高校測繪工程專業(yè)“測量儀器學(xué)”課程的改革與實踐

余 騰，胡伍生，周 立，焦明連，孫小榮

(1. 宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800； 2. 東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210096；3. 淮海工學(xué)院測繪工程學(xué)院，江蘇 連云港 222001)

高校測繪工程專業(yè)“測量儀器學(xué)”課程的改革與實踐

余 騰1，胡伍生2，周 立3，焦明連3，孫小榮1

(1. 宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800； 2. 東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210096；3. 淮海工學(xué)院測繪工程學(xué)院，江蘇 連云港 222001)

針對測量儀器不斷發(fā)展和革新的實際情況，總結(jié)了近5年來“測量儀器學(xué)”課程開設(shè)的效果和社會評價。基于測量儀器已全面進入電子智能時代，提出了針對理論和實踐兩個方面教學(xué)內(nèi)容的改革，改進得到了優(yōu)化新穎的教學(xué)方法，對于課程考核提出了合理的評判方法，并對課程配套相關(guān)條件提出了合理的建議，最后對改革后的課程教學(xué)效果進行了論述和分析。

測量儀器學(xué)；教學(xué)改革；教學(xué)方法；評價；效果

測量儀器是測繪地理信息領(lǐng)域獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的工具，能對其熟練使用和維修保養(yǎng)是對使用者素質(zhì)的基本要求。筆者曾于2011年提出在高校測繪工程本科專業(yè)中普遍開設(shè)“測量儀器學(xué)”課程的必要性，并對課程設(shè)置進行了探討[1]，經(jīng)過近5年的實踐探索和改革，通過課程多視角創(chuàng)新性地學(xué)習(xí)[2]，學(xué)生認識測量儀器的水平上升到了一個新的高度，取得了一些有益的成果，也有一些經(jīng)驗教訓(xùn)。

隨著儀器儀表工業(yè)的快速發(fā)展，目前在測量儀器領(lǐng)域，光學(xué)測量儀器因使用煩瑣，性能受環(huán)境和操作者影響較大，精度不高，防水防塵防震性能較差，當(dāng)前在測量外業(yè)中使用愈發(fā)減少；而因儀器工業(yè)設(shè)計制造水準的提高，以全站儀為代表的電子儀器已日益得到普及，其采集數(shù)據(jù)效率較高，性能較穩(wěn)定，價格進一步下降，測程和精度的提高幾乎使其已替代傳統(tǒng)光學(xué)測角儀器和組合式光電測距儀；由于不受通視局限，可日夜觀測，架設(shè)操作簡便，采集數(shù)據(jù)效率和點位精度較高，GNSS接收機已得到廣泛應(yīng)用；為獲取多維可視化影像，采集海量點云數(shù)據(jù)，以三維激光掃描儀、航測飛行器和測量機器人系統(tǒng)為代表的新型測量儀器裝備已嶄露頭角，并在野外測繪大數(shù)據(jù)采集中大顯身手[3-7]，一定程度上顛覆了傳統(tǒng)測繪數(shù)據(jù)的采集思維和方式。

國內(nèi)曾結(jié)合實驗室建設(shè)和某門課程進行過研究[8-9]，但基于測量儀器的發(fā)展和測繪手段的變化，總結(jié)開設(shè)“測量儀器學(xué)”課程的經(jīng)驗和對課程內(nèi)容、教學(xué)方法和評價體系的改革已勢在必行。

1 開設(shè)“測量儀器學(xué)”課程的經(jīng)驗

近年來，“測量儀器學(xué)”(又名“光電大地測量儀器學(xué)”等)課程在中國礦業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、淮海工學(xué)院和宿遷學(xué)院等不同層次具有測繪工程本科專業(yè)的高校陸續(xù)開設(shè)。經(jīng)過多年的教學(xué)，尤其是2011年起每年通過對教師、學(xué)生和用人單位的座談意見和課程單位意見反饋表梳理分析，現(xiàn)總結(jié)主要經(jīng)驗如下。

