面向智慧水利专业的测量学课程改革探讨——以武汉大学智慧水利拔尖人才培养为例

金银龙，严 鹏，吴云芳，史良胜，刘任莉，邓念武

（1.武汉大学水利水电工程国家级实验教学示范中心，湖北 武汉 430072；2.武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072）

武汉大学为贯彻落实创新驱动发展国家战略，主动服务国家战略需求，持续推进“双一流”建设，开办了一批新工科专业。2022年，武汉大学在深入总结“卓越工程师班”“碳中和班”培养经验的基础上，进一步推进水利学科新工科建设，经过认真谋划，凝聚智慧，进行了“智慧水利”专业的筹建，并获得教育部审批通过（教高函［2023］3号）。

在双一流高校新工科建设的框架下，依据智慧水利专业人才培养目标和要求，分析了智慧水利人才知识体系与测绘新技术融合交叉的需求和潜力。结合水利工程测量课程的教学现状和特点，参考和借鉴武汉大学“院士课程（测绘学概论）”的教学模式，为了更好地服务人才培养，文中提出并探讨了针对智慧水利专业的测量学教学改革思路。

1 水利类专业内涵演变与人才培养

1.1 水利类专业及内涵演变

1.1.1 水利类专业演变

武汉大学水利水电学院的历史沿革体现了水利类专业的演变过程。中华人民共和国成立初期，普通高校主要参照前苏联高等工业学校设置工科专业，由行业办学按专业培养高级工程人才。1954年我国以武汉大学水利学院为主体成立武汉水利学院，最初开办水利土壤改良和水利施工两个专业，1958年专业调整为农田水利、治河工程、水工建筑和水利施工4 个专业。20世纪90年代以前，水利学科主要有水利水电工程施工、水利水电工程建筑、河川枢纽及水电站建筑物、水工结构工程、陆地水文、海洋工程水文、水资源规划及应用等专业，并按照这种细分专业模式逐渐建立了水利行业生产组织结构和生产工序及工种。

20世纪90年代以后水利类专业历经4 次大规模的专业调整，在保留传统优势与应对国家重大需求的基础上，通过合并与新增，形成了2023年教育部最新公布的2022 版本的专业目录，共6个专业［1］，见表1。“新工科”建设背景下，智慧水利专业，代码081105T，作为新增特设专业，满足我国水利事业特殊发展及国家水网建设的智慧化需求。

表1 水利类专业设置Tab.1 Water conservancy professional settings

1.1.2 专业内涵演变

水利类专业内涵演变的动力就是培养水利人才以满足不同时期的国家战略和行业发展对人才素质的相应需求。水利事业的发展经历了4个阶段，1949年至1999年为“工程水利”阶段，水利类专业主要培养具备水资源规划、开发、利用和水利工程规划、设计、施工、运行与管理能力的人才。2000年至2020年，我国水利事业进入“资源水利”和“生态水利”阶段，水利类专业人才培养方向进行了调整，由水利工程建设转向水资源管理和水生态环境保护，多学科交叉融合趋势显现。

2020年“智慧水利”时代开启，水利部出台了《智慧水利总体方案》，印发了《关于开展智慧水利先行先试工作的通知》［2］。国内外众多机构和部门已开展了面向智慧水利的研究和实践，业界对智慧水利相关概念和架构基本达到共识，初步形成对智慧水利的统一认识。培养既熟悉水利专业知识又掌握现代信息技术的高级专业人才是智慧水利专业的根本任务，智慧水利专业内涵是面向国家战略需求和水利专业的升级转型，是以水利工程学科为基础的水利学科各方向与空间信息获取、大数据处理和云计算、智能装备及人工智能等新兴专业深度融合发展而成的新工科专业，是水利专业“新工科”建设的重要抓手和载体［3］。如图1所示，蒋云钟等［4］解析了智慧水利六大维度内涵，阐明智慧水利实现形式和内在需求之间的关系。

图1 智慧水利概念解析Fig.1 Analysis of the concept of intelligent water conservancy

1.2 智慧水利类专业人才培养

1.2.1 培养课程体系

“天大行动”作为“新工科”建设的整体路线，明确指出到2030年，形成中国特色、世界一流工程教育体系，到2050年，形成领跑全球工程教育的中国模式。智慧水利作为“新工科”特色专业，在武汉大学世界一流大学建设战略背景下，以建设世界一流本科专业，培养专业基础深厚、学术能力突出的创新拔尖人才为目标。学习和借鉴国内外先进工程科技人才培养理念和模式，坚持“五育并举”中国特色的传统教育理念，突出“三创”高等教育灵魂，形成培养方案课程体系编制的6 项基本原则，如图2所示。

