張瑞芳，張 萍，劉 偉

基于空間信息獲取及分析能力培養(yǎng)的測量與地圖學(xué)實驗教學(xué)改革

張瑞芳1,2，張 萍1,2，劉 偉3

（1. 華中科技大學(xué) 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 湖北省新型城鎮(zhèn)化工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074；3. 天津達(dá)明測繪有限公司，天津 300161）

針對城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)本科的測量與地圖學(xué)課程的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)與實際應(yīng)用需求嚴(yán)重脫節(jié)的狀況，提出實驗教學(xué)改革思路及措施：緊密結(jié)合城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)需求，將空間信息獲取及分析能力培養(yǎng)作為教學(xué)目標(biāo)，改革實驗內(nèi)容及教學(xué)方法。信息獲取手段上，用先進(jìn)的測量技術(shù)取代傳統(tǒng)方法，并將大數(shù)據(jù)作為城鄉(xiāng)規(guī)劃信息獲取的重要來源；增加空間信息分析內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生城市信息研究及應(yīng)用能力。

城鄉(xiāng)規(guī)劃；空間信息獲??；空間分析；實驗教學(xué)改革

地圖學(xué)是一門研究利用科學(xué)的、抽象概括的方法，反映自然界和人類社會各種要素的位置、數(shù)量與質(zhì)量特征、空間分布和空間關(guān)系及其時空變化，并對地理時空信息進(jìn)行獲取、抽象、存儲、管理、處理、分析，以圖形和數(shù)字方式傳輸?shù)乩砜臻g信息的科學(xué)與技術(shù)。測量與地圖學(xué)是我校城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)本科開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。測量與地圖學(xué)課程的實踐性非常強(qiáng)，實驗教學(xué)具有十分重要的作用，有助于學(xué)生理論聯(lián)系實際，能激發(fā)學(xué)生對空間信息技術(shù)的興趣，培養(yǎng)對空間位置信息獲取及應(yīng)用的能力。

1 實驗教學(xué)中存在的主要問題分析

1.1 教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)與專業(yè)應(yīng)用需求脫節(jié)

城鄉(xiāng)規(guī)劃越來越要求精確性與科學(xué)性，無論是對基地現(xiàn)狀的分析，還是對發(fā)展目標(biāo)的預(yù)測，都要做到有理有據(jù)，規(guī)劃師的傳統(tǒng)技能顯然不能滿足這些需求，規(guī)劃師需要新技能、新方法來完成日益復(fù)雜的規(guī)劃任務(wù)[1-2]。在城鄉(xiāng)規(guī)劃前期及城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計過程中，需利用地形圖或遙感圖像等，了解城鄉(xiāng)形態(tài)、地表建筑物、道路、橋梁、公共用地、廣場、水體、綠地等地物的空間分布、土地利用狀況，對城鄉(xiāng)空間進(jìn)行分析；還需要用與空間位置關(guān)聯(lián)的海量信息進(jìn)行人口、經(jīng)濟(jì)、社會分析，輔助規(guī)劃決策。

傳統(tǒng)的測量與地圖學(xué)課程的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)與實際應(yīng)用需求脫節(jié)，課程重點是測繪地形圖（從控制測量到碎部測量），用于識圖用圖的時間極少，并且用圖方面只限于坐標(biāo)、距離、方向、坡度、面積、土石方及斷面測量等的簡單使用。對于城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)的學(xué)生來說，畢業(yè)后從事測繪工作的極少，測繪地形圖絕對不是主要的，只需要達(dá)到了解的程度即可[3]，教學(xué)目標(biāo)應(yīng)該由測圖轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g信息獲取及分析能力的培養(yǎng)。

1.2 教學(xué)內(nèi)容落后

表1是華中科技大學(xué)改革前課堂教學(xué)及實驗內(nèi)容。雖然空間信息技術(shù)發(fā)生了迅猛變化，但該課程由于各種原因，長期嚴(yán)重落后于信息化發(fā)展水平。

