新工科背景下测绘类专业全站仪实践教学改革

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作 者 信 息

刘凤英，王 冬，刘尚国，赵会兴 

山东科技大学 测绘与空间信息学院，山东 青岛 266590

【摘要】为解决测绘类专业全站仪传统实践教学体系中存在的实验内容少、教学方法滞后、教学资源匮乏等问题和不足，培养新工科背景下测绘类专业创新型、复合型的高素质人才，提出了全站仪实践教学优化改革的详细措施，包括实验教学内容创新、实践教学方法改革和实践教学资源优化几方面内容。通过增加开放性创新型实验项目、以赛促练、个性化培养、线上视频教程和虚拟仿真实验联合、建设标准化实验场等一些措施，使实验教学内容更加贴合企业生产需求，实践教学方法可有效提高教学质量。为培养学生的动手能力、解决问题能力和创新能力等提供了一种方法途径。

【关键词】新工科；全站仪实践教学；内容创新；方法改革；资源优化

【中图分类号】G4

【文献标识码】A 

【文章编号】1672-1586（2021）04-0049-05

引文格式：

刘凤英，王 冬，刘尚国，等. 新工科背景下测绘类专业全站仪实践教学改革[J].地理信息世界,2021,28(4):49-53.

正文

0  引 言

新工科是顺应新时代发展需求和国内工程教育新形势提出的。新工科教育有新的教育理念，需要在传统教育模式的基础上进行创新与改革，具有满足产业需求为导向、多学科交叉融合、创新和主动布局几大特征，以培养复合型、创新型人才为目标，是符合中国特色国情的高等学校工程教育改革方案。

实践教学是测绘类专业重要的教学环节，是培养学生动手能力、团队精神、问题分析能力、职业规范、创新和终身学习能力的重要途径。时代在快速发展，传统的实践教学内容、教学方法、教学手段以及教学平台已经不能满足新工科背景下测绘人才的培养需求。为提高信息化测绘时代人才培养的质量，需要在传统实践教学模式的基础上进行创新和改革，提升实践教学水平，完善实践教学体系，创新实践教学方法与手段 。

文中从新工科教育人才培养的目标出发，结合测绘类专业的培养方案、实践教学资源平台、实践教学方法等多个方面，以山东科技大学全站仪相关的实践教学为例，探讨了全站仪实践教学的改革方法与详细措施。

1 测绘类专业全站仪实践教学情况

1.1 专业设置与培养方案

目前，山东科技大学测绘与空间信息学院设置了测绘工程、地理信息科学、遥感科学与技术3个本科专业。2020级3个专业分别招收了测绘工程5个班级，地理信息科学3个班级，遥感科学与技术 3 个班级。学校制定的培养方案中3个专业使用全站仪开展实践教学（表1）。

表 1  测绘类专业培养方案中全站仪实践教学情况

Tab.1 The practical teaching of total station in the training program of Surveying and Mapping Specialty

1.2 全站仪实践教学

全站仪是测绘工程专业进行野外数据采集使用的主要仪器之一，应用在地形测量、大地测量和工程测量等领域。表1可明显看出，全站仪实践教学学时在测绘工程专业中占比最大，充分体现了在实践教学中的重要性，是培养学生实践动手能力的主要仪器设备。

1）仪器设备概况。测绘与空间信息学院实验中心于2016年1月正式获批测绘工程国家级实验教学示范中心。中心优化改造后拥有14个教学实验室（实验场），其中使用全站仪开展实践教学的实验室有数字地形测量实验室和精密工程测量实验室。数字地形测量实验室有南方测绘和中海达品牌不同型号规格的全站仪85台套；精密工程测量实验室有南方测绘和徕卡两个品牌的精密全站仪35台套。为满足实践教学需求，目前正在采购新一批智能全站仪。

2）实践教学项目。目前，全站仪实践教学主要为课内实验项目和集中教学实习。数字地形测量实验室承担的实践教学项目包括：全站仪的认识、全站仪控制测量、全站仪碎部测量、数字地形测量生产实习和数字测图实习；精密工程测量实验室承担的实验项目和实习主要有：精密全站仪的认识、全站仪放样、小角法倾斜测量、大地测量与GNSS生产实习、工程测量综合实习、控制测量与导航生产实习。

3）实践教学方法。目前采用的主要实验教学方法是由任课教师课堂上讲述理论知识，实验室人员担任实验课指导老师。实验课前实验指导老师与任课老师以及学生沟通协调具体实验安排，一般是每组4～5人，借用一套实验仪器，1次实验课两个学时，室外场地上课。时间分配大体为：10～20分钟讲述实验目的、实验任务、实验仪器结构功能和使用方法、实验操作步骤、实验具体要求与注意事项，其余时间学生自主练习为主，指导教师全程指导答疑。实验成绩评价主要参考学生的现场表现和实验报告的内容。

