基于一流課程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的變形觀測(cè)與變形分析課程建設(shè)與實(shí)踐

郭 楠

（1.蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院，蘭州 730070；2.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，蘭州 730070；3.甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070）

變形觀測(cè)作為工程建設(shè)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，要求從事變形監(jiān)測(cè)工作人員不僅要掌握變形監(jiān)測(cè)的方法，還要能熟練應(yīng)用現(xiàn)代化測(cè)繪裝備完成工程建筑物的變形監(jiān)測(cè)，同時(shí)還要具備數(shù)據(jù)處理、分析能力，能夠綜合應(yīng)用測(cè)量知識(shí)、變形監(jiān)測(cè)知識(shí)、結(jié)構(gòu)工程和巖土工程等學(xué)科知識(shí)處理復(fù)雜工程變形問題的能力，故變形觀測(cè)與變形分析課程在融合新的監(jiān)測(cè)技術(shù)的同時(shí)需兼顧變形理論與變形工程實(shí)踐，還需關(guān)注多學(xué)科交叉[1]。蘭州交通大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┳冃斡^測(cè)與變形分析課程開設(shè)在測(cè)繪工程專業(yè)四年級(jí)上學(xué)期，是一門專業(yè)主干課程。在傳統(tǒng)授課中主要存在以下問題。

（1）傳統(tǒng)變形觀測(cè)與變形分析課程教學(xué)模式多以教師講授為主，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，缺乏對(duì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（2）授課內(nèi)容多以經(jīng)典理論、傳統(tǒng)技術(shù)為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多使用傳統(tǒng)儀器完成經(jīng)典變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容，以驗(yàn)證性為主，現(xiàn)代化測(cè)量?jī)x器較少涉及，缺少綜合性實(shí)驗(yàn)，課程內(nèi)容不具有時(shí)代性，學(xué)生的學(xué)習(xí)需求得不到滿足。

（3）課程過程考試方式以傳統(tǒng)的出勤、作業(yè)、實(shí)習(xí)和答疑組成，較為單一，不能滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需求。

教師在過去的授課過程選擇選用“雨課堂”平臺(tái)輔助課堂教學(xué)，并將新技術(shù)、方法和典型變形案例引入到了課堂中，但是傳統(tǒng)授課模式并未發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變，新課程體系也未系統(tǒng)的建立，故迫切需要從變形觀測(cè)與變形分析課程教學(xué)內(nèi)容、方法和評(píng)價(jià)體系著手，完成該課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐。

一、變形觀測(cè)與變形分析課程線上線下教學(xué)模式設(shè)計(jì)

課程團(tuán)隊(duì)成員確立研究課程創(chuàng)新改革研究目標(biāo)，分析課程創(chuàng)新改革需要解決的主要問題，確定具體研究思路，完成課程的改革與創(chuàng)新，最終將本課程建立成一門符合一流課程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的變形觀測(cè)與變形分析課程線上線下混合教學(xué)模式，并形成對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與課程考核體系。主要完成以下工作。

（一）重置教學(xué)內(nèi)容

首先，需要更新教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)中引入激光掃描技術(shù)、攝影測(cè)量和遙感等現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，使課程內(nèi)容具有前沿性；引入變形數(shù)據(jù)處理方法的國(guó)內(nèi)外最新研究動(dòng)態(tài)及研究前沿，使課程高度得到提升；引入實(shí)際工程案例，引導(dǎo)組織學(xué)生進(jìn)行探究、分析，擴(kuò)展課程的廣度，由此打造具有深度、高度、廣度和前沿性、時(shí)代性的變形觀測(cè)與變形分析課程[2]。

團(tuán)隊(duì)與較多工程單位保持良好溝通、合作關(guān)系，為課程的調(diào)研、實(shí)踐提供最新工程案例、重要工程資料及前沿信息，從而不斷更新教學(xué)內(nèi)容，在授課過程中引入GNSS 技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、攝影測(cè)量與遙感技術(shù)及測(cè)量機(jī)器人等內(nèi)容，提高課程的前沿性，滿足學(xué)生對(duì)變形監(jiān)測(cè)新裝備的學(xué)習(xí)需求;加入灰色理論、卡爾曼濾波和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理方法及國(guó)內(nèi)外最新研究動(dòng)態(tài)并結(jié)合自己的科研課題向同學(xué)介紹當(dāng)前國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究前沿，提高課程的高度，滿足學(xué)生對(duì)前沿變形問題學(xué)習(xí)的需求；將實(shí)際工程案例引入課程，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的變形監(jiān)測(cè)知識(shí)對(duì)實(shí)際工程變形問題進(jìn)行分析，提高課程的廣度，滿足學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問題學(xué)習(xí)的需求；引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工程問題、學(xué)術(shù)問題相結(jié)合[3]。