图2 培养方案编制原则Fig.2 Principles of training programming

经过广泛而充分的讨论，按照应对变化、塑造未来的新理念、多元化、创新型的新要求和培养方案的编制原则，设置了智慧水利专业课程体系，主要分为三大模块，公共基础课程、通识教育课程和专业教育课程，课程体系中各课程划分关系如图3所示。

图3 课程体系内容划分Fig.3 Content division of curriculum system

与传统水利专业相比，智慧水利专业课程体系内容体现以下4个特点：

公共基础课程包括思想政治课程19学分，物理与数学课程19 学分，大学体育4 学分，劳动教育2 学分，心理健康2 学分，国家安全及军事理论教育5 学分，大学英语6 学分，还包括大数据分析与处理和工程项目管理4 个学分作为智慧水利基础课程，以“五育并举”的培养内容，夯实智慧水利人才所必备的“德智体美劳”基础素养，确立高等教育培养社会主义建设者和接班人的教育方向。

通识教育课程，人文社科和自然科学经典导引各2学分，中国精神2 学分，同时提供4 选3 人文类选修课程，共6 学分，其中2 学分指定选修艺术体验与审美鉴赏课程，增加美学和人文情怀的人才培养元素，可促进文理融合，拓展学生思维方式。

大类平台必修课程包含化学、力学、数学、计算机基础和多门水利类专业前导课程，专业核心必修课程体现智慧水利专业特色，涵盖智慧水利基础、智能数据获取和处理及智慧水利应用等方面的课程，主要包括人工智能、智慧水利概论、水利遥感、水利智能监测与调控、水工程BIM 设计、数字孪生流域、水工程智能建造等，多方位支持智慧水利专业内涵和外延建设［5］，如图3所示。

实践课程模块引入创新创业类课程，培养智慧水利专业人才理论联系实际和学以致用的能力，在实践中引导学生创新、创造和创业的意识和能力，形成在成长中规划和调整个人发展方向的内驱力。

1.2.2 智慧水利与测绘新技术

近年来测绘行业以其内在发展的特性与通信、导航、遥感及微电子传感器技术深度融合，促进了无人机测绘及三维激光扫描技术蓬勃发展，低空倾斜摄影测量和空间精细结构信息采集更加高效便捷，测绘技术进入“4S（GNSS、GIS、RS、Scan）”智能测绘新时代［6］。

我国空间信息技术及其基础设施的建设和发展，同时极大提升了水利行业空间信息获取的能力，形成了“天-空-地-洞”的立体格局，水利信息数据获取呈现出实时化、泛在化和智能化的新特征。培养智慧水利人才使之了解空间信息数据智能化获取的基本原理，掌握一定的空间信息处理和应用技能，增强学科交叉和融合的意识和能力。

智慧水利的发展既得益于新技术的推动又离不开水利行业内在发展的驱动，武汉大学智慧水利专业从4 个传统专业中重组师资，对标国际创新新方向，确立4个前沿方向形成专业新格局包括，水工程智能建造与运维、水旱灾害精准预警与智能防御、水资源智能配置与高效利用和水利数字孪生理论与技术。在促进水利行业转型和全面升级的过程中，现代测绘技术发挥了重要作用，且仍在进行更为深入地交叉融合，不断促进智慧水利的发展。如图4，简要说明了智慧水利新方向与测绘新技术交叉融合的关系［4］。

图4 智慧水利与测绘新技术交叉融合关系Fig.4 The cross-integration relationship between intelligent water conservancy and new surveying and mapping technology

智慧水利与测绘新技术已形成较深入的学科交叉态势，水利水电学院智慧水利专业培养方案需要测量学作为前导课程，提供测绘学科空间基准、投影变换、坐标转换、空间数据管理、空间分析等有关的基本理论、方法和技术。

2 测量学教学现状及改革要求

2.1 测量学教学现状及问题

测量学是水利、土木、交通等工科类专业的传统专业基础课程，教学内容在较长的时间内保持相对稳定，测量学课程教学内容分为3 个模块，课堂理论教学（48 学时）、仪器操作及观测方法实验教学（32 学时）和数字化测图综合实习（2 周约16学时）。

水利水电学院2018 按照大类培养方案的要求更新了本科专业培养方案，将测量学实验和实习内容压缩合并为测量学实验，学时数为32 学时，目前测量学课程教学主要内容和对应的学时数如表2所示。

