鄧念武 金銀龍 劉玉新 劉任莉

[摘 要] 新工科是我國工程教育的改革方向，武漢大學(xué)水利水電學(xué)院根據(jù)新工科的要求更新了本科教育的培養(yǎng)目標(biāo)，“測量學(xué)”作為水利類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，需要與時(shí)俱進(jìn)地進(jìn)行教學(xué)改革。該文對測繪學(xué)這門古老而又快速發(fā)展的學(xué)科進(jìn)行了分析;結(jié)合水利類專業(yè)的要求，在“繼承與創(chuàng)新、交叉與融合”理念的支持下，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了更新和改革。該文結(jié)合新時(shí)代的教育教學(xué)理念，探討了“測量學(xué)”“以學(xué)生為中心”的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式;針對“測量學(xué)”理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的課程特點(diǎn)，研究了虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

[關(guān)鍵詞] 新工科;翻轉(zhuǎn)課堂;虛擬實(shí)驗(yàn)

新工科（Emerging Engineering Education，3E）是基于國際競爭新形勢、國家發(fā)展新需求、立德樹人新要求提出的工程教育改革的方向[1]。鐘登華院士認(rèn)為：新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，達(dá)到培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才的目標(biāo)[2]。

武漢大學(xué)水利水電學(xué)院結(jié)合新工科的要求，對本科生的培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行了更新：培養(yǎng)具有堅(jiān)定民族精神和開闊國際視野、強(qiáng)烈社會(huì)責(zé)任感和使命感，人格健全，知識(shí)寬厚，能力全面，能夠引領(lǐng)未來社會(huì)進(jìn)步、文明發(fā)展的杰出人才。畢業(yè)生在水利水電工程及相關(guān)領(lǐng)域具有就業(yè)競爭力，并有能力進(jìn)入研究生階段學(xué)習(xí);能夠通過繼續(xù)教育或其他終身學(xué)習(xí)途徑拓展自己的知識(shí)和能力;畢業(yè)后能夠承擔(dān)水利水電工程及相關(guān)領(lǐng)域的勘測、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工與管理工作;畢業(yè)后經(jīng)過5年左右實(shí)際工作的鍛煉，預(yù)期獲得職業(yè)工程師資格或者具備相當(dāng)水平的工作能力;能夠在工作團(tuán)隊(duì)中作為核心成員或領(lǐng)導(dǎo)者有效地發(fā)揮作用。

“測量學(xué)”作為水利類本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課[2]，如何在新工科和現(xiàn)代教育理念思想的指導(dǎo)下，在測繪科學(xué)和水電科學(xué)高速發(fā)展變化的時(shí)代，在強(qiáng)調(diào)“繼承與創(chuàng)新、交叉與融合”氛圍下，充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段組織好“測量學(xué)”課程建設(shè)與教學(xué)，是值得我們思考和研究的問題。

一、教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革

測繪學(xué)是一門古老而又不斷發(fā)展變化的學(xué)科。根據(jù)赫爾默特的定義，傳統(tǒng)測繪學(xué)是利用測量儀器測定地球表面自然形態(tài)的地理要素，以及地球表面人工設(shè)施的形狀、大小、空間位置及其屬性等，然后根據(jù)儀器的觀測數(shù)據(jù)通過地形圖制圖的方法將上述信息按照一定比例繪制成地圖[4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和通信技術(shù)的高速發(fā)展及其在各行各業(yè)中的不斷滲透和融合，使得測繪學(xué)從理論到手段都發(fā)生了革命性的變化，向以“3S”技術(shù)（Global Navigation Satellite System，GNSS;Geographic Information System，GIS;Remote Sensing，RS）為代表的現(xiàn)代測繪新技術(shù)發(fā)展[3]。

