測量學基礎課程的體驗式教學研究與探索

王阿昊 袁德寶 閻躍觀 唐偉 楊飛

中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院 北京 100083

測量學基礎是測繪工程專業(yè)必修的一門核心課程，也是土木、地質(zhì)、采礦、資源環(huán)境等眾多理工類本科生需要學習的專業(yè)基礎課。本課程旨在讓學生認識到測繪科學與技術(shù)在國民經(jīng)濟發(fā)展、軍事與國防建設以及地球科學研究中的重要地位，學習以3S(GPS、RS和GIS)技術(shù)為代表的現(xiàn)代測繪新技術(shù)的基本概念與理論，掌握先進測繪儀器的原理以及使用方法，具備傳統(tǒng)大比例尺測繪與數(shù)字化測圖的作業(yè)能力，能夠?qū)Χ嘣礈y量數(shù)據(jù)進行科學處理和精度評定[1]。

隨著計算機科學、空間物理學、電子學、信息學的快速發(fā)展，新興測繪儀器層出不窮，測繪科學與技術(shù)得到巨大進步。測量學基礎課程具有極強的專業(yè)性與理論性，知識更新速度快，工程實踐要求高，再加上當前移動互聯(lián)網(wǎng)時代社交媒體與產(chǎn)品對大學生思想的沖擊和影響，傳統(tǒng)的“灌輸型”教學模式已很難滿足學生對測量學基礎課程的興趣，為了提高學生學習的積極性和參與度，備受關注的“體驗式教學”模式提供了一種很好的解決方案[2]。體驗式教學以團隊為形式，學生為中心，通過體驗的手段將教學重心從傳授知識轉(zhuǎn)變?yōu)殚_啟智慧，充分調(diào)動學生的主觀能動性與自主學習熱情[3]，可有效提高學生對測量學基礎課程的興趣，加強專業(yè)基礎知識的掌握，提升學生在測量工程中的實踐能力。

在強調(diào)“繼承與創(chuàng)新、交叉與融合”的新工科背景下，高校理工類應用性課程的教學面臨嚴峻挑戰(zhàn)[4]。本文首先對測量學基礎的課程內(nèi)容、教學任務和培養(yǎng)目標進行梳理，再借鑒其他教育工作者在授課方式和考核形式等方面對測量學基礎課程的改革經(jīng)驗，以此為基礎探索和研究“體驗式教學”在測量學基礎課程中的應用。將自主學習的機制引入課堂，讓學生始終處于主動參與、積極思考的聽課狀態(tài)，增強學生對測量學基礎專業(yè)知識的掌握和工程實踐能力的培養(yǎng)。

1 測量學基礎課程特點

測量學基礎的教材共分為11章，其中前9章為核心教學內(nèi)容，全面細致地闡述了大地測量學中涉及的常規(guī)概念、基本原理和重難點技術(shù)與方法。教材第1章為緒論，對測量學這一基本概念和研究內(nèi)容進行簡要介紹，按學科分類將測量學劃分為6個分支學科，同時詳細介紹了測量學的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。第2章為測量的基本知識，介紹了測量工作的基本內(nèi)容和原則，引入測繪地形圖及施工測量等概念，詳細講解了測量中使用的多種坐標系及高斯投影相關知識。第3章為角度測量，需要學生理解水平角和豎直角的測角原理，掌握經(jīng)緯儀的操作要領，學會使用測回法測量水平角、豎直角，并具備計算豎盤指標差的能力。第4章為高程測量，重點講解水準測量的原理和高程傳遞要領，需要學生掌握水準儀的操作要點，能夠完成水準測量中觀測、檢核、記錄和計算工作，同時了解引起水準測量誤差的多種因素和消除方法。第5章為距離測量與直線定向，介紹了鋼尺量距的一般方法和精密方法，需要學生利用視距測量的方法進行水平距離和高差的測定，學會使用全站儀，并理清方位角之間的關系和推算方法。第6章為測量誤差分析與精度評定，針對測量工作中遇到的系統(tǒng)誤差、偶然誤差進行詳細講解，重點掌握誤差傳播定律，學生具備計算觀測值函數(shù)中誤差的能力。第7章為小區(qū)域控制測量，需要了解控制測量的分類、建網(wǎng)原則、布網(wǎng)方式、精度等級及其適用范圍，學會導線的種類、精度和布設形式，掌握導線的外業(yè)測量方法與內(nèi)業(yè)計算。第8章為地形圖及其成圖方法，對地形圖基本知識和分類進行重點介紹，學生要掌握等高線特性及其描繪方法，可利用CASS軟件完成數(shù)字化測圖工作。第9章為地理空間信息分析與應用，重點講解了目視分析、量算分析、圖解分析、數(shù)理統(tǒng)計分析和數(shù)學模型分析，學生要掌握平整場地土方量的量算方法，學會確定匯水面積，可根據(jù)等高線計算體積等。

