專業(yè)認證背景下“攝影測量”教學改革研究

汪桂生,王世航,郭偉玲

(1.安徽理工大學 空間信息與測繪工程學院，安徽 淮南 232001；2.礦山采動災害空天地協(xié)同監(jiān)測與預警安徽省教育廳重點實驗室，安徽 淮南 232001；3.礦區(qū)環(huán)境與災害協(xié)同監(jiān)測煤炭行業(yè)工程研究中心，安徽 淮南 232001)

“攝影測量與遙感”是一門對非接觸傳感器系統(tǒng)獲得的影像及數(shù)字表達進行記錄、量測和解譯，從而獲得自然物體和環(huán)境的可靠信息的工藝、科學和技術[1]。其中，“攝影測量”中心議題在于利用影像提取地表空間信息，在測繪領域的主要任務在于測繪地形圖、生產(chǎn)基礎地理信息產(chǎn)品并為地理信息系統(tǒng)提供基礎信息。鑒于攝影測量具有便捷性、高效性和高信息容納性，以及無人機航空攝影測量的大規(guī)模應用，采用帶有定位定向系統(tǒng)(POS)的數(shù)字航空攝影機，基于攝影測量方法制作大比例尺數(shù)字地形圖并實現(xiàn)基礎地理數(shù)據(jù)的更新已經(jīng)成為目前測繪行業(yè)重要的數(shù)據(jù)采集手段之一[2-4]。而傾斜攝影、激光掃描等新技術的發(fā)展也開始在城市實景三維模型構建、數(shù)字表面模型(DSM)獲取方面得到了一定應用[5]。

長期以來，作為測繪類專業(yè)重要課程之一的“攝影測量學”主要針對影像的解析計算原理、模型和算法進行講授。部分單位在該課程領域就有關課程教學內容、方法與模式[6-9]、實驗與實踐系統(tǒng)[10-14]等方面開展了改革研究，特別是低空無人機攝影等技術的應用為課程實踐教學提供了有效支撐[15]，但對于“攝影測量”教學改革中模塊化、流程化、自動化等工程化的特點尚未進行深入研究。本單位針對已畢業(yè)并從事測繪工作的學生開展的就業(yè)調查情況表明：課堂教學中所學習的攝影測量知識體系難以滿足用人單位對當代攝影測量實際生產(chǎn)的工程需求，所學習的知識要點陳舊；而單位則普遍反映學生的實踐能力偏弱，理論與實踐聯(lián)系不夠密切，自主解決實際問題的能力不強。面對這一矛盾，作為二者之間的紐帶——高校教師有必要從“攝影測量學”的基本原理與方法出發(fā)，研究課程理論、實踐以及教學方法的改進方向，為課程教學改革提供借鑒。

1 “攝影測量”課程的特點及其現(xiàn)狀

1.1 空間抽象性強

在測繪科學領域，“攝影測量”長期被看作一門幾何科學。其主要過程是從二維圖像的像點坐標出發(fā)計算三維地面點坐標，并進行數(shù)字高程模型插值、等高線繪制、正射影像糾正等產(chǎn)品的生產(chǎn)工作。這個過程計算中涉及到像平面、像空間、像空間輔助、攝影測量、地面攝影測量以及地面測量坐標系等多個坐標系統(tǒng)之間的轉換，既有二維又有三維坐標，涉及到平移、縮放、旋轉等多種變換過程，空間轉換過程較為復雜，并且由于其過程多以算法實現(xiàn)而不同于傳統(tǒng)基于儀器觀測的測繪學科。因此，在學習的過程中，要求學生具備較強的空間抽象與思維能力。

1.2 理論性強

“攝影測量”作為測繪學科一門核心課程，具有很強的理論性，主要表現(xiàn)在概念多且晦澀，如內、外方位元素，后方交會、前方交會、相對定向、絕對定向、光束法、空中三角測量等，使得初學者難以在較短時間內理解。不僅如此，攝影測量的計算過程涉及大量的計算模型與方法，模型的推導、算法過程繁瑣，如共線條件方程模型、后方交會、相對和絕對定向模型等。理解這些模型的獲得方法和計算流程不僅需要大量的高等數(shù)學、線性代數(shù)計算模型的支持，還需要聯(lián)系測量平差的有關理論與方法。如在獲得空間后方交會的計算模型中，需利用高等數(shù)學的泰勒級數(shù)展開以及間接平差理論構建外方位元素的解算誤差模型。

此外，“攝影測量”作為一門對地觀測的技術，還與其他學科存在密切聯(lián)系，如計算機圖形學、數(shù)字攝影測量中的數(shù)字圖像處理技術、計算機視覺原理、模式識別與人工智能等。因此，要全面掌握攝影測量的理論與方法，不僅要求學生具有較強的理論理解能力，還需要具備一定的相關學科的基礎知識。