集中实习目前由理论课教师全程指导，实验室人员主要负责仪器设备的准备、调试、维护等，不参与现场实习指导。

2 实践教学体系优化与改革

新工科教育需要培养高素质的新型科技人才，贴合产业需求，注重多学科交叉融合，强化实践教学和学生创新能力的培养。在实践教学中培养学生的学习能力、解决问题的能力、团队协作精神以及职业素养等。

测绘与空间信息学院测绘类专业全站仪实践教学存在实验课学时偏少、实验项目少、实验内容不贴合产业需求等一些不足。这种状况已不能很好地满足新工科背景下人才培养的需求，需要在传统实践教学模式的基础上进行优化、完善、提高和创新。

2.1 实验内容创新

目前，全站仪实验教学项目主要为专业课程的课内实验。由于实验学时的限制，每门课程只设置了少数几个实验项目，涉及的理论知识的广度与深度、全站仪的应用领域等非常有限，学生实际练习使用全站仪的时间比较短，造成遇到问题不知如何解决、理论与实践脱节、动手能力差、科技创新意识薄弱等不足。实习过程中，学生遇到最多的问题是全站仪测量误差较大时不知哪些因素造成的，也不知道全站仪常规的检验项目与校正方法，测量数据记录不规范、不严谨，如建筑物立面日照分析，学生不知如何用全站仪去解决。另外，测绘专业的学生全站仪的应用仅限于仪器本身的操作，在熟练使用的基础上没有尝试进行更进一步的测量程序开发和交叉应用。对于在应用过程中出现的问题，缺少主动解决问题的积极性，不能结合已学的专业知识自主寻求解决途径，交叉应用知识的能力差等。这些问题反映出学生的全站仪操作基础不牢固、不够灵活、拓展和创新应用能力比较薄弱等明显问题。为此，需要在现有实验教学项目的基础上进行全站仪实验内容的拓展和创新，强化学生动手能力和创新能力的培养，贴合企业应用需求。

通过对现有实验项目的梳理和企业调研，完善、优化改革后的实验项目设置（图1）。

图 1  优化改革后全站仪实验项目设置

Fig.1 The experimental project of total station after reform

针对不同类型的实验项目，制定相应的实践教学大纲和实验指导书。力求理论与实践相互结合，知识点承前启后，突出重点，主次分明。规范的实验指导书是实践教学必不可少的重要参考资料，要做到实验目的和任务明确、时间安排合理、实验步骤详细、数据记录表格规范、测量技术指标明确、实验报告内容完整格式规范，注意事项明确。

在全站仪实验中，重点内容是要求掌握全站仪的基本结构和常用功能，如角度测量、距离测量、坐标测量等，但是仪器参数和测量选项的正确设置是保证获取正常测量数据的前提，授课中同样不可忽视。全站仪碎部测量实验中，重点内容是建站方法，但碎部点选取原则、常用坐标计算方法和数据存储输出方法等细节方面也不容忽视，以便为集中实习做好铺垫。

对于一些创新性的开放实验项目，指导书中要给出工程应用背景、案例和相应的测量规范，拓展课本上没有的知识点，强化全站仪应用的广度和深度。除要求必须掌握全站仪的常用功能和数据采集方法，实验内容还需要明确操作过程中的注意事项，规范操作方法，让学生在实践过程中逐步养成良好的职业素养。

除图1中实验室建议的开放实验项目，高年级学生，还可以根据自身的特长、爱好等，组建科技创新小组，自主确定一些全站仪相关的研发项目进行探索研究。另外，专业教师也可以给部分感兴趣的学生建议一些全站仪相关的开放实验项目，指导学生实验，培养学生的创新能力。

2.2 实践教学方法改革

由于培养方案中实验学时的限制，正常的教学任务只能安排少量课内实验，有限的时间内很容易造成全站仪操作不熟练、测量数据记录不规范、解决问题和动手能力差等一些问题，不利于学生动手能力和创新能力的培养。为强化实践教学，提升学生的培养质量，专门设置一些拓展性和创新性的开放实验项目，鼓励学生特别是测绘工程专业的学生利用课余时间以班级为单位进行开放性实验项目的学习，实验指导教师积极参与开放性实验指导。只要学校对学生和教师开展开放实验的工作给予足够的认可，可有效促进全站仪实践教学改革。

