新工科背景下的“測量學”教學改革研究

鄧念武 金銀龍 劉玉新 劉任莉

[摘 要] 新工科是我國工程教育的改革方向，武漢大學水利水電學院根據新工科的要求更新了本科教育的培養目標，“測量學”作為水利類專業的專業基礎課，需要與時俱進地進行教學改革。該文對測繪學這門古老而又快速發展的學科進行了分析;結合水利類專業的要求，在“繼承與創新、交叉與融合”理念的支持下，對教學內容進行了更新和改革。該文結合新時代的教育教學理念，探討了“測量學”“以學生為中心”的翻轉課堂教學方式;針對“測量學”理論與實踐結合緊密的課程特點，研究了虛擬實驗與實體實驗相互補充、相互促進的“虛實結合”實驗教學方法。

[關鍵詞] 新工科;翻轉課堂;虛擬實驗

新工科（Emerging Engineering Education，3E）是基于國際競爭新形勢、國家發展新需求、立德樹人新要求提出的工程教育改革的方向[1]。鐘登華院士認為：新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，達到培養多元化、創新型卓越工程人才的目標[2]。

武漢大學水利水電學院結合新工科的要求，對本科生的培養目標進行了更新：培養具有堅定民族精神和開闊國際視野、強烈社會責任感和使命感，人格健全，知識寬厚，能力全面，能夠引領未來社會進步、文明發展的杰出人才。畢業生在水利水電工程及相關領域具有就業競爭力，并有能力進入研究生階段學習;能夠通過繼續教育或其他終身學習途徑拓展自己的知識和能力;畢業后能夠承擔水利水電工程及相關領域的勘測、規劃、設計、施工與管理工作;畢業后經過5年左右實際工作的鍛煉，預期獲得職業工程師資格或者具備相當水平的工作能力;能夠在工作團隊中作為核心成員或領導者有效地發揮作用。

“測量學”作為水利類本科生必修的專業基礎課[2]，如何在新工科和現代教育理念思想的指導下，在測繪科學和水電科學高速發展變化的時代，在強調“繼承與創新、交叉與融合”氛圍下，充分利用現代科學技術手段組織好“測量學”課程建設與教學，是值得我們思考和研究的問題。

一、教學內容和實驗內容的改革

測繪學是一門古老而又不斷發展變化的學科。根據赫爾默特的定義，傳統測繪學是利用測量儀器測定地球表面自然形態的地理要素，以及地球表面人工設施的形狀、大小、空間位置及其屬性等，然后根據儀器的觀測數據通過地形圖制圖的方法將上述信息按照一定比例繪制成地圖[4]。隨著計算機技術、信息技術和通信技術的高速發展及其在各行各業中的不斷滲透和融合，使得測繪學從理論到手段都發生了革命性的變化，向以“3S”技術（Global Navigation Satellite System，GNSS;Geographic Information System，GIS;Remote Sensing，RS）為代表的現代測繪新技術發展[3]。

水利類專業的本科生在學習“測量學”課程時，不僅需要學習測繪基礎知識，更重要的是了解和熟悉測繪科學的前沿、同時具有將測繪科學前沿技術應用到水利類專業的能力。筆者認為，“繼承與創新、交叉與融合”的理念在“測量學”教學改革中應該得到充分的體現。

“測量學”作為水利類專業的專業基礎課，需要處理好教學學時的有限性與測繪學科知識體系龐大之間的矛盾，必須有選擇地對內容進行取舍。傳統測繪是水利工程規劃、設計、施工和運營階段不可或缺的技術，目前這部分內容是水利類專業“測量學”講述的主要內容。鑒于此，“測量學”的內容應該包括傳統測繪學的內容：測繪科學概述;傳統確定點三要素的儀器結構、觀測原理、觀測方法、誤差及其消減方法等;測量誤差的基本知識;傳統的平面控制和高程控制;大比例尺電子數字化測圖及其應用等。