1.1 有益的成果

熟練使用儀器本身就是測繪工程教學(xué)的重要目標之一，而對于如何正確使用儀器來采集數(shù)據(jù)已在“數(shù)字化測圖原理與方法”“大地測量學(xué)”“工程測量學(xué)”等相關(guān)課程的課間實習(xí)中由相關(guān)教師詳細講授和演示，學(xué)生也有較多的操作機會，因此在“測量儀器學(xué)”教學(xué)中，主要偏重于儀器本身而非如何使用，這是設(shè)置教學(xué)內(nèi)容的前提。經(jīng)過幾年的摸索，在課程內(nèi)容方面進行了合理的安排，在課程理論方面主要設(shè)置為兩大部分，第一部分主要是儀器的機械原理，即光學(xué)原理和電子原理的講授；第二部分主要是儀器基本檢定、精度評定及日常養(yǎng)護的講授。實踐證明這樣的分類基本涵蓋了“測量儀器學(xué)”的教學(xué)目標，沒有遺漏重要的知識點。因此，課程的內(nèi)容設(shè)置和知識點安排是比較合理的。

經(jīng)過考試、演示和問答等教學(xué)評價的反饋，大多數(shù)學(xué)生通過學(xué)習(xí)能對儀器的部件組成形式、工作原理和常見故障排除等方面有更深層次的認識。未學(xué)習(xí)前，學(xué)生僅對儀器組成部分、儀器功能和操作方法有大概認識。如傳統(tǒng)教科書中對于基于儀器原因而產(chǎn)生的觀測誤差(如度盤偏心、水平度盤與豎軸不垂直誤差)僅作理論描述和誤差傳播推導(dǎo)，規(guī)定一定的觀測順序或增加測回數(shù)來抵消誤差，但并沒有從源頭去解決問題，在本課程的“水平度盤拆裝”實驗中，學(xué)生通過實地拆分和拼裝，了解了水平度盤各相關(guān)部件的組裝方式，掌握了正確的拼裝順序，分析了如何裝配可消除和減小水平度盤與豎軸不垂直造成的誤差。通過對儀器的“解剖”，學(xué)生對儀器的認識不僅停留在認識和使用上，對于分析觀測誤差來源也有一定的意義。

經(jīng)過教學(xué)，認為現(xiàn)有的理論實踐并重的教學(xué)方式能產(chǎn)生良好的教學(xué)效果，測繪本科在校專業(yè)課程主要可分為數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)分析加工兩大類，“測量儀器學(xué)”課程應(yīng)屬于數(shù)據(jù)獲取類，課程特點決定其具有更高的實踐性。若偏重理論，則成紙上談兵；若偏重實踐，則不易學(xué)懂學(xué)透。

經(jīng)過摸索，筆者認為課程設(shè)置在大學(xué)本科四年級的上學(xué)期是比較合適的：第一，學(xué)生經(jīng)過3年的學(xué)習(xí)，測繪主干課程已基本學(xué)習(xí)完畢，已經(jīng)掌握多數(shù)測量儀器的使用方法，對于本課程學(xué)習(xí)已具備較好基礎(chǔ)；第二，國內(nèi)高校測繪專業(yè)大學(xué)三年級課程多以數(shù)據(jù)分析和加工類為主，在學(xué)生進入工作崗位前的一年中學(xué)生使用儀器機會較少，第7學(xué)期講授“測量儀器學(xué)”有一種總結(jié)和提煉的效果，不僅可溫故知新，還可以做到再認識、再學(xué)習(xí)、再深化。

考核評價方式是學(xué)生學(xué)習(xí)某門課程的重要導(dǎo)向，經(jīng)過探索，現(xiàn)采用的以筆試和實踐操作并重的考核方式能較公平合理地體現(xiàn)出對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評判。

1.2 經(jīng)驗教訓(xùn)

基于老儀器不斷淘汰、新儀器不斷涌現(xiàn)，以及儀器本身更新改良的情況，部分教學(xué)內(nèi)容已落后于社會發(fā)展而需要調(diào)整，教學(xué)方式和評價體系也需進行一定的改革，這正是本文探討的重點。

2 課程教學(xué)的改革

大學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)緊隨社會發(fā)展，甚至引領(lǐng)行業(yè)方向，為了讓學(xué)生所學(xué)不落后于生產(chǎn)和時代，針對“測量儀器學(xué)”課程，從理論教學(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)內(nèi)容兩方面進行探討。

2.1 理論教學(xué)內(nèi)容改革

在現(xiàn)行課程設(shè)置中，理論教學(xué)內(nèi)容主要講述常用儀器(光學(xué)水準儀、光學(xué)經(jīng)緯儀、電子全站儀)的機械原理、光學(xué)原理、電子原理，以及儀器檢定、精度分析、日常養(yǎng)護等知識點。這些內(nèi)容是課程的基礎(chǔ)，不建議進行較大改動。

