高校测绘工程专业“测量仪器学”课程的改革与实践

余 腾，胡伍生，周 立，焦明连，孙小荣

(1. 宿迁学院建筑工程学院，江苏 宿迁 223800； 2. 东南大学交通学院，江苏 南京 210096；3. 淮海工学院测绘工程学院，江苏 连云港 222001)

高校测绘工程专业“测量仪器学”课程的改革与实践

余 腾1，胡伍生2，周 立3，焦明连3，孙小荣1

(1. 宿迁学院建筑工程学院，江苏 宿迁 223800； 2. 东南大学交通学院，江苏 南京 210096；3. 淮海工学院测绘工程学院，江苏 连云港 222001)

针对测量仪器不断发展和革新的实际情况，总结了近5年来“测量仪器学”课程开设的效果和社会评价。基于测量仪器已全面进入电子智能时代，提出了针对理论和实践两个方面教学内容的改革，改进得到了优化新颖的教学方法，对于课程考核提出了合理的评判方法，并对课程配套相关条件提出了合理的建议，最后对改革后的课程教学效果进行了论述和分析。

测量仪器学；教学改革；教学方法；评价；效果

测量仪器是测绘地理信息领域获取基础数据的工具，能对其熟练使用和维修保养是对使用者素质的基本要求。笔者曾于2011年提出在高校测绘工程本科专业中普遍开设“测量仪器学”课程的必要性，并对课程设置进行了探讨[1]，经过近5年的实践探索和改革，通过课程多视角创新性地学习[2]，学生认识测量仪器的水平上升到了一个新的高度，取得了一些有益的成果，也有一些经验教训。

随着仪器仪表工业的快速发展，目前在测量仪器领域，光学测量仪器因使用烦琐，性能受环境和操作者影响较大，精度不高，防水防尘防震性能较差，当前在测量外业中使用愈发减少；而因仪器工业设计制造水准的提高，以全站仪为代表的电子仪器已日益得到普及，其采集数据效率较高，性能较稳定，价格进一步下降，测程和精度的提高几乎使其已替代传统光学测角仪器和组合式光电测距仪；由于不受通视局限，可日夜观测，架设操作简便，采集数据效率和点位精度较高，GNSS接收机已得到广泛应用；为获取多维可视化影像，采集海量点云数据，以三维激光扫描仪、航测飞行器和测量机器人系统为代表的新型测量仪器装备已崭露头角，并在野外测绘大数据采集中大显身手[3-7]，一定程度上颠覆了传统测绘数据的采集思维和方式。

国内曾结合实验室建设和某门课程进行过研究[8-9]，但基于测量仪器的发展和测绘手段的变化，总结开设“测量仪器学”课程的经验和对课程内容、教学方法和评价体系的改革已势在必行。

1 开设“测量仪器学”课程的经验

近年来，“测量仪器学”(又名“光电大地测量仪器学”等)课程在中国矿业大学、东南大学、淮海工学院和宿迁学院等不同层次具有测绘工程本科专业的高校陆续开设。经过多年的教学，尤其是2011年起每年通过对教师、学生和用人单位的座谈意见和课程单位意见反馈表梳理分析，现总结主要经验如下。

1.1 有益的成果

熟练使用仪器本身就是测绘工程教学的重要目标之一，而对于如何正确使用仪器来采集数据已在“数字化测图原理与方法”“大地测量学”“工程测量学”等相关课程的课间实习中由相关教师详细讲授和演示，学生也有较多的操作机会，因此在“测量仪器学”教学中，主要偏重于仪器本身而非如何使用，这是设置教学内容的前提。经过几年的摸索，在课程内容方面进行了合理的安排，在课程理论方面主要设置为两大部分，第一部分主要是仪器的机械原理，即光学原理和电子原理的讲授；第二部分主要是仪器基本检定、精度评定及日常养护的讲授。实践证明这样的分类基本涵盖了“测量仪器学”的教学目标，没有遗漏重要的知识点。因此，课程的内容设置和知识点安排是比较合理的。

