高校測繪工程專業“測量儀器學”課程的改革與實踐

余 騰，胡伍生，周 立，焦明連，孫小榮

(1. 宿遷學院建筑工程學院，江蘇 宿遷 223800； 2. 東南大學交通學院，江蘇 南京 210096；3. 淮海工學院測繪工程學院，江蘇 連云港 222001)

高校測繪工程專業“測量儀器學”課程的改革與實踐

余 騰1，胡伍生2，周 立3，焦明連3，孫小榮1

(1. 宿遷學院建筑工程學院，江蘇 宿遷 223800； 2. 東南大學交通學院，江蘇 南京 210096；3. 淮海工學院測繪工程學院，江蘇 連云港 222001)

針對測量儀器不斷發展和革新的實際情況，總結了近5年來“測量儀器學”課程開設的效果和社會評價。基于測量儀器已全面進入電子智能時代，提出了針對理論和實踐兩個方面教學內容的改革，改進得到了優化新穎的教學方法，對于課程考核提出了合理的評判方法，并對課程配套相關條件提出了合理的建議，最后對改革后的課程教學效果進行了論述和分析。

測量儀器學；教學改革；教學方法；評價；效果

測量儀器是測繪地理信息領域獲取基礎數據的工具，能對其熟練使用和維修保養是對使用者素質的基本要求。筆者曾于2011年提出在高校測繪工程本科專業中普遍開設“測量儀器學”課程的必要性，并對課程設置進行了探討[1]，經過近5年的實踐探索和改革，通過課程多視角創新性地學習[2]，學生認識測量儀器的水平上升到了一個新的高度，取得了一些有益的成果，也有一些經驗教訓。

隨著儀器儀表工業的快速發展，目前在測量儀器領域，光學測量儀器因使用煩瑣，性能受環境和操作者影響較大，精度不高，防水防塵防震性能較差，當前在測量外業中使用愈發減少；而因儀器工業設計制造水準的提高，以全站儀為代表的電子儀器已日益得到普及，其采集數據效率較高，性能較穩定，價格進一步下降，測程和精度的提高幾乎使其已替代傳統光學測角儀器和組合式光電測距儀；由于不受通視局限，可日夜觀測，架設操作簡便，采集數據效率和點位精度較高，GNSS接收機已得到廣泛應用；為獲取多維可視化影像，采集海量點云數據，以三維激光掃描儀、航測飛行器和測量機器人系統為代表的新型測量儀器裝備已嶄露頭角，并在野外測繪大數據采集中大顯身手[3-7]，一定程度上顛覆了傳統測繪數據的采集思維和方式。

國內曾結合實驗室建設和某門課程進行過研究[8-9]，但基于測量儀器的發展和測繪手段的變化，總結開設“測量儀器學”課程的經驗和對課程內容、教學方法和評價體系的改革已勢在必行。

1 開設“測量儀器學”課程的經驗

近年來，“測量儀器學”(又名“光電大地測量儀器學”等)課程在中國礦業大學、東南大學、淮海工學院和宿遷學院等不同層次具有測繪工程本科專業的高校陸續開設。經過多年的教學，尤其是2011年起每年通過對教師、學生和用人單位的座談意見和課程單位意見反饋表梳理分析，現總結主要經驗如下。

1.1 有益的成果

熟練使用儀器本身就是測繪工程教學的重要目標之一，而對于如何正確使用儀器來采集數據已在“數字化測圖原理與方法”“大地測量學”“工程測量學”等相關課程的課間實習中由相關教師詳細講授和演示，學生也有較多的操作機會，因此在“測量儀器學”教學中，主要偏重于儀器本身而非如何使用，這是設置教學內容的前提。經過幾年的摸索，在課程內容方面進行了合理的安排，在課程理論方面主要設置為兩大部分，第一部分主要是儀器的機械原理，即光學原理和電子原理的講授；第二部分主要是儀器基本檢定、精度評定及日常養護的講授。實踐證明這樣的分類基本涵蓋了“測量儀器學”的教學目標，沒有遺漏重要的知識點。因此，課程的內容設置和知識點安排是比較合理的。

