智能导航实验班创新型人才工程及产品思维培养体系研究

周命端 王 坚,2 周乐皆 丁克良 韩厚增

(1. 北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院, 北京 102616; 2. 北京建筑大学 科学技术发展研究院, 北京 100044)

0 引言

北京建筑大学测绘工程专业办学历史悠久,长期秉承与时俱进的专业建设理念,坚持“城市+建筑”测绘专业特色的教学改革思路,以提升人才培养质量为专业建设目标,为首都乃至全国的城市建设领域培养了大批优秀测绘人才。近年来,由于工程认证、新工科、国家质量标准等新理念相继提出[1-4]以及北斗系统、人工智能、互联网+等新技术快速发展[5-7],测绘工程专业传统的工程思维教学体系难以满足智能导航方向创新型人才培养新要求,主要面临导航人才知识面广与现有大纲关键课程缺乏、新技术发展迅猛与教材内容更新慢、装备产品研制内容教学难度大与实践创新平台缺乏、创业人才培养系统性与现有教学体系碎片化等4个方面的突出矛盾,在当前新理念和新技术的驱动下,亟须积极推动测绘工程(智能导航实验班)创新型人才思维培养体系改革,这也是基于工程思维的传统测绘专业综合改革亟待解决的教学问题[8-9]。北京建筑大学积极推动测绘工程专业学科思维由工程思维向工程及产品思维的转变,通过拓展智能导航专业方向建设的内涵与外延,重点围绕“课程体系、教材建设、实践教学、创新创业”4个方面进行理论性与实践性的教学改革。经过近3年的专业建设与实践创新,立项2项省部级以及2项校局级的教改项目,构建一种兼顾工程及产品思维的智能导航实验班创新型人才培养体系,提出测绘工程专业智能导航方向创新型人才培养的新思路和新途径,编写全新的教学大纲,逐年优化人才培养方案并加以持续改进,解决新理念和新技术背景下传统的测绘工程专业教学与实践中所面临的突出矛盾,拓宽测绘工程专业人才发展空间,提升人才培养质量,提高毕业生进入导航产品研发企业就业的比例,有力支撑着测绘学科高精尖发展以及国家级一流专业建设,教学改革效果显著。2019年成立智能导航教研组并创造性开设第一届测绘工程(智能导航实验班),已连续招生3届(新生录取平均分数高出普通班8分、15分和15分),获得了良好成效。

1 兼顾工程及产品思维人才培养体系

针对当前新理念和新技术的驱动,测绘工程专业传统的工程思维教学体系面临4个主要矛盾,这难以满足智能导航方向创新型人才培养新要求,文中以承担2项省部级和2项校局级的教改项目为依托,重点围绕“思维转变、专业内涵外延拓展、培养体系创新”3个层次以及从“课程体系、教材建设、实践教学、创新创业”4个方面进行方法体系改革与实践创新,构建一种兼顾工程及产品思维的智能导航实验班创新型人才培养体系[10-16],对应的体系总体设计如图1所示。

图1 兼顾工程及产品思维的创新型人才培养体系

由图1可知,兼顾工程及产品思维的创新型人才培养体系总体设计主要包括3个层次:首先是人才思维培养由工程思维转向工程及产品思维,实现思维转变;其次是智能导航方向由传统的测绘工程扩展为测绘工程(智能导航实验班),拓展测绘专业内涵与外延;最后是思维培养体系创新,针对4个主要矛盾,重点围绕“课程体系、教材建设、实践教学及创新创业”4个方面进行方法体系改革与实践创新,即:

(1)建立智能导航课程学年全覆盖的课程体系,增设导航理论及产品研制相关的课程,拓宽教学内容,满足经济社会发展对智能导航创新型人才的需求;

(2)打造智能导航人才培养配套教材,通过创新教材编写理念,强化测绘与导航复杂工程问题的解决能力,体现智能导航方向教材的高阶性;

(3)构建多元化“工程-产品”能力培训的实践平台,通过校企产学合作协同育人与行业深度融合,打造创新性智慧城市导航与位置服务特色的多元化实践教学平台;