表2 测量学教学内容和课时Tab.2 The teaching content and class hour of surveying

针对智慧水利专业人才的培养，测量学课程教学主要存在以下3个方面的传统问题：

（1）教学容量与课程学时矛盾突出。为了保证教学效果，教学内容必须遵循一定的连续性和完整性。在学时大幅压缩的情况下教学内容很难减少，教学内容完整度无法保障，教学内容重难点学时充足的时间深入领会；实践教学分配的学时压缩严重，实践教学的质量不能保证，学生对于仪器的操作没有时间充分熟悉；测量实习纳入测量实验课程内，学时分散且在校内进行，无法达到实习效果；无法引入测绘新理论、新方法和新设备的教学内容。

（2）教学内容与设备更新滞后。在目前的教学内容中，传统的高差、角度、距离和控制测量部分共占22学时，约占总学时的68.8%，且对应的设备为光学水准仪和传统的全站仪为主，教学内容和设备滞后于目前主流的，GNSS 测图、倾斜摄影测量和三维激光扫描技术。更无法接触和体会到目前测绘学科智能化、泛在化的发展趋势和方向，不利于智慧水利专业人才的培养，同时由于教学内容和设备缺乏现代感，难以吸引学生强烈的学习，很难保障教学效果。

（3）教学方法与考核方式科学性差。测量学课程具有理论性、系统性、实践操作性和应用多样性的特点，目前课程教学方法主要注重理论和实践两部分内容，课堂讲解理论，实践环节操作设备，在系统性和应用多样性的内容教学方面缺乏针对性的教学方法来完成相应的教学任务，比如测量工作的基本原则“先整体后局部”和测量工作基本程序“先控制后碎部”所体现的系统性和应用多样性在教学内容中缺失，学生的理解不到位。在考核方式方面缺乏学习过程监督，实践教学部分受测量学特点所限采用分组方式教学和考核，造成考核的公正性不足。

2.2 测量学教学改革的要求

从智慧水利专业对测绘新技术为代表的空间信息技术的整体需求和水利水电智慧水利专业培养方案的课程体系要求来看，提高测量学课程教学质量具有重要作用，事关人才培养质量。从测量学教学现状及问题出发，充分考虑智慧水利人才培养要求，及测量学在人才培养方案中的作用和定位出发，进行探索与改革，并注重以下3个方面的要求：

（1）增加智能测量教学内容，以适应智慧水利专业人才培养要求。智慧水利的开展与实施，严格遵循认识论对客观世界“感知-分析-控制”的基本规律，因此测量学作为获取工程信息的重要手段一直是水利工程专业课程设置中的基础课程。引入智能测绘教学内容将有助于提升智慧水利专业人才工程信息的获取能力和效率，改变和提高智慧水利人才依托测绘技术对水利工程信息认知的层次和格局，有利于提高智慧水利专业人才的培养质量。

（2）加强测绘基础理论掌握和理解，完善测量学前导课程的作用。智慧水利专业是以培养具备空间信息感知、大数据处理和云计算、智能装备与人工智能等相关知识的人才为目标的新型水利工程专业。测量学是测绘和非测绘专业的基础课程，是智慧水利专业多门专业核心课程的前导课程，其作用是解决有关空间信息技术学科的空间基准理论的作用。加强智慧水利专业人才对水利遥感、水利智能监测与调控、水工程BIM 设计、数字孪生河流、地理信息系统等多门课程的基础理论掌握和认识，对培养智慧水利专业人才的知识结构和学科交叉融合能力非常重要。

（3）进行教学模式改革，确保测量学课程教学质量。在前2项革新的要求下必然会加重教学容量与教学学时的矛盾，必须科学合理地设计教学内容，采用合理的教学模式，充分整合调动学院、教师、学生各类教学资源，确保教学质量。

3 测量专题化教学模式改革

武汉大学院士课程——“测绘学概论”的教学模式其本质是专题化教学模式，是指在教学中，针对某一特定主题或知识领域，进行深入研究和专门讲授的一种教学方式。专题化教学模式通过聚焦某一特定主题，提供有针对性的教学方法和资源，帮助学生建立知识结构的框架，形成系统化的思维方式，有利于知识的整合和应用，有助于提高学习兴趣和效果。

智慧水利专业测量学教学改革借助专题化教学模式，科学设计课程内容架构，合理划分专题教学内容，针对性地制定教学方法和投入教学资源，教学中提高学习兴趣训练系统化思维，达到教学目标。

3.1 专题化教学内容设置

为适应智慧水利专业人才培养，对测量学教学内容进行科学合理的模块化划分，主要进行4个方面的调整：

（1）归并压缩现有教学内容中传统测量方法的原理、方法和仪器操作部分，将水准测量、角度测量和距离测量的理论和实践学时从26学时压缩到10学时，8学时理论教学，2学时仪器操作实验教学，设置6学时的开放实验，此模块为传统测量方法及设备操作模块。