经过考试、演示和问答等教学评价的反馈，大多数学生通过学习能对仪器的部件组成形式、工作原理和常见故障排除等方面有更深层次的认识。未学习前，学生仅对仪器组成部分、仪器功能和操作方法有大概认识。如传统教科书中对于基于仪器原因而产生的观测误差(如度盘偏心、水平度盘与竖轴不垂直误差)仅作理论描述和误差传播推导，规定一定的观测顺序或增加测回数来抵消误差，但并没有从源头去解决问题，在本课程的“水平度盘拆装”实验中，学生通过实地拆分和拼装，了解了水平度盘各相关部件的组装方式，掌握了正确的拼装顺序，分析了如何装配可消除和减小水平度盘与竖轴不垂直造成的误差。通过对仪器的“解剖”，学生对仪器的认识不仅停留在认识和使用上，对于分析观测误差来源也有一定的意义。

经过教学，认为现有的理论实践并重的教学方式能产生良好的教学效果，测绘本科在校专业课程主要可分为数据获取和数据分析加工两大类，“测量仪器学”课程应属于数据获取类，课程特点决定其具有更高的实践性。若偏重理论，则成纸上谈兵；若偏重实践，则不易学懂学透。

经过摸索，笔者认为课程设置在大学本科四年级的上学期是比较合适的：第一，学生经过3年的学习，测绘主干课程已基本学习完毕，已经掌握多数测量仪器的使用方法，对于本课程学习已具备较好基础；第二，国内高校测绘专业大学三年级课程多以数据分析和加工类为主，在学生进入工作岗位前的一年中学生使用仪器机会较少，第7学期讲授“测量仪器学”有一种总结和提炼的效果，不仅可温故知新，还可以做到再认识、再学习、再深化。

考核评价方式是学生学习某门课程的重要导向，经过探索，现采用的以笔试和实践操作并重的考核方式能较公平合理地体现出对学生学习效果的评判。

1.2 经验教训

基于老仪器不断淘汰、新仪器不断涌现，以及仪器本身更新改良的情况，部分教学内容已落后于社会发展而需要调整，教学方式和评价体系也需进行一定的改革，这正是本文探讨的重点。

2 课程教学的改革

大学课程教学内容应紧随社会发展，甚至引领行业方向，为了让学生所学不落后于生产和时代，针对“测量仪器学”课程，从理论教学内容和实践教学内容两方面进行探讨。

2.1 理论教学内容改革

在现行课程设置中，理论教学内容主要讲述常用仪器(光学水准仪、光学经纬仪、电子全站仪)的机械原理、光学原理、电子原理，以及仪器检定、精度分析、日常养护等知识点。这些内容是课程的基础，不建议进行较大改动。

近十年来，GNSS接收机在测绘地理信息、路桥工程、电力工程等领域基本从无到有、从有到多、从多到好地普及开来；三维激光扫描仪及其各种载体突破了传统的单点测量方法，在数字城市三维可视化建模和工业测量中逐渐推广开来；航测飞行器在快速测图和矿区、坝区监测等工程中愈发得到广泛应用；测量机器人系统和RTU集成采集系统在地铁、深基坑、大跨径桥梁等精密工程监测中的应用逐渐成熟。测绘仪器正向着集成化、智能化、精密化和方便拓展等方面发展，但在现行的主流教科书中DS3型水准仪、DJ6型经纬仪的认识使用仍占据了过多的章节，全站仪也只列举作简要介绍，对于新仪器几乎很少涉及。

这使得“测量仪器学”课程中所讲述的仪器必须进行丰富，应加入GNSS接收机、三维激光扫描仪和航空与近景摄影仪器原理的讲述。因各厂家各型号会有不同，因此建议不按常规对某一厂家某一型号的仪器进行举例说明，而是按仪器工作原理的分类进行讲解。如讲授三维激光扫描仪时可按脉冲式、相位差式和三角测距式的不同测量方式分别作讲授，也可按机载型、车载型、地面型、手持型的不同载体分开讲述原理。又如在讲授GNSS接收机时，可按用途分为导航型和测地型进行授课，也可按工作原理分为码相关型、平方型、混合型和干涉型进行讲授。现在接收机几乎都与电台、发射天线和手簿协同工作，其中任何环节一旦发生故障都无法正常工作，因此有必要对这些附件结构形式和工作原理也进行讲解，以有助于判别故障和进行有效维护。因此，理论教学中适当删减光学仪器原理内容、大幅度更新和增加新型测量仪器原理内容是必要的。

