CDIO模式下水準測量實踐教學探討

（南京郵電大學地理與生物信息學院 江蘇·南京 210023）

測繪工程專業是一門實踐性要求很高的綜合學科，其培養的人才要能夠理解并貫通現代測量、遙感與地理信息系統技術的基本理論，要能夠掌握空間信息的獲取與處理、分析與應用的原理與方法。為培養滿足此專業要求的測繪技術應用型人才，并具備良好的工程理念和學習能力，迫切需要引入新的教育模式應用于測繪工程專業的實踐教學。CDIO工程教育模式是2000年以來麻省理工學院、瑞典皇家工學院等四所大學合作研究創立的。CDIO是Conceive（構思）、Design（設計）、Implement（實現）和Operate（運作）四個單詞首字母的縮寫，此教育模式以工程項目的設計為導向，以創新能力的培養為目標，注重培養學生解決系統工程的技術能力，即整個項目構思、設計、開發和實施的能力，以及培養學生的自學、組織溝通與協調能力。

水準測量用于測定地面點高程，是測繪工程本科生必須掌握的基本技能，是一項能夠直接應用于實際工程的技術，對學生有較高的理論水平和動手能力的要求。測繪工程專業的核心課程《測量學》、《大地測量學》、《控制測量學》和《工程測量》都設立了相應的實踐教學內容，包括：三、四等水準測量和精密水準測量等，占據了此專業測量類實驗實踐課程近1/3的內容。同時，作為全國高等學校大學生測繪技能大賽的指定項目，水準測量體現了其在本科專業實踐教學中的重要程度。因此，探討CDIO模式下水準測量實踐教學的改革和實踐，對培養測繪工程專業學生的工程能力有著重要意義。

1 水準測量實踐教學的現狀

1.1 教學課時不足

現有的實踐教學僅是理論教學相關內容的補充，其強度和內容往往達不到使學生掌握技能的程度。實踐教學通常采用分組操作的模式，學生輪流使用儀器，單人實踐練習的時間有限。經過理論學習和現有的實踐教學之后，部分學生仍然難以熟練使用水準儀，對水準測量的方法和基本步驟也是一知半解，僅僅是機械模仿教師的儀器操作。

1.2 教學內容滯后

實踐教學的形式與實際的行業應用存在較大的出入，過于理論化和教科書化。學校教學儀器的先進性常常滯后于生產實踐中使用的儀器，校內實現場地又通常比實際生產場地更規整，教學內容較真正的測量項目要簡單。同時實踐成果的記錄和考核方式滯后，仍在大量使用紙質記錄冊，存在學生篡改數據、拼湊觀測結果的現象，使得實踐教學效果大打折扣，難以提高學生的專業技術水平。

1.3 教學手段單一

實踐教學仍采用了較為傳統的課堂教學+室外講解的方式，但水準測量觀測值多、操作繁復、計算量大、精度要求高，不便于學生的理解和記憶。在實踐教學中經常出現“測量員邊翻書邊觀測，記錄員邊記錄邊問觀測員”的情況，教學效果不佳。學生對于為何要進行水準測量，如何進行水準測量缺乏獨立思考。教師對于學生的評價也局限于儀器的熟練程度和報告的完整程度，缺乏對學生更高層次的設計能力的鍛煉和考核。

2 水準測量教學項目化

2.1 教學內容多引導

以美國教育心理學家布魯納為代表的建構主義理論認為，學習是學生在主動改造和重組已有經驗的基礎上建構新知識的活動，任務驅動式教學是建構主義理論基礎上以任務為主線、以教師為主導、以學生為主體的方法。為了幫助學生更好地理解水準測量的意義，明確水準測量是高程測量的手段之一，將如何測量高程作為一個任務整體來展開教學。高程測量的教學內容涵蓋了：測量方法（水準測量、三角高程測量、GNSS測量），高程系統（大地高、正高、正常高、力高），高程基準面（大地水準面、似大地水準面、地球橢球面），等級水準測量（二等、三等、四等）。教學內容不局限于儀器操作和測量流程，而是要涵蓋水準測量的意義和理論基礎。根據不同的內容，引導學生進行歸納、類比和綜合，由點到面串聯知識點，培養學生觸類旁通的能力，加強思維的邏輯性和創新型。

通過教學內容的調整，引導學生深入思考。教師要根據實踐教學涉及的知識與技能點，把實踐內容分解成一系列相關聯且逐級遞進的問題，引導學生在構建出知識結構，培養獨立分析解決問題的能力。比如，面對高程測量的任務要求，如何正確選擇測量方法，水準測量相對于其它測量方法，其優勢和缺點是什么？選擇水準測量方法后，最終測量成果是在哪一種高程系統下，該高程系統的基準面和水準原點又是什么？如何根據項目的精度要求，確定水準測量等級？不同等級的水準測量適合使用什么等級的儀器，測量流程又有何不同？通過這些問題，讓學生明白水準測量的意義，而不是簡單地熟悉儀器操作，機械化地重復操作流程。面對生產實踐中的測量項目，能夠自行判斷去選擇適合的高程測量方法，如果選擇水準測量，要能夠獨立完成測量等級、測量儀器和測量流程的選擇。