1.3 工程實踐性強

“攝影測量”作為一門以產(chǎn)品生產(chǎn)為主要目的技術體系，在實踐方面具有顯著的工程化特征。同其他測繪學科類似，攝影測量主要工作也可以分為外業(yè)和內業(yè)兩大部分。其中，除了像片采集及其相關工作外，外業(yè)工作還需要完成控制點測量和像片調繪。內業(yè)工作涉及的內容是一套流程化的過程，如內定向、相對定向、模型坐標計算、絕對定向、空中三角測量、數(shù)字高程模型插值、等高線提取、像片糾正、地物要素采集等。上述過程中，外業(yè)需要通過全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS、全站儀等儀器設備按測繪標準開展，而內業(yè)需要通過攝影測量工作站完成，上述過程均具有很強的工程實踐性。

2 專業(yè)認證背景下的攝影測量課程

2.1 工程教育專業(yè)認證及其現(xiàn)狀

工程教育專業(yè)認證最早起源于1847年美國的醫(yī)學行業(yè)，后逐漸在西方國家的工程專業(yè)逐漸推廣起來，1989年形成了關于工程學學士學位專業(yè)國際鑒定和相互承認的《華盛頓協(xié)議》[16]。2016年6月，我國正式加入該協(xié)議。專業(yè)認證涵蓋了課程設置、實驗設備、教學管理、各種教學材料、學生培養(yǎng)目標、質量與就業(yè)狀況、師資隊伍結構等。在統(tǒng)一的標準下，開展專業(yè)認證工作對檢驗和評估專業(yè)能力、調整和改進辦學方向、提升辦學水平具有重要的現(xiàn)實意義。在此背景下，我國于2015年10月成立了工程教育專業(yè)認證協(xié)會，由其組織開展高校的工程專業(yè)認證工作并制定了《工程教育認證辦法》，旨在促進中國工程教育改革，進一步提高工程教育質量，同時有助于工程教育的國際互認，提升教育的國際競爭力。

按照認證標準的通用要求，遙感科學與技術、測繪工程、導航工程等工程教育本科專業(yè)需要具備將數(shù)學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識用于解決復雜工程問題的能力，提出解決方案并獲得有效結論。這就要求“攝影測量”課程在教學過程中不僅要講授課程的理論模型，還要培養(yǎng)學生系統(tǒng)性設計、解決工程問題和方案設計的能力，這也是目前攝影測量課程中亟待強化的內容。

2.2 “攝影測量”課程教學的問題

2.2.1 理論體系的問題

目前，常規(guī)“攝影測量”教學主要涵蓋傳統(tǒng)單、雙像解析、空中三角測量、數(shù)字攝影測量等內業(yè)內容，這些也是目前主流教材的介紹內容[1,17]。然而，大部分教材對于攝影測量外業(yè)作業(yè)內容的講述不夠充分。就航空攝影測量而言，其外業(yè)的像片數(shù)據(jù)采集過程涵蓋的內容繁多，需要完成航線規(guī)劃、申請、儀器的選擇、影像采集等。主流教材中對航空攝影測量的數(shù)據(jù)采集過程鮮少涉及。因此，學生無法充分掌握攝影測量外業(yè)工作內容，特別是對于沒有開設其他獨立航空攝影課程的院校，其影響更為顯著。

其次，在課程的教學內容中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)教材以算法和模型的講授為中心，在內容上未能按工程化或流程化的模塊進行安排，無統(tǒng)一的總—分式框架安排，各模塊的聯(lián)系不夠密切。這樣的內容體系盡管達到了理論和模型的講授需求，但是難以培養(yǎng)學生工程化的思維習慣，難以讓學生理清各知識點和工作模塊之間的聯(lián)系，不能滿足實際工作中對攝影測量流程化、工程化思維的需求。

此外，“攝影測量”的教學內容還存在知識點陳舊的問題。三維激光、傾斜攝影、移動測圖系統(tǒng)的發(fā)展推進了攝影測量的產(chǎn)生工藝，這些新技術、新工藝已經(jīng)開始在工程實踐中逐漸得到應用，盡管在部分教材中已經(jīng)有所展示，但是其介紹的深度不足，無法滿足實際教學需要。而解析攝影測量、模擬攝影測量等陳舊內容在一些教材中仍有相當分量。盡管在教學中積極學習課程的最新理論與技術，并將其融入教學環(huán)節(jié)，但如何進行科學整合、取舍仍是需要研究的問題。故而，“攝影測量”教學中亟待優(yōu)化教學內容體系。

最后，由于測繪學科的課程體系特點，開設與“攝影測量”有關的先導課程較少，如“高等幾何”“計算機視覺”等，部分學生對數(shù)學、幾何變換等相關課程掌握不夠全面，導致教學過程中對同一知識點需要不斷重復講授，理論教學內容繁重且效果不佳。

