“大地测量学基础”课程的教学改革探讨

王建强

(东华理工大学 测绘工程学院，江西 南昌 330013)

“大地测量学基础”课程的教学改革探讨

王建强

(东华理工大学 测绘工程学院，江西 南昌 330013)

大地测量学是测绘工程专业中一门基础课程。文章从大地测量学的课程教学目标、教学内容和教学方法与手段几个方面论述大地测量学基础课程建设,重点分析大地测量学课程内容教学适用的现代教学方法和教学手段。结合教学效果的反馈信息，提出改善课程教学的一些措施。

大地测量；课程；教学；实践

大地测量学是一门古老而又活跃的学科。它是研究和确定地球的形状、大小、重力场、整体与局部运动和地表面点的几何位置以及它们的变化的理论和技术的学科。大地测量工作是为大规模测制地形图提供地面的水平位置控制网和高程控制网，为用重力勘探地下矿藏提供重力控制点，同时也为发射人造地球卫星、导弹和各种航天器提供地面站的精确坐标和地球重力场资料。目前国内大地测量学课程[1]主要内容可分为五部分：(1)大地测量的基础知识；(2)重力场基础知识；(3)地球椭球及地图投影；(4)大地测量基本技术与方法；(5)深空大地测量学概述[2]。该课程是一个基础课程，它对于测绘学科相关专业学生的专业课程学习、科学研究以及创新工作能力的培养有很深的影响。东华理工大学测绘工程专业根据学生的知识情况、学习兴趣以及学校的基础条件等因素，利用这些年教学经验的积累，对此课程进行改革，以更好地提高大地测量学基础课的教学效果。

1 教学目标

通过大地测量学基础的教学，使学生掌握大地测量学的基础理论、主要技术与方法和基本技能，培养学生创新思维和灵活运用能力。为学生学习后继课程，进一步学习新理论、新知识以及新技术打下扎实的基础。课程建设目标从两个方面着手，一个是知识目标，一个是能力目标。对于知识的学习目标，从深到浅分为掌握、理解和了解三个层次，这三个层次对应的知识体系如图1所示。图1中的学习层次划分首先是依据知识内容对学生将来发展的影响力上，影响力越大，层次划分越深。其次是依据知识的难易程度，知识难度越大，层次划分越浅。这些知识中，天文测量的开展已经较少，但是该知识对科学研究是有作用的，地球形状、地球椭球和投影变换是测绘学科的核心内容，在生产应用中发挥举足轻重作用，是必须掌握的内容。地球重力场内容相对来说难度较大，需要较强的数学基础，学生能理解即可。大地控制网和大地测量技术内容较多，理论也比较严密，具有很大的研究潜力，因此需要学生理解，以备将来研究使用。大地测量学发展趋势是学科前沿，深空大地测量学是大地测量学近年来发展的热点，作为大学生的知识体系，需要了解该方面的内容。

图1 知识学习层次

对于能力目标，划分为四个内容如图2所示。抽象思维和逻辑推理的理性思维能力是大地测量学中复杂几何及物理关系中需要面对的问题，特别是几何和物理之间的联系性。综合、归纳、分析和解决问题能力在大地测量学中主要体现在建立大地控制网、实现高斯投影正反算等问题。自主学习能力是在大地测量学中一些更为复杂的公式推导中需要提升的能力，比如重力场球函数表达式、大地主题解算等内容。独立思考和创新能力是培养大学生的主观能动性和灵活性，由于大地测量学是一个还在不断发展的学科，很多问题还有待解决，例如大地主题解算的精度问题、重力场模型的高阶次问题等。

图2 能力目标层次

2 教学内容

大地测量学的知识体系可以分为四部分：大地测量的基本知识、地球重力场及地球形状的基本理论、地球椭球及其数学投影变换的基本理论、大地坐标系建立及坐标换算基础。这四个知识体系内容及其学时分配是一个需要不断验证的课题。根据教学经验及课程知识体系特点，该课程内容总学时48学时，学时分配如下。

(1)大地测量的基本知识，合计10个学时。该知识领域可分为两个单元。一个单元是大地测量学的基础知识，用2个学时。该内容包括大地测量学的定义和作用、大地测量学的体系和内容、大地测量学的发展简史及展望。另一个知识单元是坐标系统和时间系统，用8个学时，该知识单元主要为地球的运转和时间系统，坐标系统和坐标换算基础。

