教育信息化背景下的“攝影測量學”課程教學改革與實踐

羅 艷，劉 榮，肖根如，王勝平，辛俊偉

(東華理工大學，南昌 330013)

隨著“工業4.0”模式的演進，人類逐漸進入利用信息化技術促進產業變革的時代，信息技術與教育教學的深度融合已經成為新形勢下教育改革的必然趨勢[1]。教育部在《教育信息化2.0行動計劃》中明確提出“三全兩高一大”發展目標[2]，對師生教學和學習的信息化應用水平、信息化素養培養以及“互聯網+教育”平臺建設等工作都指明了方向。

在信息化背景下，無人機技術、大數據、云計算等信息化高新產物也紛至沓來，測繪學科也逐漸在從數字化測繪向信息化測繪發展[3]，龔健雅院士指出，“攝影測量”需要與計算機視覺、人工智能等學科的深度交叉融合[4]，袁修孝、王志勇、卞玉霞等學者紛紛對“攝影測量學”在線開放課程和微課堂建設進行了大量的探索，并取得了很好的效果[5-6]。但是，在“攝影測量學”教學過程中，仍普遍存在教學內容滯后、教學模式單一、課程教學信息化建設落伍等問題。

為順應教育信息化大趨勢，進一步適應新形勢下測繪人才培養需求，筆者對本校近五年來該課程的學生學習達成度情況進行了統計分析，并根據測繪專業工程教育專業認證指標要求，結合多年的教學實踐經驗，對該課程的教學內容、教學手段與考核模式進行了改革。通過引入測繪行業新技術、新知識充實課堂教學資源，采用信息化教學手段，融入多元化教學方法，靈活設置課程考核模式，不斷提高學生的自主學習與創新能力，以期讓該課程的教學工作提質增效。

1 “攝影測量學”課程教學改革的必要性分析

1.1 “攝影測量學”課程特點

“攝影測量學”是測繪專業課程體系中的核心專業課之一，課程內容涉及知識面廣，內容抽象邏輯嚴密，對學生的立體空間感要求高[7]。主要存在以下特點：

1)涉及其他測繪基礎知識面廣。攝影測量學是通過影像來研究信息獲取、數據處理、信息提取以及成果表達的一門信息科學[7]。“攝影測量學”的內容涉及測量學、測量平差、計算機制圖、地圖學、地圖投影、數字圖像處理和地圖數據庫等多種測繪基礎知識，還與地理信息、遙感等學科之間聯系密切。

2)基本概念抽象、公式推導多。在“攝影測量學”課程理論知識中，概念較多且比較抽象，如航向重疊、旁向重疊、絕對定向、相對定向、外方位元素、內方位元素等，學生常常不容易理解。此外，在課程教學中，任課老師需要為學生講授很多數學公式推導過程，如前方交會、后方交會、共線方程、共面方程等，需要學生熟悉微積分、矩陣運算、最小二乘等基礎數學公式，對學生的數學基礎要求較高。

3)對學生的空間立體感要求高。在其教學過程中，一般會涉及到大量影像數據的信息表達、多個空間坐標系之間的轉換，對學生的空間想象能力要求高。如二維空間像點坐標求解三維地面點坐標，在要求學生具備數學基礎外，還需要學生具備空間變換的立體思維。

1.2 “攝影測量學”課程教學存在的問題

經過對本校近五年來該課程上課學生的學習目標達成度情況進行統計分析，結果顯示，約36%的學生對數學公式推導不熟悉，尤其是共線方程的推導相對吃力，45%的學生對傾斜攝影測量、三維模型、點云數據等新概念不太了解，約35%的學生在空間關系模擬上覺得很困難。根據以上統計結果，結合多年教學實踐，筆者認為教師教學和學生學習兩方面都存在一定的問題，主要表現在以下方面：

1)課程內容滯后，無法適應測繪科技發展。新形勢下，攝影測量學飛速發展，普遍超出了人才培養模式及技術能力的革新速度，如大數據時代的云控制攝影測量、點云數據智能挖掘、無人機傳感器等技術發揮了極強的引領作用，不斷帶動攝影測量的突破[8-10]，教育信息化將以專業教學、人工智能及學習科學相結合形成新的研究內容，學生所掌握的知識落后于行業需求。

2)教學模式單一，師生之間有效互動少。以往該課程教學主要是以教師為主體“面對面”的教學為主，存在“灌輸式”“接受式”等弊端[11]，時常受到課堂時間和地點的限制，師生之間有效互動很難保證，也難以實施個性化教學。雖然也有一些高校在測繪學科的精品課程建設方面進行了大量研究與探索，但測繪類精品在線開放課程的建設相對滯后，仍無法滿足新形勢下測繪人才的培養需求。

