以計算思維培養為核心的測繪程序設計課程漸進式I/0一AD教學設計

0 引言

隨著計算機軟硬件的飛速發展和數據獲取能力的提升，測繪工作實現從20世紀80年代的傳統模擬測繪向數字化測繪轉變，并在大數據、移動互聯、智能處理和云計算等高新技術支持下，正式邁入智能化測繪時代[1-2]。測繪數據獲取方式也從依賴解析測圖儀和手工刻圖，轉變為車載、機載、星載的空天地一體化數據獲取模式，同時實現海量數據的智能化處理與分析。在測繪科技轉型升級背景下，測繪工作的“測”“繪”“算”被賦予新的定義。其中，測繪數據的海量性、多源性和復雜性，對“算”的效率提出更高要求。

1測繪程序設計課程教學現狀及問題

測繪程序設計是一門面向現代測繪工作需求的專業核心課程，旨在培養學生在智能化測繪背景下運用計算機程序設計語言設計和實現軟件系統的能力，以及借助程序設計解決測繪數據解算和工程應用問題的能力。該課程一般開設在大二或大三學年，作為變形監測與數據處理、激光點云數據處理、地理信息系統開發等課程的前序課程，能有效激發和培養學生的程序設計興趣與能力，為后續課程的學習奠定編程基礎，對整個課程體系具有極其重要的基礎作用。

為有效地提高課程教學質量、提升學生學習興趣，部分學者對教學過程中存在的問題進行深入分析，并提出解決辦法。董超等[3]針對課程講授不系統、教學模式單一等問題，梳理教學內容，統一教學大綱；建立積分制考核評價體系，完善最低考核標準，強調掌握基本測繪編程能力的重要性，優化最高考核目標，挖掘高水平學生潛力。王建強等[4]針對相關問題，提出增加其他計算機類課程、加大動手能力培養和考核的課程改革思路，以提高學生的計算機編程與應用能力，滿足測繪信息化的需求。張杰等[5]從指導學生參加全國測繪程序設計大賽中總結經驗，強調學有所用是調動學生主觀能動性的關鍵。王永波等[將計算機程序設計中晦澀難懂的知識點與測量學知識結合，建立兩者間的關聯，如圖與水準測量控制網。這種關聯關系的建立使學生在面對新知識點時有一種似曾相識的感覺，減輕對新知識點的恐懼感，同時加深對已學測繪知識點的理解。朱進等[通過案例式教學培養學生的計算思維能力，針對知識點設計案例，引導學生分析問題、轉化問題、設計解決方案，培養學生掌握知識點背后所蘊含的計算思維。如在選擇結構、循環結構和函數（方法）教學章節，設計孿生素數教學案例。

上述教學改革取得一定的成效，但其本質仍是計算機程序設計語言在測繪工作中的應用，在教學內容上與計算機程序設計語言有一定的重復。測繪程序設計的前序課程中已包含計算機程序設計語言相關課程，如C#程序設計、大學計算機基礎、數據結構等，語法知識點的重復講授造成課時嚴重不足，學生無法利用程序設計解決測繪工作中的數據處理問題。

針對測繪程序設計課程教學現狀，本文以培養學生計算思維（ComputationalThinking）為目標，歸納測繪數據處理流程為“數據輸入一數據處理一結果輸出”，并劃分模塊，對模塊化知識點進行漸進式重塑，整合模塊編寫測繪數據處理程序[8-9]，最后設計漸進式教學內容與梯度式考核評價方案。

2 漸進式教學設計

2.1教學內容模塊化

測繪數據處理是一個系統性的流程，通常可以概括為“數據輸入一數據處理一結果輸出”三個主要步驟，如圖1所示。

數據輸入是輸入通過測繪儀器和設備獲取的原始數據；數據處理是指基于測繪相關理論設計的計算方法或模型，對測繪作業中獲取的各類原始數據進行一系列加工、轉換、分析和優化的過程；結果輸出是指以不同形式展示數據處理的結果。例如：已知平面內A、 B 兩點的地理坐標，計算從 A 點到B 點的方位角，其計算流程可用圖2（a）表示；已知某高校內某一閉合水準路線的 N 個站點實測數據，完成高差閉合差分配，其計算流程可用圖2（b）表示。

