新工科建設(shè)下測量學(xué)教學(xué)改革研究

摘 要：新工科建設(shè)是深化高等工程教育改革的必然路徑。隨著測繪前沿科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)測量學(xué)教學(xué)模式已無法滿足測繪新工科人才培養(yǎng)需求。本文結(jié)合教學(xué)實踐，探討了新工科建設(shè)及信息化測繪背景下，當(dāng)前測量學(xué)課程教學(xué)中存在的不足，并針對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實踐教學(xué)設(shè)計測量學(xué)教學(xué)改革方案，以切實培養(yǎng)新工科建設(shè)背景下的創(chuàng)新型卓越工程技術(shù)人才。

關(guān)鍵詞：新工科建設(shè)；測量學(xué)；測繪新技術(shù)；教學(xué)改革

1 概述

新工科建設(shè)是當(dāng)代中國為了應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革提出的一項持續(xù)深化工程教育改革的重大行動計劃，自2016年提出以來，引起了國內(nèi)外教育界的高度關(guān)注［1］。在新工科建設(shè)中，復(fù)旦共識、天大行動、北京指南、成電方案、“F計劃”等正式發(fā)布并推進，深刻改變了新時代下高校傳統(tǒng)工科的人才培養(yǎng)、教育教學(xué)方案，成為我國工程教育的發(fā)展方向［2］。在此背景之下，如何推進人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)今時代需求的創(chuàng)新卓越工程技術(shù)人才，成為工科專業(yè)建設(shè)需要迫切解決的問題［23］。

測量學(xué)是測繪類、土木類、地質(zhì)類、水利類、礦業(yè)類、交通運輸類等工科類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，是一門理論與實踐緊密結(jié)合的專業(yè)技能課程［4］。理論教學(xué)融入多學(xué)科基礎(chǔ)知識，實踐過程使學(xué)生掌握測量的基本理論、方法和技術(shù)［5］。近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)、遙感新技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)等飛速發(fā)展，測繪科學(xué)技術(shù)已完成由傳統(tǒng)測繪到數(shù)字化的過渡，并逐漸向測繪信息化邁進［67］。傳統(tǒng)測繪科學(xué)與計算機科學(xué)、地理科學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科緊密結(jié)合，機載激光雷達（Light Detection and Ranging，LiDAR）、無人機測繪、合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）等測繪高新技術(shù)日新月異，發(fā)展迅猛，在行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，使得測繪學(xué)科的任務(wù)由傳統(tǒng)的測量和制圖逐漸發(fā)展為服務(wù)于自然資源監(jiān)測、智慧城市建設(shè)、智能交通、國防建設(shè)和生態(tài)保護等國民經(jīng)濟各行各業(yè)。隨著測量理論和技術(shù)多學(xué)科交叉融合的不斷深入，測繪成果推陳出新的速度與日俱增，為了更好地適應(yīng)形勢，將高新技術(shù)融入該課程教學(xué)之中成為重中之重。

目前，測量學(xué)教學(xué)內(nèi)容主要包括測量學(xué)的基礎(chǔ)理論知識、測量原理和方法以及部分傳統(tǒng)測量儀器的原理和基本應(yīng)用，教學(xué)內(nèi)容顯著滯后。而在教學(xué)方式上，仍然多采用以教師講授為主的灌輸式教學(xué)，教學(xué)手段單一，無法滿足學(xué)生對測繪前沿技術(shù)的基本需求，不利于培養(yǎng)學(xué)生利用本專業(yè)知識解決行業(yè)問題的能力，影響學(xué)生求知欲望和整體教學(xué)質(zhì)量。本文在新工科建設(shè)背景下，從國家、企業(yè)和時代對測繪專業(yè)人才的培養(yǎng)需求出發(fā)，結(jié)合測量學(xué)專業(yè)技術(shù)與實踐應(yīng)用領(lǐng)域，思考并探討測量學(xué)教學(xué)改革的內(nèi)容及手段，以適應(yīng)測繪科技的發(fā)展，滿足新工科建設(shè)人才培養(yǎng)需求。

2 測量學(xué)教學(xué)改革的需求背景

2.1 國家需求

測繪是一項貫穿國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和國家建設(shè)的基礎(chǔ)公益性、先行性工作。隨著經(jīng)濟和社會信息化的高速發(fā)展，我國對地理信息數(shù)據(jù)的需求陡然增加，為了能更好地面向全社會提供地理信息數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)測繪交叉融合多學(xué)科多領(lǐng)域技術(shù)已成趨勢，利用現(xiàn)代測繪新手段、新模式，才能更好地滿足現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的測量需求。

