教育信息化背景下的“攝影測量學(xué)”課程教學(xué)改革與實踐

羅 艷，劉 榮，肖根如，王勝平，辛俊偉

(東華理工大學(xué)，南昌 330013)

隨著“工業(yè)4.0”模式的演進(jìn)，人類逐漸進(jìn)入利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時代，信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合已經(jīng)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(fā)展目標(biāo)[2]，對師生教學(xué)和學(xué)習(xí)的信息化應(yīng)用水平、信息化素養(yǎng)培養(yǎng)以及“互聯(lián)網(wǎng)+教育”平臺建設(shè)等工作都指明了方向。

在信息化背景下，無人機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算等信息化高新產(chǎn)物也紛至沓來，測繪學(xué)科也逐漸在從數(shù)字化測繪向信息化測繪發(fā)展[3]，龔健雅院士指出，“攝影測量”需要與計算機(jī)視覺、人工智能等學(xué)科的深度交叉融合[4]，袁修孝、王志勇、卞玉霞等學(xué)者紛紛對“攝影測量學(xué)”在線開放課程和微課堂建設(shè)進(jìn)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(xué)”教學(xué)過程中，仍普遍存在教學(xué)內(nèi)容滯后、教學(xué)模式單一、課程教學(xué)信息化建設(shè)落伍等問題。

為順應(yīng)教育信息化大趨勢，進(jìn)一步適應(yīng)新形勢下測繪人才培養(yǎng)需求，筆者對本校近五年來該課程的學(xué)生學(xué)習(xí)達(dá)成度情況進(jìn)行了統(tǒng)計分析，并根據(jù)測繪專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證指標(biāo)要求，結(jié)合多年的教學(xué)實踐經(jīng)驗，對該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段與考核模式進(jìn)行了改革。通過引入測繪行業(yè)新技術(shù)、新知識充實課堂教學(xué)資源，采用信息化教學(xué)手段，融入多元化教學(xué)方法，靈活設(shè)置課程考核模式，不斷提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，以期讓該課程的教學(xué)工作提質(zhì)增效。

1 “攝影測量學(xué)”課程教學(xué)改革的必要性分析

1.1 “攝影測量學(xué)”課程特點

“攝影測量學(xué)”是測繪專業(yè)課程體系中的核心專業(yè)課之一，課程內(nèi)容涉及知識面廣，內(nèi)容抽象邏輯嚴(yán)密，對學(xué)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(chǔ)知識面廣。攝影測量學(xué)是通過影像來研究信息獲取、數(shù)據(jù)處理、信息提取以及成果表達(dá)的一門信息科學(xué)[7]?！皵z影測量學(xué)”的內(nèi)容涉及測量學(xué)、測量平差、計算機(jī)制圖、地圖學(xué)、地圖投影、數(shù)字圖像處理和地圖數(shù)據(jù)庫等多種測繪基礎(chǔ)知識，還與地理信息、遙感等學(xué)科之間聯(lián)系密切。

2)基本概念抽象、公式推導(dǎo)多。在“攝影測量學(xué)”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(nèi)方位元素等，學(xué)生常常不容易理解。此外，在課程教學(xué)中，任課老師需要為學(xué)生講授很多數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)過程，如前方交會、后方交會、共線方程、共面方程等，需要學(xué)生熟悉微積分、矩陣運算、最小二乘等基礎(chǔ)數(shù)學(xué)公式，對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高。

3)對學(xué)生的空間立體感要求高。在其教學(xué)過程中，一般會涉及到大量影像數(shù)據(jù)的信息表達(dá)、多個空間坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，對學(xué)生的空間想象能力要求高。如二維空間像點坐標(biāo)求解三維地面點坐標(biāo)，在要求學(xué)生具備數(shù)學(xué)基礎(chǔ)外，還需要學(xué)生具備空間變換的立體思維。

1.2 “攝影測量學(xué)”課程教學(xué)存在的問題

經(jīng)過對本校近五年來該課程上課學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成度情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示，約36%的學(xué)生對數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)不熟悉，尤其是共線方程的推導(dǎo)相對吃力，45%的學(xué)生對傾斜攝影測量、三維模型、點云數(shù)據(jù)等新概念不太了解，約35%的學(xué)生在空間關(guān)系模擬上覺得很困難。根據(jù)以上統(tǒng)計結(jié)果，結(jié)合多年教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)兩方面都存在一定的問題，主要表現(xiàn)在以下方面：