（二）教學(xué)模式設(shè)計(jì)

在此基礎(chǔ)之上，我們需要改變教學(xué)模式，建設(shè)變形觀測(cè)與變形分析課程線上教學(xué)平臺(tái)，形成“線上（課前）—線下（課堂）—線上（課后）”學(xué)習(xí)模式，教師根據(jù)線上教學(xué)環(huán)節(jié)接收學(xué)生學(xué)習(xí)反饋，及時(shí)重設(shè)線下教學(xué)環(huán)節(jié)與內(nèi)容，使教學(xué)形成循環(huán)模式，而不再是傳統(tǒng)的固定模式。

本課程計(jì)劃采取“線上學(xué)習(xí)（課前）—線下學(xué)習(xí)（課堂）—線上學(xué)習(xí)（課后）”模式開展教學(xué)，混合式教學(xué)模式如圖1 所示，首先完成課程整體教學(xué)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上分步完成線上建設(shè)與線下建設(shè)。線上建設(shè)采用“蘭州交通大學(xué)在線教育綜合平臺(tái)”完成。主要內(nèi)容為線上學(xué)習(xí)單元建設(shè)、線上課程資源建設(shè)和線上“隨堂教學(xué)（優(yōu)慕課）”建設(shè)。線下教學(xué)選擇“優(yōu)慕課”，即在線綜合教育平臺(tái)中“隨堂教學(xué)”模塊展開，或利用“雨課堂”平臺(tái)展開。其中“隨堂教學(xué)（優(yōu)慕課）”建設(shè)在線上完成，實(shí)施課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)在線上完成，其余如“簽到”“課堂小測(cè)”等在線下完成。線上線下課程彼此緊密聯(lián)系，通過線上學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)可將學(xué)生學(xué)習(xí)情況反饋給教師，教師根據(jù)反饋信息實(shí)時(shí)調(diào)整線下教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)活動(dòng)。翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)過程中，線上學(xué)習(xí)注重知識(shí)學(xué)習(xí)，課堂學(xué)習(xí)注重知識(shí)內(nèi)化，根據(jù)我校實(shí)際情況，本課程在建設(shè)初期不完全采用這一模式，通過調(diào)整線上線下教學(xué)環(huán)節(jié)內(nèi)容，完成了幾輪課程的過渡以后逐漸達(dá)到翻轉(zhuǎn)課堂的目的。

圖1 混合式教學(xué)模式圖

（三）實(shí)習(xí)模式設(shè)計(jì)

與之相對(duì)應(yīng)，需建立“小組負(fù)責(zé)制”課程實(shí)習(xí)模式，實(shí)習(xí)過程不再采用傳統(tǒng)的驗(yàn)證式模式進(jìn)行，建立實(shí)習(xí)項(xiàng)目專題，由具體小組負(fù)責(zé)具體課題，學(xué)生全程完成實(shí)驗(yàn)方案的制訂、實(shí)施及指導(dǎo)，使所有學(xué)生都積極、主動(dòng)地參與到實(shí)習(xí)中。

實(shí)習(xí)采用“小組負(fù)責(zé)制”模式展開，如圖2 所示，教師提前制定實(shí)習(xí)項(xiàng)目并說明實(shí)習(xí)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)興趣完成實(shí)習(xí)分組，從而形成實(shí)習(xí)項(xiàng)目小組，由項(xiàng)目小組負(fù)責(zé)具體實(shí)習(xí)內(nèi)容。實(shí)習(xí)之前項(xiàng)目小組討論實(shí)習(xí)原理，提前制訂實(shí)習(xí)方案，并提前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)習(xí)過程中項(xiàng)目小組成員分別負(fù)責(zé)指導(dǎo)其余小組完成實(shí)習(xí)，同時(shí)解答各小組在實(shí)習(xí)過程中遇到的問題。教師在這一過程中輔助項(xiàng)目小組制訂方案，同時(shí)在實(shí)習(xí)過程中引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)習(xí)中發(fā)現(xiàn)的問題，實(shí)習(xí)結(jié)束以后各小組提交實(shí)習(xí)報(bào)告，項(xiàng)目小組提交實(shí)習(xí)總結(jié)。

圖2 實(shí)習(xí)模式圖

（四）過程性評(píng)價(jià)模式設(shè)計(jì)

最后，根據(jù)新的內(nèi)容與模式需要確立新的課程考核辦法，改變傳統(tǒng)的過程性考核辦法，形成適用于混合式教學(xué)模式的新的考核辦法。

教學(xué)模式的改變促使課程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要做相應(yīng)的變革，本課程在完成線上線下各教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)后，對(duì)課程的過程性評(píng)價(jià)方式進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，圖3 為混合式教學(xué)模式教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)及過程性評(píng)價(jià)的初步設(shè)計(jì)，將線上學(xué)習(xí)、線下學(xué)習(xí)過程都納入評(píng)價(jià)方式中來，比傳統(tǒng)“考勤+作業(yè)+實(shí)習(xí)+答疑”評(píng)價(jià)模式更加細(xì)化且易于執(zhí)行，每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)成績(jī)都可以通過線上方式完成統(tǒng)計(jì)，并利用平臺(tái)成績(jī)分析功能完成成績(jī)統(tǒng)計(jì)、分析。

