邓念武 金银龙 刘玉新 刘任莉

[摘 要] 新工科是我国工程教育的改革方向，武汉大学水利水电学院根据新工科的要求更新了本科教育的培养目标，“测量学”作为水利类专业的专业基础课，需要与时俱进地进行教学改革。该文对测绘学这门古老而又快速发展的学科进行了分析;结合水利类专业的要求，在“继承与创新、交叉与融合”理念的支持下，对教学内容进行了更新和改革。该文结合新时代的教育教学理念，探讨了“测量学”“以学生为中心”的翻转课堂教学方式;针对“测量学”理论与实践结合紧密的课程特点，研究了虚拟实验与实体实验相互补充、相互促进的“虚实结合”实验教学方法。

[关键词] 新工科;翻转课堂;虚拟实验

新工科（Emerging Engineering Education，3E）是基于国际竞争新形势、国家发展新需求、立德树人新要求提出的工程教育改革的方向[1]。钟登华院士认为：新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，达到培养多元化、创新型卓越工程人才的目标[2]。

武汉大学水利水电学院结合新工科的要求，对本科生的培养目标进行了更新：培养具有坚定民族精神和开阔国际视野、强烈社会责任感和使命感，人格健全，知识宽厚，能力全面，能够引领未来社会进步、文明发展的杰出人才。毕业生在水利水电工程及相关领域具有就业竞争力，并有能力进入研究生阶段学习;能够通过继续教育或其他终身学习途径拓展自己的知识和能力;毕业后能够承担水利水电工程及相关领域的勘测、规划、设计、施工与管理工作;毕业后经过5年左右实际工作的锻炼，预期获得职业工程师资格或者具备相当水平的工作能力;能够在工作团队中作为核心成员或领导者有效地发挥作用。

“测量学”作为水利类本科生必修的专业基础课[2]，如何在新工科和现代教育理念思想的指导下，在测绘科学和水电科学高速发展变化的时代，在强调“继承与创新、交叉与融合”氛围下，充分利用现代科学技术手段组织好“测量学”课程建设与教学，是值得我们思考和研究的问题。

一、教学内容和实验内容的改革

测绘学是一门古老而又不断发展变化的学科。根据赫尔默特的定义，传统测绘学是利用测量仪器测定地球表面自然形态的地理要素，以及地球表面人工设施的形状、大小、空间位置及其属性等，然后根据仪器的观测数据通过地形图制图的方法将上述信息按照一定比例绘制成地图[4]。随着计算机技术、信息技术和通信技术的高速发展及其在各行各业中的不断渗透和融合，使得测绘学从理论到手段都发生了革命性的变化，向以“3S”技术（Global Navigation Satellite System，GNSS;Geographic Information System，GIS;Remote Sensing，RS）为代表的现代测绘新技术发展[3]。

水利类专业的本科生在学习“测量学”课程时，不仅需要学习测绘基础知识，更重要的是了解和熟悉测绘科学的前沿、同时具有将测绘科学前沿技术应用到水利类专业的能力。笔者认为，“继承与创新、交叉与融合”的理念在“测量学”教学改革中应该得到充分的体现。

“测量学”作为水利类专业的专业基础课，需要处理好教学学时的有限性与测绘学科知识体系庞大之间的矛盾，必须有选择地对内容进行取舍。传统测绘是水利工程规划、设计、施工和运营阶段不可或缺的技术，目前这部分内容是水利类专业“测量学”讲述的主要内容。鉴于此，“测量学”的内容应该包括传统测绘学的内容：测绘科学概述;传统确定点三要素的仪器结构、观测原理、观测方法、误差及其消减方法等;测量误差的基本知识;传统的平面控制和高程控制;大比例尺电子数字化测图及其应用等。

为了熟悉现代测绘科学技术的发展，在“测量学”教学内容中必须要加入现代测绘科学的内容。这些内容包括：全球定位系统测量的基本原理和应用;地理信息系统的概念、硬件和软件组成、主要特性、在工程建设中的应用;摄影测量学的基本原理、数字摄影测量、遥感的概念、遥感信息传输与处理、遥感技术的应用。

“测量学”教学不仅需要介绍传统测绘技术与水利学科融合，更需要介绍现代测绘技术与现代水利科学的融合，例如“3S”技术在水利工程中的应用等。由于学时的限制，可以将这一部分作为专题进行介绍，为学生打开一扇测绘学科与水利学科融合的窗口，有利于学生深入地学习和进行科学研究。

“测量学”是理论与实践结合紧密的课程，伴随教学内容的更新，实验内容也需要及时调整。传统实验包括：等外水准测量、四等水准测量、水准仪的检验和校正、测回法、全圆测回法、经纬仪（全站仪）的检验和校正、竖直角和距离测量、电子地图的测量、施工放样等。更新实验包括：GNSS接收机的使用、GIS软件的熟悉和使用、遥感影像的了解和认识、三维激光扫描仪的应用等。