水利類專業(yè)的本科生在學(xué)習(xí)“測量學(xué)”課程時(shí)，不僅需要學(xué)習(xí)測繪基礎(chǔ)知識(shí)，更重要的是了解和熟悉測繪科學(xué)的前沿、同時(shí)具有將測繪科學(xué)前沿技術(shù)應(yīng)用到水利類專業(yè)的能力。筆者認(rèn)為，“繼承與創(chuàng)新、交叉與融合”的理念在“測量學(xué)”教學(xué)改革中應(yīng)該得到充分的體現(xiàn)。

“測量學(xué)”作為水利類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，需要處理好教學(xué)學(xué)時(shí)的有限性與測繪學(xué)科知識(shí)體系龐大之間的矛盾，必須有選擇地對內(nèi)容進(jìn)行取舍。傳統(tǒng)測繪是水利工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營階段不可或缺的技術(shù)，目前這部分內(nèi)容是水利類專業(yè)“測量學(xué)”講述的主要內(nèi)容。鑒于此，“測量學(xué)”的內(nèi)容應(yīng)該包括傳統(tǒng)測繪學(xué)的內(nèi)容：測繪科學(xué)概述;傳統(tǒng)確定點(diǎn)三要素的儀器結(jié)構(gòu)、觀測原理、觀測方法、誤差及其消減方法等;測量誤差的基本知識(shí);傳統(tǒng)的平面控制和高程控制;大比例尺電子數(shù)字化測圖及其應(yīng)用等。

為了熟悉現(xiàn)代測繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在“測量學(xué)”教學(xué)內(nèi)容中必須要加入現(xiàn)代測繪科學(xué)的內(nèi)容。這些內(nèi)容包括：全球定位系統(tǒng)測量的基本原理和應(yīng)用;地理信息系統(tǒng)的概念、硬件和軟件組成、主要特性、在工程建設(shè)中的應(yīng)用;攝影測量學(xué)的基本原理、數(shù)字?jǐn)z影測量、遙感的概念、遙感信息傳輸與處理、遙感技術(shù)的應(yīng)用。

“測量學(xué)”教學(xué)不僅需要介紹傳統(tǒng)測繪技術(shù)與水利學(xué)科融合，更需要介紹現(xiàn)代測繪技術(shù)與現(xiàn)代水利科學(xué)的融合，例如“3S”技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用等。由于學(xué)時(shí)的限制，可以將這一部分作為專題進(jìn)行介紹，為學(xué)生打開一扇測繪學(xué)科與水利學(xué)科融合的窗口，有利于學(xué)生深入地學(xué)習(xí)和進(jìn)行科學(xué)研究。

“測量學(xué)”是理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的課程，伴隨教學(xué)內(nèi)容的更新，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也需要及時(shí)調(diào)整。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)包括：等外水準(zhǔn)測量、四等水準(zhǔn)測量、水準(zhǔn)儀的檢驗(yàn)和校正、測回法、全圓測回法、經(jīng)緯儀（全站儀）的檢驗(yàn)和校正、豎直角和距離測量、電子地圖的測量、施工放樣等。更新實(shí)驗(yàn)包括：GNSS接收機(jī)的使用、GIS軟件的熟悉和使用、遙感影像的了解和認(rèn)識(shí)、三維激光掃描儀的應(yīng)用等。

創(chuàng)新性是新工科的必然要求，為了將測繪科學(xué)技術(shù)更好地應(yīng)用到水利及相關(guān)學(xué)科中，筆者還設(shè)計(jì)了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：武漢大學(xué)古建筑逆向三維建模、基于三維點(diǎn)云的地形圖繪制、基于BLK360掃描儀的BIM模型、基于GIS的洪水淹沒面積推演、基于遙感影像的水利工程監(jiān)測等，作為“測量學(xué)”本科教學(xué)的擴(kuò)展。