表1 改革前課堂教學(xué)及實驗項目

1.3 儀器設(shè)備落后

實驗設(shè)備經(jīng)費投入嚴(yán)重不足，實驗教學(xué)設(shè)備更新周期長，購進(jìn)的新設(shè)備數(shù)量極少，僅能供教師在課堂中演示，學(xué)生實驗中用的仍是陳舊的實驗設(shè)備，實驗手段及實驗教學(xué)與理論教學(xué)嚴(yán)重脫節(jié)，影響教學(xué)效果。

1.4 教學(xué)觀念問題

測量與地圖學(xué)作為一門基礎(chǔ)課，長期得不到有關(guān)部門的重視。由于改革意味著需要教師投入大量的時間去學(xué)習(xí)新知識、備新課，講新課的階段往往不太熟練，學(xué)生給教師的評分會下降許多，而學(xué)生的評教分是目前高校用于評價教師教學(xué)質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此在沒有激勵機(jī)制的條件下，有的教師不愿進(jìn)行改革。

2 改革思路

傳統(tǒng)測量局限于確定空間點位及獲取地表面地形地貌信息。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代測量學(xué)運用系統(tǒng)的方法集成各種手段來獲取和管理空間數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為信息科學(xué)重要組成部分，為城鄉(xiāng)數(shù)字化、智慧化起到相當(dāng)重要的作用。

華中科技大學(xué)城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)本科除了開設(shè)“測量與地圖學(xué)”課程，還開設(shè)“3S技術(shù)與應(yīng)用”課程。測量與地圖學(xué)課講授傳統(tǒng)的測量技術(shù)，3S技術(shù)與應(yīng)用課程講授空間數(shù)據(jù)入庫、編輯、管理及分析。地圖信息系統(tǒng)專家陳樹鵬院士認(rèn)為“定性描述是地理的第一代語言，地圖是第二代語言，地理信息系統(tǒng)(GIS)是第三代語言”?！皽y量與地圖學(xué)”和“3S技術(shù)與應(yīng)用”這2門課程的實質(zhì)目標(biāo)是一致的，目的都是使學(xué)生了解空間信息獲取方式、掌握空間分析技術(shù)、輔助規(guī)劃決策，因此完全可以將這2門課程合并為一門課程。在現(xiàn)在的教學(xué)體系下，如果硬分開為2門課程，可以將測量與地圖學(xué)課程作為基礎(chǔ)，“3S技術(shù)與應(yīng)用”作為“測量與地圖學(xué)”的進(jìn)階課程。

測量與地圖學(xué)的教學(xué)改革思路為：緊密結(jié)合城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)需求，將空間信息獲取及分析作為教學(xué)目標(biāo)。信息獲取手段上，用先進(jìn)的測量信息技術(shù)取代傳統(tǒng)方法，并將大數(shù)據(jù)獲取作為城鄉(xiāng)規(guī)劃信息獲取的重要來源；將3S技術(shù)與應(yīng)用課程的基礎(chǔ)內(nèi)容（空間數(shù)據(jù)獲取、空間數(shù)據(jù)入庫、編輯、管理，數(shù)字地圖識讀，地形分析、量算分析、三維分析）移到本課程中。如此可加強(qiáng)這2門課間的承接關(guān)系，使2門課貫而為一，無縫銜接，給后續(xù)的3S技術(shù)與應(yīng)用課程騰出寶貴的教學(xué)時間，以便加深內(nèi)容、提升課程品質(zhì)，使學(xué)生掌握更大信息量及高質(zhì)量的空間信息分析技術(shù)。

3 實驗教學(xué)改革措施

3.1 更新觀念，大幅度更新教學(xué)內(nèi)容

遵循上述教學(xué)改革思路，設(shè)置具體實驗項目，如表2所示，共分4大模塊：數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)輸入及編輯，空間數(shù)據(jù)分析，放樣。

