汪馳升,李清泉,涂 偉,樂(lè) 陽(yáng),夏吉喆,陸 旻,梁世浩,高 青,郭仁忠
(1. 深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,廣東 深圳 518060; 2. 人工智能與數(shù)字經(jīng)濟(jì)廣東省實(shí)驗(yàn)室(深圳),廣東 深圳 518000; 3. 南山區(qū)教育科學(xué)研究院,廣東 深圳 518000)
隨著先進(jìn)生產(chǎn)力的高速發(fā)展,以信息技術(shù)為主體的信息革命正不斷影響著各行各業(yè)。在測(cè)繪學(xué)科中,傳統(tǒng)的測(cè)量、繪圖工具與方法受到?jīng)_擊,測(cè)繪類專業(yè)的核心已經(jīng)從測(cè)量制圖發(fā)展到空間信息[1-2],從地學(xué)類專業(yè)演變成地學(xué)+空間科學(xué)+信息科學(xué)的空間信息科學(xué)與技術(shù)[3]。測(cè)繪形式由傳統(tǒng)測(cè)繪向內(nèi)涵更廣的泛在測(cè)繪轉(zhuǎn)變[4]。測(cè)繪學(xué)科也從單一學(xué)科走向多學(xué)科交叉方向,測(cè)繪學(xué)科內(nèi)涵已擴(kuò)展到與空間數(shù)據(jù)相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域[5-6]。測(cè)繪學(xué)科人才的培養(yǎng)也由過(guò)去單一培養(yǎng)測(cè)量工程師轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)具備專業(yè)素養(yǎng)的綜合性人才。誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程作為測(cè)繪學(xué)科中重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一[7-8],研究計(jì)算大規(guī)模且復(fù)雜的測(cè)繪數(shù)據(jù),是測(cè)繪領(lǐng)域中計(jì)算的基礎(chǔ),很大程度上影響到攝影測(cè)量學(xué)、工業(yè)與工程測(cè)量等其他測(cè)繪專業(yè)課程的入門(mén)與深造。自20世紀(jì)70年代以來(lái),該課程理論、技術(shù)與應(yīng)用得到了進(jìn)一步的發(fā)展。具體體現(xiàn)為空間信息數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和手段的豐富,出現(xiàn)了新的需要誤差理論支持的應(yīng)用場(chǎng)景。經(jīng)典的理論與方法并不能完全解決這些場(chǎng)景下產(chǎn)生的新問(wèn)題。而融合了信息科學(xué)、高等數(shù)學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科產(chǎn)生的新理論與新方法同時(shí)出現(xiàn),有效支持了新場(chǎng)景下的空間信息數(shù)據(jù)處理。但多學(xué)科的交叉與融合,提升了課程教學(xué)難度[9-10]。一方面,在學(xué)習(xí)誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程前要學(xué)習(xí)大量的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)(如線性代數(shù)、微分、矩陣求導(dǎo)、概率論、統(tǒng)計(jì)推估、假設(shè)檢驗(yàn)等內(nèi)容);另一方面,課程上也需要學(xué)習(xí)現(xiàn)代的數(shù)學(xué)編程語(yǔ)言和工具(如Matlab、Python語(yǔ)言的使用)。知識(shí)難度的提升和內(nèi)容的擴(kuò)充使課程教學(xué)面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在這一背景下,本文擬討論誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn),闡述面向培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代的高素質(zhì)測(cè)繪人才的教學(xué)改革設(shè)想,介紹在這一設(shè)想下已經(jīng)開(kāi)展的實(shí)踐內(nèi)容和實(shí)施效果。