1)課程內(nèi)容滯后，無法適應(yīng)測繪科技發(fā)展。新形勢下，攝影測量學(xué)飛速發(fā)展，普遍超出了人才培養(yǎng)模式及技術(shù)能力的革新速度，如大數(shù)據(jù)時代的云控制攝影測量、點云數(shù)據(jù)智能挖掘、無人機(jī)傳感器等技術(shù)發(fā)揮了極強的引領(lǐng)作用，不斷帶動攝影測量的突破[8-10]，教育信息化將以專業(yè)教學(xué)、人工智能及學(xué)習(xí)科學(xué)相結(jié)合形成新的研究內(nèi)容，學(xué)生所掌握的知識落后于行業(yè)需求。

2)教學(xué)模式單一，師生之間有效互動少。以往該課程教學(xué)主要是以教師為主體“面對面”的教學(xué)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(xué)。雖然也有一些高校在測繪學(xué)科的精品課程建設(shè)方面進(jìn)行了大量研究與探索，但測繪類精品在線開放課程的建設(shè)相對滯后，仍無法滿足新形勢下測繪人才的培養(yǎng)需求。

3)重“教”輕“學(xué)”，學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識匱乏。學(xué)生們在長期的應(yīng)試教育下，形成目標(biāo)性的依賴思想，在學(xué)習(xí)過程中，習(xí)慣以“教師、教材、教輔”為中心，以教師的“教”為主，忽略主動“學(xué)”，一般由教師設(shè)置教學(xué)目標(biāo)，被動式的接受信息，學(xué)生的歸納、分析和總結(jié)等自主學(xué)習(xí)能力無法得以提升。但在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生不能很好將已學(xué)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(xué)的攝影測量知識融匯到其他課程中，缺乏構(gòu)建知識體系的意識和能力。

2 “攝影測量學(xué)”課程教學(xué)改革探索與實施

課程教學(xué)流程的重組與再造是促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的關(guān)鍵所在[12]。為了有效解決課程教學(xué)中存在的問題，提高教師教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，主要在以下幾個方面進(jìn)行課程教學(xué)流程重組：第一，課程內(nèi)容重組，以適應(yīng)新形勢下測繪人才培養(yǎng)目標(biāo)；第二，教學(xué)手段重組，利用信息化技術(shù)建設(shè)在線開放課程資源；第三，教學(xué)方法重組，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力；第四，評價方式重組，以達(dá)成對學(xué)生學(xué)習(xí)情況個性化評價的效果。

2.1 重組課程教學(xué)內(nèi)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(shù)也在高速發(fā)展，其數(shù)據(jù)采集手段、影像信息處理技術(shù)、成果輸出方式以及產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域都在變革之中，只有將攝影測量新發(fā)展、新理論和新技術(shù)充分融入到課程教學(xué)中，才能不斷提高學(xué)生對新技術(shù)、新知識的掌握度[12]。針對現(xiàn)有的課程教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行優(yōu)化和更新，把整個課程體系大致分為4個部分：①數(shù)據(jù)采集：在原有的成像系統(tǒng)中補充無人機(jī)攝影測量成像技術(shù)和視頻成像技術(shù)相關(guān)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(chǔ)上，對空中三角測量技術(shù)進(jìn)行拓展，且增加數(shù)字?jǐn)z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(dá)的內(nèi)容，補充講解點云數(shù)據(jù)處理、云計算、深度學(xué)習(xí)等數(shù)字圖像處理技術(shù)和三維建模技術(shù)；④產(chǎn)品應(yīng)用：采用專題授課的模式對目前最新的攝影測量技術(shù)如無人機(jī)傾斜攝影測量、貼近攝影測量、云控制攝影測量進(jìn)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(xué)內(nèi)容體系(如圖1所示)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)完該課程后，能夠全方位了解攝影測量技術(shù)。

圖1 重組后的課程教學(xué)內(nèi)容體系

在課間實踐環(huán)節(jié)，緊密結(jié)合課程內(nèi)容，增設(shè)數(shù)據(jù)外業(yè)實景模擬采集環(huán)節(jié)和無人機(jī)影像處理內(nèi)容。利用數(shù)字沙盤模型的地形和地貌，模擬無人機(jī)影像采集全過程；在原有的垂直航攝的基礎(chǔ)上，增加無人機(jī)傾斜數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程，增加特征匹配、點云計算、三維重建等內(nèi)容。實踐教學(xué)內(nèi)容重組情況如表1所示。其中，實驗數(shù)據(jù)分為樣例數(shù)據(jù)和案例數(shù)據(jù)，樣例數(shù)據(jù)即教師授課采用的樣例數(shù)據(jù)，案例數(shù)據(jù)采用實際工程項目數(shù)據(jù)，讓學(xué)生通過獨立思考、設(shè)計實驗方案、動手實踐來完成數(shù)據(jù)處理全過程，更好地培養(yǎng)學(xué)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(xué)內(nèi)容