(4)建立课内-课外/创新-创业无缝衔接的创新学分制教学体系,实施本科生全员全贯通导师制,设置思维培养挑战度,因材施教。

2 培养体系改革内容及方法

在新理念和新技术的驱动下,传统的工程思维教学体系难以满足智能导航方向创新型人才培养新要求,这也是当前测绘工程专业综合改革亟待解决的教学问题。因此,面向问题导向的培养体系改革势必会推动智能导航实验班创新型人才工程及产品思维培养体系探索,改革内容及方法包括:

(1)拓宽教学内容,建立导航课程学年全覆盖课程体系。为有效解决导航人才知识面广与现有大纲关键课程缺乏弊端,围绕测绘工程专业工程认证标准要求,坚持国家质量标准体系,拓展测绘工程专业教学内容,在2019版本科人才培养方案制定中,设置四类课程(公共基础课程9门、测绘方向专业课程15门、智能导航方向课程6门、创新学分课程5门),重构课程体系。一是提出专业课适当前置的教学逻辑,在智能导航方向课程的设置中,创造性开设《导航装备基础》课程并于第二学期开出,同时增加《工业智能定位测量》《室内定位与智能导航》《高精度导航地图与位置服务》《嵌入式系统与程序设计》《GNSS程序设计》[GNSS为全球导航卫星系统(global navigation satellite system)]等五门智能导航方向新课;二是基于成果导向教育(outcome based education，OBE)理念组织制定或修订27门专业课程教学大纲,实现八个学期持续开出导航定位相关的课程,涉及导航关键理论、技术及智能硬件装备研发的全部内容;三是提出“立德树人—授业解惑—实践创新”三维度课程思政教学方法;四是加大计算机编程课程教学内容,增加智能交通大数据分析、城市空间信息与地理信息系统(geographic information system，GIS)应用、智能交通车辆位置在线监控、超高层建筑北斗/GNSS安全监测、建筑塔机北斗/GNSS定位智能监控[17-19]等彰显智慧城市导航与位置服务的相关教学内容,积极推动人才思维培养从“工程”思维转向“工程-产品”思维,满足经济社会发展对智能导航创新型人才的需求。

(2)创新教材编写理念,打造导航人才培养配套教材。为克服新技术发展迅猛与教材内容更新慢的矛盾,提出以“优化内容、突出核心、及时更新”为指导思想,对教材内容进行全面筛选、更新与重组。一是教材编写过程中及时将最新的科研成果列入编写大纲中,以便更新学生的知识观念,传授新的技术,科研反哺教学,将北斗系统新成果、智能交通大数据分析与应用和文化遗产时空溯源等新内容融入教材编写中;二是提倡“知识骨架—实践案例—学生知识结构”三位一体的教材编写理念,打造满足多层次需求的导航人才培养特色教材,例如:在教材《卫星定位原理与应用》的编写过程中,针对测绘、矿山、地质、农业、海洋、交通、大气、文化遗产及军事等多个领域的应用案例,充分考虑测绘工程专业学生知识结构的特点,对课程《GNSS原理及应用》的教学内容进行更新与重组,提供完整的卫星定位知识体系架构,满足智能导航创新型人才培养的新要求,并配套《卫星定位原理实训及习题集》实训教材,出版3年来已印刷2次,年销售千余册,在多所兄弟高校得到推广应用,在教学过程中得到满意效果并获得广泛好评。目前,已出版测绘导航创新型人才培养配套教材3部,实训教材1部,编写试用讲义3部,见表1所示。