為了熟悉現代測繪科學技術的發展，在“測量學”教學內容中必須要加入現代測繪科學的內容。這些內容包括：全球定位系統測量的基本原理和應用;地理信息系統的概念、硬件和軟件組成、主要特性、在工程建設中的應用;攝影測量學的基本原理、數字攝影測量、遙感的概念、遙感信息傳輸與處理、遙感技術的應用。

“測量學”教學不僅需要介紹傳統測繪技術與水利學科融合，更需要介紹現代測繪技術與現代水利科學的融合，例如“3S”技術在水利工程中的應用等。由于學時的限制，可以將這一部分作為專題進行介紹，為學生打開一扇測繪學科與水利學科融合的窗口，有利于學生深入地學習和進行科學研究。

“測量學”是理論與實踐結合緊密的課程，伴隨教學內容的更新，實驗內容也需要及時調整。傳統實驗包括：等外水準測量、四等水準測量、水準儀的檢驗和校正、測回法、全圓測回法、經緯儀（全站儀）的檢驗和校正、豎直角和距離測量、電子地圖的測量、施工放樣等。更新實驗包括：GNSS接收機的使用、GIS軟件的熟悉和使用、遙感影像的了解和認識、三維激光掃描儀的應用等。

創新性是新工科的必然要求，為了將測繪科學技術更好地應用到水利及相關學科中，筆者還設計了創新性實驗項目：武漢大學古建筑逆向三維建模、基于三維點云的地形圖繪制、基于BLK360掃描儀的BIM模型、基于GIS的洪水淹沒面積推演、基于遙感影像的水利工程監測等，作為“測量學”本科教學的擴展。

二、教學方式的改革

（一）學習金字塔理論

美國著名學習專家埃德加·戴爾提出了“學習金字塔”理論。他以語言學習為例，統計和分析了對某內容初次學習兩個星期后，能夠記住所學內容（平均學習保證率）的比例。具體地講，采用“聽講”“閱讀”“聲音/圖片”“示范/演示”“小組討論”“實際演練/做中學”“馬上應用/教別人”這七種方式進行學習，兩周后分別能夠記住內容的5%、10%、20%、30%、50%、75%、90%。其中前四種學習方式為被動學習，效率較低，平均學習保證率最多只有30%。后三種學習方式為主動學習，效率較高，平均學習保證率可以達到90%。由此可以反映出學習方法在學習效率上具有巨大差異。鑒于此，我們的教育方式必須由“教師為主導，學生被動學習”轉化為“學生為中心、自主學習”的模式[4-6]。

（二）基于翻轉課堂的“測量學”教學模式

翻轉課堂（Flipped Classroom）是指學生在課前先觀看課件和視頻講解，進行自主學習;課堂中進行學生間、師生間面對面的交流學習心得、答疑解惑、合作探究，最終以實現教學目標為目的的教學方式[5]。翻轉課堂是運用現代信息技術實現知識傳授與知識轉化的“顛倒式”教學模式，是一種能夠激發學習興趣，增強學習能力的有效手段，真正體現“以學生為中心”的現代教育理念。[6]

翻轉課堂的新方式分為任務驅動、意義建構、探討協作、評價交流等四個部分[5]。課前學生進行自主學習和意義建構，充分發揮學生的主觀能動性，有利于自主學習，不主觀依賴于課堂知識傳授習慣的養成。課堂探討協作和評價交流必須在教師的引導下進行，通過交流討論，發現問題、分析問題和解決問題，啟發學生思維，有利于學生創新性思維的養成。

課前一周，教師進行內容布置，以及完成相關任務（如思考題和作業等）。在“任務驅動”下觀看相關資料，學生可以根據自身情況進行進度安排，同時需要完成任務，在一定程度上進行了本階段的“意義構建”，形成了一定的知識結構。課前部分包括了“聲音/圖片”的學習，并包含“做中學”;由于有上課時“探討交流”的壓力，對知識的掌握相對來講會深刻一些。對于不懂的問題會反復觀看，并進行筆記整理。同時教師要求學生梳理課前布置的相關內容，提出自己的問題和想法，以便于上課時討論。