（2）增加第一章绪论的教学内容及课时容量，将地球大小和投影基本知识扩展为空间基准内容包含旋转椭球、参考椭球，详细讲授投影变换、坐标系统和坐标变换等基本理论和基础数学工具，学时数为6学时，该模块为测绘基础理论模块。

（3）增加智慧测量模块，提高和加强智慧专业学生对空间位置服务的认识，培养学生对地理信息空间数据管理和操作能力，训练学生空间分析和点云数据处理能力，了解视觉测量的基本原理和体系结构，4学时理论教学，6学时实践学时。

（4）其他教学内容基本保持不变，数字化测图增加RTK 测图，将工程应用模块中地形图基本应用部分替换为基于地理信息系统的地形分析，增加水深测量系统的介绍，保留施工控制测量、线路测量和隧洞测量的教学内容突出工程测量应用多样性的特点，专题模块内容的划分如表3所示，图5 对新旧教学内容进行了对应分析。

图5 新旧教学内容对比Fig.5 Comparison of old and new teaching content

表3 测量学教学内容专题化调整Tab.3 Thematic adjustment of surveying teaching content

3.2 专题化教学模式实施保障措施

测量学教学内容增加了智能测量，扩展了测绘基础理论的容量，采用开放实验教学尝试解决学时矛盾，要确保教学质量必须充分调动教学资源，并制定相应的措施进行教学保障。

（1）强化实践教学环节，通过设置开放实验，实现课堂延展，突破教学场地、时间的限制。

测量学涵盖智能化内容后其教学容量必然增加，在有限的学时内保证教学效果除夯实课堂教学内容之外还必须强化教学实验，“百闻不如一见，动眼不如动手”通过对仪器设备和实验内容的直接操作加强学生对课程内容的理解。在对教学内容难易程度把握的基础上专题化教学改革缩减了传统测量的教学内容，将理论课程可以通过实践环节消化吸收的部分完全划分到实践课程内，同时设置开放实验课程其本质是布置了实验操作类的课外作业，通过这种方式实现课堂延展，突破教室、实验室等传统教学场地及教学时间的限制，以更灵活的形式，更开放的教学理念服务课程建设和人才培养。因此需要实验室老师投入更多时间，以做好教学服务。

（2）加强教学各阶段监督，获取教学效果的实时动态信息，并精准调控和干预。

利用现代化信息技术和教学效果评估系统比如在进行开放实验时学生应提供个人定位信息、教师及时通过网络批改作业，实时跟踪教学内容落实情况，并评价教学效果。依据测评信息帮助教师改进教学方法，同时可精准指导学习效果不达标的同学。以此方式加强教学各阶段的综合监管，通过适度增加学习紧张度增强学生学习投入度。教学效果评估软件加强了学生课余时间对课程投入的把控，实现课上课下的全面把控，保障教学自由形式松散而质量不减的效果。

（3）更新实验设备，建设智能测量教学实验室，做好教学硬件保障。水利水电学院国家级实验教学示范中心的测量学实验室的仪器设备配置目前居全国水利专业测量学实践课程硬件条件之首，但仍然以常规光学和电子仪器为主，电子水准仪和全站仪可满足600名本科生的教学需求。现代智能测量设备数量不足单基本涵盖目前智能测量发展前沿方向，精密全站仪6 套，GNSS 设备12 套，无人船1 艘，测深仪2 套，BLK360 激光扫描仪1 套，松灵移动智能测量平台1 套，智慧水利教学实验系统通过学校贴息贷款项目购置RTC360高速激光扫描系统1套。

测量实验室在软件配套方面存在严重不足，数字化测图软件方面软件存在严重不足，摄影测量及遥感影像处理软件12套，点云数据处理软件6 套，无人机倾斜摄影测量处理软件1套，移动测量开发平台1 套，配套软件方面还存在较大的建设空间［7］。

4 结 语

为适应智慧水利专业人才培养，传统的测量学必须进行教学改革，本文通过专题化教学模式重组测量学教学内容，在增加智能测量教学内容和拓展测绘学科基础理论的条件下，解决教学容量和教学学时冲突、教学内容滞后的问题，提出设立开放实验课程，解放教学场地和教学时间的限制。通过以专题化模式组织教学内容和提高学生学习兴趣，构建智慧专业必备的智能测绘知识结构，促进智慧水利与测绘新技术的融合，可以为智慧水利专业基础课程的教学改革提供一定的借鉴和参考。