白永良 范士杰 趙健 王心眾

摘? 要：測繪工程等專業(yè)的物理大地測量學(xué)課程存在內(nèi)容多課時少、課程內(nèi)容與先進(jìn)技術(shù)脫節(jié)、以教師為主的填鴨式教學(xué)等問題，導(dǎo)致教學(xué)效果一般。為了解決這些問題，基于OBE理念創(chuàng)新了課程教學(xué)過程，并采用問題驅(qū)動教學(xué)方法系統(tǒng)性地設(shè)計了包含學(xué)習(xí)成果、引入問題、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、效果評價等要素的課程結(jié)構(gòu)。為測繪工程等工科專業(yè)接受工程教育認(rèn)證和“新工科”建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)，更重要的是提高了學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：OBE理念;問題驅(qū)動;物理大地測量學(xué);課程改革

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）09-0071-03

Abstract： The physical geodesy course of surveying and mapping engineering has many problems such as less content， less content of course content and advanced technology， and teacher-based cramming teaching， which leads to general teaching effects. In order to solve these problems， the course teaching process was innovated based on the OBE concept， and the course structure including learning results， introduction problems， teaching contents， teaching methods， effect evaluation and other elements was systematically designed using problem-driven teaching methods. It has laid a good foundation for the engineering majors such as surveying and mapping engineering to receive engineering education certification and the construction of "new engineering"， and more importantly， to improve the quality of student training.

Keywords： OBE concept; task-driven teaching method; physical geodesy; course reform

為了接受工程教育認(rèn)證，很多工學(xué)專業(yè)都按照OBE（Outcome based education）理念對本科培養(yǎng)方案進(jìn)行了修訂。OBE是以成果為導(dǎo)向的教學(xué)模式，由美國學(xué)者Spady William G.于1994年正式提出[1]。OBE理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為起點(diǎn)反向設(shè)計人才培養(yǎng)方案和培養(yǎng)過程[2]，強(qiáng)調(diào)如下4個問題[3]：學(xué)生學(xué)什么？為什么學(xué)？如何學(xué)？學(xué)得怎么樣？學(xué)習(xí)產(chǎn)出導(dǎo)向（OBE）是工程教育專業(yè)認(rèn)證和“新工科”建設(shè)的核心理念，要求將面向工科學(xué)生的教學(xué)理念從“內(nèi)容為本”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生為本”[4]，以學(xué)生的“學(xué)習(xí)成果”為導(dǎo)向，最終達(dá)成的核心目標(biāo)是培養(yǎng)掌握知識和具備能力的新工科學(xué)生。與傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)理念相比，OBE理念關(guān)注學(xué)生能夠做什么，而不是簡單的學(xué)生知道什么，可以有效提升教學(xué)效果。

課程是培養(yǎng)方案的重要支撐，為了將OBE理念真正落到實處、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，除修訂培養(yǎng)方案之外，還需要按照OBE理念對每一門課程實施教學(xué)活動。本文以測繪工程專業(yè)的核心課程物理大地測量學(xué)為研究對象，按照OBE理念并引入問題驅(qū)動教學(xué)法，從學(xué)習(xí)成果、引入問題、學(xué)習(xí)內(nèi)容、教學(xué)方式、效果評價等方面對該課程進(jìn)行了系統(tǒng)性改革。

一、物理大地測量學(xué)課程教學(xué)存在的問題

物理大地測量學(xué)又稱地球重力學(xué)，是測繪工程專業(yè)的一門重要學(xué)科基礎(chǔ)課。課程目標(biāo)是利用地球物理和大地測量的手段，研究和測定地球形狀、重力場及各自隨時間的變化，進(jìn)而解決相關(guān)的理論與工程問題。開設(shè)測繪工程專業(yè)的大部分高校都開設(shè)了物理大地測量學(xué)課程，物理大地測量學(xué)也是地球物理學(xué)、資源勘查工程等專業(yè)本科生的必修或選修課程[5]。該課程具有邏輯性強(qiáng)、公式推導(dǎo)內(nèi)容多、知識點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)程度高等特點(diǎn)。雖然各個學(xué)校的具體情況不同，但是從整體上看，學(xué)生很難通過課程學(xué)習(xí)做到學(xué)以致用，具體原因表現(xiàn)在以下三方面。

（一）內(nèi)容多學(xué)時少

物理大地測量學(xué)作為由大地測量學(xué)、地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)和天文學(xué)交叉派生出來的邊緣學(xué)科[6]，學(xué)科范圍廣、涉及內(nèi)容多，但往往僅有30-40教學(xué)課時。在有限的學(xué)時條件下，很難全面講解課程涉及的所有內(nèi)容，容易導(dǎo)致學(xué)生對知識點(diǎn)掌握不牢固、對課程邏輯體系認(rèn)識不清晰，最終導(dǎo)致學(xué)生難以利用所學(xué)知識解決理論和實際問題等后果，教學(xué)效果不理想。

