以科研成果促進測繪實踐教學升級的探索與實踐

韋建超，韓用順*，張東水，肖巍峰，李樂林，張金平

（1. 湖南科技大學地球科學與空間信息工程學院，湖南 湘潭 411201）

大學是研究和傳授科學的殿堂，是教育新人成長的世界[1]。教學與科研是現(xiàn)代大學兩大基本職能[2]。近年來高校存在一定程度的重科研、輕教學的政策導向和人才培養(yǎng)方向上的模糊認識，科研先行、教學滯后的現(xiàn)象較普遍。如何有效地改變教學與科研脫節(jié)的現(xiàn)象，促進科研反哺本科教學，實現(xiàn)科教協(xié)同育人，是當前高校教學過程中亟待解決的問題[3-4]。教育部在2019年頒布《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》中，明確提出要強化科研育人功能，推動高校及時將最新科研成果轉化為教學內(nèi)容，激發(fā)學生專業(yè)學習興趣，支持學生早進課題、早進實驗室、早進團隊，以高水平科學研究提高學生創(chuàng)新和實踐能力[5]。因此，高校科研反哺教學工作的推廣和執(zhí)行勢在必行。測繪作為近年來快速發(fā)展的學科，其面臨的教學與科研不平衡發(fā)展具有一定的代表性。隨著科技的發(fā)展和應用場景的多樣化，測繪已從傳統(tǒng)的測量制圖演變?yōu)榘l(wèi)星定位系統(tǒng)、航空航天遙感、地理信息科學、信息和網(wǎng)絡、通信等多種科技手段的地球空間信息科學[6]，被廣泛應用于國民經(jīng)濟建設、國防建設和社會發(fā)展的各個領域。近年來，測繪與移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等高新技術緊密融合[7]，正以新技術、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特征蓬勃發(fā)展，而當前測繪人才培養(yǎng)卻未能完全適應這種新變化。測繪作為實踐性和技術性很強的學科，其實踐教學是培養(yǎng)學生實踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、提高學生專業(yè)素養(yǎng)和就業(yè)競爭力的重要途徑[8]，目前仍存在以下突出問題：①教學內(nèi)容陳舊，即新理論、新技術、新方法、新設備和新應用未能在實踐教學中得到充分的反映，導致教學與實際社會需求脫節(jié)；②教學方法單一，即基于復雜工程問題、典型項目、案例的互動式、研討式教學方式和自主、合作、探究式的學習資源比重偏低，難以激發(fā)學生原創(chuàng)性、探索性和創(chuàng)新性的學習興趣；③教學評價簡單，即根據(jù)測繪實踐的特點，師資無法做到教師全程一對一跟蹤指導，難以對每個學生逐個環(huán)節(jié)的學習做精細化的評價并開展針對性的指導，未能達到個性化培養(yǎng)的目的。

本文立足科教協(xié)同育人的大背景，從測繪工程專業(yè)實踐教學的實際情況出發(fā)，總結了應用科研成果反哺教學的相關舉措，并以地質(zhì)災害監(jiān)測與評估實踐教學資源建設為例，將教師團隊多年積累的科研成果和學科前沿進展引入測繪實踐教學，將科研優(yōu)勢轉化為教學優(yōu)勢，基于科研成果設計了滑坡泥石流災害監(jiān)測的模擬實驗裝置和虛擬仿真實驗系統(tǒng)，構建了虛實結合、科教協(xié)同的實踐教學平臺，通過科研反哺測繪實踐教學，突破傳統(tǒng)實踐教學的局限，創(chuàng)新實踐教學的評價方法，提升實踐教學的育人效果，為科研成果轉化為教學資源，科教協(xié)同培養(yǎng)高質(zhì)量科技人才提供參考。