2.2 重組課程教學(xué)手段，實現(xiàn)線上、線下有機(jī)融合

教育信息化背景下，為教與學(xué)提供了更多支撐環(huán)境，各種新型的如線上線下、智能教學(xué)等將作為新的教學(xué)方式，教學(xué)改革不僅需要對課程內(nèi)容進(jìn)行重組來改革教學(xué)內(nèi)容，更需要創(chuàng)新教學(xué)模式、推動教學(xué)資源共享來改變教學(xué)觀念，進(jìn)而改變學(xué)生的學(xué)習(xí)模式。

筆者所在的教學(xué)團(tuán)隊以獲批的江西省精品在線開放課程項目建設(shè)為契機(jī)，從“攝影測量學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化入手，根據(jù)攝影測量技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，重新修訂了教學(xué)大綱并精選教學(xué)內(nèi)容，梳理課程知識點，對知識點錄制教學(xué)講解視頻，以超星泛雅平臺為載體，成功搭建了“攝影測量學(xué)”在線開放課程。以課程知識點為節(jié)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(dá)500 min以上，部分視頻內(nèi)容還在持續(xù)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(xué)”在線開放課程主要知識點情況

在課程教學(xué)中，通過融入泛雅平臺的移動學(xué)習(xí)功能，實現(xiàn)了線上教學(xué)的師生互動功能，并面向校內(nèi)外對課程教學(xué)視頻資源共享，基本達(dá)到教師能自主進(jìn)行課程內(nèi)容建設(shè)、學(xué)習(xí)情況監(jiān)控、教學(xué)資源共享和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的目的，進(jìn)而實現(xiàn)線上、線下教學(xué)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(wǎng)上授課，對學(xué)生很難達(dá)到以往線下教學(xué)的效果，通過融合移動學(xué)習(xí)資源，要求學(xué)生在非教學(xué)時間內(nèi)學(xué)習(xí)線上精品課程資源，并與任課老師進(jìn)行線上互動，學(xué)生的學(xué)習(xí)達(dá)成情況比以往線下教學(xué)效果更佳。

2.3 重組課程教學(xué)方法，強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

在新形勢下，教學(xué)應(yīng)該由傳統(tǒng)以教師為中心的教學(xué)逐步轉(zhuǎn)向?qū)W生為中心的教學(xué)[13]。培養(yǎng)適合新時代行業(yè)的創(chuàng)新性人才，關(guān)鍵的不是學(xué)生知識概念掌握的多少，重要的是對科學(xué)知識本質(zhì)的了解和延伸，從而達(dá)到對科學(xué)精神的培養(yǎng)。在教學(xué)方法方面，筆者通過對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分層次導(dǎo)學(xué)，將課程內(nèi)容的知識問題化、問題層次化，分層次導(dǎo)學(xué)情況如表3所示。

表3 分層次導(dǎo)學(xué)情況表

根據(jù)教學(xué)大綱和教學(xué)目標(biāo)，將教學(xué)內(nèi)容的知識體系問題化，根據(jù)知識體系構(gòu)建一條問題主線，將知識體系學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為問題體系學(xué)習(xí)，讓學(xué)生帶著問題去學(xué)，根據(jù)大綱確定的基礎(chǔ)知識點，將大綱內(nèi)容分為3個層級的問題：基礎(chǔ)層、理解層、應(yīng)用層。①基礎(chǔ)層：主要是一些基本概念、基本規(guī)律等內(nèi)容，如攝影基線、航線要求、核線、同名核線等，要求學(xué)生在上課之前通過學(xué)習(xí)線上開放課程，進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、線上討論、搜集資料來解決和自我掌握。②理解層：體現(xiàn)學(xué)生對基本概念和基本規(guī)律的變式運用，如共線條件方程、像點的空間直角坐標(biāo)變換、空三解算等。采取學(xué)生線上預(yù)習(xí)、教師線下講解、師生線上與線下討論互動、學(xué)生課后復(fù)習(xí)來解決。③應(yīng)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(jié)合目前行業(yè)最新的案例分析，注重剖析知識要點，分析知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系，以啟發(fā)為主，引導(dǎo)學(xué)生綜合運用多種基礎(chǔ)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(guān)課程的知識，用于訓(xùn)練學(xué)生的思考能力。此外，在應(yīng)用層中，根據(jù)需求設(shè)置相應(yīng)的實踐環(huán)節(jié)(如無人機(jī)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理)，讓學(xué)生自主完成該實踐教學(xué)內(nèi)容，從而激發(fā)培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力和創(chuàng)新意識。

