CDIO模式下水准测量实践教学探讨

（南京邮电大学地理与生物信息学院 江苏·南京 210023）

测绘工程专业是一门实践性要求很高的综合学科，其培养的人才要能够理解并贯通现代测量、遥感与地理信息系统技术的基本理论，要能够掌握空间信息的获取与处理、分析与应用的原理与方法。为培养满足此专业要求的测绘技术应用型人才，并具备良好的工程理念和学习能力，迫切需要引入新的教育模式应用于测绘工程专业的实践教学。CDIO工程教育模式是2000年以来麻省理工学院、瑞典皇家工学院等四所大学合作研究创立的。CDIO是Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实现）和Operate（运作）四个单词首字母的缩写，此教育模式以工程项目的设计为导向，以创新能力的培养为目标，注重培养学生解决系统工程的技术能力，即整个项目构思、设计、开发和实施的能力，以及培养学生的自学、组织沟通与协调能力。

水准测量用于测定地面点高程，是测绘工程本科生必须掌握的基本技能，是一项能够直接应用于实际工程的技术，对学生有较高的理论水平和动手能力的要求。测绘工程专业的核心课程《测量学》、《大地测量学》、《控制测量学》和《工程测量》都设立了相应的实践教学内容，包括：三、四等水准测量和精密水准测量等，占据了此专业测量类实验实践课程近1/3的内容。同时，作为全国高等学校大学生测绘技能大赛的指定项目，水准测量体现了其在本科专业实践教学中的重要程度。因此，探讨CDIO模式下水准测量实践教学的改革和实践，对培养测绘工程专业学生的工程能力有着重要意义。

1 水准测量实践教学的现状

1.1 教学课时不足

现有的实践教学仅是理论教学相关内容的补充，其强度和内容往往达不到使学生掌握技能的程度。实践教学通常采用分组操作的模式，学生轮流使用仪器，单人实践练习的时间有限。经过理论学习和现有的实践教学之后，部分学生仍然难以熟练使用水准仪，对水准测量的方法和基本步骤也是一知半解，仅仅是机械模仿教师的仪器操作。

1.2 教学内容滞后

实践教学的形式与实际的行业应用存在较大的出入，过于理论化和教科书化。学校教学仪器的先进性常常滞后于生产实践中使用的仪器，校内实现场地又通常比实际生产场地更规整，教学内容较真正的测量项目要简单。同时实践成果的记录和考核方式滞后，仍在大量使用纸质记录册，存在学生篡改数据、拼凑观测结果的现象，使得实践教学效果大打折扣，难以提高学生的专业技术水平。

1.3 教学手段单一

实践教学仍采用了较为传统的课堂教学+室外讲解的方式，但水准测量观测值多、操作繁复、计算量大、精度要求高，不便于学生的理解和记忆。在实践教学中经常出现“测量员边翻书边观测，记录员边记录边问观测员”的情况，教学效果不佳。学生对于为何要进行水准测量，如何进行水准测量缺乏独立思考。教师对于学生的评价也局限于仪器的熟练程度和报告的完整程度，缺乏对学生更高层次的设计能力的锻炼和考核。

2 水准测量教学项目化

2.1 教学内容多引导

以美国教育心理学家布鲁纳为代表的建构主义理论认为，学习是学生在主动改造和重组已有经验的基础上建构新知识的活动，任务驱动式教学是建构主义理论基础上以任务为主线、以教师为主导、以学生为主体的方法。为了帮助学生更好地理解水准测量的意义，明确水准测量是高程测量的手段之一，将如何测量高程作为一个任务整体来展开教学。高程测量的教学内容涵盖了：测量方法（水准测量、三角高程测量、GNSS测量），高程系统（大地高、正高、正常高、力高），高程基准面（大地水准面、似大地水准面、地球椭球面），等级水准测量（二等、三等、四等）。教学内容不局限于仪器操作和测量流程，而是要涵盖水准测量的意义和理论基础。根据不同的内容，引导学生进行归纳、类比和综合，由点到面串联知识点，培养学生触类旁通的能力，加强思维的逻辑性和创新型。

通过教学内容的调整，引导学生深入思考。教师要根据实践教学涉及的知识与技能点，把实践内容分解成一系列相关联且逐级递进的问题，引导学生在构建出知识结构，培养独立分析解决问题的能力。比如，面对高程测量的任务要求，如何正确选择测量方法，水准测量相对于其它测量方法，其优势和缺点是什么？选择水准测量方法后，最终测量成果是在哪一种高程系统下，该高程系统的基准面和水准原点又是什么？如何根据项目的精度要求，确定水准测量等级？不同等级的水准测量适合使用什么等级的仪器，测量流程又有何不同？通过这些问题，让学生明白水准测量的意义，而不是简单地熟悉仪器操作，机械化地重复操作流程。面对生产实践中的测量项目，能够自行判断去选择适合的高程测量方法，如果选择水准测量，要能够独立完成测量等级、测量仪器和测量流程的选择。