除此以外，因学生在物理课程中对工程力学、光学有一定的基础且具备基本的发散思维能力，在实际授课中发现机械原理和光学原理学生较容易掌握，而对于涉及电路和信号的比较抽象的电工原理理解欠佳，因此建议在理论课程中对于电工学部分应增加课时。

2.2 实践教学内容改革

为了将理论知识消化吸收，需安排一定实践环节予以配套，基于理论内容的课内实验也应作相应改变。

(1) 首先，由于光学测量仪器实际使用逐渐减少，且先行课程已花费较多篇幅讲解仪器的认识使用，因此在“测量仪器学”课程的实验中应适度删减光学测量仪器的结构拆装和维修实操实验。

(2) 其次，基于目前绝大多数开设测绘工程专业的高校都有多套GNSS接收机且在“GPS测量原理及应用”中已讲授过，学校和学生都具备开设实验的基础，因此可增加GNSS接收机的结构认识和拆装实验。目前只有部分学校已购置三维激光扫描仪、无人机和测量机器人等先进测量设备，这些学校可借助已有设备开展基于仪器的相关实验，如三维激光扫描仪的结构与点云采集原理、激光雷达测量原理与系统组成认识；部分暂未购置此类设备的高校可借助厂家设备资料和互联网资源进行实践教学。如图1、图2所示。

(3) 最后，由于当今测量仪器几乎已都是电子仪器且理论授课增加了电工原理章节，实践部分也应增加配套实验。如在本课程教学中针对测量仪器涉及的基本电工知识，基于电工实验台开展了电子元器件的测量、全站仪电路原理与调测和GNSS接收机发射电台故障判别3个实验项目。如图3—图6所示。

图1 三维激光扫描仪工作原理

图2 Trimble5800接收机结构拆装认识实验

图3 全站仪触屏电路认识实验(正面)

图4 全站仪触屏电路认识实验(背面)

图5 Trimmark3数传电台拆解认识实验

图6 模电、数电开发实验台

2.3 教学方法的调整

基于教学反馈情况和教学内容的改革，教学方法也应进行适当调整，有学者提出以卓越工程师教育培养为依据进行教学方法的改革[10-11]。

首先，应较多地摒弃传统教材的束缚，目前国内使用的“测量仪器学”教材很少，且内容比较陈旧，书本中讲述的很多测量仪器已不常使用[7]；应在课程教学时多借鉴厂家仪器说明资料，讲授时更多地运用实物和幻灯片，这样不仅直观形象而且优化了有限的教学时间。

其次，在实践教学时，不应仅停留在只会拆装的层次，应引导学生认识各部件结构的作用和关联，设计故障引导学生通过实验发现并解决，在实验中鼓励学生去“破坏”并维修，并引领学生多向别的学科学习和多向互联网学习。

教师应多与厂家联系，多与仪器使用单位联系，了解仪器的发展趋势和某类仪器的通病，通过消化理解把问题带进课堂。

2.4 考核评价方式的调整

大多数高校测绘工程专业的课程考核形式以笔试为主，辅以实验成绩、作业、考勤等，通常笔试成绩占到60%～80%。建议在“测量仪器学”课程考核中，笔试成绩和实验成绩各占50%。在实验成绩考核时，分小组进行实验，并对小组实验成绩给出一个分值，每个小组成员的成绩依据表现情况和实验中发挥的作用乘以系数。设每组4个人，个人实验成绩为

Pi=λP

(1)