誤差是測(cè)量學(xué)科的核心和基石,也是很多其他學(xué)科的研究?jī)?nèi)容(如圖1所示),該課程的教學(xué)在本科階段很大程度決定測(cè)繪學(xué)科人才培養(yǎng)的質(zhì)量。但現(xiàn)有教學(xué)框架幾十年未進(jìn)行大的改動(dòng),難以適應(yīng)如今多學(xué)科交叉背景下的誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程教學(xué),學(xué)生學(xué)習(xí)困難,無(wú)繼續(xù)探索的積極性,課程學(xué)完基本上都會(huì)出現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)多數(shù)遺忘的現(xiàn)象。此外,現(xiàn)代涉及誤差處理場(chǎng)景的最新文獻(xiàn)往往建立在其他學(xué)科語(yǔ)言體系里,學(xué)生將來(lái)要應(yīng)用時(shí)可能還需通過(guò)自學(xué)方式填補(bǔ)其他學(xué)科的知識(shí)空白。在這種情況下,以原有的知識(shí)框架教學(xué)難以打破學(xué)科間的壁壘,在課堂教學(xué)過(guò)程中將會(huì)一定程度上打擊學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情,影響知識(shí)的掌握程度與應(yīng)用效果。因此,有必要修改原有的課程知識(shí)框架,研究出新的知識(shí)框架,使得課程各章節(jié)知識(shí)難度遞增合理科學(xué),降低課程入門(mén)難度,打破學(xué)科間的知識(shí)壁壘,提升學(xué)生探究與創(chuàng)新的熱情,使學(xué)生能高度掌握誤差理論與數(shù)據(jù)處理知識(shí),有效應(yīng)用在測(cè)繪場(chǎng)景中。
對(duì)2018—2022年期間深圳大學(xué)地理空間信息工程專業(yè)誤差理論與數(shù)據(jù)處理教學(xué)過(guò)程中師生碰到的一些困惑進(jìn)行總結(jié),存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)為以下3個(gè)方面:
(1)課程基礎(chǔ)問(wèn)題。雖然學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)和概率統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí),但是誤差理論用到其中部分內(nèi)容時(shí),基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)仍然會(huì)存在無(wú)法跟上、缺乏學(xué)習(xí)興趣的問(wèn)題。因此,可以考慮增加數(shù)學(xué)基礎(chǔ)章節(jié)和編程語(yǔ)言基礎(chǔ)。如增加矩陣求導(dǎo)的知識(shí),方便學(xué)生理解后面最小二乘和函數(shù)線性化中的公式推導(dǎo)。
(2)教學(xué)內(nèi)容問(wèn)題。經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容將誤差理論中平差方式分為條件平差、帶參數(shù)的條件平差、間接平差、帶限制條件的間接平差4類。將其闡述清晰并讓學(xué)生完全掌握需要很大部分的課堂教學(xué)時(shí)間。但這些內(nèi)容與其他學(xué)科領(lǐng)域?qū)φ`差知識(shí)的分類和認(rèn)識(shí)相比有一定偏離,學(xué)生未來(lái)的學(xué)習(xí)工作與這些知識(shí)較難有重合點(diǎn)。
(3)實(shí)踐案例問(wèn)題。經(jīng)典的誤差理論實(shí)踐案例主要圍繞水準(zhǔn)網(wǎng)、測(cè)角網(wǎng)、邊角網(wǎng)等測(cè)量場(chǎng)景展開(kāi)?,F(xiàn)在交叉學(xué)科背景下,測(cè)繪學(xué)科與很多領(lǐng)域產(chǎn)生融合,出現(xiàn)了空間信息數(shù)據(jù)處理的新場(chǎng)景,誤差不僅體現(xiàn)在全站儀、水準(zhǔn)儀對(duì)邊、角、高的測(cè)量數(shù)據(jù)上。如自動(dòng)駕駛領(lǐng)域里的多傳感器融合、智慧城市領(lǐng)域的無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量、大地測(cè)量領(lǐng)域的干涉雷達(dá)測(cè)量等,僅依靠傳統(tǒng)案例使學(xué)生面臨現(xiàn)代誤差場(chǎng)景時(shí)缺乏延展[11-12]。
由以上問(wèn)題可以看出,在教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)了如課程知識(shí)點(diǎn)偏差、學(xué)生課程前置知識(shí)掌握不足、課程知識(shí)框架部分多余或不足的問(wèn)題。以原有課程知識(shí)框架教學(xué),有很大比重學(xué)生難以完全掌握誤差與數(shù)據(jù)處理知識(shí)及具備良好誤差問(wèn)題分析處理能力,這影響了后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。近年來(lái)出現(xiàn)了許多后續(xù)專業(yè)課程教師反饋學(xué)生誤差與數(shù)據(jù)處理知識(shí)遺忘,需要重新花費(fèi)時(shí)間在課堂上補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)。信息時(shí)代的到來(lái),對(duì)測(cè)繪學(xué)科人才的培養(yǎng)也有了更高的要求。在這一背景下,本文從以上問(wèn)題出發(fā),探究了一套新的誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程知識(shí)框架,闡述了新時(shí)代下該課程的改革思路設(shè)想及目前已經(jīng)在課堂上采取的具體措施。