2.2.2 實踐教學的問題

實驗、實習等實踐教學是“攝影測量”教學中必要的組成部分，也是提升學生動手能力、強化理論理解的主要手段。在教學過程中，必須結合實驗、實習等過程進行開展。目前主要以典型數(shù)字攝影測量工作站的操作以及部分算法的程序設計為主要內容。在實踐過程中，采用獨立模塊化的方式進行開展，各部分間連接不緊密，部分學生會把各部分看作互不關聯(lián)、相互獨立的內容，不利于學生系統(tǒng)掌握攝影測量各流程環(huán)節(jié)。不僅如此，新的數(shù)字攝影測量工作站開始在攝影測量實踐中逐漸推廣，如Inpho、Pix4D、MapMatrix、ERDAS LPS等，這些平臺在企業(yè)單位的生產(chǎn)實踐中應用廣泛，亟待在課程實踐教學中更新。由于攝影測量工作站的封裝性和流程優(yōu)化需要，部分中間過程在操作中無法與理論完全對應，導致學生在實踐過程中難以與理論相聯(lián)系，易造成理論與實踐教學的脫節(jié)問題。

2.2.3 教學方法的問題

目前的“攝影測量”教學存在教學手段單一的問題。板書是開展攝影測量模型過程推導的必要手段。但板書存在不夠直觀、教學效率低等問題。為了達到適中的教學進度，實際教學中通常采用以多媒體文稿演示為主，并輔助板書的方式進行。盡管多媒體演示具有直觀、高效的優(yōu)勢，有利于開展抽象的空間關系演示。然而，過量使用多媒體文稿可能造成新形式的“滿堂灌”教學模式，難以為學生留下足夠的思考時間，不利于學生對知識要點的系統(tǒng)掌握。在當代移動互聯(lián)網(wǎng)技術迅速發(fā)展的形勢下，面向不同目標的應用逐漸在手機、平板等移動平臺得到推廣。這些新技術亟待引入“攝影測量”教學中，補充傳統(tǒng)多媒體、板書的二元教學方法。

3 “攝影測量”教學改革策略

3.1 更新教學內容與體系

從測繪學和工程教育專業(yè)認證的角度看，整個攝影測量過程包含了完整的數(shù)據(jù)采集與處理過程，按照流程化的模塊安排教學內容，采用總—分的方式進行理論體系的組織是一種有效而直觀的途徑。在理論體系的開端，應對攝影測量整個數(shù)據(jù)生產(chǎn)的流程進行系統(tǒng)介紹，讓學生對此形成系統(tǒng)的觀念，以避免知識點的零散(見圖1)。在此基礎上，按照攝影測量的程序完成對整個過程的講授，形成工程化的理論教學體系，有利于提高學生對攝影測量整體工作流程的掌握水平。

圖1 “航空攝影測量”理論體系及流程

此外，對各過程模塊的教學內容也應進行相應更新。第一，應加強航空攝影部分的作業(yè)介紹。目前的理論體系很少涉及航空攝影的數(shù)據(jù)采集工作，由于只有部分院校開設諸如“空中攝影學”的攝影測量先導課程，故在教學中應適當增加對航空攝影數(shù)據(jù)采集過程的講授以強化學生對攝影測量數(shù)據(jù)采集工作的認識，如航線的規(guī)劃、現(xiàn)場勘察等。第二，對于攝影測量內業(yè)部分，應優(yōu)化目前的內容組織方式。即將目前以解析模型為基礎的內容組織模式轉變?yōu)榱鞒袒膬热萁M織模式，在講授過程中可采取輸入?yún)?shù)獲取、模型構建、模型解算的過程組織教學，避免教學中陷入公式數(shù)學模型的推導而忽視工程過程的講授。第三，對于部分陳舊內容應進行剔除處理并及時補充當代攝影測量的新發(fā)展內容。近年來，攝影測量技術進步很快，以數(shù)字影像為數(shù)據(jù)源并結合定位定向系統(tǒng)(POS)數(shù)據(jù)的數(shù)字攝影測量已經(jīng)成為目前攝影測量的主流，三維激光掃描、移動測圖等新的技術不斷涌現(xiàn)。在這樣的形勢下，基于傳統(tǒng)模擬攝影測量儀、解析攝影測量儀等測圖的內容已經(jīng)基本被淘汰，其有關理論可進一步壓縮。而對于新技術可適當增加相應的內容，使學生對其具備基本的理論認知。

