基于OBE的物理大地测量学课程改革探索

白永良 范士杰 赵健 王心众

摘  要：测绘工程等专业的物理大地测量学课程存在内容多课时少、课程内容与先进技术脱节、以教师为主的填鸭式教学等问题，导致教学效果一般。为了解决这些问题，基于OBE理念创新了课程教学过程，并采用问题驱动教学方法系统性地设计了包含学习成果、引入问题、教学内容、教学方式、效果评价等要素的课程结构。为测绘工程等工科专业接受工程教育认证和“新工科”建设奠定了良好基础，更重要的是提高了学生培养质量。

关键词：OBE理念;问题驱动;物理大地测量学;课程改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）09-0071-03

Abstract： The physical geodesy course of surveying and mapping engineering has many problems such as less content， less content of course content and advanced technology， and teacher-based cramming teaching， which leads to general teaching effects. In order to solve these problems， the course teaching process was innovated based on the OBE concept， and the course structure including learning results， introduction problems， teaching contents， teaching methods， effect evaluation and other elements was systematically designed using problem-driven teaching methods. It has laid a good foundation for the engineering majors such as surveying and mapping engineering to receive engineering education certification and the construction of "new engineering"， and more importantly， to improve the quality of student training.

Keywords： OBE concept; task-driven teaching method; physical geodesy; course reform

为了接受工程教育认证，很多工学专业都按照OBE（Outcome based education）理念对本科培养方案进行了修订。OBE是以成果为导向的教学模式，由美国学者Spady William G.于1994年正式提出[1]。OBE理念强调以学生学习成果为起点反向设计人才培养方案和培养过程[2]，强调如下4个问题[3]：学生学什么？为什么学？如何学？学得怎么样？学习产出导向（OBE）是工程教育专业认证和“新工科”建设的核心理念，要求将面向工科学生的教学理念从“内容为本”转变为“学生为本”[4]，以学生的“学习成果”为导向，最终达成的核心目标是培养掌握知识和具备能力的新工科学生。与传统填鸭式教学理念相比，OBE理念关注学生能够做什么，而不是简单的学生知道什么，可以有效提升教学效果。

课程是培养方案的重要支撑，为了将OBE理念真正落到实处、提高人才培养质量，除修订培养方案之外，还需要按照OBE理念对每一门课程实施教学活动。本文以测绘工程专业的核心课程物理大地测量学为研究对象，按照OBE理念并引入问题驱动教学法，从学习成果、引入问题、学习内容、教学方式、效果评价等方面对该课程进行了系统性改革。

一、物理大地测量学课程教学存在的问题

物理大地测量学又称地球重力学，是测绘工程专业的一门重要学科基础课。课程目标是利用地球物理和大地测量的手段，研究和测定地球形状、重力场及各自随时间的变化，进而解决相关的理论与工程问题。开设测绘工程专业的大部分高校都开设了物理大地测量学课程，物理大地测量学也是地球物理学、资源勘查工程等专业本科生的必修或选修课程[5]。该课程具有逻辑性强、公式推导内容多、知识点之间关联程度高等特点。虽然各个學校的具体情况不同，但是从整体上看，学生很难通过课程学习做到学以致用，具体原因表现在以下三方面。

（一）内容多学时少

物理大地测量学作为由大地测量学、地球物理学、地质学和天文学交叉派生出来的边缘学科[6]，学科范围广、涉及内容多，但往往仅有30-40教学课时。在有限的学时条件下，很难全面讲解课程涉及的所有内容，容易导致学生对知识点掌握不牢固、对课程逻辑体系认识不清晰，最终导致学生难以利用所学知识解决理论和实际问题等后果，教学效果不理想。

（二）与先进技术脱节

经过几百年的发展，物理大地测量学具备完善的理论体系，尤其是在引力位和确定大地水准面方面，理论体系较为成熟[5]。为了保证学生能够准确掌握课程的核心内容，教学过程往往偏重于对经典理论的讲解、核心公式的推导;同时，受到课时限制，学科最新理论与技术成果往往被忽略。导致教学内容与先进科研成果的脱节，学生很难将所学知识与学科最新发展成果关联起来，无法达到学以致用的目的。

（三）以教师为主的填鸭式教学

鉴于课程核心内容以逻辑推理、公式推导为主，前后知识点之间的关联程度高，同时受到传统教学理念和教学方法限制，课堂授课仍以内容为本、教师为主。虽然讲授内容饱满，但学生参与程度不够、学习积极性较差。学生仅能够掌握具体的定义、定理、特征等，而对所学知识的目的、用途不甚了解，缺少学习动力，最终结果是学生很难利用所学知识解决实际问题。

二、基于OBE理念的物理大地测量学教学过程设计

根据学科内容，物理大地测量学主要的教学内容可以划分为绪论、重力及其测量、位理论基础、大地水准面确定方法及实际应用五个章节[5]。课程的整体思路为，首先从宏观上把握课程的内涵与外延（第一章，绪论）;理解重力概念和重力测量原理，掌握不同的重力测量手段，并了解重力场在地学中的应用价值（第二章，重力测量）;为了便于表达和计算重力这一矢量参数，引入与重力关联的标量参数重力位，重点讲解重力位主要分量引力位的特征及解算方法、表达方式等（第三章，位理论基础）;基于引力位给出大地测量学中关键参数的解算方法（第四章，确定大地水准面）;最后利用物理大地测量学解决相关的理论问题和实际问题（第五章，实际应用）。

实施OBE理念的关键性步骤包括，确定学习成果、构建课程体系、确定教学策略、自我参照评价、逐级达到顶峰。依据物理大地测量学课程特点、遵循OBE理念实施的关键步骤，从以下五个方面分析本文设计的物理大地测量学教学过程（图1）。