在測繪數據處理流程中，數據輸入結果輸出與程序設計中的輸入／輸出（Input/Output，I/O）操作密切相關，而數據處理則與算法設計（AlgorithmDesign，AD）緊密相連。因此，本文將測繪程序設計課程的教學內容劃分為兩個模塊：I/0操作模塊和AD模塊。其中，I/O操作是計算機程序設計中的常見任務，是計算機系統與外部世界交互的橋梁，通常具有相對固定的實現語句；算法則是解決特定問題或任務的一系列有序步驟的描述，是編寫程序的核心[10]

2.2模塊化知識點漸進式重塑

2.2.1 1/0操作模塊

以窗體應用程序為媒介設計初階一中階一高階教學內容，如圖3所示。

1）初階環節。引導學生回顧窗體應用中的文本框和按鈕，并編寫代碼實現基本的輸入和輸出。通過本環節的學習，學生能夠創建簡單的窗體應用程序。本環節教學內容簡單易上手，對學生視覺沖擊力強，學生容易獲得正反饋和成就感，為后續中階學習培養興趣、奠定基礎。

2）中階環節。深化學生對窗體程序和文件操作的理解，學習圖形用戶界面設計，包括布局管理、多窗體設計等；引入目錄操作，學習創建、刪除目錄和遍歷目錄下的文件；結合文件操作，進行數據的讀取和寫入。學生將在本環節設計一個包含多個控件和窗體的應用，實現從指定目錄獲取測繪數據并進行簡單計算的功能。本環節教學內容難度有所增加，在初階基礎上，學生能夠完成復雜圖形用戶界面設計和目錄操作。教學難點是數據讀取和寫入，學生需具備一定的數據庫理論基礎和文本操作基礎。

3）高階環節。引入復雜的文件讀寫操作，如隨機訪問文件、文件加密與解密、并發和分布式文件處理等。這一環節旨在培養學生解決復雜問題的能力。

2.2.2 AD模塊

1）測繪數據處理問題抽象化。從不同測繪數據處理或計算方法中提煉共同點，引導學生思考測繪數據處理在程序設計中的本質是四則運算。以方位角計算和高程平差計算為例，指導學生繪制AD模塊計算流程圖（如圖4所示），分析其共同點，揭示數據處理的本質，實現實際問題的抽象化。

2）抽象概念語句化。結合前序課程中掌握的程序設計基礎知識，將抽象的流程圖中的關鍵步驟轉換為程序語言。針對語句難易程度設計初階一中階一高階教學內容，在初階環節，引導學生使用簡單的語句實現四則運算，回顧選擇語句、循環語句等知識點，并設計程序；在中階環節，定義函數并調用，同時要求學生掌握程序的調試；在高階環節，引導學生優化所編寫的程序。

3）語句整合程序化。整合語句，實現系統化程序的編寫。

2.3模塊化內容整合編程

通過I/O操作模塊和AD模塊的教學，學生將整合所學知識，編寫系統化程序，完成一個完整的測繪數據處理項目的程序設計。

3多元化考評策略

為全面考查學生的知識掌握程度和應用能力，針對梯度式教學內容，以動手能力為核心，設計一種多元化的考核評價方法[1]。考核內容分為三部分：平時成績（ 10% ）、實驗成績（ 40% ）和考試成績（ 50% ）。平時成績和實驗成績采用積分制，包含基礎分（10分）、核心分（35分）和拓展分（5分），重點考查學生的動手能力和拓展能力。基礎分對應平時成績，主要考核學生的課堂、實驗考勤，以及課堂、實驗表現的積極性。核心分是實驗成績的主要來源，考核學生的動手能力、文字和語言表達能力，要求學生完成實驗并匯報，根據其對程序的理解程度進行評價。拓展分是一種激勵分，鼓勵學生發散思維、參加競賽、設計多樣化的程序。

4結束語

測繪程序設計課程作為測繪專業的核心課程，旨在培養學生運用計算機解決專業問題的能力。然而，當前課程教學內容與前序計算機程序設計語言類課程存在一定的重復。為此，本文歸納測繪數據處理流程，設計與“數據輸入一數據處理一結果輸出”流程相對應的漸進式I/O一AD教學內容。通過重塑I/O操作模塊和AD模塊的知識點，并劃分初階一中階一高階三個教學環節，全面兼顧不同層次學生的學習需求，有效培養學生的動手能力和計算思維。學生在完成初階和中階的教學任務后，即可達成課程教學目標；進一步深入高階環節學習，則可為完成未來科研和工作中的編程任務奠定堅實的基礎。

5參考文獻

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