教學(xué)框架設(shè)計(jì)需要充分考慮與其他學(xué)科形成共同的語(yǔ)言體系,降低跨學(xué)科壁壘。教學(xué)是能在較輕松愉快的氛圍下教懂學(xué)生知識(shí),讓學(xué)生能長(zhǎng)期記住并能使用所學(xué)得的知識(shí)。因此,無(wú)論是什么課程,教學(xué)框架設(shè)計(jì)都要合理,在可以降低課程門(mén)檻的情況下,盡可能有效降低學(xué)習(xí)難度,提升學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力,有助于學(xué)生高效率地掌握課程知識(shí)[13]。在大數(shù)據(jù)時(shí)代下,由于數(shù)據(jù)規(guī)模與復(fù)雜度的提高和測(cè)繪設(shè)備及手段的不斷發(fā)展,測(cè)繪領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)處理有更高的要求[14],誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程已經(jīng)逐漸變成了一門(mén)對(duì)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)知識(shí)要求很高的課程。近年來(lái),該課程的教學(xué)過(guò)程中普遍有學(xué)生反映課程理論知識(shí)偏難、內(nèi)容枯燥、公式繁多而難以學(xué)習(xí)。結(jié)合近幾年的教學(xué)體驗(yàn),課程的知識(shí)框架多年未變,如今已難以適應(yīng)新時(shí)代的要求。綜上所述,宜結(jié)合師生教學(xué)體驗(yàn),設(shè)計(jì)出新的教學(xué)框架,將其他學(xué)科的知識(shí)融入其中形成共同的語(yǔ)言體系,在教學(xué)中繼續(xù)深入講授課程所需的前置知識(shí),從而大大降低學(xué)科間的壁壘。
在教學(xué)中注重知識(shí)融會(huì)貫通,使學(xué)生對(duì)知識(shí)的把握達(dá)到能應(yīng)用于其他領(lǐng)域的高度[15-16]。目前許多課程都過(guò)于注重理論知識(shí)的教學(xué),考核時(shí)也側(cè)重對(duì)理論知識(shí)的書(shū)面考試為主。這種教學(xué)考核方式容易使得學(xué)生學(xué)完課程后遺忘所學(xué)知識(shí),或使學(xué)生在平時(shí)課堂上“渾水摸魚(yú)”,在最后考核前臨陣磨槍。無(wú)論何種結(jié)果,顯然都是不理想的。當(dāng)然,并不是所有課程都不適合純理論知識(shí)的教學(xué),但對(duì)于測(cè)繪學(xué)科而言,大部分專業(yè)課程都不適合純理論教學(xué),誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程也不例外。由于課程涉及大量理論知識(shí)和晦澀的公式,以及其處理的數(shù)據(jù)規(guī)模較大,因此僅以理論知識(shí)開(kāi)展教學(xué)通常使得學(xué)生在課堂上不能完全理解,反而需要在課后花費(fèi)大量時(shí)間去練習(xí)、復(fù)習(xí)。這對(duì)于學(xué)生而言不僅會(huì)占用其大量時(shí)間,而且會(huì)打擊他們學(xué)習(xí)該課程的積極性。因此,在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)利用具體案例引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行應(yīng)用,或教導(dǎo)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)軟件工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,在具體過(guò)程中要特別注重讓學(xué)生知其原理,并輔以適當(dāng)課后作業(yè)鞏固知識(shí),使學(xué)生能高效率掌握所學(xué)知識(shí)并在實(shí)際場(chǎng)景中明白如何應(yīng)用課堂所學(xué)。
為了讓學(xué)生更好地掌握課程知識(shí),本文對(duì)課程本身知識(shí)與知識(shí)框架的改進(jìn)進(jìn)行了探討,并在具體的課程教學(xué)實(shí)踐中也嘗試應(yīng)用目前世界上先進(jìn)的教學(xué)方法,并取得了不錯(cuò)的反饋效果。