分专业分类别推进开放实验教学。为保证学生有足够的时间练习使用全站仪，拓展学习的广度与深度，针对不同专业学生的培养目标，鼓励学生自主选择不同的开放实验项目进行练习。例如，遥感科学与技术专业，重在培养解决遥感科学与技术类工程实际问题的创新型人才，可以鼓励选择拓展型项目里的全站仪的检验与校正实验，同样也可以选择继续练习课内实验项目以巩固基本操作。测绘工程专业，主要是培养从事测绘生产、设计、研发与管理等工作的创新人才。全站仪在工程测量项目中应用比较普遍，所以鼓励学生选择拓展和创新型开放实验。

以赛促练。实验过程中，为提高学生主动学习的兴趣和团队合作意识，尝试安排下课前15分钟左右的时间，以小组为单位进行角度测量比赛或坐标测量比赛，从测量的速度、精度、成员协作意识、计算能力、操作规范等方面考核学生熟练操作全站仪的程度和练习过程中的薄弱环节。通过在小范围内的实验课进行以赛促练的教学实践，可有效提高学生的积极性，转变学生的学习态度，提高实验课整体教学质量。

加强学生个性化培养。对在全站仪实践教学中喜欢主动探索新知识、善于动脑和动手的学生，结合其专业特长，在课余时间加强个体培养。建议引导这部分同学结合全站仪和专业知识进行更深层次的应用开发和相关研究，从而加强在专业知识交叉应用、动手能力、创新能力和解决问题能力方面的综合培养。

在线视频教程和虚拟仿真实验联合助力实践教学改革。学生可随时通过全站仪操作视频教程更加直观地了解全站的基本结构和规范的操作使用方法等，提前预习、课后复习、反复观看操作过程中的难点和重点内容等。虚拟仿真实验，学生可突破时间、地点、天气等因素的限制，全员参与，反复动手练习操作全站仪。线上视频教程和虚拟仿真实验是顺应时代发展的新型教学手段，是传统实践教学手段的有效补充和完善，合理地运用可有效提升实践教学的质量。

2.3 实践教学资源优化建设

全站仪实践教学资源主要包括仪器设备、室外实验实习场、室内数据处理平台、实验教材、在线教学视频和虚拟仿真实验资源等，优化教学资源建设是提升实践教学质量的主要途径之一。

近年来，测绘与空间信息学院先后购买了100多台套不同品牌和型号的全站仪，目前可以满足测绘类专业实践教学需求，根据学科发展、新仪器新设备新技术以及企业的用人需求等，适时进行全站仪的更新换代。2017年，在学院西侧建设了专门的室外实验场（图2），分区域共布设了100个左右的控制点，统一进行编码，并测量了点的三维坐标。实验场的建设极大地满足了全站仪实验教学需求。为进一步提升实践教学质量，目前正在对校园内的标准化实验和综合实习场进行优化改造升级建设，建成后可满足20多个本科专业、2000多人的实践教学需求。

图 2 室外实验场和点位分布图

Fig.2 The experimental field in outdoor and the point distribution map

学院针对数字地形测量实习内业成图需求，建设测量与数据处理实验室，配置测绘成图软件 CASS9.2网络版，可同时满足60人的使用需求。为推进实践教学改革，丰富实践教学手段，加强虚拟仿真实验教学平台建设，购买测绘仪器仿真实验软件和虚拟实验教学仿真机，建设虚拟仿真实验室。在以后的全站仪实践教学中，将进一步加强虚拟仿真实验教学资源的应用和平台建设。

实验教材是开展实践教学的主要参考资料，学院实验中心目前没有自行编写出版的实验教材。全站仪实践教学中需要独立的实验或实习指导书供学生参考使用。为丰富全站仪实践教学资源，提升实践教学整体水平，编写统一的全站仪相关的实验实习教材和录制线上教学视频工作迫在眉睫，也是实验中心的重点任务，目前此项工作正在建设中。

3 结束语

新工科教育需要培养适应新形势下的复合型、创新型的人才，需要强化学生的动手能力和创新能力。全站仪是测绘类专业学生实践教学所用的主要仪器设备之一，在传统全站仪实践教学的基础上，提出了全站仪实验实习优化改革的详细措施，并进行了部分教学尝试，结果表明优化后的实践教学体系可有效促进实验教学改革，对提升实践教学质量起到了积极作用。下一步工作重点将全面推进全站仪的实践教学改革，培养新工科需要的高素质综合型人才。

基金项目：山东省教学改革项目（Z2016M002）

作者简介：刘凤英（1980—），女，山东青岛人，实验师，硕士，主要从事近景摄影测量中传感器检校、工程测量等教学试验工作

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指导：万剑华教授