數(shù)字工程原理與方法課程的理論教學思考

摘 要：分析數(shù)字工程原理與方法課程在專業(yè)培養(yǎng)中的定位，從教學內(nèi)容、配套教學條件、教學方法3個方面，提出教學內(nèi)容應以核心內(nèi)容為基礎并體現(xiàn)擴展教學內(nèi)容，在教學條件上應重視教材、特色實驗室、網(wǎng)絡教學平臺及案例庫建設，在教學方法上應采用個性化培養(yǎng)、融合實踐教學、漸進式教學及多種形式綜合考核，從而保證該課程教學達到預期效果。

關鍵詞：空間信息與數(shù)字技術；數(shù)字工程；空間信息；教學

0 引 言

數(shù)字工程的原理與方法（簡稱數(shù)字工程）是空間信息與數(shù)字技術專業(yè)的主干課程，使用《數(shù)字工程的原理與方法》為教材進行授課[1]，課程具有以空間信息科學、計算機科學、通信科學、軟件工程等為基礎的交叉特色，且以基于案例庫的案例教學法為實踐教學依托[2]，以省級精品課程為網(wǎng)絡教學平臺，結(jié)合大量的實踐案例支撐，實現(xiàn)了教學資源與實踐案例資源的相互轉(zhuǎn)化與促進。

1 課程的專業(yè)定位

從模擬時代進入數(shù)字時代，科技的發(fā)展促進了各行業(yè)信息化建設的進程。在此背景下，信息應用也從傳統(tǒng)的模擬及相對孤立的狀態(tài)，實現(xiàn)“載體是數(shù)字的，信息是共享的，網(wǎng)絡是連通的，傳遞是實時的，應用是可視的，決策是智能的”更高層次狀態(tài)轉(zhuǎn)變?？臻g信息技術主要解決具有地理定位特征的數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析與應用。在信息化建設初期，3S（即地理信息系統(tǒng)GIS、遙感RS及全球定位系統(tǒng)GPS）及其共享集成技術在很多領域得到應用，發(fā)揮了重要的作用。例如，在一些國土、規(guī)劃、防災減災等與空間信息應用關系密切的企事業(yè)單位，建設了大量部門級應用工程。但是，由于建設過程中一些標準、規(guī)范都不太完善，技術方法、基礎平臺軟件也千差萬別，導致這些應用工程存在孤立性。在目前信息化應用需求背景下，這些工程已不能符合應用需求，需要對已有的空間信息應用相關的軟件平臺、數(shù)據(jù)平臺、網(wǎng)絡平臺等進行整合、集成。為解決這些問題，應借助軟件工程技術，結(jié)合空間信息應用領域的特殊性，對其加以理論化、系統(tǒng)化、規(guī)范化，形成數(shù)字工程技術的核心內(nèi)容，見圖1?？臻g信息與數(shù)字技術需要培養(yǎng)基礎牢固、知識面廣、有動手能力的復合型人才。數(shù)字工程的原理與方法作為專業(yè)主干課程，在理論、技術、方法、工程管理等方面講述了數(shù)字工程建設的指導策略和方法，是專業(yè)培養(yǎng)的綱領性課程，為后續(xù)課程的深入教學提供了索引[3]。該課程從數(shù)字工程產(chǎn)生的背景入手，以實現(xiàn)數(shù)字地球為目標框架，全面介紹數(shù)字工程技術中的基本概念、總體框架、支撐技術和實施方法，重點教授數(shù)字工程建設中信息的數(shù)字化存儲、實時化傳輸、可視化表達與智能化應用，充分反映出本專業(yè)多學科交叉的特色。但該課程教學的一個主要問題是內(nèi)容面廣且部分概念抽象，如果教學設計及教學配套設施不到位，會達不到理想的教學效果。

2 教學內(nèi)容

數(shù)字工程原理與方法教學內(nèi)容的安排包括核心內(nèi)容和擴展內(nèi)容兩方面，其中核心內(nèi)容以教材為基礎，是完成課程學習的基本目標；擴展內(nèi)容從現(xiàn)有技術發(fā)展的要求出發(fā)，教師可結(jié)合空間信息技術發(fā)展的最新動態(tài)，講授與課程內(nèi)容密切相關的最新前沿技術。