圖3 混合式教學(xué)模式教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)圖

二、變形觀測(cè)與變形分析課程改革主要成果

課程團(tuán)隊(duì)在2018 年度完成了該課程教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱的撰寫，根據(jù)工程認(rèn)證要求在新的大綱中加入了“課程的考核及課程目標(biāo)達(dá)成度自評(píng)方式”等內(nèi)容，同時(shí)調(diào)整了課程期末考試內(nèi)容，增加了考試難度，并在2019 年度授課過程中又根據(jù)實(shí)際情況對(duì)教學(xué)大綱進(jìn)行了新的調(diào)整，2020 年繼續(xù)修訂該課程大綱，強(qiáng)化課程目標(biāo)，增加課程思政內(nèi)容。建立了“線上線下”混合式教學(xué)模式，并完成了線上平臺(tái)建設(shè)；利用“雨課堂”完成變形監(jiān)測(cè)與變形分析課程線下教學(xué)環(huán)節(jié)。重新編寫該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，制訂了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，建立了“小組負(fù)責(zé)制”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?020 年獲批蘭州交通大學(xué)“金課”建設(shè)項(xiàng)目，并在2020 年12 月被認(rèn)定為甘肅省一流課程，主要成果如下。

（一）確立新的變形觀測(cè)與變形分析課程大綱

變形觀測(cè)與變形分析課程的主要授課對(duì)象為測(cè)繪工程專業(yè)學(xué)生和在第七學(xué)期開設(shè)，支撐測(cè)繪工程專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)中問題分析、研究及使用現(xiàn)代工具三個(gè)指標(biāo)點(diǎn)。要求通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠針對(duì)具體的測(cè)繪工程問題建立數(shù)學(xué)模型并求解；能夠?qū)⒆匀豢茖W(xué)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型方法用于推演、分析復(fù)雜測(cè)繪工程問題；通過文獻(xiàn)查閱和研究，能夠剖析復(fù)雜測(cè)繪工程問題，選擇合適的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行推理和驗(yàn)證，得到有效結(jié)論；能夠基于專業(yè)知識(shí)對(duì)復(fù)雜測(cè)繪工程問題研究方案進(jìn)行設(shè)計(jì)、論證與預(yù)測(cè)；能夠選擇恰當(dāng)?shù)臏y(cè)繪技術(shù)與儀器，對(duì)復(fù)雜測(cè)繪工程問題進(jìn)行分析、計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)。據(jù)此完成了課程內(nèi)容的重新設(shè)計(jì)。

課程內(nèi)容根據(jù)變形監(jiān)測(cè)基本理論、變形監(jiān)測(cè)技術(shù)、變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的參考系和參考點(diǎn)的穩(wěn)定性分析、變形分析與建模的基本理論與方法重新設(shè)計(jì)為14 個(gè)教學(xué)單元。單元1 為變形監(jiān)測(cè)的基本知識(shí)；單元2 為概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)；單元3 為變形的確定性模型和混合模型；單元4 為變形監(jiān)測(cè)技術(shù)；單元5 為變形監(jiān)測(cè)資料的預(yù)處理；單元6 為絕對(duì)網(wǎng)和相對(duì)網(wǎng)；單元7 為監(jiān)測(cè)網(wǎng)的參考系（實(shí)習(xí)7）；單元8 為平均間隙法（實(shí)習(xí)8）；單元9 為GPS 變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理（實(shí)習(xí)9）；單元10 為回歸分析法；單元11 為時(shí)間序列分析模型；單元12 為灰色系統(tǒng)分析模型（實(shí)習(xí)10）；單元13 為Kalman 濾波模型；單元14 為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。在此基礎(chǔ)上又分設(shè)各子單元。

（二）建立“線上線下”混合式教學(xué)模式

根據(jù)課程“線上線下”混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)，在“蘭州交通大學(xué)在線教育綜合平臺(tái)”初步完成變形觀測(cè)與變形分析線上課程的建設(shè)，并投入使用。基于“雨課堂”平臺(tái)完成了變形觀測(cè)與變形分析課程線下課程建設(shè)已投入使用，并不斷進(jìn)行完善。同時(shí)在課程課件實(shí)習(xí)期間，利用“蘭州交通大學(xué)在線教育綜合平臺(tái)”中“優(yōu)慕課”平臺(tái)快速完成課外實(shí)習(xí)的簽到。