创新性是新工科的必然要求，为了将测绘科学技术更好地应用到水利及相关学科中，笔者还设计了创新性实验项目：武汉大学古建筑逆向三维建模、基于三维点云的地形图绘制、基于BLK360扫描仪的BIM模型、基于GIS的洪水淹没面积推演、基于遥感影像的水利工程监测等，作为“测量学”本科教学的扩展。

二、教学方式的改革

（一）学习金字塔理论

美国著名学习专家埃德加·戴尔提出了“学习金字塔”理论。他以语言学习为例，统计和分析了对某内容初次学习两个星期后，能够记住所学内容（平均学习保证率）的比例。具体地讲，采用“听讲”“阅读”“声音/图片”“示范/演示”“小组讨论”“实际演练/做中学”“马上应用/教别人”这七种方式进行学习，两周后分别能够记住内容的5%、10%、20%、30%、50%、75%、90%。其中前四种学习方式为被动学习，效率較低，平均学习保证率最多只有30%。后三种学习方式为主动学习，效率较高，平均学习保证率可以达到90%。由此可以反映出学习方法在学习效率上具有巨大差异。鉴于此，我们的教育方式必须由“教师为主导，学生被动学习”转化为“学生为中心、自主学习”的模式[4-6]。

（二）基于翻转课堂的“测量学”教学模式

翻转课堂（Flipped Classroom）是指学生在课前先观看课件和视频讲解，进行自主学习;课堂中进行学生间、师生间面对面的交流学习心得、答疑解惑、合作探究，最终以实现教学目标为目的的教学方式[5]。翻转课堂是运用现代信息技术实现知识传授与知识转化的“颠倒式”教学模式，是一种能够激发学习兴趣，增强学习能力的有效手段，真正体现“以学生为中心”的现代教育理念。[6]

翻转课堂的新方式分为任务驱动、意义建构、探讨协作、评价交流等四个部分[5]。课前学生进行自主学习和意义建构，充分发挥学生的主观能动性，有利于自主学习，不主观依赖于课堂知识传授习惯的养成。课堂探讨协作和评价交流必须在教师的引导下进行，通过交流讨论，发现问题、分析问题和解决问题，启发学生思维，有利于学生创新性思维的养成。

课前一周，教师进行内容布置，以及完成相关任务（如思考题和作业等）。在“任务驱动”下观看相关资料，学生可以根据自身情况进行进度安排，同时需要完成任务，在一定程度上进行了本阶段的“意义构建”，形成了一定的知识结构。课前部分包括了“声音/图片”的学习，并包含“做中学”;由于有上课时“探讨交流”的压力，对知识的掌握相对来讲会深刻一些。对于不懂的问题会反复观看，并进行笔记整理。同时教师要求学生梳理课前布置的相关内容，提出自己的问题和想法，以便于上课时讨论。

上课时在教师和学生问题导向的前提下进行“探讨协作”。提前将全班同学分为几组，每组6人左右进行探讨。过程中包含“小组讨论”和“教别人”。“探讨协作”阶段是解决课前学习问题，运用所学知识进行创新的高阶能力的培养，同时也是培养学生合作意识和沟通能力的重要环节。对于学生的共性问题，教师可以采用引导式的方式进行讲述;对于个别问题，教师可以单独答疑解决。“测量学”的教学环节还包括实验项目，这个过程包含“实际演练/做中学”和“马上应用/教别人”，该环节是前期课程中解决问题后的实际应用，进一步加深学生对内容的认识和理解，并有利于创新性意识的形成，最后形成完整的本阶段的“意义构建”。

“评价交流”是对前面教学过程的总结和反思，是学生展现自我想法和倾听他人意见的重要环节，是学生知识水平升华的重要环节。学生可以将想法与其他人分享，一方面提高了自己的认知水平和表达能力，另一方面其他同学能在其中获取灵感，共同进步。

为了达到以上目的，教师和学生必须扮演好自己的角色。

一是教师角色。为了达到“以学生为中心”的目的，教师必须进行总体策划、编写剧本、推动剧情发展，并需要在剧情中扮演一定的角色。具体地讲，教师是课件和视频的设计者和制作者，教学活动的组织者，学生学习的指导者和引领者，学生交流中的合作伙伴[7]。针对“测量学”课程的特点，教师的活动主要包括：编写课件、录制视频、编制思考题和习题，上传相关资料到学习平台。课前布置自主学习任务;课中重难点讲解、引导学生思考、解决学生提出的问题;实验阶段仪器示范操作，解决实际问题;对课程内容进行总结和提炼。课程始于问题，问题的提出可以调动学生的好奇心，激发学生学习的兴趣。如介绍“水准仪及其使用”时，可以通过“水往低处流”这一个简单的自然现象出发，表明地面有高低之分。那么采用什么方法可以判断地面高低？从而激发学生的好奇心和求知欲。并由此引入“水准测量的基本原理”，以及水准仪需要满足的条件：仪器必须提供一条水平视线。问题的扩展是升华和提高的过程，引起学生进一步的思考，有利于创造性思维的培养和挑战性学习习惯的养成。前面问题的扩展包括仪器的扩展，观测方法的扩展，引起学生更多地思考。课堂活动中除了学生间的探讨交流和协作外，教师应根据讨论交流情况进行重难点的讲解。根据网上上课情况、思考题和习题完成情况，有针对性地展开讲解。比如在“水准仪及其使用”一章中，水准管轴与视准轴如何才能保持平行的问题，测量高差还有没有其他方法，利用水准测量可以解决现实生活中的什么实际问题等。