為了推動高等教育領(lǐng)域的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，突破創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的瓶頸，國家在“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”基礎(chǔ)上提出新工科建設(shè)這一重大行動計劃。我國正處于高等教育建設(shè)的改革攻堅期，高校開設(shè)測量學(xué)課程，不僅要求學(xué)生掌握傳統(tǒng)測繪的基本知識，更要通過本課程著重培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新能力、實踐能力及綜合應(yīng)用能力，為國家打造復(fù)合型人才，培養(yǎng)前沿引領(lǐng)型人才。

2.2 企業(yè)需求

近幾年來，由于測繪科學(xué)技術(shù)的升級，生產(chǎn)型測繪公司對于煩瑣操作和數(shù)據(jù)推算的需求大大減少，從業(yè)者只需按照要求進行傻瓜式操作便可完成多數(shù)測量任務(wù)，測繪行業(yè)門檻大大降低。由于行業(yè)技術(shù)的升級，可被替代的工作范圍逐漸擴大，人力資源成本降低，導(dǎo)致企業(yè)資金轉(zhuǎn)移至測繪設(shè)備研發(fā)、算法優(yōu)化等前沿領(lǐng)域。服務(wù)型測繪公司由于其企業(yè)性質(zhì)，需要及時了解行業(yè)動向，行業(yè)上限較高，亟須具備發(fā)展?jié)摿Φ母呔鈩?chuàng)新型人才。

傳統(tǒng)測繪知識技能的學(xué)習(xí)和應(yīng)用已無法滿足企業(yè)對測繪從業(yè)者的需求，因此學(xué)校測繪學(xué)科亟須改革培養(yǎng)人才方案，在新工科建設(shè)的背景下，測量學(xué)作為學(xué)生接觸測繪領(lǐng)域的敲門磚，必須面向廣闊的測繪科學(xué)技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)科興趣及創(chuàng)新潛力。

2.3 時代需求

進入21世紀，互聯(lián)網(wǎng)的普及使得中國大學(xué)慕課、云課堂等線上教育資源平臺高速發(fā)展。截至2022年11月，上線慕課數(shù)量超過6.19萬門，學(xué)習(xí)人數(shù)達9.79億人次。高等學(xué)校作為教育改革的“領(lǐng)頭羊”，理應(yīng)適應(yīng)新興信息技術(shù)的發(fā)展，探索新興教學(xué)思路，協(xié)調(diào)線上、線下混合教學(xué)模式，真正發(fā)揮“1+1>2”的教學(xué)效果。目前，線上平臺已經(jīng)形成多元化的學(xué)習(xí)工具和豐富的課程資源，突破了傳統(tǒng)課程時間和空間的限制，如何更好地整合線上線下教育資源，創(chuàng)新教學(xué)方式提升課堂師生交互感，改善融合式教學(xué)能力成為我國高等教育發(fā)展的新挑戰(zhàn)。

3 測量學(xué)教學(xué)中的主要問題

3.1 教學(xué)內(nèi)容更新不及時

測量學(xué)教學(xué)內(nèi)容更新速度較慢，難以與高速發(fā)展的測量新技術(shù)、新方法、新儀器相匹配，勢必會影響人才培養(yǎng)的質(zhì)量［8］。目前，主流測量學(xué)教材內(nèi)容仍然以傳統(tǒng)測繪儀器設(shè)備和測量技術(shù)為主。然而在實際工作中，無人機測繪、LiDAR、InSAR等新技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，這些前沿技術(shù)手段沒有及時更新到測量學(xué)教學(xué)內(nèi)容中。此外，測繪行業(yè)與人工智能、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)深度結(jié)合，而現(xiàn)有的測量學(xué)課程仍以傳統(tǒng)測繪知識為主，基本沒有涉及上述新技術(shù)在測繪行業(yè)的應(yīng)用。測量學(xué)教學(xué)內(nèi)容顯著滯后，沒能跟上行業(yè)發(fā)展的步伐，使得學(xué)生在本科培養(yǎng)階段沒有機會接觸測繪行業(yè)的新技術(shù)和新儀器，導(dǎo)致培養(yǎng)的專業(yè)人才無法滿足社會和行業(yè)需求，提高了學(xué)生踏入社會的門檻。