誤差理論是很多學(xué)科共用的基礎(chǔ)知識(shí),有時(shí)在其他領(lǐng)域也被稱為估計(jì)理論或觀測(cè)理論。為了與其他學(xué)科形成共同的語(yǔ)言體系,有必要對(duì)原有的知識(shí)框架進(jìn)行修改和重新設(shè)計(jì)。本文綜合參考國(guó)內(nèi)經(jīng)典方案和荷蘭Delft大學(xué)的Observation Theory: Estimating the Unknown課程[17],設(shè)計(jì)了一個(gè)新的知識(shí)框架(見(jiàn)表1)。第一階段首先以誤差問(wèn)題的案例為引子,對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行介紹,然后將誤差理論數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)編程語(yǔ)言設(shè)為獨(dú)立階段,在課程教學(xué)上重點(diǎn)講解,有利于降低未學(xué)過(guò)相應(yīng)數(shù)學(xué)知識(shí)的其他專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的難度,對(duì)于已學(xué)過(guò)的學(xué)生也能鞏固相應(yīng)知識(shí),更快適應(yīng)教學(xué)內(nèi)容。第四階段介紹誤差類型、精度指標(biāo)等基本概念,同時(shí)引出誤差問(wèn)題建模的三要素,即已知變量、未知變量、觀測(cè)量。這一階段設(shè)計(jì)的目的是將理論和實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合,教會(huì)學(xué)生利用誤差知識(shí)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行建模。第六、七階段與經(jīng)典方案類似,將誤差理論中非常關(guān)鍵的傳播律和數(shù)學(xué)模型知識(shí)點(diǎn)教授,不過(guò)額外補(bǔ)充了函數(shù)模型特征(欠定、超定)的介紹。第八、九階段從參數(shù)估計(jì)的角度介紹誤差問(wèn)題的解決途徑,該部分教學(xué)與傳統(tǒng)的四大平差分類體系有很大不同。利用參數(shù)估計(jì)的語(yǔ)言表達(dá)平差過(guò)程,目的是降低與其他專業(yè)的語(yǔ)言壁壘,同時(shí)可以簡(jiǎn)化縮減學(xué)習(xí)內(nèi)容。第十階段將非線性函數(shù)線性化單列講解。這部分內(nèi)容設(shè)計(jì)是考慮到以往很多同學(xué)對(duì)線性化處理理解較困難,在這里適當(dāng)增加教學(xué)比重。此外,加入迭代的內(nèi)容介紹,可以處理非線性問(wèn)題中初值不夠優(yōu)的情況。第十二階段模型檢驗(yàn)重點(diǎn)給同學(xué)介紹置信區(qū)間、假設(shè)檢驗(yàn)的含義和用法。第十三階段誤差橢圓與經(jīng)典教案設(shè)計(jì)類似。
表1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與對(duì)比
誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程涉及大量的復(fù)雜矩陣運(yùn)算與高精度大規(guī)模數(shù)值運(yùn)算,在課堂教學(xué)中如果需要學(xué)生手算會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間,信息化教學(xué)能顯著提升教學(xué)效率[18]。因此,本課程在教學(xué)中輕運(yùn)算、重思維。對(duì)于運(yùn)算部分推薦使用Matlab和Python軟件,并在課堂上講解代碼實(shí)例,引導(dǎo)學(xué)生使用工具去解決運(yùn)算問(wèn)題。學(xué)生在實(shí)踐或做習(xí)題時(shí)僅需將問(wèn)題的思路理清并列出公式,通過(guò)Matlab或Python解算、檢驗(yàn)即可解決問(wèn)題。通過(guò)對(duì)運(yùn)算的減負(fù),可將大量時(shí)間用于培養(yǎng)學(xué)生處理平差問(wèn)題的思維。如今大數(shù)據(jù)時(shí)代快速發(fā)展,可運(yùn)算大數(shù)據(jù)的工具較多,目前測(cè)繪學(xué)科缺失的是處理大規(guī)模實(shí)時(shí)泛在的數(shù)據(jù)的方法??梢灶A(yù)見(jiàn),在未來(lái)測(cè)繪學(xué)科對(duì)于處理數(shù)據(jù)方法的需求遠(yuǎn)大于工具對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算力。通過(guò)輕運(yùn)算、重思維方式培養(yǎng)學(xué)生更加符合未來(lái)社會(huì)對(duì)測(cè)繪人才的要求[15]。
案例教學(xué)法于1867年首創(chuàng)于紐約大學(xué),1870年由哈佛大學(xué)法學(xué)院院長(zhǎng)蘭德?tīng)?Christopher C.Langdell)總結(jié)運(yùn)用并加以推廣[19]。案例教學(xué)法將實(shí)際中真實(shí)的情景典型化處理,形成供學(xué)生思考分析和決斷的案例,通過(guò)獨(dú)立研究和相互討論的方式,提高學(xué)員分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。在本課程的課堂具體應(yīng)用中,在課程中間環(huán)節(jié)過(guò)程加入河道寬度測(cè)量、海平面變化測(cè)量、火山形變模擬等現(xiàn)實(shí)案例進(jìn)行說(shuō)明。