從測量學基礎的教學任務和培養(yǎng)目標可以看出，該課程具有以下特點：(1)測量數(shù)據(jù)的獲取、處理與應用涉及高等數(shù)學、矩陣論、空間物理、地球科學、計算機編程以及地圖學等學科的基礎知識，具備很強的專業(yè)性與理論性，學生必須具有良好的知識儲備才能理解多種測量技術(shù)的原理與方法；(2)作為典型的技術(shù)類應用型課程，需要在課堂之外配套充足的實驗課程，使學生熟練掌握常規(guī)測量儀器的使用，提高工程項目的實踐能力，能在多種場景下完成小地區(qū)控制測量的設計、大比例尺地形圖的測繪以及基于計算機的數(shù)字化成圖工作；(3)測量學基礎交叉融合了多種新興學科，隨著新技術(shù)、新儀器的不斷涌現(xiàn)，該課程的知識更新速度較快，為了適應更多更廣泛的工程化應用，需要在課程教學中不斷補充和完善新的測量技術(shù)，使學生及時了解和掌握測量學發(fā)展的最新動態(tài)。

2 測量學基礎的“體驗式教學”模式

最早的體驗學習理論由美國組織行為專家大衛(wèi)·庫伯教授于20世紀80年代提出，其認為體驗學習應以體驗為基礎，是一種持續(xù)的、適應世界的完整過程，不以學習結(jié)果為導向，注重個體與環(huán)境的不斷交互作用，是一種可以創(chuàng)造知識、獲取智慧的學習過程[5]。與以教師為中心的傳統(tǒng)教學模式相比，體驗式教學以學生為中心，以自主學習為機制，通過設計與教學內(nèi)容相關的多元化情景，引起學生的求知欲，啟發(fā)學生的思路，引導學生在實踐過程中構(gòu)建感知、理解知識、產(chǎn)生情感和發(fā)展能力。值得注意的是，體驗式教學中學習主體是學生，教師是學生學習和成長的幫助者，師生之間理應保持一種平等的關系。教師要充分調(diào)動學生的主觀能動性，讓學生在課堂上由被動接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿鳎瑥恼n內(nèi)到課外，將教學內(nèi)容豐富化、多元化，同時注重學生個性化與差異化的教育，這樣才能提高學生學習的參與度和興趣，將自己的感受、體驗的情感、掌握的知識轉(zhuǎn)化為智慧，達到豐富學生精神世界和培養(yǎng)多樣化能力的目的[3]。

本文基于上述體驗學習理論，研究和探索了測量學基礎課程的“體驗式教學”模式，主要模塊包括：測量學應用熱點講座、多媒體互動教學軟件、虛實一體化數(shù)字測圖教學系統(tǒng)、教學科研相結(jié)合等。

2.1 測量學應用熱點講座

在課堂上引入有關測量學應用的熱點新聞、重點時事，不僅能讓抽象的測量學走進生活，還能激發(fā)學生的求知欲。比如2020年7月北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)全面建成，可將央視制作的三集紀錄片《北斗》以講座的形式引入教學環(huán)節(jié)，不但能豐富課堂形式、增強學習過程的趣味性，還能讓學生更加直觀地感受到北斗導航系統(tǒng)的發(fā)展歷程及其在國家發(fā)展戰(zhàn)略中的重要作用與意義。2020年，我國實施了最新一次的珠穆朗瑪峰高程測量，可圍繞紀錄片《登珠峰的人》開展講座，讓學生對測量學基礎中的核心課程(高程測量)具有更深刻的理解和進一步的認識，達到充分調(diào)動學生學習積極性的目的。為了在課堂教學中融入一部分課程思政的元素，可將《大地雄心——國測一大隊紀事》這部講述測繪隊員真實故事的專題紀錄片引入課堂教學，通過震撼人心的畫面、艱難曲折的故事，讓學生了解到測量學在捍衛(wèi)祖國領土主權(quán)和領土完整方面所做的巨大貢獻。作為我國第一部測繪地理信息題材的大型紀錄片，《地圖傳奇》由國家測繪地理信息局與中央電視臺合作拍攝，主要圍繞中國五千年文明史演進過程中出現(xiàn)的重要地圖展開，可以讓學生了解到我國古代至今測繪歷史和重大測繪科技的發(fā)展，同時提高學生在第七章“地形圖及其成圖方法”中的學習興趣。