(2)地球重力场及地球形状的基本理论，合计8学时。该知识领域包含地球重力场的基本原理、高程系统、测定垂线偏差和大地水准面差距、确定地球形状的基本概念。

(3)地球椭球及其数学投影变换的基本理论，合计18学时。该知识领域包含地球椭球的基本参数、椭球面上的常用坐标系及其相互关系、椭球面上的大地测量计算、将地面观测值归算至椭球面、地图数学投影变换的基本概念、高斯平面直角坐标系。

(4)大地测量基本技术与方法，合计12学时。该知识领域包含平面大地控制网建立的基本原理、高程控制网建立的基本原理、大地测量观测仪器及观测方法、大地测量数据处理与数据库简介。

3 教学方法与手段

教学方法在当前也形成了一个系统，采用启发式[3]、讨论式等多种行之有效的教学方法，加强师生之间、学生之间的交流，引导学生独立思考，强化科学思维的训练。李秉德教授按照教学方法的外部形态，以及相对应的这种形态下学生认识活动的特点，把中国的中小学教学活动中常用的教学方法分为五类[4]。该方法同样适用大学教育，具体到大地测量学课程，根据课程特点，将分类方法和教学内容对照如表1。从表1中可以看出，有些教学内容可以使用多种教学方法，例如大地测量技术通过讲授、讨论等方法让学生了解知识，通过实验方法让学生得到实际锻炼，加深对知识的了解，通过多媒体课件让学生欣赏大地测量技术在社会中应用及发展状况，提高学生学习的积极性。当然有些教学内容的教学方法相对来说比较单一，例如地球形状内容，通过演示可以让学生直观地了解地球形状是一个什么样子。尽管地球形状内容也可以通过讲授法让学生获得该领域知识，但是效果显得较差。一方面是教师讲授比较费时费力，另一方面学生接受也比较困难。从表1中可以看出，大地测量学基础课程需要用多种方法讲授，才能起到更好的效果。

表1 教学方法和教学内容

与教学内容相适应的教学手段有必要研究。教学手段是师生在教学活动中相互传递信息的工具、媒体或设备。在科学技术的推动下，教学手段从早期的口头语言、文字和书籍、印刷教材发展到电子视听设备和多媒体网络技术等五个使用阶段。 大地测量学基础是一个理论与技术并存的课程，广泛采用这些教学手段，以口头语言、文字和书籍、印刷教材为主，多媒体网络技术为辅。在基础理论上，主要采用传统方法，例如大地主题解算内容，必须分步进行讲解，否则学生难以接受。对部分理论课程和技术，采用现代多媒体技术，把幻灯机、投影仪、录像机、计算机等等搬入课堂，作为直观教具应用，例如GPS卫星星座，6个轨道在太空中的位置，利用视觉媒体可以让学生直接理解卫星星座的空间位置特征。现代教学媒体可以分为视觉媒体、听觉媒体、视听媒体和交互媒体。根据现代教学媒体类型，适用的大地测量学内容如表2。从表2中可以看出，大地测量学课程内容几乎不需要听觉媒体，但是对视觉媒体和交互媒体需求性较强。

表2 现代教学媒体和教学内容

实践教学使学生获得实践知识、开阔眼界，丰富并活跃学生的思想，加深对理论知识的理解掌握，进而在实践中对理论知识进行修正、拓展和创新。大地测量学实践教学培养学生以下几方面能力。

(1)独立实验的能力。通过课堂上的讲授和课下的学习，能够独立完成大地坐标系和空间直角坐标系的相互转换程序。掌握高斯投影基本原理，完成高斯投影正反算的程序实现，学会在实验中总结自己的学习过程，提高发现问题、分析问题和解决问题的学习能力。能够独立完成实验内容、撰写合格的实验报告，逐步形成自主实验的基本能力。

(2)分析与研究的能力。明确大地坐标系和空间直角坐标系的建立过程，在此基础上能够通过数学表达式将两种坐标系联系起来，通过数学方法解决两种关系的建立。通过实验完成大地测量学中一些基本内容的实现，使学生具有初步的分析与研究的能力。

(3)理论联系实际的能力。通过高斯投影变换完成实际中的三维坐标向二维坐标的转换，便于实际应用。通过实验分析掌握解决问题的科学方法，逐步提高学生综合运用所学知识和技能解决实际问题的能力。