1. 确定学习成果。物理大地测量学课程的学习成果为掌握物理及大地测量的基本概念和方法并具有将其运用到测绘工程领域的能力，具备结合文献研究分析测绘工程中的复杂问题并获得有效结论的能力。

2. 构建课程体系。考虑到课时有限，将课程内容分为两部分：（1）课程最为核心的、具有严密数理推导的基础理论;（2）涉及范围宽泛且具有典型意义的学科前沿与工程应用。保证学生掌握核心理论的同时，也能够适度了解当前的学科前沿。

3. 根据学习内容的特点，设计不同的教学方法。以清晰明了的主线讲解学科最为核心的理论体系，以发散、互动的方式学习学科前沿与工程应用案例。具体地，绪论部分以教师讲授为主，引导学生思考学科内涵与外延及潜在的应用领域;重力测量一章与先进的卫星测高、卫星重力等观测技术密切相关，鼓励学生积极查阅资料、讨论与分享自己的认识与观点，教师进行点评;第三章和第四章的难点和重点都是基础理论，教学手段以教师讲解为主，板书配合多媒体讲解核心概念的物理含义、前后知识点之间的关联关系、重要性质与定理的推导等;最后的实际应用一章，回归到以学生为主的启发式、讨论式的学习模式。

4. 针对不同的教学内容与教学方式，采用不同的效果评价方法。学习基础理论时以课堂提问、课内测验为主，以课后作业、学生讨论为辅;学习学科前沿与工程应用时，以大作业、学生讨论为主，以课内测验为辅。动态、全方位掌握教学效果，为教学改进奠定基础。

5. 逐级达到顶峰：根据教学效果评价，做好教学反思与改进，针对存在的问题进行适度迭代，弥补缺陷、提升教学效果、防止学生掉队，最终实现课程的教学目标。

三、基于“问题驱动”的教学方法设计

问题驱动教学法即基于问题的教学方法（Problem-Based Learning，PBL），是以学生为主体、以各种专业问题为学习起点、让学生围绕问题寻求解决方案的一种教学方法[7，8]。问题驱动教学法能够有效提高学生学习的主动性，提高学生在教学过程中的参与程度，激发学生的求知欲，活跃其思维，培养学生发现问题、尤其是解决问题的能力。该教学方法可以从教学手段的角度有力支撑OBE教学理念，提高教学效果。

在图1所示基于OBE理念的物理大地测量学教学过程基础上，为了有效实施问题驱动的教学方法，设计了物理大地测量学详细的课程结构（表1）。从整个课程的角度，采用总分总（WPW， Whole-Part-Whole）的问题设计模式[9]。绪论一章重点解决的是物理大地测量学能够解决什么问题？如何解决问题？为了回答该问题，需要学习学科的目标、发展历程、内涵与外延等。通过绪论明确重力在大地测量、固体地球科学、天文学中的作用，随后学习第二章重力测量时，需要学生思考如何测得重力场？如何监测重力场变化？因此，需要学习重力的严密定义、测量原理及具体的测量手段。矢量参数重力的相关计算相对复杂，因此需要寻找合适的标量（重力位或引力位）来表征重力或引力，问题是该标量场具有何种性质？如何利用该性质进行解算？用什么函数表达该标量场？为了解决上述问题，需要学习引力位的概念、引力位的性质、边值问题及球函数等。第四章回归到利用重力场求解大地水准面的问题上，需要明确重力和重力位同大地水准面高、垂线偏差之间的关系，进而利用归算后的重力、重力位求解大地水准面形状。最后的第五章实际应用，根据学生兴趣及新闻时事设计或者引入工程问题，引导学生设计一套基于物理大地测量学及相关学科的解决方案，进而达到利用所学理论知识，解决大地测量、地球科学、国防建设中实际问题的目的。

四、结束语

针对物理大地测量学存在的内容多课时少、课程内容与先进技术脱节、以教师为主的填鸭式教学等问题，采用OBE教学理念和问题驱动的教学方法，设计了一套切实可行的课程结构。该课程结构明确回答了学生从物理大地测量学课程中学什么、为什么学、如何学、学得怎么样这4个问题，同时提高了学生学习的积极性，为接受工程教育认证和“新工科”建设奠定了良好基础，更重要的是提高了学生培养质量。

參考文献：

[1]Spady，W.G.. Outcome-Based Education： Critical Issues and Answers[M].Arlington： American Association of School Administrators，1994：1-10.

[2]张泊平.基于学习产出的数字媒体技术教学改革[J].中国教育学刊，2016（S1）：104-105+111.

[3]李志义，朱泓，刘志军，等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究，2014（02）：29-34+70.

[4]赵健，范士杰.基于OBE理念的高校工程教育实践教学模式创新研究[J].高教学刊，2018（20）：32-34.

[5]罗志才，李建成，操华胜，等.物理大地测量学的设置与教学法研究[J].测绘信息与工程，2008（03）：47-49.

[6]许才军，申文斌，晁定波.物理大地测量学原理与方法[M].武汉：武汉大学出版社，2006：35-50.

[7]杭文，何杰，毛海军.“问题驱动”教学法在跨学科课程“运输经济学”教学中的应用[J].中国大学教学，2012（09）：72-74.

[8]卢洁，冯家勋.理工科课程教学整体改革探索[J].高等工程教育研究，2009（02）：137-139+144.

[9]范士杰，彭秀英，赵健.基于WPW学习模式的测绘工程专业课程体系改革[J].高教论坛，2018（09）：34-37+45.