2.2 教学目标多层次

学习目标推动了学生进行思维活动，其参与的积极性越强，学习的推动力越强，思维强度也就越大。因此，要梳理不同层次的目标，做到理论性和技术性目标的协调统一，一方面按照课程标准，完成课程知识和技能的教学，另一方面又能以思维能力培养为重点，提高学生的创新素质。教学过程中，启发和引导学生自行将所学知识整合到一起，不仅要“知其然”，更要“知其所以然”。

1956年，美国教育心理学家本杰明·布鲁姆提出了“布鲁姆认知目标分类体系”，在此体系中，识记、理解、运用、分析、综合及评价构成了认知学习领域的目标。随着教学科学的发展，2001年，安德森等人提出了目标的二位框架：知识维度和认知过程维度，修订了布鲁姆教育目标系统，认知过程从低到高分为“识记、理解、运用、分析、评价和创新”六个层级。

识记，指对学习过的基本概念的记忆，通过识记重点是明白水准测量是测量高差实现的。理解，指把握知识的能力，理解不同高程系统的定义，将明确水准测量的成果是正常高系统下的。运用，指把学到的知识应用于解决问题的能力，实施水准测量的程序和成果整理，将实现将所学理论与生产实践关联起来。分析，指理解不同部分之间关联的能力，通过对不同等级水准测量方案的分析，可以根据任务要求选择相应的水准测量等级。评价，指对材料作价值判断的能力，通过判断水准测量方法的优略，可以为任务选择最适合的高程测量方法。创新，指对材料进行综合应用和设计的工作，通过对测量知识的综合运用，最终完成水准测量项目的任务书。

2.3 教学方法多样化

翻转课堂起源于美国，它利用丰富的信息资源，将学习的决定权由教师归还给学生，让学生成为教与学的主角，在世界各地广受欢迎。传统实践教学中，往往存在几十人围观教师讲解的情况，很难照顾每个学生。将翻转课堂引入到实践教学中，可以通过多媒体技术、计算机仿真技术等，将实验项目涉及到的内容制作成微课，加深学生理解，也提高了课堂外学习的趣味性和主动性。微课视频可以课前分发给学生，并要求学生提前预先，学生之间也可以互相交流、检查和督促。例如：可用微课表现的水准测量内容为：（1）水准测量的仪器和工具，了解发展历程、厂商、型号、精度；（2）水准仪的使用，掌握水准仪各部件名称、作用、操作；（3）水准测量的成果整理，掌握高差闭合差的计算和调整；（4）二/四等水准测量，掌握测量规范、测量程序、测量精度估计。

3 水准测量的项目实施

为了促使学生自主学习、探索研究、相互协作，达到综合能力培养的目的，教师不直接向学生布置具体任务并教授详细步骤，而是将学生置于生产应用和科学研究的场景中，引导和启发学生学习和探索。基于CDIO工程教育理念，制定构思、设计、实施和运行四个环节的教学计划。

3.1 构思

学生通过微课视频、仿真软件、珠峰测量新闻等多种方式，了解水准仪的构造、高程测量原理、水准测量方法等。该阶段，教师需要设计并布置工作任务，让学生了解项目实施要求。学生不仅要学习教师提供的资料，还要学会自主查阅资料。学生需要明确项目的实施思路，知道如何选择测量方法、测量等级和测量仪器。

3.2 设计

学生进行分组，每组5-6人，结合企业工程项目的人员组织结构，每组可设置项目经理1人，协调组内分工；总工程师1人，负责技术问题；安全总监1人，负责仪器和人员安全；质量总监1人，确保测量数据的质量。每个人同时是本项目的测量工程师。小组内共同讨论水准测量方案，编写测量任务书，明确测量程序、时间安排和人员分工。教师需要巡回指导并提出改进建议，学生反复修改，最终确定实施方案。

3.3 实施

实施过程中，教师现场示范，让学生加深理解。学生以小组为单位，进行实践。熟悉仪器操作、测量程序的同时，还要能够及时检核测量结果是否在限差范围内。教师需要及时解答学生问题，纠正错误、维护秩序。

3.4 运行

该阶段是对项目的评价，教师组织答辩、审核实践报告、考核实际操作。采用自评、小组成员互评、组间互评以及教师评价的形式对任务的完成情况进行评价，根据标准综合给出学生的实践成绩。

4 结束语

CDIO教学模式把传授知识、培养能力和提升素质融合在一起，用于消除教育与工程实践脱节的问题，形成了“教、学、做一体”的系统化工程教育方案。实验教学的改革要使学生直接面对工程中的热点、难点和新问题，培养学生的创新应用能力。教学实践表明，CDIO模式下水准测量实践，不仅使学生掌握了基本知识，仪器操作等技能，更是激发了学生的学习兴趣，提高了综合素质和创新能力。