（二）與先進(jìn)技術(shù)脫節(jié)

經(jīng)過幾百年的發(fā)展，物理大地測量學(xué)具備完善的理論體系，尤其是在引力位和確定大地水準(zhǔn)面方面，理論體系較為成熟[5]。為了保證學(xué)生能夠準(zhǔn)確掌握課程的核心內(nèi)容，教學(xué)過程往往偏重于對經(jīng)典理論的講解、核心公式的推導(dǎo);同時，受到課時限制，學(xué)科最新理論與技術(shù)成果往往被忽略。導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容與先進(jìn)科研成果的脫節(jié)，學(xué)生很難將所學(xué)知識與學(xué)科最新發(fā)展成果關(guān)聯(lián)起來，無法達(dá)到學(xué)以致用的目的。

（三）以教師為主的填鴨式教學(xué)

鑒于課程核心內(nèi)容以邏輯推理、公式推導(dǎo)為主，前后知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)程度高，同時受到傳統(tǒng)教學(xué)理念和教學(xué)方法限制，課堂授課仍以內(nèi)容為本、教師為主。雖然講授內(nèi)容飽滿，但學(xué)生參與程度不夠、學(xué)習(xí)積極性較差。學(xué)生僅能夠掌握具體的定義、定理、特征等，而對所學(xué)知識的目的、用途不甚了解，缺少學(xué)習(xí)動力，最終結(jié)果是學(xué)生很難利用所學(xué)知識解決實際問題。

二、基于OBE理念的物理大地測量學(xué)教學(xué)過程設(shè)計

根據(jù)學(xué)科內(nèi)容，物理大地測量學(xué)主要的教學(xué)內(nèi)容可以劃分為緒論、重力及其測量、位理論基礎(chǔ)、大地水準(zhǔn)面確定方法及實際應(yīng)用五個章節(jié)[5]。課程的整體思路為，首先從宏觀上把握課程的內(nèi)涵與外延（第一章，緒論）;理解重力概念和重力測量原理，掌握不同的重力測量手段，并了解重力場在地學(xué)中的應(yīng)用價值（第二章，重力測量）;為了便于表達(dá)和計算重力這一矢量參數(shù)，引入與重力關(guān)聯(lián)的標(biāo)量參數(shù)重力位，重點(diǎn)講解重力位主要分量引力位的特征及解算方法、表達(dá)方式等（第三章，位理論基礎(chǔ)）;基于引力位給出大地測量學(xué)中關(guān)鍵參數(shù)的解算方法（第四章，確定大地水準(zhǔn)面）;最后利用物理大地測量學(xué)解決相關(guān)的理論問題和實際問題（第五章，實際應(yīng)用）。

實施OBE理念的關(guān)鍵性步驟包括，確定學(xué)習(xí)成果、構(gòu)建課程體系、確定教學(xué)策略、自我參照評價、逐級達(dá)到頂峰。依據(jù)物理大地測量學(xué)課程特點(diǎn)、遵循OBE理念實施的關(guān)鍵步驟，從以下五個方面分析本文設(shè)計的物理大地測量學(xué)教學(xué)過程（圖1）。

1. 確定學(xué)習(xí)成果。物理大地測量學(xué)課程的學(xué)習(xí)成果為掌握物理及大地測量的基本概念和方法并具有將其運(yùn)用到測繪工程領(lǐng)域的能力，具備結(jié)合文獻(xiàn)研究分析測繪工程中的復(fù)雜問題并獲得有效結(jié)論的能力。

2. 構(gòu)建課程體系。考慮到課時有限，將課程內(nèi)容分為兩部分：（1）課程最為核心的、具有嚴(yán)密數(shù)理推導(dǎo)的基礎(chǔ)理論;（2）涉及范圍寬泛且具有典型意義的學(xué)科前沿與工程應(yīng)用。保證學(xué)生掌握核心理論的同時，也能夠適度了解當(dāng)前的學(xué)科前沿。

3. 根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容的特點(diǎn)，設(shè)計不同的教學(xué)方法。以清晰明了的主線講解學(xué)科最為核心的理論體系，以發(fā)散、互動的方式學(xué)習(xí)學(xué)科前沿與工程應(yīng)用案例。具體地，緒論部分以教師講授為主，引導(dǎo)學(xué)生思考學(xué)科內(nèi)涵與外延及潛在的應(yīng)用領(lǐng)域;重力測量一章與先進(jìn)的衛(wèi)星測高、衛(wèi)星重力等觀測技術(shù)密切相關(guān)，鼓勵學(xué)生積極查閱資料、討論與分享自己的認(rèn)識與觀點(diǎn)，教師進(jìn)行點(diǎn)評;第三章和第四章的難點(diǎn)和重點(diǎn)都是基礎(chǔ)理論，教學(xué)手段以教師講解為主，板書配合多媒體講解核心概念的物理含義、前后知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系、重要性質(zhì)與定理的推導(dǎo)等;最后的實際應(yīng)用一章，回歸到以學(xué)生為主的啟發(fā)式、討論式的學(xué)習(xí)模式。