在核心內(nèi)容的教學上，需要講解清楚數(shù)字工程的基本概念，從數(shù)字工程產(chǎn)生的背景入手，讓學生掌握數(shù)字工程的總體框架，并結(jié)合軟件工程技術，理解數(shù)字工程技術支撐體系中3類技術方法（計算機、網(wǎng)絡通訊及空間信息處理）的集成應用；從“建立平臺、搭建應用”的基本原理出發(fā)，講解數(shù)字工程基礎平臺的概念與內(nèi)容；從數(shù)字工程領域應用角度，學習數(shù)字工程可視化方法、智能化方法的原理及其在數(shù)字工程中的作用；熟悉數(shù)字工程建設的組織過程，學習其實施過程，了解數(shù)字工程的應用領域；通過實踐項目訓練，形成數(shù)字工程應用軟件項目的設計、實施、控制等實踐能力。為此，在教學內(nèi)容組織上，應密切結(jié)合專業(yè)的培養(yǎng)方案，體現(xiàn)交叉學科的特色，把分散在多學科中與數(shù)字工程技術相關的共同知識點提煉出來，作系統(tǒng)化分析與處理，使其轉(zhuǎn)換為教學內(nèi)容，見表1。在完善知識體系的基礎上，還要突出課程的專業(yè)特點，在課程與相關專業(yè)知識之間實現(xiàn)統(tǒng)一的學習平臺，使學生的知識體系結(jié)構(gòu)有牢固的基礎。

然而，信息技術的發(fā)展日新月異，在講授核心教學內(nèi)容基礎上，課程教學也應緊跟相關技術發(fā)展，保證課程內(nèi)容與時俱進。為了實現(xiàn)課程內(nèi)容的新穎性、現(xiàn)勢性，在課堂教學過程中應將新技術、新應用補充進來，將最新的數(shù)字工程應用項目的技術細節(jié)、實施過程更新到教學內(nèi)容及實踐教學內(nèi)容中，作為教學上的擴展內(nèi)容。例如，最近幾年來，云平臺和大數(shù)據(jù)技術是解決時空信息存儲、管理、分析與應用的基礎設施和技術手段，在核心教學內(nèi)容中，這些方面均未涉及，而隨著信息獲取手段、硬件存儲和網(wǎng)絡傳輸能力的快速發(fā)展，這些新設施、新技術的應用，已經(jīng)進入數(shù)字工程的項目實施中。因此，在新的教學內(nèi)容上，引入大數(shù)據(jù)（大數(shù)據(jù)應用背景、大數(shù)據(jù)應用目標、大數(shù)應用特點、大數(shù)據(jù)應用原則、大數(shù)據(jù)應用途徑）、云計算（云計算互操作和集成標準、云計算服務目錄管理、云計算安全和隱私、MapReduce計算框架）內(nèi)容作為擴展層次的教學知識點，既滿足了課程教學的需求，也開闊了學生的視野，保證了教學內(nèi)容的現(xiàn)勢性。

3 配套教學條件

配套的教學條件是數(shù)字工程課程教學質(zhì)量的重要保障，該內(nèi)容主要體現(xiàn)在教材建設（包括實踐教材）、特色（專業(yè)）實驗室、網(wǎng)絡教學平臺及實踐案例庫建設4個方面。

3.1 教材建設

作為教育部特色專業(yè)，學校對空間信息與數(shù)字技術專業(yè)建設非常重視，而數(shù)字工程的原理與方法是空間信息與數(shù)字技術專業(yè)的主干課程，因此我們課程的教材建設走在了全國前列。2006年，課程組就主持編著了《數(shù)字工程原理與方法》，并成為“十一五”規(guī)劃教材及教育部精品教材；2011年我們對該教材進行了改版（第二版），突出了新技術的發(fā)展，為順利完成課程教學奠定了良好的基礎。此外，配套的實驗講義《數(shù)字工程原理與方法實驗指導》也已成型，為理論教學的實踐指導提供了關鍵的素材，目前，實踐教學教材也納入國家規(guī)劃教材?？傮w上，通過課程的理論、實踐教材建設，保證了學生使用該教材時更容易理解和掌握數(shù)字工程的實施技術與手段，提高了學生的動手能力，激發(fā)了學生學習的積極性和主動性。