（1）數(shù)據(jù)獲取。城鄉(xiāng)規(guī)劃可分為3個不同層次，即總體規(guī)劃、分區(qū)規(guī)劃和詳細(xì)規(guī)劃。每一個層次工作的開展都要有現(xiàn)勢性很強(qiáng)的不同比例尺地形圖作依據(jù)。鑒于成圖方式主要是地面測繪及遙感，因此保留傳統(tǒng)的地面空間信息獲取內(nèi)容，但要用先進(jìn)的測量儀器及手段，設(shè)置全站儀導(dǎo)線測量及數(shù)據(jù)采集、GPS控制測量及數(shù)據(jù)采集、CASS成圖實驗。設(shè)置遙感實驗進(jìn)行遙感圖地理配準(zhǔn)、分類，用以提取建筑物、道路等地物。設(shè)置用爬取工具進(jìn)行大數(shù)據(jù)爬取實驗。

（2）數(shù)據(jù)輸入及編輯。城鄉(xiāng)規(guī)劃部門絕大部分地面信息數(shù)據(jù)來源除了遙感圖像，還有CADdwg格式地形圖。CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換用FME，將dwg格式轉(zhuǎn)換為shp格式，對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)還要進(jìn)行檢查，需要進(jìn)行拓?fù)湟?guī)則建立、拓?fù)洳殄e、圖形編輯修改，直至滿足拓?fù)潢P(guān)系。因此設(shè)置用FME分層將CAD圖導(dǎo)入ArcGIS、拓?fù)錂z查、建地理信息空間數(shù)據(jù)庫的實驗。

（3）空間數(shù)據(jù)分析。空間分析是城鄉(xiāng)規(guī)劃最需要的GIS功能，本課程設(shè)置實驗——以ArcGIS為平臺進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的管理，獲得地形圖上單點的坐標(biāo)、兩點間線段的長度、區(qū)域的面積；用ArcGIS建立三維地面模型，進(jìn)行坡度坡向分析、斷面圖分析、計算土石方量等——使學(xué)生掌握基礎(chǔ)的量算分析、三維地表面地形分析。

（4）放樣。城鄉(xiāng)規(guī)劃管理中需要進(jìn)行紅線放樣工作，因此還設(shè)置放樣實驗。

表2 改革后實驗項目

3.2 加強(qiáng)儀器設(shè)備配套

人才的培養(yǎng)離不開先進(jìn)的教學(xué)儀器設(shè)備。新儀器設(shè)備及現(xiàn)代教育技術(shù)，已經(jīng)成為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要組成部分。由于測量技術(shù)嚴(yán)重依賴儀器設(shè)備，缺少新儀器是制約教師傳授新知識的最大難題。沒有儀器就開不出實驗，學(xué)生即使在課堂上聽教師講到新技術(shù)，若不親身做實驗，難以真正掌握技術(shù)。加強(qiáng)儀器設(shè)備配套必須做到多管齊下[4-7]：

一是積極申報，創(chuàng)造條件，有步驟地加強(qiáng)實驗室投資，更新測繪儀器設(shè)備，完備實驗所需硬件及軟件。相關(guān)教師要把向?qū)W校有關(guān)部門申報實驗設(shè)備當(dāng)成一件重要的課題，認(rèn)真對待，積極申報。今年，我院的智慧城市平臺項目購進(jìn)了無人機(jī)，為地形圖測繪及地表遙感實驗教學(xué)提供了設(shè)備保障。

二是充分利用本校教學(xué)資源，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。結(jié)合本校城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)科的科研任務(wù)，加強(qiáng)與科研教師的交流溝通，充分利用科研用測量儀器設(shè)備[8]。

三是加強(qiáng)校際間設(shè)備資源共享。通過校際間教學(xué)設(shè)備資源共享，一方面，教學(xué)資源充裕的高校獲得經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，充分發(fā)揮教學(xué)設(shè)備在教學(xué)、科研以及社會服務(wù)中的作用，另一方面，經(jīng)費緊張的高校只付出少量的使用費，降低了教學(xué)成本。