2.4 重組學(xué)生考評方式，推行多元化考核評價

作為教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成之一，學(xué)生考核評價對教學(xué)起著直接導(dǎo)向性作用。新形勢下，人才培養(yǎng)目標(biāo)已從傳統(tǒng)的知識型人才轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆浣鉀Q問題能力、創(chuàng)新能力、協(xié)作能力的復(fù)合型人才，所以，不能再將標(biāo)準(zhǔn)化考試作為驗證學(xué)生學(xué)習(xí)成效的唯一途徑[14]。

在“攝影測量學(xué)”課程教學(xué)中，教師應(yīng)該合理安排教學(xué)內(nèi)容，深入淺出，循序漸進(jìn)，讓學(xué)生從已經(jīng)熟悉的舊有知識逐步引申構(gòu)建新的知識，那么教學(xué)考評不應(yīng)聚焦在以考試為標(biāo)準(zhǔn)的終結(jié)性評價，更應(yīng)充分參考這種能凸顯學(xué)生主體地位的形成性評價(過程性評價)，對于學(xué)生在學(xué)習(xí)階段中反饋出的進(jìn)步、思維閃光點給予充分肯定。將這兩種評價體系有機(jī)結(jié)合來實現(xiàn)既定的教育目標(biāo)，充分發(fā)揮教學(xué)評價的導(dǎo)向功能，考核中適當(dāng)提高形成性評價的比例(與終結(jié)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(jù)學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)過程及學(xué)習(xí)結(jié)果，同時聚焦學(xué)生解決問題的綜合素質(zhì)和能力，并參考基于在線開放課程中的自主學(xué)習(xí)評價，其中，將過程性評價分解為課堂學(xué)習(xí)情況(占比20%)，線上預(yù)習(xí)、線上和線下作業(yè)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(biāo)占比見圖2和圖3。且在終結(jié)性評價考試中參照“注冊測繪師”考試模式，考核學(xué)生的知識應(yīng)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(xué)生教學(xué)考評指標(biāo)

圖3 過程性評價指標(biāo)

通過擺脫考試分?jǐn)?shù)評價導(dǎo)向，形成學(xué)習(xí)知識與培養(yǎng)能力有機(jī)結(jié)合的評價導(dǎo)向。學(xué)生的學(xué)習(xí)過程不再僅僅是書本知識的理解和應(yīng)用，考察學(xué)生的方式也不再僅僅是試卷考試，而加強了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決問題的過程性評價，讓學(xué)生加強對知識本質(zhì)的了解和解決實際問題的延伸，從而達(dá)成對學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 結(jié) 論

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的驅(qū)動下，信息技術(shù)與教育教學(xué)正在逐漸深度融合，對“攝影測量學(xué)”進(jìn)行課程教學(xué)改革與創(chuàng)新順應(yīng)了測繪學(xué)科發(fā)展的需要，也適應(yīng)了新形勢下對測繪人才的培養(yǎng)需求。在教學(xué)改革中，對課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重組，增加無人機(jī)攝影測量、貼近攝影測量等理論教學(xué)內(nèi)容，完善和更新課程知識體系；更新課程教學(xué)手段，建設(shè)“攝影測量學(xué)”在線開放課程，實現(xiàn)線上、線下教學(xué)有機(jī)融合；優(yōu)化課程教學(xué)方法，教學(xué)過程充分融入分層次導(dǎo)學(xué)理念；優(yōu)化學(xué)生考評方式，推行多元化考評模式。本課程教學(xué)改革意在充分借助信息化教學(xué)手段，更新和完善課程知識體系，建設(shè)和推廣在線開放課程資源，不斷優(yōu)化教學(xué)方法，強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，通過將教學(xué)改革運用于實踐教學(xué)，以期培養(yǎng)新時代社會發(fā)展所需的高素質(zhì)測繪人才。