3.2 課程實踐基地與特色（專業(yè)）實驗室

通過多年的課程建設，結(jié)合不斷的科學研究活動，我們?yōu)檎n程開展創(chuàng)造了良好的硬件環(huán)境，先進的實驗儀器設備直接向課程教學與實踐開放。在課程教學中，國家地理信息局數(shù)字工程研究中心為本課程的實踐學習提供了良好的設施基礎。此外，武漢大學智能可視化和空間信息移動服務等特色實驗室，也專門針對教學中的智能化和可視化技術、數(shù)字工程平臺建設等主要教學主題，提供了現(xiàn)實的項目應用藍本，在教學中發(fā)揮了重要作用，使學生通過課程實踐，親身體會到利用先進教學設備展示的數(shù)字工程應用效果。此外，數(shù)字考古研究室的最新成果也為數(shù)字工程應用（數(shù)字考古）提供了直觀的范例，很好地促進了課程教學效果。

3.3 網(wǎng)絡平臺

網(wǎng)絡平臺為快速、高效地實現(xiàn)師生互動、展示教學內(nèi)容提供了良好的途徑。為促進課程教學，學校建立了開放式的課程網(wǎng)站（湖北省精品課程），為學生提供教學資源和交流平臺。教學過程中，教師還利用即時通訊工具為學生在線答疑，例如每屆學生都建立了師生課程學習群（QQ群），教師可以通過文字、語音與學生實時進行信息交流和互動。除了針對每個年級的通用交流平臺以外，我們在教學過程中通過精品課程網(wǎng)站，針對學生提問較多的知識點，設置了專門的討論空間作為答疑、學習以及其他交流通道，充分利用了互聯(lián)網(wǎng)資源，提高了問題解答的效率。

3.4 教學案例庫

案例庫對于促進理論教學具有重要的作用。為提高教學效果[4]，本課程教學中建立了教學案例庫，并給學生提供實際項目的全套需求、設計文檔及源代碼。在10多年數(shù)字工程項目開發(fā)實踐基礎上，我們針對“數(shù)字工程”理論教學需求，在教學過程中開發(fā)配套的案例庫系統(tǒng)，選取的應用領域均來自多年來項目建設的實例，主要包括數(shù)字城市、數(shù)字電力、數(shù)字水利、數(shù)字環(huán)保、數(shù)字國土、數(shù)字農(nóng)業(yè)等重點數(shù)字行業(yè)應用，從行業(yè)應用的背景介紹、支撐技術（如網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術、軟件服務架構(gòu)等）、應用需求、設計、維護等各個方面，對案例的內(nèi)容進行系統(tǒng)的闡述；對于部分大型工程項目，甚至包括招、投標信息，也進行了針對性的編輯和精簡處理，提取與理論教學知識點相對應的案例庫，較真實地還原數(shù)字工程項目建設涉及的理論知識、關鍵技術、流程和內(nèi)容，為學生提供全面的知識點深入學習和實踐項目建設參考[2]。

案例教學效果體現(xiàn)在兩個方面：首先，課程的實踐內(nèi)容都來源于歷年來的實際工程項目，實踐內(nèi)容對學生非常具有吸引力，通過參觀項目的演示，學生了解了項目的大致內(nèi)容及實際作用，激發(fā)了學生探索技術細節(jié)方面的熱情，教師在教學中作適當引導，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識；其次，對于某些優(yōu)秀的成果，可以應用在實際項目中，或參與國內(nèi)技能大賽，促進學生的學習積極性，加強其動手能力，不少學生的課程實踐作品多次獲得業(yè)內(nèi)頂級公司或教育部組織的頂級行業(yè)技能大賽獎，該方式不但提高了學生的學習興趣和積極性，優(yōu)秀實踐成果也可以轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，促進了案例建設。

4 教學方法

本課程在教學中采用課堂教學與實驗、實習等實踐性環(huán)節(jié)相結(jié)合的方式，注重理論聯(lián)系實際。利用本專業(yè)校級精品課程網(wǎng)站的豐富資源，教師在主講的單模式中，逐漸滲入討論式、啟發(fā)式、參與式等多種教學方法；組織學生利用各種工具重構(gòu)知識，將視聽媒體教學與傳統(tǒng)教學結(jié)合、數(shù)字化學習與傳統(tǒng)學習結(jié)合、自主學習與協(xié)作學習結(jié)合[5-6]；采用案例教學、基于問題學習、任務驅(qū)動式教學、情景模擬教學、合作式學習等多種形式的教學策略，激發(fā)學生的學習興趣，提升學生對知識的綜合運用能力和實踐操作能力。