1 科研成果反哺測繪實踐教學的舉措

1.1 科研成果充實實踐教學工程實踐

測繪服務對象和應用場景眾多，不同類型的測繪工作之間的內(nèi)容和方法具有較大獨立性，如水利、地鐵、不動產(chǎn)測量、基礎地理國情監(jiān)測等不同工程場景的測繪工作有很大差異；同時測繪專業(yè)的許多知識需要在實踐中總結學習，根據(jù)工程實際制定合理的實施方案，因此測繪工程思維和解決復雜工程的能力必須經(jīng)過實踐才能培養(yǎng)出來。然而，當前要建立覆蓋各種典型工程的實踐教學基地非常困難，即便建好的實踐教學基地也可能因工程竣工而無法繼續(xù)服務實踐教學。在科研方面，湖南科技大學依托地理空間信息技術國家地方聯(lián)合工程實驗室和測繪遙感信息工程省重點實驗室等4 個測繪類省部級實驗室，先后將獲得省科技進步一等獎的中西部山區(qū)公路地質(zhì)災害監(jiān)測評估技術及應用和融合多源數(shù)據(jù)的地鐵施工一體化監(jiān)測技術及應用等科研成果轉化為教學資源，建立了都汶公路沿線泥石流監(jiān)測評估和地鐵施工一體化監(jiān)測的實踐教學案例。案例教學注重理論與實踐相結合，將多而雜的基礎知識穿插于工程案例中，全方位展示地質(zhì)災害和地鐵施工監(jiān)測從可研報告到成果評價的全流程。在這些高水平研究項目的支撐下，學生能更直觀地了解測繪專業(yè)價值，系統(tǒng)性地學習不同類型測繪工作的內(nèi)容、方法和作業(yè)流程，將不同課程知識點進行綜合應用，有利于“厚基礎、寬口徑”的測繪人才培養(yǎng)。

1.2 科研成果指導實驗設備和實驗環(huán)境的設計改造

實驗設備和實驗環(huán)境是實踐教學的基本硬件，是保證教學質(zhì)量的基礎條件。隨著測繪科技的不斷發(fā)展，測繪數(shù)據(jù)采集和處理越來越現(xiàn)代化、自動化與智能化。現(xiàn)代測繪實踐教學需要大量高精尖的儀器設備，有時根據(jù)工程實際情況，甚至需要定制或研發(fā)特定的設備來完成。此外，由于測繪地理信息領域研究對象的特殊性，很多實驗需要在特定工程場景和極端環(huán)境下進行，如變形監(jiān)測通常需要在長達數(shù)年甚至數(shù)十年的長時間尺度下進行；礦山測量、地下工程測量則需要在環(huán)境惡劣的地下巷道或隧道中進行；滑坡和泥石流等地質(zhì)災害監(jiān)測需要在災害發(fā)生的高危環(huán)境下開展，因此測繪實踐教學存在高成本、高安全風險等一系列問題。本文通過設計模擬實驗和構建虛擬仿真系統(tǒng)等方式，將科研成果轉化為實踐教學資源，如基于地鐵施工一體化監(jiān)測的科研成果，設計了校內(nèi)地鐵隧道施工監(jiān)測模擬實驗，將校內(nèi)一處狹長幽暗的樓道改造成模擬地鐵隧道，在其中布設控制點并開展聯(lián)系測量、地下控制測量等教學，通過在模擬隧道中布設可調(diào)節(jié)形變量的形變監(jiān)測標志和傳感器，基于科研成果中真實形變的特性模擬形變，人為控制形變量并開展變形監(jiān)測實驗，達到短時間內(nèi)完成形變監(jiān)測教學的目的；但模擬實驗仍受空間和時間的限制，不利于開展大規(guī)模的實踐教學。因此，還需要整合相關科研成果和已有虛擬仿真教學資源，通過虛擬現(xiàn)實、多媒體交互、三維可視化等信息化技術，構建測繪虛擬仿真實驗系統(tǒng)，進一步解決高精尖儀器設備高成本和工程場景不全的問題，以降低傳統(tǒng)測繪實踐中師生的安全風險，突破天氣、場地和排課時間等因素對實踐教學的局限，實現(xiàn)測繪實踐教學的自由預約和自主學習。