（三）完成課程資源建設(shè)

建成線上課程視頻資源庫10 個(gè)，時(shí)長(zhǎng)10～15 分鐘，引入視頻資源10 個(gè)；完成了文檔資料電子講稿、電子教材的撰寫；完成了作業(yè)庫、試題庫、試卷庫及案例庫的建設(shè)；完成了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的撰寫；完成了線下課程建設(shè)，選擇“雨課堂”或“優(yōu)慕課”，配合線下教學(xué)。

（四）完善課程成績(jī)?cè)u(píng)定方式

線下成績(jī)通過“蘭州交通大學(xué)在線教育綜合平臺(tái)”中“隨堂教學(xué)”欄目完成各教學(xué)環(huán)節(jié)的成績(jī)統(tǒng)計(jì)，線上成績(jī)也可通過該平臺(tái)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)課程成績(jī)考核辦法完成成績(jī)統(tǒng)計(jì)與分析。

三、變形觀測(cè)與變形分析課程改革創(chuàng)新亮點(diǎn)

（一）注重課程思政

將“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”“中國(guó)高鐵”和“港珠澳大橋建設(shè)”等內(nèi)容融入到日常教學(xué)中去，從而培養(yǎng)學(xué)生民族自豪感、職業(yè)榮譽(yù)感。

（二）建立前沿性、時(shí)代性的教學(xué)內(nèi)容

在授課過程中引入三維激光掃描技術(shù)、攝影測(cè)量與遙感技術(shù)、測(cè)量機(jī)器人等內(nèi)容，提高課程的前沿性;在授課過程中引入變形數(shù)據(jù)處理方法的國(guó)內(nèi)外最新研究動(dòng)態(tài)并結(jié)合自己的科研課題向同學(xué)們介紹當(dāng)前國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究前沿，提高課程的高度;將實(shí)際工程案例引入課程，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的變形監(jiān)測(cè)知識(shí)對(duì)實(shí)際工程中的變形問題進(jìn)行分析，提高課程的廣度[4]。

（三）建立先進(jìn)性、互動(dòng)性的教學(xué)模式

教學(xué)形式采用線上線下混合式教學(xué)模式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，采用新的模式授課引導(dǎo)學(xué)生積極參與到課堂中，使其學(xué)會(huì)主動(dòng)思考、討論及實(shí)踐。以“雨課堂”的模式完成了線下課程的授課，得到了很多學(xué)生的認(rèn)可，有部分學(xué)生還提出了更高的學(xué)習(xí)要求，教學(xué)團(tuán)隊(duì)也通過“雨課堂”收集到了很多學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面的反饋意見。

（四）建立“小組負(fù)責(zé)制”課程實(shí)習(xí)模式

實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用“小組負(fù)責(zé)制”模式展開，小組學(xué)生需要提前根據(jù)教師的要求學(xué)習(xí)實(shí)習(xí)原理，討論、制訂實(shí)習(xí)方案，甚至有的組提前進(jìn)行了實(shí)習(xí)，在全班實(shí)習(xí)過程中這些同學(xué)能夠講解、分析和解決各組在實(shí)習(xí)中遇到的問題，并引發(fā)討論，使得每一名學(xué)生都能夠積極參與到實(shí)習(xí)中來，讓學(xué)習(xí)從過去的被動(dòng)學(xué)變成了現(xiàn)在的主動(dòng)學(xué)。

（五）建立完整的線上線下過程性考核體系

適當(dāng)提高傳統(tǒng)課程考核的難度，對(duì)過程性考核成績(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括：課前預(yù)習(xí)、課堂表現(xiàn)和課后活動(dòng)三個(gè)部分，并以“雨課堂”“優(yōu)慕課”等平臺(tái)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，細(xì)化了考核目標(biāo)，易于執(zhí)行[5]。

四、結(jié)束語

項(xiàng)目實(shí)施滿足測(cè)繪工程專業(yè)學(xué)生對(duì)變形監(jiān)測(cè)新裝備、新方法，以及實(shí)際工程變形問題、前沿變形問題學(xué)習(xí)的需求，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工程問題、學(xué)術(shù)問題相結(jié)合，同時(shí)滿足就業(yè)學(xué)生和繼續(xù)讀研學(xué)生的需求，提升學(xué)生解決問題的能力與綜合素質(zhì)。將項(xiàng)目?jī)?nèi)容擴(kuò)展至土木、建環(huán)和給排水等非專業(yè)學(xué)生，促進(jìn)了學(xué)科交叉與學(xué)科融合。在擴(kuò)展了非本專業(yè)學(xué)生知識(shí)面的同時(shí)，增強(qiáng)非本專業(yè)學(xué)生綜合解決實(shí)際工程變形問題的能力，也為非本專業(yè)學(xué)生提供新的研究方向。