科研成果及時地融合教學(xué)過程中，利用科研反哺教學(xué)，是緩解課程教學(xué)現(xiàn)狀問題的有效途徑。因此，結(jié)合測繪工程類教學(xué)特點，“變形測量”課程非常有必要進(jìn)行課程教學(xué)改革和教育教學(xué)實踐。

3 科研反哺教學(xué)的實踐

針對“變形測量”課程教學(xué)現(xiàn)狀問題，開展科研反哺教學(xué)模式下的課程改革創(chuàng)新實踐，實踐方案如圖1所示，具體舉措如下：

3.1 科研成果進(jìn)課堂，教學(xué)手段多樣化

針對教材內(nèi)容滯后，教學(xué)方法單一的問題，首先，確定一本內(nèi)容比較基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)相對全面的教材，使學(xué)生建立變形測量的基本知識結(jié)構(gòu)。目前出版教材中有針對某一變形體的變形監(jiān)測，如《滑坡變形雷達(dá)遙感監(jiān)測方法與實踐》，[9]有針對一種技術(shù)或綜合幾種技術(shù)開展變形監(jiān)測的教材，如《GNSS邊坡監(jiān)測與變形分析》[10]《星載/地基雷達(dá)干涉變形監(jiān)測方法與應(yīng)用》，[11]也有理論技術(shù)和工程案例兼顧的教材，如《變形監(jiān)測理論與應(yīng)用》[12 ]《變形監(jiān)測技術(shù)與工程應(yīng)用》。[13]因此選擇教材時，應(yīng)該選擇理論技術(shù)和工程案例兼顧的教材作為授課主要使用教材。其次，結(jié)合上述其他教材和測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)科主流的中英文期刊等資料，提供閱讀書目供學(xué)生自學(xué)。最后，立足四川區(qū)域特點，將教研室教師在山地滑坡災(zāi)害監(jiān)測、大壩等水利工程形變監(jiān)測等研究成果融入教學(xué)中，充實工程案例教學(xué)部分，激發(fā)學(xué)生服務(wù)四川社會經(jīng)濟發(fā)展的責(zé)任感。

以系統(tǒng)化、整體化的觀點對待課程內(nèi)容，改變教材的呈現(xiàn)方式。工程案例教學(xué)中，在多源監(jiān)測手段融合理念下，以監(jiān)測體為對象開展項目式教學(xué)。如在講授地面沉降監(jiān)測、水電站工程形變監(jiān)測案例時，將InSAR技術(shù)、GNSS監(jiān)測等新老技術(shù)的方法和思路進(jìn)行比較和分析，得出幾種監(jiān)測數(shù)據(jù)成果的共性和差異，使學(xué)生更好地理解基礎(chǔ)知識，并對新技術(shù)的改進(jìn)和應(yīng)用過程有更深入的理解和認(rèn)識，幫助學(xué)生建立完整的知識體系結(jié)構(gòu)。

該課程教學(xué)過程中，綜合利用多種教學(xué)手段，將講授法、演示法與小組討論法相結(jié)合。該課程教學(xué)改革實踐中，由理論講授、數(shù)據(jù)處理演示和工程實踐三階段構(gòu)成，課程分配為理論講授24學(xué)時，工程實踐12學(xué)時，數(shù)據(jù)處理演示12學(xué)時，共48學(xué)時。（1）在理論講授階段，綜合考慮數(shù)據(jù)處理演示階段和工程實踐階段需要利用的理論知識，將這些理論知識作為課程講授重點，講解過程中，將一些抽象復(fù)雜的概念運用動畫、視頻等手段動態(tài)展示，便于學(xué)生理解領(lǐng)悟。（2）在工程實踐階段，以小組為單位，8人一組，共4組，以四處校內(nèi)閑置的校舍為監(jiān)測對象，利用GNSS監(jiān)測設(shè)備布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)，設(shè)計監(jiān)測方案，進(jìn)行建筑物變形監(jiān)測工程實踐。（3）在數(shù)據(jù)處理演示階段，分三個數(shù)據(jù)處理實踐，其一是校舍建筑物的變形監(jiān)測，學(xué)生將建筑物監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)利用Matlab軟件進(jìn)行處理，分析監(jiān)測結(jié)果，繪制監(jiān)測點的形變圖，書寫成果報告。其二是利用筆者前期積累的水電站工程的安全穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展監(jiān)測數(shù)據(jù)的讀取、去噪、擬合、預(yù)測等監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法，對比分析不同的去噪、擬合和預(yù)測方法的異同點，書寫監(jiān)測數(shù)據(jù)分析報告。其三是基于筆者前期積累的四川茂縣雷達(dá)影像，開展利用InSAR技術(shù)的滑坡識別實驗，按照理論講授課的InSAR技術(shù)基本流程，向?qū)W生進(jìn)行演示操作，之后學(xué)生進(jìn)行自主操作，完成實驗報告。