四是加強(qiáng)校企聯(lián)合。測量與地圖學(xué)強(qiáng)調(diào)實訓(xùn)教學(xué)，最好能在真實的實體環(huán)境中去提高學(xué)生實驗?zāi)芰?，這就需要大量的實訓(xùn)基地及大量的教學(xué)設(shè)備?？梢耘c儀器公司、測繪單位等企業(yè)合作建設(shè)教學(xué)平臺，由企業(yè)提供實驗用儀器設(shè)備及設(shè)備教學(xué)資料，甚至可以指導(dǎo)學(xué)生實驗。對學(xué)校而言，可以節(jié)約大量的設(shè)備資金，在目前教學(xué)設(shè)備經(jīng)費比較緊張的情況下，有利于學(xué)校降低辦學(xué)成本；對企業(yè)而言，通過學(xué)生擴(kuò)大了企業(yè)在社會中的知名度以及產(chǎn)品的推廣度，企業(yè)也可以通過學(xué)生在實驗中的表現(xiàn)，有針對性地選拔人才，既可以降低選拔人才所需成本，又可以選拔到更加優(yōu)秀、更加適合企業(yè)發(fā)展需要的人才，建立起企業(yè)和高校的互惠互利、共贏共生的合作關(guān)系。

3.3 減少理論教學(xué)時間，增加實驗教學(xué)時間

現(xiàn)代測量技術(shù)由強(qiáng)大的理論支撐，對于城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)學(xué)生而言，學(xué)習(xí)測量的目的是應(yīng)用，并不需要掌握高深的理論。精講多練，對于測量與地圖學(xué)這門實踐性強(qiáng)的課程來說尤其有必要。先進(jìn)的測量儀器使用起來便利高效，可以減少相應(yīng)的理論教學(xué)時間，增加實驗教學(xué)時間[9]。將實驗時間提高到占總學(xué)時的一半，通過大量的實驗，培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力及分析問題、解決問題的能力。

3.4 改革實驗教學(xué)方式

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式是學(xué)生被動接受式，由教師編寫詳細(xì)的指導(dǎo)書，學(xué)生照葫蘆畫瓢，此教學(xué)方式能充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，便于按照學(xué)科知識的邏輯系統(tǒng)循序漸進(jìn)地教學(xué)，能使學(xué)生掌握系統(tǒng)的測量知識和技能，但也存在明顯缺陷，即束縛了學(xué)生的主動性、創(chuàng)造性和獨立思考能力，使學(xué)生感到枯燥，學(xué)得艱苦、死板，此法僅適用于本科生的驗證性實驗。

綜合性或設(shè)計性的實驗則需要圍繞解決本專業(yè)實際問題，宜采用問題探究式教學(xué)法，由指導(dǎo)教師提出問題（本課程二年級上學(xué)期開設(shè)，學(xué)生還未接觸到專業(yè)課），學(xué)生根據(jù)平時所掌握的知識提出解決問題的思路及措施[10-11]。對于綜合性及研究性實驗的實驗指導(dǎo)書，不用寫詳細(xì)，鼓勵學(xué)生自主提出解決問題方法并付諸實施。問題探究式教學(xué)能引導(dǎo)學(xué)生探究問題去發(fā)現(xiàn)建構(gòu)新知識，能激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性。

努力建設(shè)教學(xué)云實驗室。充分使用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，通過互聯(lián)網(wǎng)，利用教學(xué)云實驗室平臺提供的教學(xué)課件資料、實驗操作視頻、課后練習(xí)和模擬復(fù)習(xí)題等資料，進(jìn)行非實時（異步）教學(xué)[12]。計算機(jī)只需要連接網(wǎng)上云實驗室即可獲取課件、視頻資料、服務(wù)等云端資源。不論何時，不管是在實習(xí)機(jī)房、多媒體教室、學(xué)校圖書館，還是在學(xué)生宿舍，甚至在家里，只要連上云實驗室即可使用。由于有更豐富的教學(xué)資源供學(xué)生選用，使教學(xué)不受學(xué)時緊張的限制，并且由原來的以“教”為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴皩W(xué)”為主，能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性，教學(xué)效果更好。例如，視頻介紹無人機(jī)測繪技術(shù)及將DOM[13]導(dǎo)入CASS、EPS等成圖軟件中作為背景繪制生成DLG等，整個過程詳細(xì)、生動、形象，既有實用性又有趣味性，學(xué)生點擊量非常高。