近十年來，GNSS接收機在測繪地理信息、路橋工程、電力工程等領(lǐng)域基本從無到有、從有到多、從多到好地普及開來；三維激光掃描儀及其各種載體突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，在數(shù)字城市三維可視化建模和工業(yè)測量中逐漸推廣開來；航測飛行器在快速測圖和礦區(qū)、壩區(qū)監(jiān)測等工程中愈發(fā)得到廣泛應(yīng)用；測量機器人系統(tǒng)和RTU集成采集系統(tǒng)在地鐵、深基坑、大跨徑橋梁等精密工程監(jiān)測中的應(yīng)用逐漸成熟。測繪儀器正向著集成化、智能化、精密化和方便拓展等方面發(fā)展，但在現(xiàn)行的主流教科書中DS3型水準儀、DJ6型經(jīng)緯儀的認識使用仍占據(jù)了過多的章節(jié)，全站儀也只列舉作簡要介紹，對于新儀器幾乎很少涉及。

這使得“測量儀器學(xué)”課程中所講述的儀器必須進行豐富，應(yīng)加入GNSS接收機、三維激光掃描儀和航空與近景攝影儀器原理的講述。因各廠家各型號會有不同，因此建議不按常規(guī)對某一廠家某一型號的儀器進行舉例說明，而是按儀器工作原理的分類進行講解。如講授三維激光掃描儀時可按脈沖式、相位差式和三角測距式的不同測量方式分別作講授，也可按機載型、車載型、地面型、手持型的不同載體分開講述原理。又如在講授GNSS接收機時，可按用途分為導(dǎo)航型和測地型進行授課，也可按工作原理分為碼相關(guān)型、平方型、混合型和干涉型進行講授。現(xiàn)在接收機幾乎都與電臺、發(fā)射天線和手簿協(xié)同工作，其中任何環(huán)節(jié)一旦發(fā)生故障都無法正常工作，因此有必要對這些附件結(jié)構(gòu)形式和工作原理也進行講解，以有助于判別故障和進行有效維護。因此，理論教學(xué)中適當(dāng)刪減光學(xué)儀器原理內(nèi)容、大幅度更新和增加新型測量儀器原理內(nèi)容是必要的。

除此以外，因?qū)W生在物理課程中對工程力學(xué)、光學(xué)有一定的基礎(chǔ)且具備基本的發(fā)散思維能力，在實際授課中發(fā)現(xiàn)機械原理和光學(xué)原理學(xué)生較容易掌握，而對于涉及電路和信號的比較抽象的電工原理理解欠佳，因此建議在理論課程中對于電工學(xué)部分應(yīng)增加課時。

2.2 實踐教學(xué)內(nèi)容改革

為了將理論知識消化吸收，需安排一定實踐環(huán)節(jié)予以配套，基于理論內(nèi)容的課內(nèi)實驗也應(yīng)作相應(yīng)改變。

(1) 首先，由于光學(xué)測量儀器實際使用逐漸減少，且先行課程已花費較多篇幅講解儀器的認識使用，因此在“測量儀器學(xué)”課程的實驗中應(yīng)適度刪減光學(xué)測量儀器的結(jié)構(gòu)拆裝和維修實操實驗。

(2) 其次，基于目前絕大多數(shù)開設(shè)測繪工程專業(yè)的高校都有多套GNSS接收機且在“GPS測量原理及應(yīng)用”中已講授過，學(xué)校和學(xué)生都具備開設(shè)實驗的基礎(chǔ)，因此可增加GNSS接收機的結(jié)構(gòu)認識和拆裝實驗。目前只有部分學(xué)校已購置三維激光掃描儀、無人機和測量機器人等先進測量設(shè)備，這些學(xué)?？山柚延性O(shè)備開展基于儀器的相關(guān)實驗，如三維激光掃描儀的結(jié)構(gòu)與點云采集原理、激光雷達測量原理與系統(tǒng)組成認識；部分暫未購置此類設(shè)備的高?？山柚鷱S家設(shè)備資料和互聯(lián)網(wǎng)資源進行實踐教學(xué)。如圖1、圖2所示。

(3) 最后，由于當(dāng)今測量儀器幾乎已都是電子儀器且理論授課增加了電工原理章節(jié)，實踐部分也應(yīng)增加配套實驗。如在本課程教學(xué)中針對測量儀器涉及的基本電工知識，基于電工實驗臺開展了電子元器件的測量、全站儀電路原理與調(diào)測和GNSS接收機發(fā)射電臺故障判別3個實驗項目。如圖3—圖6所示。