1.3 科研成果支撐畢業(yè)論文選題

畢業(yè)論文是人才培養(yǎng)方案中的重要實踐環(huán)節(jié)，旨在綜合訓練學生運用所學基本理論、基本知識和基本技能來分析和解決實際問題的能力[9]。當前測繪本科生畢業(yè)論文存在創(chuàng)新不足、脫離生產(chǎn)實際以及相關數(shù)據(jù)資料和觀測樣本缺乏等典型問題。由于缺少相關研究基礎和未積累足夠的實驗數(shù)據(jù)，加上與考研、就業(yè)時間存在重疊導致的畢業(yè)論文準備時間倉促，學生不敢接受有挑戰(zhàn)度、創(chuàng)新性更強的選題。因此，根據(jù)科研興趣將指導老師分到大地測量和工程測量、攝影測量與遙感以及地理信息工程3 個課程組，每個課程組對教師的科研成果進行梳理和優(yōu)化，分解出一定數(shù)量的子課題公開發(fā)布，學生從大一第二學期開始就可根據(jù)興趣選擇課題并進入導師課題組，通過早進實驗室提前接受文獻查詢、論文綜述、資料收集、實驗測試、數(shù)據(jù)分析整理和科研論文寫作等一系列基本科研素養(yǎng)訓練，大四時學生已經(jīng)歷基本的學術訓練，積累了一定的研究基礎，在經(jīng)費、設備、數(shù)據(jù)等方面也能得到指導教師的支持和指導，更能潛心投入具有挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性和科學性的畢業(yè)論文選題中。

1.4 科研成果服務第二課堂教學

通過開展課外科技創(chuàng)新活動和社會實踐活動，對課程教學進行有效的延伸和拓展。充分利用虛擬仿真實踐教學平臺和模擬實驗平臺等開放性的實踐教學資源，開展綜合性、創(chuàng)新性的實踐活動。通過將科研成果轉化為第二課堂教學資源，搭建不同專業(yè)課程之間的橋梁，幫助學生將原本零敲碎打、相互孤立的專業(yè)課程和實驗安排關聯(lián)起來，形成完整的知識體系。在此基礎上，引導和鼓勵學生申請基于教師科研項目發(fā)布的子課題和開放實驗室的微小課題項目，在參與各種形式的課外科技創(chuàng)新活動中養(yǎng)成“我要學”而非“要我學”自主性學習習慣。將扎實的專業(yè)知識內(nèi)化為綜合運用所學知識解決實際問題、融會貫通解決相近問題、發(fā)現(xiàn)和提出新問題以及創(chuàng)造新途徑解決問題的能力。第二課堂除了是能力的培養(yǎng)皿，還是創(chuàng)新成果和作品的孵化器。通過第二課堂孵化出相對成熟的學生創(chuàng)新成果和作品，積極參與各類學科競賽。以賽促學、以賽促練，在比賽中不斷打磨和完善創(chuàng)新成果和作品，增強創(chuàng)業(yè)的市場價值與核心競爭力。此外，第二課堂也為畢業(yè)論文和設計打下研究基礎，可進一步提高畢業(yè)論文的質(zhì)量。

2 地質(zhì)災害監(jiān)測的教學資源建設實例

2.1 將科研優(yōu)勢轉化為特色課程

我國是地質(zhì)災害最嚴重的國家之一。地質(zhì)災害頻發(fā)，因災損失嚴重。地質(zhì)災害監(jiān)測對及時掌握地質(zhì)災害的動態(tài)發(fā)展、客觀評價重大工程安全運營、服務保障人民的生命財產(chǎn)安全至關重要，地質(zhì)災害監(jiān)測的人才需求旺盛。湖南科技大學在地質(zhì)災害監(jiān)測與災害評估方面具有多年研究積累，形成了一定的科研優(yōu)勢。為了將科研優(yōu)勢轉化為教學優(yōu)勢，學校重新修訂了測繪工程本科專業(yè)培養(yǎng)方案，并增設了《山地災害監(jiān)測與評估》選修課程，除了響應地質(zhì)災害監(jiān)測專業(yè)人才的需求外，也彰顯了學校地礦辦學特色。課程及時吸納高質(zhì)量科研成果形成實踐教學案例庫，建立了包括紅椿溝泥石流、都汶公路沿線泥石流在內(nèi)的一系列數(shù)據(jù)翔實、類型全面、特色鮮明的教學案例，彌補了地質(zhì)災害監(jiān)測因涉及的理論技術面寬、跨學科領域多、安全風險性高而難以大規(guī)模開展實踐教學的不足。通過課程學習，學生對地質(zhì)災害監(jiān)測的發(fā)展、內(nèi)容、方法、流程、存在的問題和前沿趨勢建立了更全面和直觀的認識，更切實體會到地質(zhì)災害監(jiān)測的重要性和價值所在。