2.2 多媒體互動教學軟件

測量學基礎課程涉及諸多高等數(shù)學、矩陣論的數(shù)學模型及數(shù)據(jù)處理方法，枯燥的數(shù)學公式讓學生對課程缺乏興趣，復雜煩瑣的推導過程很難讓學生集中注意力。為了解決這一問題，本文提出利用多媒體手段開發(fā)相關數(shù)學模型的軟件和程序，讓學生在交互式的軟件操作中加深對知識點的理解[6]，激發(fā)學生對程序背后公式算法和原理的求知欲，減輕學生在學習過程中的畏難情緒。比如，在手機端開發(fā)界面友好的小程序，實現(xiàn)空間直角坐標系與大地地理坐標系之間的相互轉(zhuǎn)換、高斯投影的快速換算、距離交會和角度交會等運算量較大的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，也可以基于Excel編寫水準測量、導線測量等常規(guī)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理程序。這些多媒體互動教學軟件的使用，不僅讓學生在實踐中加深了對理論知識的理解，更能讓學生明白計算機編程能力在測量學工程化應用中的重要性。

2.3 虛實一體化數(shù)字測圖教學系統(tǒng)

測量學基礎課程十分注重理論知識與實踐能力的結(jié)合，“數(shù)字測圖”作為課程的核心教學內(nèi)容，不僅在實際生產(chǎn)生活中具有覆蓋面廣、服務專業(yè)多的特點，還能有效培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決實際復雜工程問題的能力[7]。中國礦業(yè)大學(北京)測繪系獲批一項教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目，建立了虛實一體化數(shù)字測圖實踐基地，配備多種新興測量儀器和設備，在計算機端搭建的數(shù)字化平臺能以視頻的方式對常規(guī)測量儀器進行介紹，并對各種儀器的使用方法和操作步驟進行展示與教學，充分滿足了學生在線上完成多場景、多元化數(shù)字測圖任務的需求，有效提高了學生線上學習的教學質(zhì)量。在虛實一體化數(shù)字測圖教學系統(tǒng)的幫助下，現(xiàn)已形成課堂教學+實踐教學+創(chuàng)新教學三位一體的智能化數(shù)字測圖課程體系，積極融入的現(xiàn)代化測繪新技術(shù)全方位深化了學生對地形空間數(shù)據(jù)采集、輸入、成圖、繪圖、輸出和管理的整套測繪系統(tǒng)的理解，極大程度提高了學生的學習熱情及其實踐創(chuàng)新能力。

2.4 教學與科研相結(jié)合

目前，測量學基礎課程的教材內(nèi)容普遍具有滯后性，很多理論、算法、模型都配套了成熟完善的解算流程和結(jié)論，枯燥、復雜的公式很難激發(fā)學生的探索熱情與創(chuàng)新意識。為此，教師可將自己從事的科研項目與教學工作相結(jié)合，將科研問題中涉及的測量學知識要點、技術(shù)瓶頸、研究方法、前沿結(jié)論等引入課堂，建立科研創(chuàng)新與基礎理論之間的聯(lián)系[8]。比如測量學基礎中與衛(wèi)星導航密切相關的GPS差分定位技術(shù)，其在礦區(qū)開采沉陷、橋梁變形監(jiān)測等領域有著重要應用，教師可將承擔過的相關工程項目作為經(jīng)典案例，以現(xiàn)場圖片、實驗設計、結(jié)果分析的形式向?qū)W生進行講解與展示，讓學生更加直觀地感受到測量學基礎課程與當前科學研究、工程實踐之間的密切關系，以發(fā)現(xiàn)問題、思考問題的學習模式主動參與到課堂學習中，從而激發(fā)出學生的探索欲和求知欲。教師也可在課前讓學生搜集一些國家大型測繪工程案例的實施資料，也可通過電子圖書館搜索相關重點技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，以便學生在課堂上開展相關討論或辯論，讓科研走進課堂，同時培養(yǎng)學生檢索文獻、閱讀文獻和自主學習的能力。

結(jié)語

本文闡述了測量學基礎課程的主要特點及其在新工科背景下教學工作面臨的諸多挑戰(zhàn)，研究和探索了“體驗式教學”模式在測量學基礎課程的應用，提出了測量學應用熱點講座、多媒體互動教學軟件、虛實一體化數(shù)字測圖教學系統(tǒng)、教學與科研相結(jié)合四大模塊進行體驗式教學，以期提高學生的學習熱情和探索欲，培養(yǎng)學生獨立思考、自主學習的能力，同時夯實學生的基礎專業(yè)知識與工程實踐能力。