3.2 教學(xué)手段單一

對于測量學(xué)此類理論性較強、公式復(fù)雜的專業(yè)基礎(chǔ)課程來說，長時間的書寫板書+PPT展示難以吸引學(xué)生注意力，不利于營造積極的課堂氛圍。隨著智能設(shè)備的普及，學(xué)生信息獲取手段逐漸豐富，學(xué)習(xí)思維活躍，而如果仍采用陳舊的專業(yè)技能和知識進行教學(xué)任務(wù)，將直接影響教學(xué)質(zhì)量，限制學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，不滿足新工科建設(shè)的需求。另一方面，在互聯(lián)網(wǎng)時代，知識獲取途徑已經(jīng)大大豐富，學(xué)生網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)和課堂講授同樣重要，在這一形式下，采用啟發(fā)式教學(xué)方式，開展線上線下混合教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)變得格外重要。

3.3 實踐教學(xué)不足

實踐教學(xué)是本科人才培養(yǎng)中不可或缺的環(huán)節(jié)，測量學(xué)因其實用性和實踐性，對學(xué)生的實操和解決問題能力要求更為嚴格。由于教學(xué)手段的單一，學(xué)生對于測量學(xué)理論的理解浮于表面，缺少測量儀器的操作交互，但是在實踐活動中，部分學(xué)生重理論考試、輕實踐操作，應(yīng)付教師實習(xí)任務(wù)，無法將理論與實踐緊密結(jié)合。傳統(tǒng)的實踐教學(xué)中，學(xué)生嚴格按照實驗教案記錄的步驟完成一系列簡單操作，不利于積極發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)中的主觀能動性，限制了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題能力的培養(yǎng)。另一方面，測量學(xué)教學(xué)中的傳統(tǒng)測量儀器、實驗實習(xí)內(nèi)容已無法滿足社會生產(chǎn)單位的生產(chǎn)實踐需求，影響教學(xué)質(zhì)量。

4 新工科背景下測量學(xué)教學(xué)改革建議

在新工科建設(shè)背景下，需要對測量學(xué)這門專業(yè)核心課程的教學(xué)體系進行改革，使其與新工科建設(shè)背景下的時代特征相適應(yīng)。針對此，筆者結(jié)合教學(xué)實踐，總結(jié)了優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)手段、豐富教學(xué)實踐等探索性教學(xué)改革措施。

4.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

新工科建設(shè)背景下的測量學(xué)在教授學(xué)生系統(tǒng)測量學(xué)基礎(chǔ)理論知識的同時，更要注重前沿技術(shù)的課程教學(xué)活動。近年來，地理空間信息獲取的空天地一體化、信息處理的智能化正在成為信息時代測繪學(xué)科的新特征［9］。因此，必須緊跟測繪科技發(fā)展前沿，在測量學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容主線不變的基礎(chǔ)上，適度引入新理論、新技術(shù)，如無人機航測、LiDAR、InSAR和北斗衛(wèi)星等前沿測量手段，提高課堂教學(xué)內(nèi)容的厚度和廣度，完善測量學(xué)教學(xué)內(nèi)容體系，擴充學(xué)生知識面，開拓學(xué)生視野。同時，針對不同專業(yè)的學(xué)生，重點講授與其專業(yè)緊密相關(guān)的測繪新技術(shù)，突出新技術(shù)的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生通過學(xué)科交叉解決行業(yè)問題的創(chuàng)新思維能力。如對于礦業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)，可以著重介紹基于多光譜和高光譜技術(shù)的遙感地質(zhì)填圖，基于無人機傾斜攝影測量和LiDAR的礦山三維地理信息獲取，基于InSAR的礦區(qū)地表形變監(jiān)測，基于多源遙感數(shù)據(jù)的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，基于GIS技術(shù)的智慧礦山管理系統(tǒng)，基于北斗GNSS定位技術(shù)的礦區(qū)邊坡位移沉降監(jiān)測等。