3)重“教”輕“學”，學生自主學習意識匱乏。學生們在長期的應試教育下，形成目標性的依賴思想，在學習過程中，習慣以“教師、教材、教輔”為中心，以教師的“教”為主，忽略主動“學”，一般由教師設置教學目標，被動式的接受信息，學生的歸納、分析和總結等自主學習能力無法得以提升。但在實際教學中發現，學生不能很好將已學的其它課程知識用于解決攝影測量實際問題，同時也不能將所學的攝影測量知識融匯到其他課程中，缺乏構建知識體系的意識和能力。

2 “攝影測量學”課程教學改革探索與實施

課程教學流程的重組與再造是促進信息技術與教育教學深度融合的關鍵所在[12]。為了有效解決課程教學中存在的問題，提高教師教學質量和學生自主學習能力，主要在以下幾個方面進行課程教學流程重組：第一，課程內容重組，以適應新形勢下測繪人才培養目標；第二，教學手段重組，利用信息化技術建設在線開放課程資源；第三，教學方法重組，提高學生的自主學習能力；第四，評價方式重組，以達成對學生學習情況個性化評價的效果。

2.1 重組課程教學內容，不斷完善課程知識體系

在信息化革命的浪潮中，攝影測量技術也在高速發展，其數據采集手段、影像信息處理技術、成果輸出方式以及產品應用領域都在變革之中，只有將攝影測量新發展、新理論和新技術充分融入到課程教學中，才能不斷提高學生對新技術、新知識的掌握度[12]。針對現有的課程教學內容，進行優化和更新，把整個課程體系大致分為4個部分：①數據采集：在原有的成像系統中補充無人機攝影測量成像技術和視頻成像技術相關知識點；②影像信息處理：在原有的立體測圖原理、單雙像解析原理基礎上，對空中三角測量技術進行拓展，且增加數字攝影測量中特征提取及特征匹配等知識點；③成果輸出：重點講授信息化表達的內容，補充講解點云數據處理、云計算、深度學習等數字圖像處理技術和三維建模技術；④產品應用：采用專題授課的模式對目前最新的攝影測量技術如無人機傾斜攝影測量、貼近攝影測量、云控制攝影測量進行講解。通過對上述4個部分的知識體系更新和完善，得到重組后的課程教學內容體系(如圖1所示)，讓學生學習完該課程后，能夠全方位了解攝影測量技術。

圖1 重組后的課程教學內容體系

在課間實踐環節，緊密結合課程內容，增設數據外業實景模擬采集環節和無人機影像處理內容。利用數字沙盤模型的地形和地貌，模擬無人機影像采集全過程；在原有的垂直航攝的基礎上，增加無人機傾斜數據的內業數據處理流程，增加特征匹配、點云計算、三維重建等內容。實踐教學內容重組情況如表1所示。其中，實驗數據分為樣例數據和案例數據，樣例數據即教師授課采用的樣例數據，案例數據采用實際工程項目數據，讓學生通過獨立思考、設計實驗方案、動手實踐來完成數據處理全過程，更好地培養學生獨立思考及解決實際問題的能力。

表1 攝影測量實踐教學內容

2.2 重組課程教學手段，實現線上、線下有機融合

教育信息化背景下，為教與學提供了更多支撐環境，各種新型的如線上線下、智能教學等將作為新的教學方式，教學改革不僅需要對課程內容進行重組來改革教學內容，更需要創新教學模式、推動教學資源共享來改變教學觀念，進而改變學生的學習模式。

筆者所在的教學團隊以獲批的江西省精品在線開放課程項目建設為契機，從“攝影測量學”的教學內容優化入手，根據攝影測量技術的發展狀況，重新修訂了教學大綱并精選教學內容，梳理課程知識點，對知識點錄制教學講解視頻，以超星泛雅平臺為載體，成功搭建了“攝影測量學”在線開放課程。以課程知識點為節點，共梳理和錄制講解視頻33個，每個知識點的視頻時長為10～15 min，在線開放課程資源的視頻總時長達500 min以上，部分視頻內容還在持續更新中，開放課程主要知識點錄制視頻情況見表2所示。

表2 “攝影測量學”在線開放課程主要知識點情況

在課程教學中，通過融入泛雅平臺的移動學習功能，實現了線上教學的師生互動功能，并面向校內外對課程教學視頻資源共享，基本達到教師能自主進行課程內容建設、學習情況監控、教學資源共享和學生自主學習的目的，進而實現線上、線下教學的有效整合。特別是在2020年新冠肺炎“疫情”期間，單純利用直播網上授課，對學生很難達到以往線下教學的效果，通過融合移動學習資源，要求學生在非教學時間內學習線上精品課程資源，并與任課老師進行線上互動，學生的學習達成情況比以往線下教學效果更佳。