3.2 開放科研平臺與儀器，注重理論實踐相結(jié)合

針對教學(xué)重理論知識，輕工程實踐的問題，筆者設(shè)計“變形測量”課程從理論授課、工程實踐、數(shù)據(jù)處理演示三階段依次開展，三階段的開展相互聯(lián)系，環(huán)環(huán)相扣。理論和實踐課的比重為1：1，理論和實踐并重，實踐內(nèi)容分為野外監(jiān)測和室內(nèi)解算兩類。理論和實踐內(nèi)容的側(cè)重點，立足了地方院校的辦學(xué)理念，以及筆者所在教研室教師的成果積累，能夠保障理論和實踐階段的順利開展。另外，筆者與地方企事業(yè)單位開展了校地合作項目，可在課后時間帶領(lǐng)學(xué)生觀摩工程現(xiàn)場監(jiān)測情況，在安全保障條件下，開展適量的項目工程監(jiān)測實踐。

近幾年，筆者所在的學(xué)院相繼建立地理信息測繪博士工作站等科研平臺八個，購置了北斗教學(xué)實驗箱、無人機、GNSS監(jiān)測設(shè)備，以及高性能數(shù)據(jù)處理服務(wù)器數(shù)臺。這些儀器設(shè)備除用于教師科學(xué)研究之外，也向?qū)W生開放。在課程教學(xué)過程中，在本科生中遴選時間較為充裕的學(xué)生進(jìn)入科研平臺，結(jié)合科研課題開展科研訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，學(xué)生可以結(jié)合科研訓(xùn)練內(nèi)容積極謀劃創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題、學(xué)科競賽課題等;同時，學(xué)生有前期科研訓(xùn)練基礎(chǔ)，能為畢業(yè)論文的開展提供有力保障。

3.3 建立評價指標(biāo)體系，課程考核評價優(yōu)化

針對課程評價單一，缺乏綜合考核的問題，筆者近幾年逐步改進(jìn)課程考核機制。期末考核增加了開放性試題的比重，由之前的40%提高至60%。平時成績不再由考勤情況、平時表現(xiàn)等無差異化指標(biāo)體現(xiàn)，而是由專題討論、個人匯報、研究報告三部分構(gòu)成。專題討論是在理論授課階段，學(xué)生對山地滑坡災(zāi)害監(jiān)測、水電站形變監(jiān)測、運營地鐵的安全性監(jiān)測等不同的專題開展深入討論，集思廣益，課堂氛圍活躍。個人匯報是以小組為單位，與工程實踐階段分組保持一致，讓學(xué)生將工程實踐和數(shù)據(jù)處理成果進(jìn)行分享交流。研究報告是工程實踐和數(shù)據(jù)處理兩個階段形成的成果報告。

4 科研反哺教學(xué)成效

隨著我院測繪工程專業(yè)科研反哺教學(xué)模式的教學(xué)改革，本科生的測繪實踐能力和創(chuàng)新能力獲得提升，近3年，我院測繪工程專業(yè)大三本科生在四川省大學(xué)生測繪技能競賽專業(yè)組上獲得一等獎1項，二等獎5項，三等獎6項，獎項的數(shù)量和級別有了顯著提升。另外，本科生積極參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，近3年測繪工程專業(yè)本科生獲批大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目19項，在科研項目資助下，發(fā)表科研論文29篇。另外，近3年測繪工程專業(yè)學(xué)生畢業(yè)人數(shù)78人，其中考取研究生15人，考研率19.23%，就業(yè)率100%。上述本科生人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升可以看出，科研反哺教學(xué)模式成效顯現(xiàn)。

5 結(jié)論

本文針對“變形測量”課程教材內(nèi)容滯后，教學(xué)方法單一;重理論知識教學(xué)，輕工程實踐操作;課程評價單一，缺乏綜合考核等問題，利用科研反哺教學(xué)模式開展課程改革并提出了具體的改革措施，體現(xiàn)在科研成果進(jìn)課堂，教學(xué)手段多樣化;開放科研平臺與儀器，注重理論實踐相結(jié)合;建立評價指標(biāo)體系，課程考核評價優(yōu)化。通過科研反哺教學(xué)的“變形測量”課程改革與實踐，近3年我院測繪工程專業(yè)本科生在測繪技能競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目、科研論文發(fā)表上明顯提升，良好的教學(xué)成效初步顯現(xiàn)。

基金項目：內(nèi)江師范學(xué)院校級教育教學(xué)研究項目（JG202010）

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