二是学生角色。学生是教学活动的主体，要从知识被动接受者变为自主学习者、主动交流者和探索者，课前根据教师要求，在以问题为导向的前提下学习课件和视频等资料，通过自主学习了解和掌握相关知识，尽量解决课件和视频中提到的问题，有所思考，并提出相关问题;课中根据教师的要求进行分组讨论，讲述自己对该内容的认识和理解，提出问题，并且和组员进行分析讨论，以小组为单位进行归纳总结，提出本小组的观点和难点，供全班讨论，最后在教师的引导下对重点和难点进行分析和总结，有利于进一步思考;课后编写总结报告，加强对本课程内容的理解，完成本阶段的学习。

（三）“虚实结合”的混合式实验方法研究

虚拟仿真实验和现场实验相结合的方式可以提高实验效率，并且有助于学生创新能力的培养。

虚拟仿真实验是一种“沉浸式教学”的实践教学方式，具有明显区别于传统实践教学方式的特点。虚拟仿真实验的最大特点是借助于多媒体、仿真和虛拟现实技术，在计算机上模拟实验现场环境，可辅助或部分替代传统实验环节，实验者可以模仿现实环境完成实验项目，实验效果在一定程度上可以达到真实环境中所取得的效果[2]。

通过目前“测量学”虚拟实验项目的建设和实施的效果来看，虚拟实验教学环节主要解决的问题是：让学生熟悉仪器的基本结构、熟悉实验的流程，规范实验数据记录顺序和格式，熟悉实验数据的计算方法等。如在等外水准测量虚拟实验中，学生首先观看视频，了解水准仪的基本结构，水准仪的整平和瞄准方法，光学水准仪的读数方法，等外水准测量的观测程序等。随后进行水准测量的虚拟实验，根据给定的已知高程点的位置和高程、未知点的位置、进行闭合等外水准测量测量，将实验数据记入规范表格，并进行计算。从而了解和熟悉等外水准测量的全过程。

实地实践性环节主要解决的问题是：根据教师布置的实验项目进行路线规划，利用仪器进行整平（或对中整平）和瞄准工作，根据实测数据进行记录计算，对不合格的成果进行问题分析和重测等。如在等外水准测量中需要根据现场地形的高低有效地进行路线规划，整平、瞄准和读数工作必须手动完成，闭合差如果不满足要求需要进行分析，查找问题并进行解决;另外还有许多需要注意的细节：如仪器的安全性、水准尺立尺的垂直度、视差等问题。

虚拟实验和现场实验相辅相成，先进行虚拟实验，后进行实地实验，再在虚拟实验中巩固和提高，有利于学生测量实验规范性操作、记录计算习惯的养成，同时有助于学生进行创新性实验研究，同时可以减少实体实验室的开放与资源共享的难度。

三、结语

我们处于快速发展和不断变化的时代，测绘科学和水利科学的快速发展和不断变化，教育理念和教育方式的不断创新，作为水利类专业的专业基础课“测量学”也必须紧跟时代的步伐前进。在“继承与创新、交叉与融合”理念的支持下，本文对“测量学”教学内容的更新进行了探索，在保留传统测绘学的基本知识的前提下，更多地加入了测绘科学的新技术和新方法，以及其在水利科学中的应用。结合新时代的教育教学理念，探讨了测量学“以学生为中心”的翻转课堂教学方式，分析了翻转课堂中教师角色和学生角色;针对“测量学”理论与实践结合紧密的课程特点，研究了虚拟实验与实体实验相互补充、相互促进的“虚实结合”实验教学方法。同时在课前、课中以及实验教学过程中，注重培养学生的分析能力、实践经验、创造力和沟通能力，对培养创新性人才做出本课程的贡献。

参考文献

[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]邓念武.“测量学”网络教学的实践与思考[J].教育教学论坛，2020（8）：249-251.

[3]宁津生，王正涛.测绘学科发展综述[J].测绘科学，2006（2）：9-16.

[4]赵红蕊.教育的复杂性与教学的简单性——非测绘专业“测量学”教学思考[J].测绘通报，2020（9）：148-150.

[5]姜艳玲，徐彤.学习成效金字塔理论在翻转课堂中的应用与实践[J].中国电化教育，2014（7）：133-138.

[6]田会峰，刘永良，赵丽.学习金字塔理论在翻转课堂教学模式中的应用[J].电气电子教学学报，2018（2）：18-21，125.

[7]张秀芳.翻转课堂教学模式下教师的角色定位[J].开封大学学报，2015（6）：52-54.