3.2 完善課程實踐

實踐內容是“攝影測量”課程教學中必不可少的組成部分。傳統(tǒng)的“攝影測量”教學中實踐過程集中在對解析算法模型的程序設計上，如單像片空間后方交會、相對定向、光束法模型的程序設計等。而在數(shù)字攝影測量階段，主要數(shù)據(jù)處理流程在攝影測量工作站中已經(jīng)得到實現(xiàn)，在實際教學中必須將工作站的數(shù)據(jù)處理流程融入教學中。針對目前“攝影測量”實踐教學存在分模塊進行而導致的零散、不連貫的問題，實際教學中除了開展常規(guī)的單項實驗外，還應增加集中攝影測量課程實習的環(huán)節(jié)。

由于無人機等設備使用成本日漸降低，因此，測繪工程、遙感科學與技術專業(yè)的開設院校有必要引入無人機等設備，以實際場地(如校園等)為案例，分組開展攝影測量綜合生產(chǎn)實習。實習內容應涵蓋攝影測量整個生產(chǎn)過程，即航空攝影、攝影測量外業(yè)、攝影測量內業(yè)數(shù)據(jù)處理。在航空攝影階段，應訓練學生利用無人機設備規(guī)劃航線、采集數(shù)據(jù)的實際工作能力。在攝影測量外業(yè)中應開展像片控制點測量，并在完成數(shù)字正射影像后進行野外像片調繪。內業(yè)工作應在攝影測量工作站支持下完成從數(shù)據(jù)輸入到產(chǎn)品檢驗的全部過程。

3.3 優(yōu)化教學方法

“攝影測量”教學通常以多媒體演示文稿為主、板書為輔的教學模式。隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展以及“慕課風暴”來襲，采取課堂教育與網(wǎng)絡教育相結合的混合教學模式是大勢所趨。為此，以校園網(wǎng)絡平臺、移動網(wǎng)絡端為基礎，建立校園網(wǎng)絡教學平臺，向學生提供自主且自由的學習條件。除了可共享課程的教學大綱、課件、習題等常規(guī)資源外，還可以設定專題討論的板塊，通過留言方式解決課程學習中的問題并公開發(fā)布供其他學生參考。對于攝影測量中復雜的空間變換過程，如坐標系的變換等，可采用網(wǎng)絡平臺中的視頻、動畫等形式加以講授以提高直觀度。此外，平臺還可以增設、引進互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)質教學資源、相關視頻等。通過網(wǎng)絡的輔助教學，既可幫助學生拓展視野，又可與教師及時交流并提升學生的學習興趣。同時，通過平臺的后臺數(shù)據(jù)支持，還可以掌握不同學生的學習進度、學習參與的程度、學習的困難等，進而可針對廣泛存在的問題在課堂教學中給予針對性的指導，針對不同能力學生實現(xiàn)個性化教學。

此外，在教學中還可以嘗試引入“對分課堂”的新型教學模式。該教學模式具有顯著的創(chuàng)新性，其核心思想是把一半課堂時間分配給教師進行講授，另一半分配給學生以討論形式進行交互式學習，講授和討論在開展上錯開一周的時間[18]?！皩Ψ终n堂”的主要過程可分為講授、內化和吸收、討論等[19]。由于“攝影測量學”理論復雜，空間關系抽象，學生難以在有限的課堂時間內加以內化和吸收。因此，教學過程中可以提出以任務驅動的“對分課堂”模式(見圖2)。在該模式下，可在講授理論的基礎上提出驅動任務，讓學生利用網(wǎng)絡平臺進行細化學習、對知識點加以吸收，發(fā)現(xiàn)并解決問題，同時對任務進行創(chuàng)新，達到舉一反三的目的，避免傳統(tǒng)“填鴨式”“滿堂灌”教學導致的學習效率低下、自主性減弱等問題。

圖2 任務驅動與網(wǎng)絡平臺支持下的“對分課堂”學習過程

4 結 論

文章在分析“攝影測量”課程特點的基礎上，針對本科“攝影測量”教學過程中存在的問題，提出了更新教學內容體系、完善課程實踐和優(yōu)化教學方法的改革策略。所得結論如下：

1)對“攝影測量”的教學內容按照流程化的模塊加以安排，采用總—分的組織方式進行理論體系組織，在教學中讓學生形成體系化的認識，改變目前教學中以像片解析的數(shù)學模型為中心的內容組織方式。同時，增強對無人機低空攝影測量、傾斜攝影等新技術的介紹。

2)在“攝影測量”的實際教學中除了開展常規(guī)的單項實驗外，還應增加或強化集中“攝影測量”課程實習的環(huán)節(jié)，引入無人機等設備，以實際場地(如校園等)為案例，分組開展涵蓋攝影測量整個生產(chǎn)過程的綜合實習。

3)在“攝影測量”實際教學過程中，采取線上線下混合教學模式，引入“對分課堂”等新型教學模式，強化學生的自主思考和學習過程，提升理論教學的效率與效果。