2.2 滑坡泥石流監(jiān)測模擬實驗裝置的設計與實踐

地質(zhì)災害的復雜性在于每個災害各有特點，不存在兩個完全相同的災害。地質(zhì)災害的各種致災條件復雜而多變，為模擬不同條件下滑坡泥石流的災變過程，盡可能接近真實滑坡泥石流災害，并加深學生對滑坡泥石流災害機理和特征的認識，課程設計了滑坡泥石流監(jiān)測模擬實驗裝置（圖1）。該裝置主要包括3個部分：①人工降雨裝置，可模擬不同強度的降雨量；②滑坡泥石流模擬裝置（包括液壓升降裝置、泥沙槽、堆積平臺等），可開展不同初始堆積條件、不同級配碎屑流、不同坡度等因素下的滑坡泥石流發(fā)展和演變的物理模擬；③監(jiān)測裝置（包括三維激光掃描儀、近景攝影測量系統(tǒng)、高清攝像機和土壤含水量傳感器、孔隙水壓力傳感器等設備），可對滑坡泥石流開展多維度、立體化、長時間序列的監(jiān)測。實驗的目的是研究不同巖石試樣、不同初始堆積條件、不同降雨強度、不同級配碎屑流、不同地形坡度等多種因素綜合作用下的滑坡泥石流發(fā)展和演變過程（圖2）。通過物理模擬實驗，制定不同條件下滑坡泥石流的最優(yōu)監(jiān)測方案，精確測定不同條件下滑坡和泥石流災害的災變過程。

圖2 滑坡泥石流發(fā)展演變的物理模擬實驗

2.3 虛擬仿真實驗系統(tǒng)

在地質(zhì)災害監(jiān)測和評估相關科研成果的基礎上，結合教學案例和模擬實驗等教學資源，利用虛擬現(xiàn)實構建實景三維地質(zhì)災害虛擬仿真實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬環(huán)境下的交互式仿真實驗操作，以克服真實場景中地質(zhì)災害監(jiān)測工作風險高、難度大、周期長、單次觀測耗時長等問題以及模擬實驗存在的場地狹小、準備時間長、工作量大、不利于開展大規(guī)模實踐教學等問題。在滑坡泥石流建模的科研成果上，利用虛擬仿真實現(xiàn)不同降雨強度、坡度、致災因子作用下的災害體時空動態(tài)變化展示。引導學生根據(jù)災害特征和監(jiān)測傳感器的參數(shù)與性能，設計和優(yōu)化地質(zhì)災害監(jiān)測方案，依據(jù)方案對地質(zhì)災害實施監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和分析，使學生了解開展地質(zhì)災害監(jiān)測的重要意義，更直觀地學習地質(zhì)災害監(jiān)測的原理與方法，熟知地質(zhì)災害監(jiān)測的安全準則和注意事項，對地質(zhì)災害的機理、致災因子、發(fā)展演化規(guī)律進行分析研究，掌握地質(zhì)災害監(jiān)測和評估的方法與手段。虛擬仿真實驗系統(tǒng)向學生和教師開放共享，學生在系統(tǒng)中自主預約實驗時間、選擇實驗項目，隨時保存實驗結果，通過服務器實時記錄進度數(shù)據(jù)庫；教師和學生可通過平臺實時交流與討論。在實驗中，管理模塊對學生操作進行全程跟蹤記錄，并依據(jù)規(guī)范和準則對每一步操作給予實時評價，生成個性化的學習報告反饋給學生和老師。報告幫助學生調(diào)整學習重點，幫助老師開展針對性指導，并重點研究教學過程中的共性問題，逐步完善虛擬仿真實踐教學的內(nèi)容和方法，提高實踐教學效果。