（1）個性化培養(yǎng)教學法。在教學中采用教師為主導、學生為主體、學教并重、個體差異化的教學模式，重視網(wǎng)絡環(huán)境下的自主學習與協(xié)作學習，實現(xiàn)教師主導地位和學生主體地位的和諧統(tǒng)一。轉(zhuǎn)變教學觀念，變以教師為主體的“滿堂灌”教學方式為“互動”式教學，以提示、引導、啟發(fā)、討論的方式激發(fā)個體的學習積極性和主動性，及時支持和肯定，幫助學生參與討論，活躍課堂氣氛。

（2）融合實踐與案例教學。在掌握課堂教學理論知識的前提下，充分利用特色實驗室和課程實踐基地的功能，加深學生對教學知識點的理解和運用能力。在教學中采用知識體系概論（總體）—知識點強化訓練—分組項目實踐集成（總體）的“總分總”教學設計，兼顧理論講解和實踐過程的系統(tǒng)化。將案例教學法應用于理論教學環(huán)節(jié)中，在案例教學中，通過對教學過程的詳細分析，采用“案例導入、理論講授、案例分析、案例討論和理論歸納”五步教學流程，用實際案例輔助純理論教學的不足，進行案例實證刺激，使教學內(nèi)容易于理解，便于學生掌握。

（3）突出教學重點、難點，采用由淺入深、由基礎到應用的漸進式教學思路。教學過程中，針對重、難點知識點，設計了“教師預講—學生課外查閱資料—學生課堂發(fā)言—教師點評與總結(jié)”的探索式教學理念，調(diào)動學生的學習積極性和主動性。例如，課程教學內(nèi)容中的數(shù)字工程“可視化技術”和“智能化技術”是兩個教學難點，在教學時除理論教學外，還要組織學生參觀相關項目成果，鼓勵學生搜集相關領域項目信息，對可視化技術和智能化技術在實際工程應用中反映的設計思路、功能表達以及面向的業(yè)務領域進行討論分析。

（4）多種形式考核，綜合評判學生能力。除平時布置思考題外，教師鼓勵學生主動提問，并在實踐中尋找解決方法。例如，作為教學環(huán)節(jié)，項目工程投標就是一項鍛煉學生總體把握綜合實效的策略。常規(guī)的教學和實踐活動往往從知識、技能角度考慮學生的培養(yǎng)，很難從整個項目的宏觀角度考慮整個項目的技術思路、成本等問題。為了鍛煉學生這方面的能力，采取教師提出工程項目，從技術、成本、環(huán)境、規(guī)模等方面提出一些具體要求，學生以小組為單位，進行模擬投標競爭、答辯，最后進行評比。此方式既鍛煉了學生的團隊協(xié)作，也提高了教師對數(shù)字工程項目建設的總體把握能力。

5 結(jié) 語

空間信息與數(shù)字技術專業(yè)的主干課程數(shù)字工程的原理與方法，精煉了信息化社會背景下數(shù)字工程建設過程中相關的理論方法，是軟件工程技術在空間信息應用領域的具體應用。在教學內(nèi)容中合理引入現(xiàn)勢進展資料，完善教學配套條件，改革教學方法，是提高該課程教學效果的關鍵。下一步，本團隊將在網(wǎng)絡教學平臺、教學案例庫建設上，基于理論教學的具體內(nèi)容（教學知識點），從改進網(wǎng)絡教學平臺的師生互動效果、案例系統(tǒng)的環(huán)境模擬簡易化方面，進一步加快進度，促進理論教學與實踐環(huán)節(jié)的聯(lián)系和相互補充，幫助學生更好地完成本課程理論基礎的學習。

參考文獻：

[1] 邊馥苓. 數(shù)字工程的原理與方法[M]. 2版. 北京： 測繪出版社， 2011： 91-95.

[2] 沙宗堯.“數(shù)字工程”理論授課中的案例教學法及案例庫建設[J]. 計算機教育， 2016（16）： 109-114.

[3] 袁小華， 王令群， 張書臺.“數(shù)字工程的原理與方法”課程的教學探索[J]. 工業(yè)和信息化教育， 2015（5）： 27-30.

[4] 王華榮. 以案例教學推動大學課堂教學模式改革的實踐與探索[J]. 中國大學教學， 2011（4）： 62-64.

[5] 李猜. 高校教學模式的立交橋構(gòu)建：試析高校自學為主教學模式的科學性與可行性[J]. 現(xiàn)代教育科學（高教研究版）， 2003（5）： 101-102.

[6] 劉祥霞， 蔚文靖. 現(xiàn)有教學條件下互動式教學模式研究[J]. 人力資源管理， 2014（10）： 215-216.

（編輯：孫怡銘）