表1 测绘导航创新型人才培养配套教材

(3)校企-行业深度融合,构建多元化“工程-产品”能力培训实践平台。传统的测绘工程专业实践教学体系是一种基于工程思维的工程能力实践训练平台,通过建立校企产学合作协同育人与行业深度融合机制,重点围绕智能导航创新型人才的工程实践能力(工程思维)和产品研制能力(产品思维)2个层面以及从“课程实验、综合实习、顶岗实训”3个层次,打造“工程-产品”能力培训实践平台,有效解决智能硬件装备产品研制内容教学难度大与实践创新平台缺乏的教学问题。一是建立“走出去”机制,教研组与北京中科资环信息技术研究院、河北九龙山庄、国网思极神往位置服务(北京)有限公司等多家企业联合建立校外实习实训基地;二是建立“请进来”机制,聘请企业导师,满足智能导航创新型人才培养的实践教学体系需求,建立13门课程的实验平台,5个综合实习基地,与5家企业联合建立顶岗实训教学基地。构建的多元化“工程-产品”能力培训实践平台如图2所示。

图2 多元化“工程-产品”能力培训实践平台

(4)建立课内-课外/创新-创业无缝衔接的创新学分制教学体系。针对传统教学体系中创新创业碎片化以及课内-课外系统性衔接不足的教学问题,创造性加大创新学分值,设置最低6个创新学分(其中,课内必修5个、课外任选1个)。一是设立导航基础研发能力实训、导航产品/系统研制能力实训、团队协作与创新创业能力实训、测绘技能大赛实训、测量程序设计大赛实训等5个进入课表的课内创新学分,以及全国/京津冀/校级大学生测绘技能大赛、全国/校级测绘科技论文大赛、北斗创新创业大赛、导航定位终端嵌入式程序设计大赛、“北斗杯”全国青少年科技创新大赛等任选1个课外创新学分;二是提倡创新学分学习进课堂(测绘技能大赛实训、测量程序设计大赛实训)、进科研创新训练团队(导航基础研发能力实训、导航产品/系统研制能力实训、团队协作与创新创业能力实训)、进学科竞赛(测绘技能大赛、测绘科技论文大赛等)、进创业(北斗创新创业大赛、“创青春”“挑战杯”等),完成本科生进团队科研训练创新学分制实践教学大纲10套;三是实施本科生全员全贯通导师制,提出创新学分全贯通每个学期,全员进入导师科研团队课题组,同时聘请企业导师参与大学生创新创业教育,进行全链条的创新创业科研训练,打造课内-课外、创新-创业人才培养新模式,建立“科研团队创新训练、测绘技能大赛实训、测量程序设计大赛实训”等课内创新学分课程,将编程能力训练全贯通创新学分进课表,并依托“全国/京津冀/校级测绘技能大赛、全国/校级测绘科技论文写作大赛、智慧城市类专业大赛”等学科竞赛联动人才培养机制,优化完善原有的主要以学科竞赛实训模式的创新创业能力培养体系,以“学术论文、发明专利、软件登记”为创新学分的成果产出导向,以“挑战杯、互联网+、创青春”等创新创业大赛为标杆引领,以赛促学,通过创新学分建立课内-课外,创新-创业之间的枢纽,打造课内-课外/创新-创业无缝衔接体系,进一步深化专业教育与创新创业教育的深度融合;四是通过企业提供需求与科研经费,搭建创业平台,提供学生创业环境。建立的课内-课外/创新-创业无缝衔接创新学分制教学体系如图3所示。

图3 课内-课外/创新-创业无缝衔接的创新学分制教学体系

3 改革与实践成效分析

经过近3年的专业建设与教学实践表明,兼顾工程及产品思维的创新型人才培养体系在智能导航实验班教学质量提升、教学与实践体系推广、教材建设应用、学科发展与专业建设等4个方面获得了良好成效,为智能导航实验班创新型人才产出奠定了坚实基础,具有重要的实际指导意义。

3.1 教学质量得到大幅提升

在工程认证标准评估下,教学质量全员达标,工程及产品思维能力得到大幅提升,学生在挑战杯、互联网+等国家级竞赛中获奖2项以及在全国高校测绘科技论文/测绘技能大赛、京津冀测绘技能大赛中获特等奖4项、一等奖5项、二等奖8项;获得授权发明专利15项以及软件著作权7项;,发表学术论文9篇;毕业生考研成功率(含出国深造)保持在35%左右,进入导航相关企业就业比例得到进一步提高。