圖1 三維激光掃描儀工作原理

圖2 Trimble5800接收機結(jié)構(gòu)拆裝認識實驗

圖3 全站儀觸屏電路認識實驗(正面)

圖4 全站儀觸屏電路認識實驗(背面)

圖5 Trimmark3數(shù)傳電臺拆解認識實驗

圖6 模電、數(shù)電開發(fā)實驗臺

2.3 教學(xué)方法的調(diào)整

基于教學(xué)反饋情況和教學(xué)內(nèi)容的改革，教學(xué)方法也應(yīng)進行適當(dāng)調(diào)整，有學(xué)者提出以卓越工程師教育培養(yǎng)為依據(jù)進行教學(xué)方法的改革[10-11]。

首先，應(yīng)較多地摒棄傳統(tǒng)教材的束縛，目前國內(nèi)使用的“測量儀器學(xué)”教材很少，且內(nèi)容比較陳舊，書本中講述的很多測量儀器已不常使用[7]；應(yīng)在課程教學(xué)時多借鑒廠家儀器說明資料，講授時更多地運用實物和幻燈片，這樣不僅直觀形象而且優(yōu)化了有限的教學(xué)時間。

其次，在實踐教學(xué)時，不應(yīng)僅停留在只會拆裝的層次，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生認識各部件結(jié)構(gòu)的作用和關(guān)聯(lián)，設(shè)計故障引導(dǎo)學(xué)生通過實驗發(fā)現(xiàn)并解決，在實驗中鼓勵學(xué)生去“破壞”并維修，并引領(lǐng)學(xué)生多向別的學(xué)科學(xué)習(xí)和多向互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)。

教師應(yīng)多與廠家聯(lián)系，多與儀器使用單位聯(lián)系，了解儀器的發(fā)展趨勢和某類儀器的通病，通過消化理解把問題帶進課堂。

2.4 考核評價方式的調(diào)整

大多數(shù)高校測繪工程專業(yè)的課程考核形式以筆試為主，輔以實驗成績、作業(yè)、考勤等，通常筆試成績占到60%～80%。建議在“測量儀器學(xué)”課程考核中，筆試成績和實驗成績各占50%。在實驗成績考核時，分小組進行實驗，并對小組實驗成績給出一個分值，每個小組成員的成績依據(jù)表現(xiàn)情況和實驗中發(fā)揮的作用乘以系數(shù)。設(shè)每組4個人，個人實驗成績?yōu)?/p>

Pi=λP

(1)

式中，λ=0.8,0.9,1.0,1.1,1.2；i=1,2,3,4。

3 課程改革的實踐效果

將改革后的“測量儀器學(xué)”課程在一個班級完整講授完畢并考核，可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 經(jīng)過改革，教學(xué)內(nèi)容能緊跟時代發(fā)展，學(xué)生實踐能力得以加強鍛煉。學(xué)生除了掌握傳統(tǒng)光學(xué)測量儀器和電子全站儀工作原理、維修檢定知識外，對于GNSS接收機、三維激光掃描和無人機的工作原理也有了比較清晰的認識，不僅學(xué)會了基本測量儀器的故障診斷和維修，也基本能掌握GNSS接收機常見故障判斷和簡易維修，這對于相關(guān)課程只講授如何用其采集數(shù)據(jù)是一種很好的補充和增強。雖然學(xué)生基礎(chǔ)較薄弱，但為了能解決故障，部分學(xué)生會自覺學(xué)習(xí)新知識，這是一種很好的引導(dǎo)和激勵。

(2) 通過教學(xué)方式的調(diào)整，講授測量儀器更為生動直觀，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣能有所增強，課堂注意力相比以往能更為集中。

(3) 通過考核方式的調(diào)整，學(xué)生能更注重實踐能力，專注于實際解決問題的能力，這也是開設(shè)課程的重要初衷，達到了啟發(fā)性實驗?zāi)康?，也是工科?yīng)用型人才所需具備的寶貴素質(zhì)。

(4) 如今社會已進入電子通信異常發(fā)達的時代，各種設(shè)備方便了人們的生活也改變了人們的生活。測量儀器是儀器儀表大類中的一個分支，通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對于生活中的設(shè)備原理也會有一定的認識基礎(chǔ)，能做到透過現(xiàn)象看本質(zhì)，對生活有益。