2.2 教學目標多層次

學習目標推動了學生進行思維活動，其參與的積極性越強，學習的推動力越強，思維強度也就越大。因此，要梳理不同層次的目標，做到理論性和技術性目標的協調統一，一方面按照課程標準，完成課程知識和技能的教學，另一方面又能以思維能力培養為重點，提高學生的創新素質。教學過程中，啟發和引導學生自行將所學知識整合到一起，不僅要“知其然”，更要“知其所以然”。

1956年，美國教育心理學家本杰明·布魯姆提出了“布魯姆認知目標分類體系”，在此體系中，識記、理解、運用、分析、綜合及評價構成了認知學習領域的目標。隨著教學科學的發展，2001年，安德森等人提出了目標的二位框架：知識維度和認知過程維度，修訂了布魯姆教育目標系統，認知過程從低到高分為“識記、理解、運用、分析、評價和創新”六個層級。

識記，指對學習過的基本概念的記憶，通過識記重點是明白水準測量是測量高差實現的。理解，指把握知識的能力，理解不同高程系統的定義，將明確水準測量的成果是正常高系統下的。運用，指把學到的知識應用于解決問題的能力，實施水準測量的程序和成果整理，將實現將所學理論與生產實踐關聯起來。分析，指理解不同部分之間關聯的能力，通過對不同等級水準測量方案的分析，可以根據任務要求選擇相應的水準測量等級。評價，指對材料作價值判斷的能力，通過判斷水準測量方法的優略，可以為任務選擇最適合的高程測量方法。創新，指對材料進行綜合應用和設計的工作，通過對測量知識的綜合運用，最終完成水準測量項目的任務書。

2.3 教學方法多樣化

翻轉課堂起源于美國，它利用豐富的信息資源，將學習的決定權由教師歸還給學生，讓學生成為教與學的主角，在世界各地廣受歡迎。傳統實踐教學中，往往存在幾十人圍觀教師講解的情況，很難照顧每個學生。將翻轉課堂引入到實踐教學中，可以通過多媒體技術、計算機仿真技術等，將實驗項目涉及到的內容制作成微課，加深學生理解，也提高了課堂外學習的趣味性和主動性。微課視頻可以課前分發給學生，并要求學生提前預先，學生之間也可以互相交流、檢查和督促。例如：可用微課表現的水準測量內容為：（1）水準測量的儀器和工具，了解發展歷程、廠商、型號、精度；（2）水準儀的使用，掌握水準儀各部件名稱、作用、操作；（3）水準測量的成果整理，掌握高差閉合差的計算和調整；（4）二/四等水準測量，掌握測量規范、測量程序、測量精度估計。

3 水準測量的項目實施

為了促使學生自主學習、探索研究、相互協作，達到綜合能力培養的目的，教師不直接向學生布置具體任務并教授詳細步驟，而是將學生置于生產應用和科學研究的場景中，引導和啟發學生學習和探索。基于CDIO工程教育理念，制定構思、設計、實施和運行四個環節的教學計劃。

3.1 構思

學生通過微課視頻、仿真軟件、珠峰測量新聞等多種方式，了解水準儀的構造、高程測量原理、水準測量方法等。該階段，教師需要設計并布置工作任務，讓學生了解項目實施要求。學生不僅要學習教師提供的資料，還要學會自主查閱資料。學生需要明確項目的實施思路，知道如何選擇測量方法、測量等級和測量儀器。

3.2 設計

學生進行分組，每組5-6人，結合企業工程項目的人員組織結構，每組可設置項目經理1人，協調組內分工；總工程師1人，負責技術問題；安全總監1人，負責儀器和人員安全；質量總監1人，確保測量數據的質量。每個人同時是本項目的測量工程師。小組內共同討論水準測量方案，編寫測量任務書，明確測量程序、時間安排和人員分工。教師需要巡回指導并提出改進建議，學生反復修改，最終確定實施方案。

3.3 實施

實施過程中，教師現場示范，讓學生加深理解。學生以小組為單位，進行實踐。熟悉儀器操作、測量程序的同時，還要能夠及時檢核測量結果是否在限差范圍內。教師需要及時解答學生問題，糾正錯誤、維護秩序。

3.4 運行

該階段是對項目的評價，教師組織答辯、審核實踐報告、考核實際操作。采用自評、小組成員互評、組間互評以及教師評價的形式對任務的完成情況進行評價，根據標準綜合給出學生的實踐成績。

4 結束語

CDIO教學模式把傳授知識、培養能力和提升素質融合在一起，用于消除教育與工程實踐脫節的問題，形成了“教、學、做一體”的系統化工程教育方案。實驗教學的改革要使學生直接面對工程中的熱點、難點和新問題，培養學生的創新應用能力。教學實踐表明，CDIO模式下水準測量實踐，不僅使學生掌握了基本知識，儀器操作等技能，更是激發了學生的學習興趣，提高了綜合素質和創新能力。