2.3 重組課程教學方法，強化學生自主學習能力

在新形勢下，教學應該由傳統以教師為中心的教學逐步轉向學生為中心的教學[13]。培養適合新時代行業的創新性人才，關鍵的不是學生知識概念掌握的多少，重要的是對科學知識本質的了解和延伸，從而達到對科學精神的培養。在教學方法方面，筆者通過對教學內容進行分層次導學，將課程內容的知識問題化、問題層次化，分層次導學情況如表3所示。

表3 分層次導學情況表

根據教學大綱和教學目標，將教學內容的知識體系問題化，根據知識體系構建一條問題主線，將知識體系學習轉換為問題體系學習，讓學生帶著問題去學，根據大綱確定的基礎知識點，將大綱內容分為3個層級的問題：基礎層、理解層、應用層。①基礎層：主要是一些基本概念、基本規律等內容，如攝影基線、航線要求、核線、同名核線等，要求學生在上課之前通過學習線上開放課程，進行課前預習、線上討論、搜集資料來解決和自我掌握。②理解層：體現學生對基本概念和基本規律的變式運用，如共線條件方程、像點的空間直角坐標變換、空三解算等。采取學生線上預習、教師線下講解、師生線上與線下討論互動、學生課后復習來解決。③應用層(綜合題)：開放型問題。通過教師精講點撥、師生課中討論，并結合目前行業最新的案例分析，注重剖析知識要點，分析知識點之間的內在聯系，以啟發為主，引導學生綜合運用多種基礎知識和基本技能去分析和解決實際問題，且還需涉及到其他相關課程的知識，用于訓練學生的思考能力。此外，在應用層中，根據需求設置相應的實踐環節(如無人機傾斜攝影測量數據處理)，讓學生自主完成該實踐教學內容，從而激發培養學生的獨立思考能力和創新意識。

2.4 重組學生考評方式，推行多元化考核評價

作為教學環節的重要組成之一，學生考核評價對教學起著直接導向性作用。新形勢下，人才培養目標已從傳統的知識型人才轉變為具備解決問題能力、創新能力、協作能力的復合型人才，所以，不能再將標準化考試作為驗證學生學習成效的唯一途徑[14]。

在“攝影測量學”課程教學中，教師應該合理安排教學內容，深入淺出，循序漸進，讓學生從已經熟悉的舊有知識逐步引申構建新的知識，那么教學考評不應聚焦在以考試為標準的終結性評價，更應充分參考這種能凸顯學生主體地位的形成性評價(過程性評價)，對于學生在學習階段中反饋出的進步、思維閃光點給予充分肯定。將這兩種評價體系有機結合來實現既定的教育目標，充分發揮教學評價的導向功能，考核中適當提高形成性評價的比例(與終結性評價占比各50%)；同時也注重形成性評價的多元化，不僅僅依據學生在課堂上的學習過程及學習結果，同時聚焦學生解決問題的綜合素質和能力，并參考基于在線開放課程中的自主學習評價，其中，將過程性評價分解為課堂學習情況(占比20%)，線上預習、線上和線下作業完成情況(占比30%)，課程期中考試(占比30%)，撰寫課程讀書報告或模擬工程項目(占比20%)。評價指標占比見圖2和圖3。且在終結性評價考試中參照“注冊測繪師”考試模式，考核學生的知識應用能力，以主觀題、論述題、案例題等為主，減少客觀記憶性題目的比值。

圖2 學生教學考評指標

圖3 過程性評價指標

通過擺脫考試分數評價導向，形成學習知識與培養能力有機結合的評價導向。學生的學習過程不再僅僅是書本知識的理解和應用，考察學生的方式也不再僅僅是試卷考試，而加強了學生自主學習和解決問題的過程性評價，讓學生加強對知識本質的了解和解決實際問題的延伸，從而達成對學生自主學習和創新能力的培養。

3 結 論

在科學技術高速發展的驅動下，信息技術與教育教學正在逐漸深度融合，對“攝影測量學”進行課程教學改革與創新順應了測繪學科發展的需要，也適應了新形勢下對測繪人才的培養需求。在教學改革中，對課程教學內容進行重組，增加無人機攝影測量、貼近攝影測量等理論教學內容，完善和更新課程知識體系；更新課程教學手段，建設“攝影測量學”在線開放課程，實現線上、線下教學有機融合；優化課程教學方法，教學過程充分融入分層次導學理念；優化學生考評方式，推行多元化考評模式。本課程教學改革意在充分借助信息化教學手段，更新和完善課程知識體系，建設和推廣在線開放課程資源，不斷優化教學方法，強化學生自主學習能力培養，通過將教學改革運用于實踐教學，以期培養新時代社會發展所需的高素質測繪人才。