二、教學(xué)方式的改革

（一）學(xué)習(xí)金字塔理論

美國著名學(xué)習(xí)專家埃德加·戴爾提出了“學(xué)習(xí)金字塔”理論。他以語言學(xué)習(xí)為例，統(tǒng)計(jì)和分析了對某內(nèi)容初次學(xué)習(xí)兩個(gè)星期后，能夠記住所學(xué)內(nèi)容（平均學(xué)習(xí)保證率）的比例。具體地講，采用“聽講”“閱讀”“聲音/圖片”“示范/演示”“小組討論”“實(shí)際演練/做中學(xué)”“馬上應(yīng)用/教別人”這七種方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，兩周后分別能夠記住內(nèi)容的5%、10%、20%、30%、50%、75%、90%。其中前四種學(xué)習(xí)方式為被動(dòng)學(xué)習(xí)，效率較低，平均學(xué)習(xí)保證率最多只有30%。后三種學(xué)習(xí)方式為主動(dòng)學(xué)習(xí)，效率較高，平均學(xué)習(xí)保證率可以達(dá)到90%。由此可以反映出學(xué)習(xí)方法在學(xué)習(xí)效率上具有巨大差異。鑒于此，我們的教育方式必須由“教師為主導(dǎo)，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)化為“學(xué)生為中心、自主學(xué)習(xí)”的模式[4-6]。

（二）基于翻轉(zhuǎn)課堂的“測量學(xué)”教學(xué)模式

翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom）是指學(xué)生在課前先觀看課件和視頻講解，進(jìn)行自主學(xué)習(xí);課堂中進(jìn)行學(xué)生間、師生間面對面的交流學(xué)習(xí)心得、答疑解惑、合作探究，最終以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)為目的的教學(xué)方式[5]。翻轉(zhuǎn)課堂是運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授與知識(shí)轉(zhuǎn)化的“顛倒式”教學(xué)模式，是一種能夠激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)能力的有效手段，真正體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的現(xiàn)代教育理念。[6]

翻轉(zhuǎn)課堂的新方式分為任務(wù)驅(qū)動(dòng)、意義建構(gòu)、探討協(xié)作、評價(jià)交流等四個(gè)部分[5]。課前學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和意義建構(gòu)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，有利于自主學(xué)習(xí)，不主觀依賴于課堂知識(shí)傳授習(xí)慣的養(yǎng)成。課堂探討協(xié)作和評價(jià)交流必須在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行，通過交流討論，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，啟發(fā)學(xué)生思維，有利于學(xué)生創(chuàng)新性思維的養(yǎng)成。

課前一周，教師進(jìn)行內(nèi)容布置，以及完成相關(guān)任務(wù)（如思考題和作業(yè)等）。在“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”下觀看相關(guān)資料，學(xué)生可以根據(jù)自身情況進(jìn)行進(jìn)度安排，同時(shí)需要完成任務(wù)，在一定程度上進(jìn)行了本階段的“意義構(gòu)建”，形成了一定的知識(shí)結(jié)構(gòu)。課前部分包括了“聲音/圖片”的學(xué)習(xí)，并包含“做中學(xué)”;由于有上課時(shí)“探討交流”的壓力，對知識(shí)的掌握相對來講會(huì)深刻一些。對于不懂的問題會(huì)反復(fù)觀看，并進(jìn)行筆記整理。同時(shí)教師要求學(xué)生梳理課前布置的相關(guān)內(nèi)容，提出自己的問題和想法，以便于上課時(shí)討論。

上課時(shí)在教師和學(xué)生問題導(dǎo)向的前提下進(jìn)行“探討協(xié)作”。提前將全班同學(xué)分為幾組，每組6人左右進(jìn)行探討。過程中包含“小組討論”和“教別人”?！疤接憛f(xié)作”階段是解決課前學(xué)習(xí)問題，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新的高階能力的培養(yǎng)，同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生合作意識(shí)和溝通能力的重要環(huán)節(jié)。對于學(xué)生的共性問題，教師可以采用引導(dǎo)式的方式進(jìn)行講述;對于個(gè)別問題，教師可以單獨(dú)答疑解決?！皽y量學(xué)”的教學(xué)環(huán)節(jié)還包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這個(gè)過程包含“實(shí)際演練/做中學(xué)”和“馬上應(yīng)用/教別人”，該環(huán)節(jié)是前期課程中解決問題后的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步加深學(xué)生對內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和理解，并有利于創(chuàng)新性意識(shí)的形成，最后形成完整的本階段的“意義構(gòu)建”。