上課時在教師和學生問題導向的前提下進行“探討協作”。提前將全班同學分為幾組，每組6人左右進行探討。過程中包含“小組討論”和“教別人”。“探討協作”階段是解決課前學習問題，運用所學知識進行創新的高階能力的培養，同時也是培養學生合作意識和溝通能力的重要環節。對于學生的共性問題，教師可以采用引導式的方式進行講述;對于個別問題，教師可以單獨答疑解決。“測量學”的教學環節還包括實驗項目，這個過程包含“實際演練/做中學”和“馬上應用/教別人”，該環節是前期課程中解決問題后的實際應用，進一步加深學生對內容的認識和理解，并有利于創新性意識的形成，最后形成完整的本階段的“意義構建”。

“評價交流”是對前面教學過程的總結和反思，是學生展現自我想法和傾聽他人意見的重要環節，是學生知識水平升華的重要環節。學生可以將想法與其他人分享，一方面提高了自己的認知水平和表達能力，另一方面其他同學能在其中獲取靈感，共同進步。

為了達到以上目的，教師和學生必須扮演好自己的角色。

一是教師角色。為了達到“以學生為中心”的目的，教師必須進行總體策劃、編寫劇本、推動劇情發展，并需要在劇情中扮演一定的角色。具體地講，教師是課件和視頻的設計者和制作者，教學活動的組織者，學生學習的指導者和引領者，學生交流中的合作伙伴[7]。針對“測量學”課程的特點，教師的活動主要包括：編寫課件、錄制視頻、編制思考題和習題，上傳相關資料到學習平臺。課前布置自主學習任務;課中重難點講解、引導學生思考、解決學生提出的問題;實驗階段儀器示范操作，解決實際問題;對課程內容進行總結和提煉。課程始于問題，問題的提出可以調動學生的好奇心，激發學生學習的興趣。如介紹“水準儀及其使用”時，可以通過“水往低處流”這一個簡單的自然現象出發，表明地面有高低之分。那么采用什么方法可以判斷地面高低？從而激發學生的好奇心和求知欲。并由此引入“水準測量的基本原理”，以及水準儀需要滿足的條件：儀器必須提供一條水平視線。問題的擴展是升華和提高的過程，引起學生進一步的思考，有利于創造性思維的培養和挑戰性學習習慣的養成。前面問題的擴展包括儀器的擴展，觀測方法的擴展，引起學生更多地思考。課堂活動中除了學生間的探討交流和協作外，教師應根據討論交流情況進行重難點的講解。根據網上上課情況、思考題和習題完成情況，有針對性地展開講解。比如在“水準儀及其使用”一章中，水準管軸與視準軸如何才能保持平行的問題，測量高差還有沒有其他方法，利用水準測量可以解決現實生活中的什么實際問題等。

二是學生角色。學生是教學活動的主體，要從知識被動接受者變為自主學習者、主動交流者和探索者，課前根據教師要求，在以問題為導向的前提下學習課件和視頻等資料，通過自主學習了解和掌握相關知識，盡量解決課件和視頻中提到的問題，有所思考，并提出相關問題;課中根據教師的要求進行分組討論，講述自己對該內容的認識和理解，提出問題，并且和組員進行分析討論，以小組為單位進行歸納總結，提出本小組的觀點和難點，供全班討論，最后在教師的引導下對重點和難點進行分析和總結，有利于進一步思考;課后編寫總結報告，加強對本課程內容的理解，完成本階段的學習。