經過考試、演示和問答等教學評價的反饋，大多數學生通過學習能對儀器的部件組成形式、工作原理和常見故障排除等方面有更深層次的認識。未學習前，學生僅對儀器組成部分、儀器功能和操作方法有大概認識。如傳統教科書中對于基于儀器原因而產生的觀測誤差(如度盤偏心、水平度盤與豎軸不垂直誤差)僅作理論描述和誤差傳播推導，規定一定的觀測順序或增加測回數來抵消誤差，但并沒有從源頭去解決問題，在本課程的“水平度盤拆裝”實驗中，學生通過實地拆分和拼裝，了解了水平度盤各相關部件的組裝方式，掌握了正確的拼裝順序，分析了如何裝配可消除和減小水平度盤與豎軸不垂直造成的誤差。通過對儀器的“解剖”，學生對儀器的認識不僅停留在認識和使用上，對于分析觀測誤差來源也有一定的意義。

經過教學，認為現有的理論實踐并重的教學方式能產生良好的教學效果，測繪本科在校專業課程主要可分為數據獲取和數據分析加工兩大類，“測量儀器學”課程應屬于數據獲取類，課程特點決定其具有更高的實踐性。若偏重理論，則成紙上談兵；若偏重實踐，則不易學懂學透。

經過摸索，筆者認為課程設置在大學本科四年級的上學期是比較合適的：第一，學生經過3年的學習，測繪主干課程已基本學習完畢，已經掌握多數測量儀器的使用方法，對于本課程學習已具備較好基礎；第二，國內高校測繪專業大學三年級課程多以數據分析和加工類為主，在學生進入工作崗位前的一年中學生使用儀器機會較少，第7學期講授“測量儀器學”有一種總結和提煉的效果，不僅可溫故知新，還可以做到再認識、再學習、再深化。

考核評價方式是學生學習某門課程的重要導向，經過探索，現采用的以筆試和實踐操作并重的考核方式能較公平合理地體現出對學生學習效果的評判。

1.2 經驗教訓

基于老儀器不斷淘汰、新儀器不斷涌現，以及儀器本身更新改良的情況，部分教學內容已落后于社會發展而需要調整，教學方式和評價體系也需進行一定的改革，這正是本文探討的重點。

2 課程教學的改革

大學課程教學內容應緊隨社會發展，甚至引領行業方向，為了讓學生所學不落后于生產和時代，針對“測量儀器學”課程，從理論教學內容和實踐教學內容兩方面進行探討。

2.1 理論教學內容改革

在現行課程設置中，理論教學內容主要講述常用儀器(光學水準儀、光學經緯儀、電子全站儀)的機械原理、光學原理、電子原理，以及儀器檢定、精度分析、日常養護等知識點。這些內容是課程的基礎，不建議進行較大改動。

近十年來，GNSS接收機在測繪地理信息、路橋工程、電力工程等領域基本從無到有、從有到多、從多到好地普及開來；三維激光掃描儀及其各種載體突破了傳統的單點測量方法，在數字城市三維可視化建模和工業測量中逐漸推廣開來；航測飛行器在快速測圖和礦區、壩區監測等工程中愈發得到廣泛應用；測量機器人系統和RTU集成采集系統在地鐵、深基坑、大跨徑橋梁等精密工程監測中的應用逐漸成熟。測繪儀器正向著集成化、智能化、精密化和方便拓展等方面發展，但在現行的主流教科書中DS3型水準儀、DJ6型經緯儀的認識使用仍占據了過多的章節，全站儀也只列舉作簡要介紹，對于新儀器幾乎很少涉及。

這使得“測量儀器學”課程中所講述的儀器必須進行豐富，應加入GNSS接收機、三維激光掃描儀和航空與近景攝影儀器原理的講述。因各廠家各型號會有不同，因此建議不按常規對某一廠家某一型號的儀器進行舉例說明，而是按儀器工作原理的分類進行講解。如講授三維激光掃描儀時可按脈沖式、相位差式和三角測距式的不同測量方式分別作講授，也可按機載型、車載型、地面型、手持型的不同載體分開講述原理。又如在講授GNSS接收機時，可按用途分為導航型和測地型進行授課，也可按工作原理分為碼相關型、平方型、混合型和干涉型進行講授。現在接收機幾乎都與電臺、發射天線和手簿協同工作，其中任何環節一旦發生故障都無法正常工作，因此有必要對這些附件結構形式和工作原理也進行講解，以有助于判別故障和進行有效維護。因此，理論教學中適當刪減光學儀器原理內容、大幅度更新和增加新型測量儀器原理內容是必要的。