(4)创新能力。通过空间坐标转换实验可以提高学生编写程序中优化程序的能力，并通过合理的设计编写更具有人性化的窗口界面，激发学生的学习主动性，逐步培养学生的创新能力。

按照上述教学要求，应通过开设一定数量的基础性实验、综合性实验、设计性或研究性实验来实现。这三类实验教学层次可按一定比例开设。

基础性实验：学习大地测量学中坐标系之间的相互转换[5]，主要包括天文坐标系和大地坐标系之间的转换，大地坐标系和空间直角坐标系之间的相互转换，空间直角坐标系和站心坐标系之间的相互变换。此类实验为适应测绘学科的普及性实验。

综合性实验：完成大地坐标系同空间直角坐标系之间的相互转换实验中，估计各种不同的参考椭球对转换的影响；进行高斯投影实验中，综合分析各个区域内的坐标在投影后的位置变化。此类实验的目的是巩固学生在基础性实验阶段的学习成果、开阔学生的眼界和思路，提高学生对测绘领域数据处理的综合运用能力。

研究性实验：大地测量主题正反算，要求学生完成大地测量主题正反算的程序，研究人性化的数据输入输出接口，研究改进公式提高大地测量正反算的计算精度。该实验的目的是逐步掌握科学思想和科学方法，培养学生独立实验的能力和运用所学知识解决给定[6]问题的能力。

对于大地测量学实践教学来说，现在更多的是内业数据的处理，根据数据处理的特点，可以将大地测量数据处理过程分为三大块：数据准备，数据处理，数据评估。以地图高斯投影为例，数据准备模块内容有：地球参考椭球的选择，坐标数据准备；数据处理过程：地图投影坐标转换计算；数据评估：通过外符合精度或者内符合精度评估数据处理质量，给出定性和定量结论。

4 总结

大地测量学基础课程内容丰富，课程建设目标应当明确，教学方法与手段要因地制宜，灵活多样。该课程的实践教学对学生掌握知识具有重要作用。当前大地测量学基础课程教学和实践还存在不少需要解决的问题，寻找该课程最佳教学方案，不仅对测绘专业的教学具有参考价值,对于工科专业的教学也有一定的指导作用。后续的研究将重点围绕实践教学展开，提高学生的实际动手能力和创新能力，为社会培养更多具有创造价值潜力的复合型人才。

[1]孔祥元,郭际明,刘宗泉.大地测量学基础[M].武汉:武汉出版社,2010.

[2]孔祥元,刘宗泉,张松林,等.“大地测量学基础”课程建设和教学改革[J].测绘信息与工程,2002,27(6):39-40.

[3]李健,李保利,乔书波.基于网络资源的“大地测量学基础”教学创新模式探索[J].测绘工程,2009(1):77-80.

[4]李孔文.七要素说:李秉德教学论的核心思想[J].当代教育与文化,2012(5):59-63.

[5]董春来,刘彦芳,焦明连,等.“大地测量学基础”教学管理系统的设计与实现[J].测绘通报,2010(9):73-76.

[6]丁士俊,郭际明,刘宗权,等.大地测量学基础课程教学与实践改革研究[J].测绘工程,2007(1):73-75.

Discussion on the Course Construction for Geodesy Foundation

WANG Jian-qiang

(FacultyofGeomatics,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang330013,China)

Geodesy is a basic discipline in the field of survey engineering. This paper discusses three issues which are curriculum teaching goals, teaching content and teaching methods. And the analysis is focused on the modern teaching methods which are applicable to the course construction. According to teaching effectiveness feedback, some measures are proposed to improve the course teaching.

Geodesy; curriculum; teaching; practice

2013-11-30

国家自然科学基金(41304020)；江西省教育厅青年基金项目(GJJ12394)；东华理工大学博士科研启动基金项目 (DHBK201114)。

王建强(1981—)，男，湖北枣阳人，博士，讲师，主要从事大地测量学与测量研究工程研究。

王建强.“大地测量学基础”课程的教学改革探讨[J].东华理工大学学报：社会科学版，2014，33(2)：182-185.

Wang Jian-qiang.Discussion on the course construction for Geodesy Foundation[J].Journal of East China Institute of Technology(Social Science)，2014，33(2)：182-185.

G642.0

A

1674-3512(2014)02-0182-04