2.4 構建虛實結合、科教協(xié)同育人的實踐教學模式

山地災害監(jiān)測與評估特色課程的設置以人才需求為導向，以重點培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為目標，努力加強學生學科基礎，促進跨學科復合性人才的培養(yǎng)。課程強調(diào)教學與科研相結合、立足學校地質(zhì)災害監(jiān)測與評估的科研優(yōu)勢，從真實工程案例到虛擬仿真實驗再到模擬實驗，構建虛實結合、層層遞進的多樣化教學模式。工程案例通過理論和實踐的穿插安排，構建直觀、形象、生動的實踐教學資源，幫助學生建立對地質(zhì)災害監(jiān)測的全景認識，對相關安全準則和實驗注意事項了然于胸。學習完成工程案例并通過相關測試后，可進入虛擬仿真實踐教學。虛擬仿真實踐教學在實景三維虛擬場景中交互式實施地質(zhì)災害監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理分析、編寫成果報告。虛擬仿真實驗可幫助學生掌握監(jiān)測方案設計、流程安排、監(jiān)測實施和儀器設備正確操作等。管理模塊根據(jù)每個環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量進行評價和打分，通過后方可開展模擬實驗。模擬實驗中地質(zhì)災害部分為物理模擬，但各類監(jiān)測傳感器、測繪儀器設備均為真實設備，其操作和數(shù)據(jù)處理與真實實驗一致，從而獲得最接近真實實驗的體驗感和學習效果。經(jīng)過3 個階段的實踐，學生對地質(zhì)災害監(jiān)測的認識從宏觀到具體，對監(jiān)測儀器設備的操作從虛擬到現(xiàn)實，形成知識和能力培養(yǎng)的完整實踐教學體系。課程的實踐教學資源來自科研，又用于科研和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，形成科研反哺教學、教學促進科研的循環(huán)，實現(xiàn)科教相輔相成、共同發(fā)展、協(xié)同育人。

2.5 地質(zhì)災害監(jiān)測與評估實踐教學效果

山地災害監(jiān)測與評估實踐教學是測繪工程專業(yè)在“務本”基礎上的一次“布新”實踐，是在原有課程基礎上更新、更活、更具特色的教學。“新”是將最前沿科技、最新科研成果和產(chǎn)業(yè)動態(tài)融合在教學中；“活”是在應用背景下開展的主動式學習，學生圍繞地質(zhì)災害監(jiān)測和評估項目，整合多門課程以及不同學科的理論知識和技能，形成解決復雜工程問題的能力；“特色”則是面向人口、資源、環(huán)境和防災減災等社會可持續(xù)發(fā)展中的重大問題，立足湖南科技大學地礦辦學特色，培養(yǎng)測繪知識體系完整、專業(yè)技能堅實穩(wěn)固同時兼具地質(zhì)災害背景的測繪人才。

課程自2017年開設以來，深受學生歡迎，年均選課人數(shù)超專業(yè)人數(shù)的80%以上；依托相關科研成果、特色課程和實踐平臺，學生廣泛參加相關主題的第二課堂。地質(zhì)災害監(jiān)測與評估實踐教學已成為學生畢業(yè)論文選題、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和科技論文的主要支撐（表1）。

表1 地質(zhì)災害監(jiān)測與評估實踐教學效果反饋

3 結 語

本文探討了科研成果轉化為測繪實踐教學資源的途徑，并以地質(zhì)災害監(jiān)測與評估的實踐教學資源建設為例，對科研成果轉化為教學資源進行了闡述。將科研成果轉化為教學資源實現(xiàn)了測繪實踐教學的升級，其中科研成果轉化為教學內(nèi)容，突出了專業(yè)特色，促進了實踐教學內(nèi)容的不斷更新，讓測繪人才培養(yǎng)持續(xù)貼近社會發(fā)展的實際需要。基于科研成果轉化的實踐教學案例，豐富了測繪實踐教學內(nèi)容，激發(fā)了學生的學習興趣和熱情。在科研成果的基礎上設計和改造的實驗設備和實驗環(huán)境，豐富了實踐教學手段，促進了實踐教學方法的改革。模擬實驗和虛擬仿真實驗可將長時間尺度的地球物理現(xiàn)象通過人為控制縮短實踐周期便于實驗開展，可將環(huán)境不友好、存在安全風險的實驗環(huán)境在室內(nèi)或虛擬空間中模擬，從而擺脫傳統(tǒng)測繪野外實踐的時空限制。虛擬仿真使平時沒機會做或存在各種局限的測繪實驗，實現(xiàn)了自由預約、自主完成、自動評價，進一步調(diào)動了學生學習的主動性和積極性。教學案例、虛擬仿真和模擬實驗構成互為前置、層層遞進的實踐教學體系，通過科研反哺教學，實現(xiàn)教學和科研的有機融合和良性互動，不斷提高教學質(zhì)量和科研水平，從而達到培養(yǎng)高素質(zhì)測繪專業(yè)人才的目標。