4.2 創(chuàng)新教學(xué)手段

測量學(xué)教學(xué)過程中概念居多，理論較為抽象復(fù)雜，因此在教學(xué)內(nèi)容的組織上要盡可能通俗易懂，多采用視頻、動畫、圖片等形式，讓學(xué)生能直觀地認識和理解所學(xué)知識，從而提高課堂教學(xué)效率。筆者在講授高程測量內(nèi)容時，以測繪珠峰海拔為例，引入高程測量內(nèi)容，通過播放相關(guān)科普和宣傳視頻來提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增加學(xué)生的感性認識。其次，可以探索將“滿堂灌”的課堂逐漸轉(zhuǎn)向互動體驗式課堂，讓學(xué)生思考并參與解決實踐性問題，有效培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和學(xué)習(xí)積極性［10］。筆者在課堂教學(xué)中，會精心挑選一些模塊讓學(xué)生講解和探討，例如，圍繞“測量知識可以起到什么作用”讓學(xué)生分組進行課堂研討，不僅使學(xué)生自主學(xué)習(xí)和了解測繪新技術(shù)及其廣泛應(yīng)用，還開拓了學(xué)生視野，鍛煉了表達能力。此外，互聯(lián)網(wǎng)時代擁有豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容，依托慕課等網(wǎng)課平臺建立測量學(xué)在線課程，集成講解視頻、課件、課后習(xí)題、要點提煉、課后討論等學(xué)習(xí)資料。教師把控教學(xué)進度，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)課程提前預(yù)習(xí)知識點，課堂教學(xué)中教師就重點知識進行著重講解，積極引導(dǎo)學(xué)生擺脫被動灌輸式學(xué)習(xí)習(xí)慣，翻轉(zhuǎn)傳統(tǒng)教學(xué)模式的單向“教”與“學(xué)”的行為關(guān)系。例如，筆者在進行測量學(xué)教學(xué)時，針對角度測量章節(jié)采取翻轉(zhuǎn)課堂的方式，課前布置相關(guān)內(nèi)容交由學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源自主學(xué)習(xí)，初步了解角度測量原理、基本儀器構(gòu)造和具體操作方法等，再由教師針對部分細節(jié)與學(xué)生共同探討，不斷夯實相關(guān)理論基礎(chǔ)并引導(dǎo)學(xué)生不斷深入重點難點，完成知識的內(nèi)化。

4.3 豐富教學(xué)實踐

測量學(xué)是一門實踐性很強的課程，隨著測繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測量設(shè)備、前沿技術(shù)不斷更新，為了更好地培育應(yīng)用型工科人才，高校的實踐教學(xué)也必須不斷更新。但是目前許多高校的測量實驗室實驗設(shè)備陳舊，仍然為傳統(tǒng)的測量設(shè)備，影響了實踐教學(xué)效果，尤其是對于測繪新技術(shù)的實踐教學(xué)，因此需要定期檢校、維護儀器并引進新型測量設(shè)備，為實踐教學(xué)創(chuàng)造良好環(huán)境。測量學(xué)的實踐多以小組為單位，實踐質(zhì)量評價多通過實習(xí)報告得以確定，但在實踐過程中，通常由部分能力較強的同學(xué)完成方案設(shè)計、儀器操作，部分學(xué)生消極對待測量任務(wù)，預(yù)期教學(xué)質(zhì)量大打折扣。因此，在實踐結(jié)束后，需要增加現(xiàn)場實踐考核內(nèi)容，教師指定簡單測量任務(wù)，增加實踐技能評價的客觀性。此外，引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻和資料，自主設(shè)計實踐方案和技術(shù)路線，利用實驗室儀器設(shè)備完成實踐內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題和團隊協(xié)作的能力［11］。同時，利用企業(yè)資源共建實驗室和實習(xí)基地，豐富實踐教學(xué)手段，組織學(xué)生參觀實習(xí)，讓學(xué)生了解和體驗前沿測繪技術(shù)裝備，使得人才培養(yǎng)和企業(yè)需求緊密結(jié)合。

結(jié)語

新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革來臨之際，測繪發(fā)展進入信息化測繪階段，在建筑、交通、國防、農(nóng)業(yè)、水利等多個重要領(lǐng)域有著不可替代的作用。而測量學(xué)課程的開設(shè)作為培養(yǎng)測繪人才的核心課程，教學(xué)的目標(biāo)和內(nèi)容理應(yīng)與時俱進不斷創(chuàng)新。本文從新工科建設(shè)行動計劃的目標(biāo)出發(fā)，結(jié)合教學(xué)實踐，對該課程教學(xué)現(xiàn)狀及行業(yè)需求進行深入探討，分別針對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實踐教學(xué)設(shè)計測量學(xué)教學(xué)改革方案，引入無人機、LiDAR、InSAR等新興測量技術(shù)，創(chuàng)新體驗式課堂、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方式，豐富教學(xué)實踐手段，切實培養(yǎng)出掌握測繪前沿技術(shù)，富有創(chuàng)新意識和實踐能力的復(fù)合型人才。

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基金項目：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）本科教育教學(xué)改革與研究項目（J220208）

作者簡介：杜守航（1990— ），男，山東泰安人，博士，講師，研究方向：深度學(xué)習(xí)遙感影像智能解譯、城市大數(shù)據(jù)智能理解與分析。