最終,在學(xué)期期末設(shè)計(jì)了一次由學(xué)生自己主導(dǎo)的案例實(shí)踐。學(xué)生先根據(jù)自己對(duì)誤差理論的理解,選擇現(xiàn)實(shí)世界中自己感興趣的案例,運(yùn)用課程知識(shí)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和問(wèn)題解決。案例選擇好后與授課老師單獨(dú)交流,授課教師先對(duì)案例進(jìn)行評(píng)估,確保案例不偏離課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容,且具備可行性。余下時(shí)間學(xué)生開(kāi)始著手設(shè)計(jì)案例并測(cè)試、實(shí)施,整個(gè)過(guò)程包括學(xué)生們自主網(wǎng)上查閱資料、同學(xué)間互相討論、與老師探討等。最后在成果評(píng)估階段,邀請(qǐng)多位同行老師對(duì)各組成果進(jìn)行評(píng)估,作為考核的一個(gè)重要組成部分。同學(xué)們通過(guò)自己對(duì)具體案例設(shè)計(jì)的課題實(shí)操,訓(xùn)練了思考能力、自學(xué)能力、團(tuán)隊(duì)意識(shí)、知識(shí)整合能力等多方面能力,對(duì)課程知識(shí)更加理解,明白知識(shí)作用和應(yīng)用。在2022年上半學(xué)期教學(xué)中,同學(xué)們?cè)谡n程中做了太陽(yáng)影子定位、智能手機(jī)外方位元素解算、豆芽生長(zhǎng)曲線參數(shù)解算、海洋潮汐調(diào)和模型解算等非常有趣的案例(如圖2所示)。這里面以測(cè)量學(xué)科領(lǐng)域的誤差問(wèn)題為主,也允許部分同學(xué)們將課程知識(shí)拓展到非測(cè)量領(lǐng)域。同學(xué)們自主尋找的題目,比老師布置的題目更能激發(fā)學(xué)生的自主探索和學(xué)習(xí)動(dòng)力,對(duì)學(xué)習(xí)效果有非常大的幫助。
圖2 部分學(xué)生期末作業(yè)展示
經(jīng)過(guò)近幾年對(duì)誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程的教改探索試驗(yàn),學(xué)生們對(duì)課程都給予了比較正向的反饋。在知識(shí)框架的調(diào)整方面,由于增加補(bǔ)充了更多案例,簡(jiǎn)化了四類平差的知識(shí)體系,同學(xué)們普遍認(rèn)為“內(nèi)容設(shè)置更生動(dòng)” “教學(xué)內(nèi)容豐富”。在知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐方面,由于使用工具教學(xué)法和案例教學(xué)法,同學(xué)們普遍認(rèn)為“形式十分新穎” “更好地掌握了理論方面的知識(shí)” “把學(xué)習(xí)的知識(shí)串起來(lái)” “感受到了學(xué)習(xí)的用處和樂(lè)趣”。
同時(shí),在這種新的教學(xué)內(nèi)容和方式中,也培養(yǎng)了良好的學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力,形成了和諧的師生互動(dòng)關(guān)系。在課程結(jié)束之后,遇到相關(guān)的學(xué)科競(jìng)賽,學(xué)生也會(huì)積極聯(lián)絡(luò)老師指導(dǎo)參加,并取得多項(xiàng)高水平大學(xué)生賽事獎(jiǎng)項(xiàng),見(jiàn)表2。
表2 學(xué)生競(jìng)賽獲獎(jiǎng)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、空間技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展,測(cè)繪學(xué)科的內(nèi)涵也得到不斷拓展。測(cè)繪學(xué)科的發(fā)展也與這些新興技術(shù)高度融合,形成了多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)[20]。在這一背景下,本文分析了誤差理論與數(shù)據(jù)處理測(cè)繪專業(yè)核心課程面臨的挑戰(zhàn),從課程內(nèi)容和教學(xué)方法角度提出了對(duì)應(yīng)的教學(xué)改革設(shè)想,并將這一設(shè)想在筆者所在單位地理空間信息工程專業(yè)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐,得到了較為理想的效果。
誤差理論作為測(cè)繪學(xué)科非常重要的基礎(chǔ)知識(shí),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的基本素質(zhì)和核心競(jìng)爭(zhēng)力有非常重要的作用。在學(xué)科交叉融合的新時(shí)代背景下,及時(shí)吸收學(xué)科和行業(yè)發(fā)展前沿,提高學(xué)生實(shí)踐能力和問(wèn)題解決能力,對(duì)新時(shí)代測(cè)繪學(xué)科人才的成長(zhǎng)和發(fā)展有非常重要的意義。