3.5 改革實驗教學(xué)評價方式

過去實驗教學(xué)評價方式單一[14-16]，僅僅考慮出勤及是否按精度限差完成任務(wù)這2項指標(biāo)，很難做出精確評價，各組的成績都非常相近。為此，將評價標(biāo)準(zhǔn)做了改進(jìn)，在3個方面進(jìn)行評分，各取百分制、各占一定比例計量實驗總成績。

學(xué)生的實驗成績包括：實驗預(yù)習(xí)成績20%；遵守實驗室秩序和規(guī)章制度成績20%；實驗報告成績60%。實驗報告成績占總實驗成績的比例最大。實驗報告反映學(xué)生實際操作測量儀器外業(yè)數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)上機(jī)數(shù)據(jù)處理、空間分析過程的記錄及體會，能反映學(xué)生是如何將測量技術(shù)用于解決實際問題的思路及能力。

實驗成績=實驗預(yù)習(xí)′20%+實驗紀(jì)律′20%+實驗報告′60%

此評價模式充分考慮到了實驗的各個方面，實踐證明能切實起到督促學(xué)生全勤參與、高質(zhì)量完成實驗任務(wù)的效果。

4 結(jié)語

測量與地圖學(xué)課程作為基礎(chǔ)課，定位于將空間信息獲取及分析作為教學(xué)目標(biāo)，是智慧城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計與管理的需要。教師作為教學(xué)主體，應(yīng)該順應(yīng)時代發(fā)展潮流，努力更新知識結(jié)構(gòu)，勇于改革。該課程實踐性非常強(qiáng)，要尤其注重實驗教學(xué)，大幅調(diào)整實驗教學(xué)內(nèi)容，用現(xiàn)代信息技術(shù)取代傳統(tǒng)測量模式，采用豐富的教學(xué)手段，提高教學(xué)水平，培養(yǎng)高質(zhì)量的具有城市信息研究及應(yīng)用能力的城鄉(xiāng)規(guī)劃人才。

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Experimental teaching reform of surveying and cartography based on spatial information acquisition and analysis ability training

ZHANG Ruifang1,2, ZHANG Ping1,2, LIU Wei3

(1. School of Architecture and Urban Planning, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Engineering Research Center for Hubei New Urbanization, Wuhan 430074, China; 3. Tianjin Daming Surveying and Mapping Co. Ltd., Tianjin 300161, China)

In view of the serious disconnection between the teaching objectives of Surveying and Cartography course for undergraduate students majoring in urban and rural planning and the practical application requirements, the ideas and measures for experimental teaching reform are put forward. In close combination with the needs of the Urban and Rural planning specialty, the training of spatial information acquisition and analysis ability is taken as the teaching objective so as to reform experimental contents and teaching methods. For means of information acquisition, traditional methods are replaced by the advanced measurement technology, and big data is used as an important source of urban and rural planning information acquisition. The content of spatial information analysis is increased and students’ ability of urban information research and application is cultivated.

urban and rural planning; spatial information acquisition; spatial analysis; experimental teaching reform

G642.0

A

1002-4956(2019)11-0215-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.052

2019-03-09

華中科技大學(xué)2018 年實驗技術(shù)項目“工程測量學(xué)實驗教學(xué)改革思考與措施”（華中科技大學(xué)校設(shè)【2018】4號）

張瑞芳（1964—），女，湖北武漢，碩士，副教授，研究方向為3S技術(shù)在智慧城鄉(xiāng)中的應(yīng)用。E-mail:zrf06@163.com