4. 針對不同的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式，采用不同的效果評價方法。學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論時以課堂提問、課內(nèi)測驗為主，以課后作業(yè)、學(xué)生討論為輔;學(xué)習(xí)學(xué)科前沿與工程應(yīng)用時，以大作業(yè)、學(xué)生討論為主，以課內(nèi)測驗為輔。動態(tài)、全方位掌握教學(xué)效果，為教學(xué)改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

5. 逐級達(dá)到頂峰：根據(jù)教學(xué)效果評價，做好教學(xué)反思與改進(jìn)，針對存在的問題進(jìn)行適度迭代，彌補(bǔ)缺陷、提升教學(xué)效果、防止學(xué)生掉隊，最終實現(xiàn)課程的教學(xué)目標(biāo)。

三、基于“問題驅(qū)動”的教學(xué)方法設(shè)計

問題驅(qū)動教學(xué)法即基于問題的教學(xué)方法（Problem-Based Learning，PBL），是以學(xué)生為主體、以各種專業(yè)問題為學(xué)習(xí)起點(diǎn)、讓學(xué)生圍繞問題尋求解決方案的一種教學(xué)方法[7，8]。問題驅(qū)動教學(xué)法能夠有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)生在教學(xué)過程中的參與程度，激發(fā)學(xué)生的求知欲，活躍其思維，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、尤其是解決問題的能力。該教學(xué)方法可以從教學(xué)手段的角度有力支撐OBE教學(xué)理念，提高教學(xué)效果。

在圖1所示基于OBE理念的物理大地測量學(xué)教學(xué)過程基礎(chǔ)上，為了有效實施問題驅(qū)動的教學(xué)方法，設(shè)計了物理大地測量學(xué)詳細(xì)的課程結(jié)構(gòu)（表1）。從整個課程的角度，采用總分總（WPW， Whole-Part-Whole）的問題設(shè)計模式[9]。緒論一章重點(diǎn)解決的是物理大地測量學(xué)能夠解決什么問題？如何解決問題？為了回答該問題，需要學(xué)習(xí)學(xué)科的目標(biāo)、發(fā)展歷程、內(nèi)涵與外延等。通過緒論明確重力在大地測量、固體地球科學(xué)、天文學(xué)中的作用，隨后學(xué)習(xí)第二章重力測量時，需要學(xué)生思考如何測得重力場？如何監(jiān)測重力場變化？因此，需要學(xué)習(xí)重力的嚴(yán)密定義、測量原理及具體的測量手段。矢量參數(shù)重力的相關(guān)計算相對復(fù)雜，因此需要尋找合適的標(biāo)量（重力位或引力位）來表征重力或引力，問題是該標(biāo)量場具有何種性質(zhì)？如何利用該性質(zhì)進(jìn)行解算？用什么函數(shù)表達(dá)該標(biāo)量場？為了解決上述問題，需要學(xué)習(xí)引力位的概念、引力位的性質(zhì)、邊值問題及球函數(shù)等。第四章回歸到利用重力場求解大地水準(zhǔn)面的問題上，需要明確重力和重力位同大地水準(zhǔn)面高、垂線偏差之間的關(guān)系，進(jìn)而利用歸算后的重力、重力位求解大地水準(zhǔn)面形狀。最后的第五章實際應(yīng)用，根據(jù)學(xué)生興趣及新聞時事設(shè)計或者引入工程問題，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計一套基于物理大地測量學(xué)及相關(guān)學(xué)科的解決方案，進(jìn)而達(dá)到利用所學(xué)理論知識，解決大地測量、地球科學(xué)、國防建設(shè)中實際問題的目的。

四、結(jié)束語

針對物理大地測量學(xué)存在的內(nèi)容多課時少、課程內(nèi)容與先進(jìn)技術(shù)脫節(jié)、以教師為主的填鴨式教學(xué)等問題，采用OBE教學(xué)理念和問題驅(qū)動的教學(xué)方法，設(shè)計了一套切實可行的課程結(jié)構(gòu)。該課程結(jié)構(gòu)明確回答了學(xué)生從物理大地測量學(xué)課程中學(xué)什么、為什么學(xué)、如何學(xué)、學(xué)得怎么樣這4個問題，同時提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，為接受工程教育認(rèn)證和“新工科”建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)，更重要的是提高了學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量。

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