式中，λ=0.8,0.9,1.0,1.1,1.2；i=1,2,3,4。

3 课程改革的实践效果

将改革后的“测量仪器学”课程在一个班级完整讲授完毕并考核，可以发现：

(1) 经过改革，教学内容能紧跟时代发展，学生实践能力得以加强锻炼。学生除了掌握传统光学测量仪器和电子全站仪工作原理、维修检定知识外，对于GNSS接收机、三维激光扫描和无人机的工作原理也有了比较清晰的认识，不仅学会了基本测量仪器的故障诊断和维修，也基本能掌握GNSS接收机常见故障判断和简易维修，这对于相关课程只讲授如何用其采集数据是一种很好的补充和增强。虽然学生基础较薄弱，但为了能解决故障，部分学生会自觉学习新知识，这是一种很好的引导和激励。

(2) 通过教学方式的调整，讲授测量仪器更为生动直观，学生学习兴趣能有所增强，课堂注意力相比以往能更为集中。

(3) 通过考核方式的调整，学生能更注重实践能力，专注于实际解决问题的能力，这也是开设课程的重要初衷，达到了启发性实验目的，也是工科应用型人才所需具备的宝贵素质。

(4) 如今社会已进入电子通信异常发达的时代，各种设备方便了人们的生活也改变了人们的生活。测量仪器是仪器仪表大类中的一个分支，通过本课程的学习，学生对于生活中的设备原理也会有一定的认识基础，能做到透过现象看本质，对生活有益。

4 课程配套的相关建议

为保证课程的顺利进行和取得预期效果，课程的建设也离不开配套条件的建设。

教师的素养是课程开展的基础，课程由实验室专职教师担任，但目前很多高校实验室系统体制不合理，实验室教师得不到应有的地位，学校应像对待任课教师一样重视实验室队伍的建设，让他们在职称、评奖、培训、晋升和待遇方面享受平等对待。教授“测量仪器学”课程要求具备较高的理论实践水平，因此应提供条件促其提高教学能力和眼界。

此外，为使课程实验顺利开展，除需具备良好的实验场所和一定数量的供实验基本测量仪器外，还要备齐易损件和常用零部件；对于单价比较高的仪器，为了防止损坏，可专门从厂家处购置一些老旧或损坏仪器供教学实践中使用，若限于条件，还可以通过远程视频进行演示。如图7、图8所示。

图7 课程实验易损件准备

图8 课程实验常用部件(补偿器)准备

最后，由于当今仪器工业发展迅猛，当前使用的教材已落后于时代[12-13]，呼吁尽快编写出版符合目前阶段的测量仪器学教材，并力求可以构建出测量学与仪器仪表学之间的联系。

5 结 语

“测量仪器学”本身已综合了多学科多课程的知识，本文总结了开设此课程5年来的一些经验，提出了改革的必要性和紧迫性。课程的改革是为了遵循社会的发展变化趋势，经过改革教学内容、教学方法和考评体系，学生对于测量工具有了更深入的认识，对于测量误差有了另一视角的理解，对于处理仪器故障有了基本的素养，学会了检定保养仪器，提高了仪器使用寿命和测量精度，力所能及地解决仪器故障可锻炼良好的思维协调能力和应变能力。

课程改革也给教师和学校提出了更高的要求，教师应力求知识更加深入和广泛；实践能力的高要求需要教师拥有较多的仪器操作和维修经验,学校也应努力创造更好的教学条件。

更新现行的“测量仪器学”教材或编写一部反映仪器发展和学科交叉的新型教材已迫在眉睫， 笔

者也正在进行此项工作，以期新编教材对于课程提供一个更好的载体。

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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

余腾，胡伍生，周立,等.高校测绘工程专业“测量仪器学”课程的改革与实践[J].测绘通报，2017(5)：147-151.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0176.

2016-06-08

江苏省科技支撑(工业)项目(BE2014026)；江苏省高校自然科学研究项目(13KJB420004)；东南大学教学改革项目(JX2009059)；江苏省高等教育教改研究项目(2015JSJG255)

余 腾(1985—)，男，硕士，讲师，研究方向为测量仪器开发应用和精密工程测量与数据处理。E-mail：164002786@qq.com

G64

A

0494-0911(2017)05-0147-05