4 課程配套的相關(guān)建議

為保證課程的順利進行和取得預(yù)期效果，課程的建設(shè)也離不開配套條件的建設(shè)。

教師的素養(yǎng)是課程開展的基礎(chǔ)，課程由實驗室專職教師擔(dān)任，但目前很多高校實驗室系統(tǒng)體制不合理，實驗室教師得不到應(yīng)有的地位，學(xué)校應(yīng)像對待任課教師一樣重視實驗室隊伍的建設(shè)，讓他們在職稱、評獎、培訓(xùn)、晉升和待遇方面享受平等對待。教授“測量儀器學(xué)”課程要求具備較高的理論實踐水平，因此應(yīng)提供條件促其提高教學(xué)能力和眼界。

此外，為使課程實驗順利開展，除需具備良好的實驗場所和一定數(shù)量的供實驗基本測量儀器外，還要備齊易損件和常用零部件；對于單價比較高的儀器，為了防止損壞，可專門從廠家處購置一些老舊或損壞儀器供教學(xué)實踐中使用，若限于條件，還可以通過遠程視頻進行演示。如圖7、圖8所示。

圖7 課程實驗易損件準備

圖8 課程實驗常用部件(補償器)準備

最后，由于當(dāng)今儀器工業(yè)發(fā)展迅猛，當(dāng)前使用的教材已落后于時代[12-13]，呼吁盡快編寫出版符合目前階段的測量儀器學(xué)教材，并力求可以構(gòu)建出測量學(xué)與儀器儀表學(xué)之間的聯(lián)系。

5 結(jié) 語

“測量儀器學(xué)”本身已綜合了多學(xué)科多課程的知識，本文總結(jié)了開設(shè)此課程5年來的一些經(jīng)驗，提出了改革的必要性和緊迫性。課程的改革是為了遵循社會的發(fā)展變化趨勢，經(jīng)過改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考評體系，學(xué)生對于測量工具有了更深入的認識，對于測量誤差有了另一視角的理解，對于處理儀器故障有了基本的素養(yǎng)，學(xué)會了檢定保養(yǎng)儀器，提高了儀器使用壽命和測量精度，力所能及地解決儀器故障可鍛煉良好的思維協(xié)調(diào)能力和應(yīng)變能力。

課程改革也給教師和學(xué)校提出了更高的要求，教師應(yīng)力求知識更加深入和廣泛；實踐能力的高要求需要教師擁有較多的儀器操作和維修經(jīng)驗,學(xué)校也應(yīng)努力創(chuàng)造更好的教學(xué)條件。

更新現(xiàn)行的“測量儀器學(xué)”教材或編寫一部反映儀器發(fā)展和學(xué)科交叉的新型教材已迫在眉睫， 筆

者也正在進行此項工作，以期新編教材對于課程提供一個更好的載體。

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The Reform and Practice forSurveyingInstrumentCurriculum in Surveying and Mapping Department of College

YU Teng1，HU Wusheng2，ZHOU Li3，JIAO Minglian3，SUN Xiaorong1

(1. Department of Civil Engineering, Suqian College, Suqian 223800, China； 2. Transportation School of Southeast University, Nanjing 210096, China； 3. School of Surveying and Marine Information, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222001,China)

In view of the actual situation of the continuous development and innovation of the surveying instrument,the effect and social evaluation of the curriculum ofsurveyinginstrumentin the past five years is summarized. Surveying instrument has entered the era of electronic intelligence, the reform of teaching content according to the theory and practice are put forward, the improvement and innovative teaching methods are found, in turn, the curriculum also seeks to a reasonable assessment methods, and puts forward reasonable suggestions to form a complete set of curriculum related condition, finally, after the reform of curriculum, the teaching effect is discussed and analyzed.

surveying instrument; teaching reform; teaching method; assessment evaluation; effectiveness

余騰，胡伍生，周立,等.高校測繪工程專業(yè)“測量儀器學(xué)”課程的改革與實踐[J].測繪通報，2017(5)：147-151.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0176.

2016-06-08

江蘇省科技支撐(工業(yè))項目(BE2014026)；江蘇省高校自然科學(xué)研究項目(13KJB420004)；東南大學(xué)教學(xué)改革項目(JX2009059)；江蘇省高等教育教改研究項目(2015JSJG255)

余 騰(1985—)，男，碩士，講師，研究方向為測量儀器開發(fā)應(yīng)用和精密工程測量與數(shù)據(jù)處理。E-mail：164002786@qq.com

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0494-0911(2017)05-0147-05