（三）“虛實結合”的混合式實驗方法研究

虛擬仿真實驗和現場實驗相結合的方式可以提高實驗效率，并且有助于學生創新能力的培養。

虛擬仿真實驗是一種“沉浸式教學”的實踐教學方式，具有明顯區別于傳統實踐教學方式的特點。虛擬仿真實驗的最大特點是借助于多媒體、仿真和虛擬現實技術，在計算機上模擬實驗現場環境，可輔助或部分替代傳統實驗環節，實驗者可以模仿現實環境完成實驗項目，實驗效果在一定程度上可以達到真實環境中所取得的效果[2]。

通過目前“測量學”虛擬實驗項目的建設和實施的效果來看，虛擬實驗教學環節主要解決的問題是：讓學生熟悉儀器的基本結構、熟悉實驗的流程，規范實驗數據記錄順序和格式，熟悉實驗數據的計算方法等。如在等外水準測量虛擬實驗中，學生首先觀看視頻，了解水準儀的基本結構，水準儀的整平和瞄準方法，光學水準儀的讀數方法，等外水準測量的觀測程序等。隨后進行水準測量的虛擬實驗，根據給定的已知高程點的位置和高程、未知點的位置、進行閉合等外水準測量測量，將實驗數據記入規范表格，并進行計算。從而了解和熟悉等外水準測量的全過程。

實地實踐性環節主要解決的問題是：根據教師布置的實驗項目進行路線規劃，利用儀器進行整平（或對中整平）和瞄準工作，根據實測數據進行記錄計算，對不合格的成果進行問題分析和重測等。如在等外水準測量中需要根據現場地形的高低有效地進行路線規劃，整平、瞄準和讀數工作必須手動完成，閉合差如果不滿足要求需要進行分析，查找問題并進行解決;另外還有許多需要注意的細節：如儀器的安全性、水準尺立尺的垂直度、視差等問題。

虛擬實驗和現場實驗相輔相成，先進行虛擬實驗，后進行實地實驗，再在虛擬實驗中鞏固和提高，有利于學生測量實驗規范性操作、記錄計算習慣的養成，同時有助于學生進行創新性實驗研究，同時可以減少實體實驗室的開放與資源共享的難度。

三、結語

我們處于快速發展和不斷變化的時代，測繪科學和水利科學的快速發展和不斷變化，教育理念和教育方式的不斷創新，作為水利類專業的專業基礎課“測量學”也必須緊跟時代的步伐前進。在“繼承與創新、交叉與融合”理念的支持下，本文對“測量學”教學內容的更新進行了探索，在保留傳統測繪學的基本知識的前提下，更多地加入了測繪科學的新技術和新方法，以及其在水利科學中的應用。結合新時代的教育教學理念，探討了測量學“以學生為中心”的翻轉課堂教學方式，分析了翻轉課堂中教師角色和學生角色;針對“測量學”理論與實踐結合緊密的課程特點，研究了虛擬實驗與實體實驗相互補充、相互促進的“虛實結合”實驗教學方法。同時在課前、課中以及實驗教學過程中，注重培養學生的分析能力、實踐經驗、創造力和溝通能力，對培養創新性人才做出本課程的貢獻。

參考文獻

[1]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]鄧念武.“測量學”網絡教學的實踐與思考[J].教育教學論壇，2020（8）：249-251.

[3]寧津生，王正濤.測繪學科發展綜述[J].測繪科學，2006（2）：9-16.

[4]趙紅蕊.教育的復雜性與教學的簡單性——非測繪專業“測量學”教學思考[J].測繪通報，2020（9）：148-150.

[5]姜艷玲，徐彤.學習成效金字塔理論在翻轉課堂中的應用與實踐[J].中國電化教育，2014（7）：133-138.

[6]田會峰，劉永良，趙麗.學習金字塔理論在翻轉課堂教學模式中的應用[J].電氣電子教學學報，2018（2）：18-21，125.

[7]張秀芳.翻轉課堂教學模式下教師的角色定位[J].開封大學學報，2015（6）：52-54.