除此以外，因學生在物理課程中對工程力學、光學有一定的基礎且具備基本的發散思維能力，在實際授課中發現機械原理和光學原理學生較容易掌握，而對于涉及電路和信號的比較抽象的電工原理理解欠佳，因此建議在理論課程中對于電工學部分應增加課時。

2.2 實踐教學內容改革

為了將理論知識消化吸收，需安排一定實踐環節予以配套，基于理論內容的課內實驗也應作相應改變。

(1) 首先，由于光學測量儀器實際使用逐漸減少，且先行課程已花費較多篇幅講解儀器的認識使用，因此在“測量儀器學”課程的實驗中應適度刪減光學測量儀器的結構拆裝和維修實操實驗。

(2) 其次，基于目前絕大多數開設測繪工程專業的高校都有多套GNSS接收機且在“GPS測量原理及應用”中已講授過，學校和學生都具備開設實驗的基礎，因此可增加GNSS接收機的結構認識和拆裝實驗。目前只有部分學校已購置三維激光掃描儀、無人機和測量機器人等先進測量設備，這些學校可借助已有設備開展基于儀器的相關實驗，如三維激光掃描儀的結構與點云采集原理、激光雷達測量原理與系統組成認識；部分暫未購置此類設備的高校可借助廠家設備資料和互聯網資源進行實踐教學。如圖1、圖2所示。

(3) 最后，由于當今測量儀器幾乎已都是電子儀器且理論授課增加了電工原理章節，實踐部分也應增加配套實驗。如在本課程教學中針對測量儀器涉及的基本電工知識，基于電工實驗臺開展了電子元器件的測量、全站儀電路原理與調測和GNSS接收機發射電臺故障判別3個實驗項目。如圖3—圖6所示。

圖1 三維激光掃描儀工作原理

圖2 Trimble5800接收機結構拆裝認識實驗

圖3 全站儀觸屏電路認識實驗(正面)

圖4 全站儀觸屏電路認識實驗(背面)

圖5 Trimmark3數傳電臺拆解認識實驗

圖6 模電、數電開發實驗臺

2.3 教學方法的調整

基于教學反饋情況和教學內容的改革，教學方法也應進行適當調整，有學者提出以卓越工程師教育培養為依據進行教學方法的改革[10-11]。

首先，應較多地摒棄傳統教材的束縛，目前國內使用的“測量儀器學”教材很少，且內容比較陳舊，書本中講述的很多測量儀器已不常使用[7]；應在課程教學時多借鑒廠家儀器說明資料，講授時更多地運用實物和幻燈片，這樣不僅直觀形象而且優化了有限的教學時間。

其次，在實踐教學時，不應僅停留在只會拆裝的層次，應引導學生認識各部件結構的作用和關聯，設計故障引導學生通過實驗發現并解決，在實驗中鼓勵學生去“破壞”并維修，并引領學生多向別的學科學習和多向互聯網學習。

教師應多與廠家聯系，多與儀器使用單位聯系，了解儀器的發展趨勢和某類儀器的通病，通過消化理解把問題帶進課堂。

2.4 考核評價方式的調整

大多數高校測繪工程專業的課程考核形式以筆試為主，輔以實驗成績、作業、考勤等，通常筆試成績占到60%～80%。建議在“測量儀器學”課程考核中，筆試成績和實驗成績各占50%。在實驗成績考核時，分小組進行實驗，并對小組實驗成績給出一個分值，每個小組成員的成績依據表現情況和實驗中發揮的作用乘以系數。設每組4個人，個人實驗成績為

Pi=λP

(1)

式中，λ=0.8,0.9,1.0,1.1,1.2；i=1,2,3,4。

3 課程改革的實踐效果

將改革后的“測量儀器學”課程在一個班級完整講授完畢并考核，可以發現：

(1) 經過改革，教學內容能緊跟時代發展，學生實踐能力得以加強鍛煉。學生除了掌握傳統光學測量儀器和電子全站儀工作原理、維修檢定知識外，對于GNSS接收機、三維激光掃描和無人機的工作原理也有了比較清晰的認識，不僅學會了基本測量儀器的故障診斷和維修，也基本能掌握GNSS接收機常見故障判斷和簡易維修，這對于相關課程只講授如何用其采集數據是一種很好的補充和增強。雖然學生基礎較薄弱，但為了能解決故障，部分學生會自覺學習新知識，這是一種很好的引導和激勵。