“評價(jià)交流”是對前面教學(xué)過程的總結(jié)和反思，是學(xué)生展現(xiàn)自我想法和傾聽他人意見的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生知識(shí)水平升華的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生可以將想法與其他人分享，一方面提高了自己的認(rèn)知水平和表達(dá)能力，另一方面其他同學(xué)能在其中獲取靈感，共同進(jìn)步。

為了達(dá)到以上目的，教師和學(xué)生必須扮演好自己的角色。

一是教師角色。為了達(dá)到“以學(xué)生為中心”的目的，教師必須進(jìn)行總體策劃、編寫劇本、推動(dòng)劇情發(fā)展，并需要在劇情中扮演一定的角色。具體地講，教師是課件和視頻的設(shè)計(jì)者和制作者，教學(xué)活動(dòng)的組織者，學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者和引領(lǐng)者，學(xué)生交流中的合作伙伴[7]。針對“測量學(xué)”課程的特點(diǎn)，教師的活動(dòng)主要包括：編寫課件、錄制視頻、編制思考題和習(xí)題，上傳相關(guān)資料到學(xué)習(xí)平臺(tái)。課前布置自主學(xué)習(xí)任務(wù);課中重難點(diǎn)講解、引導(dǎo)學(xué)生思考、解決學(xué)生提出的問題;實(shí)驗(yàn)階段儀器示范操作，解決實(shí)際問題;對課程內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和提煉。課程始于問題，問題的提出可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。如介紹“水準(zhǔn)儀及其使用”時(shí)，可以通過“水往低處流”這一個(gè)簡單的自然現(xiàn)象出發(fā)，表明地面有高低之分。那么采用什么方法可以判斷地面高低？從而激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。并由此引入“水準(zhǔn)測量的基本原理”，以及水準(zhǔn)儀需要滿足的條件：儀器必須提供一條水平視線。問題的擴(kuò)展是升華和提高的過程，引起學(xué)生進(jìn)一步的思考，有利于創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)和挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成。前面問題的擴(kuò)展包括儀器的擴(kuò)展，觀測方法的擴(kuò)展，引起學(xué)生更多地思考。課堂活動(dòng)中除了學(xué)生間的探討交流和協(xié)作外，教師應(yīng)根據(jù)討論交流情況進(jìn)行重難點(diǎn)的講解。根據(jù)網(wǎng)上上課情況、思考題和習(xí)題完成情況，有針對性地展開講解。比如在“水準(zhǔn)儀及其使用”一章中，水準(zhǔn)管軸與視準(zhǔn)軸如何才能保持平行的問題，測量高差還有沒有其他方法，利用水準(zhǔn)測量可以解決現(xiàn)實(shí)生活中的什么實(shí)際問題等。

二是學(xué)生角色。學(xué)生是教學(xué)活動(dòng)的主體，要從知識(shí)被動(dòng)接受者變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)者、主動(dòng)交流者和探索者，課前根據(jù)教師要求，在以問題為導(dǎo)向的前提下學(xué)習(xí)課件和視頻等資料，通過自主學(xué)習(xí)了解和掌握相關(guān)知識(shí)，盡量解決課件和視頻中提到的問題，有所思考，并提出相關(guān)問題;課中根據(jù)教師的要求進(jìn)行分組討論，講述自己對該內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和理解，提出問題，并且和組員進(jìn)行分析討論，以小組為單位進(jìn)行歸納總結(jié)，提出本小組的觀點(diǎn)和難點(diǎn)，供全班討論，最后在教師的引導(dǎo)下對重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)，有利于進(jìn)一步思考;課后編寫總結(jié)報(bào)告，加強(qiáng)對本課程內(nèi)容的理解，完成本階段的學(xué)習(xí)。