3.2 教学与实践体系得到广泛推广

多元化“工程-产品”能力培训实践教学体系在校内6个学科11个工科专业进行推广应用,除测绘类专业之外还包括建筑、土木、交通、城规、风景园林、环境科学、环境工程、工程管理、工程造价等多个非测绘类专业的实践教学体系中发挥重要示范作用。基于工程-产品思维的智能导航创新型人才培养体系及相关教学实践经验具有较强示范推广性,在国内多所高校中得到良好推广应用,直接受益学生累计达数千余人。

3.3 教材建设应用成果丰硕

立项2项省部级和2项校局级的教改项目,获评1支校级优秀本科育人团队,以“优化内容、突出核心、及时更新”为指导思想,提倡“知识骨架—实践案例—学生知识结构”三位一体的教材编写理念,共出版导航配套教材3部,实训教材1部,编写试用讲义2部。其中,《卫星定位原理及应用》及配套实训教材出版3年来已印刷2次,年销售超千余册,在全国多所高校中得到应用,被多所高校列为考研、考博参考书。

3.4 有力支撑学科发展及专业建设

拓展专业内涵外延的测绘导航方向,构建兼顾工程及产品思维的智能导航实验班创新型人才培养体系,总结智能导航实验班办学经验,改善我校测绘类本科专业体系结构,有力支撑测绘学科高精尖发展和测绘工程国家级一流专业建设,对于创新型人才培养具有重要的指导作用和推广价值。2018年,测绘科学与技术学科获评北京市高精尖学科,测绘工程专业高质量通过工程教育专业认证复评,并在全国测绘类高校中推广先进经验;2019年,测绘工程专业入选首批国家级一流专业建设点,并获评北京市级虚拟仿真实验教学平台1项,同年成立智能导航教研组并创造性开设测绘工程(智能导航实验班)以来,已连续招生3届,新生录取平均分数高出普通班8分(2019)、15分(2020)、15分(2021),招生分数排名冲进全校第二名(仅次于建筑学专业),充分说明智能导航实验班在北京地区的认可度很高。

4 结束语

近年来,随着工程认证、新工科、教学质量国家标准等先进教学理念的提出,传统的测绘工程专业工程思维教学体系在北斗系统、人工智能、互联网+等新技术快速发展的影响下,面临导航人才知识面广与现有大纲关键课程缺乏、新技术发展迅猛与教材内容更新慢、装备产品研制内容教学难度大与实践创新平台缺乏、创业人才培养系统性与现有教学体系碎片化的突出矛盾而难以满足创新型人才培养新要求,本文提出工程思维向工程及产品思维转变的思维培养模式,拓展专业内涵外延的测绘导航方向,围绕“课程体系、教材建设、实践教学、创新创业”改革人才培养方法,构建了一种兼顾工程及产品思维的智能导航实验班创新型人才培养体系。近3年的教学实践表明:兼顾工程及产品思维的创新型人才培养体系在教学质量提升、教学与实践体系推广、教材建设应用、学科发展与专业建设的教学应用成效显著,为智能导航实验班创新型拔尖人才产出奠定坚实基础,具有重要的指导意义和推广价值。

然而,智能导航实验班的课程设置需要顾及测绘工程专业原有课程体系的限制,进行方向性专业课程设置,尤其是专业课与实践课程的设置,一定程度上制约着导航课程创新性教学内容的教学质量。当前,智能导航定位技术及装备是北京《高精尖产业目录》中明确的智能装备行业具体条目,在智慧城市、城市无人驾驶导航定位、智能控制等领域具有广阔的发展前景。在开设测绘工程(智能导航实验班)基础上,及时总结智能导航实验班办学经验,今后能够增设“导航工程”专业,这不仅是提高我校北京市高精尖产业服务能力的需要,也是国家发展战略及突破我国“卡脖子”关键技术的需求,有利于为国家发展输送更高水平的导航专业人才。