(2) 通過教學方式的調整，講授測量儀器更為生動直觀，學生學習興趣能有所增強，課堂注意力相比以往能更為集中。

(3) 通過考核方式的調整，學生能更注重實踐能力，專注于實際解決問題的能力，這也是開設課程的重要初衷，達到了啟發性實驗目的，也是工科應用型人才所需具備的寶貴素質。

(4) 如今社會已進入電子通信異常發達的時代，各種設備方便了人們的生活也改變了人們的生活。測量儀器是儀器儀表大類中的一個分支，通過本課程的學習，學生對于生活中的設備原理也會有一定的認識基礎，能做到透過現象看本質，對生活有益。

4 課程配套的相關建議

為保證課程的順利進行和取得預期效果，課程的建設也離不開配套條件的建設。

教師的素養是課程開展的基礎，課程由實驗室專職教師擔任，但目前很多高校實驗室系統體制不合理，實驗室教師得不到應有的地位，學校應像對待任課教師一樣重視實驗室隊伍的建設，讓他們在職稱、評獎、培訓、晉升和待遇方面享受平等對待。教授“測量儀器學”課程要求具備較高的理論實踐水平，因此應提供條件促其提高教學能力和眼界。

此外，為使課程實驗順利開展，除需具備良好的實驗場所和一定數量的供實驗基本測量儀器外，還要備齊易損件和常用零部件；對于單價比較高的儀器，為了防止損壞，可專門從廠家處購置一些老舊或損壞儀器供教學實踐中使用，若限于條件，還可以通過遠程視頻進行演示。如圖7、圖8所示。

圖7 課程實驗易損件準備

圖8 課程實驗常用部件(補償器)準備

最后，由于當今儀器工業發展迅猛，當前使用的教材已落后于時代[12-13]，呼吁盡快編寫出版符合目前階段的測量儀器學教材，并力求可以構建出測量學與儀器儀表學之間的聯系。

5 結 語

“測量儀器學”本身已綜合了多學科多課程的知識，本文總結了開設此課程5年來的一些經驗，提出了改革的必要性和緊迫性。課程的改革是為了遵循社會的發展變化趨勢，經過改革教學內容、教學方法和考評體系，學生對于測量工具有了更深入的認識，對于測量誤差有了另一視角的理解，對于處理儀器故障有了基本的素養，學會了檢定保養儀器，提高了儀器使用壽命和測量精度，力所能及地解決儀器故障可鍛煉良好的思維協調能力和應變能力。

課程改革也給教師和學校提出了更高的要求，教師應力求知識更加深入和廣泛；實踐能力的高要求需要教師擁有較多的儀器操作和維修經驗,學校也應努力創造更好的教學條件。

更新現行的“測量儀器學”教材或編寫一部反映儀器發展和學科交叉的新型教材已迫在眉睫， 筆

者也正在進行此項工作，以期新編教材對于課程提供一個更好的載體。

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The Reform and Practice forSurveyingInstrumentCurriculum in Surveying and Mapping Department of College

YU Teng1，HU Wusheng2，ZHOU Li3，JIAO Minglian3，SUN Xiaorong1

(1. Department of Civil Engineering, Suqian College, Suqian 223800, China； 2. Transportation School of Southeast University, Nanjing 210096, China； 3. School of Surveying and Marine Information, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222001,China)

In view of the actual situation of the continuous development and innovation of the surveying instrument,the effect and social evaluation of the curriculum ofsurveyinginstrumentin the past five years is summarized. Surveying instrument has entered the era of electronic intelligence, the reform of teaching content according to the theory and practice are put forward, the improvement and innovative teaching methods are found, in turn, the curriculum also seeks to a reasonable assessment methods, and puts forward reasonable suggestions to form a complete set of curriculum related condition, finally, after the reform of curriculum, the teaching effect is discussed and analyzed.

surveying instrument; teaching reform; teaching method; assessment evaluation; effectiveness

余騰，胡伍生，周立,等.高校測繪工程專業“測量儀器學”課程的改革與實踐[J].測繪通報，2017(5)：147-151.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0176.

2016-06-08

江蘇省科技支撐(工業)項目(BE2014026)；江蘇省高校自然科學研究項目(13KJB420004)；東南大學教學改革項目(JX2009059)；江蘇省高等教育教改研究項目(2015JSJG255)

余 騰(1985—)，男，碩士，講師，研究方向為測量儀器開發應用和精密工程測量與數據處理。E-mail：164002786@qq.com

G64

A

0494-0911(2017)05-0147-05