（三）“虛實(shí)結(jié)合”的混合式實(shí)驗(yàn)方法研究

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式可以提高實(shí)驗(yàn)效率，并且有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種“沉浸式教學(xué)”的實(shí)踐教學(xué)方式，具有明顯區(qū)別于傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方式的特點(diǎn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的最大特點(diǎn)是借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境，可輔助或部分替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)者可以模仿現(xiàn)實(shí)環(huán)境完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)效果在一定程度上可以達(dá)到真實(shí)環(huán)境中所取得的效果[2]。

通過目前“測量學(xué)”虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)和實(shí)施的效果來看，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)主要解決的問題是：讓學(xué)生熟悉儀器的基本結(jié)構(gòu)、熟悉實(shí)驗(yàn)的流程，規(guī)范實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄順序和格式，熟悉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法等。如在等外水準(zhǔn)測量虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生首先觀看視頻，了解水準(zhǔn)儀的基本結(jié)構(gòu)，水準(zhǔn)儀的整平和瞄準(zhǔn)方法，光學(xué)水準(zhǔn)儀的讀數(shù)方法，等外水準(zhǔn)測量的觀測程序等。隨后進(jìn)行水準(zhǔn)測量的虛擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)給定的已知高程點(diǎn)的位置和高程、未知點(diǎn)的位置、進(jìn)行閉合等外水準(zhǔn)測量測量，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入規(guī)范表格，并進(jìn)行計(jì)算。從而了解和熟悉等外水準(zhǔn)測量的全過程。

實(shí)地實(shí)踐性環(huán)節(jié)主要解決的問題是：根據(jù)教師布置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行路線規(guī)劃，利用儀器進(jìn)行整平（或?qū)χ姓剑┖兔闇?zhǔn)工作，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄計(jì)算，對不合格的成果進(jìn)行問題分析和重測等。如在等外水準(zhǔn)測量中需要根據(jù)現(xiàn)場地形的高低有效地進(jìn)行路線規(guī)劃，整平、瞄準(zhǔn)和讀數(shù)工作必須手動(dòng)完成，閉合差如果不滿足要求需要進(jìn)行分析，查找問題并進(jìn)行解決;另外還有許多需要注意的細(xì)節(jié)：如儀器的安全性、水準(zhǔn)尺立尺的垂直度、視差等問題。

虛擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相輔相成，先進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，后進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)，再在虛擬實(shí)驗(yàn)中鞏固和提高，有利于學(xué)生測量實(shí)驗(yàn)規(guī)范性操作、記錄計(jì)算習(xí)慣的養(yǎng)成，同時(shí)有助于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)可以減少實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的開放與資源共享的難度。

三、結(jié)語

我們處于快速發(fā)展和不斷變化的時(shí)代，測繪科學(xué)和水利科學(xué)的快速發(fā)展和不斷變化，教育理念和教育方式的不斷創(chuàng)新，作為水利類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課“測量學(xué)”也必須緊跟時(shí)代的步伐前進(jìn)。在“繼承與創(chuàng)新、交叉與融合”理念的支持下，本文對“測量學(xué)”教學(xué)內(nèi)容的更新進(jìn)行了探索，在保留傳統(tǒng)測繪學(xué)的基本知識(shí)的前提下，更多地加入了測繪科學(xué)的新技術(shù)和新方法，以及其在水利科學(xué)中的應(yīng)用。結(jié)合新時(shí)代的教育教學(xué)理念，探討了測量學(xué)“以學(xué)生為中心”的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式，分析了翻轉(zhuǎn)課堂中教師角色和學(xué)生角色;針對“測量學(xué)”理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的課程特點(diǎn)，研究了虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。同時(shí)在課前、課中以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，注重培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)造力和溝通能力，對培養(yǎng)創(chuàng)新性人才做出本課程的貢獻(xiàn)。

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