普通高校测绘工程专业程序设计类课程的教学改革探讨

王永波 陈国良 高井祥 张书毕

摘 要：伴隨着传感器技术的飞速发展，以三维激光扫描为代表的新型批量数据采集装备的出现极大地提高了空间定位数据采集的效率，正确、高效地从采集的各类数据中提取感兴趣的信息成为新时代背景下测绘人员的必备技能。作为培养高级专门人才的摇篮，紧跟行业需求，在课程设置、教学内容与教学方法方面不断进行优化和调整是高等院校教学人员的使命。以“数据结构与测绘程序设计”课程为例，探讨了新时代背景下课程教学改革的具体措施，重点讨论了教学内容的调整与教学方法的变革等两个方面，在此基础上，对多媒体课件研制过程中所面临的问题及解决措施进行了分析；最后，立足于课程教学改革的现有成果，对课程建设与改革的下一步工作进行了展望。

关键词：教学改革  教学方法  教学设计  程序设计  测绘工程

中图分类号：G642.0

Discussion on the Teaching Reform of Programming Courses in Surveying and Mapping Engineering Majors in Colleges and Universities

WANG Yongbo1，2*  CHEN Guoliang1，2   GAO Jingxiang1，2   ZHANG Shubi1，2

1.Key Laboratory of Land Environment and Disaster Monitoring， Ministry of Natural Resources，  China University of Mining and Technology; 2. Jiangsu Key Laboratory of Resources and Environmental Information Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu Province， 221116 China

Abstract： With the rapid development of sensor technology， the emergence of new equipment for batch data acquisition represented by 3D laser scanning has greatly improved the efficiency of spatial positioning data acquisition， and correctly and efficiently extracting interested information from various types of collected data has become an essential skill for surveyors in the new era. As cradles for cultivating high-level specialized talents， colleges and universities need to keep up with industrial demands， and it is the mission of the teaching staff in colleges and universities to continuously optimize and adjust their curriculum， teaching content and teaching methods. Taking the "Data Structure & Surveying and Mapping Program Design" course as an example， this paper explores specific measures for course teaching reform in the new era， and focuses on two aspects： the adjustment of teaching content and the transformation of teaching methods， analyzes problems and solutions in the development of multimedia courseware， and finally， based on the existing achievements of course teaching reform， looks forward to next work in course construction and reform.

Key Words：Teaching reform; Teaching method; Teaching design; Programming; Surveying and mapping engineering

伴隨着传感器技术及其搭载平台的飞速发展，三维激光扫描、倾斜摄影测量以及测量机器人等新型批量数据采集装备相继出现，极大地提高了空间定位数据采集的效率，测绘人员的工作重心逐步从室外向室内过渡，如何实现外业观测数据的高效与自动化处理，正确、高效地从采集的各类数据中提取人们感兴趣的信息成为了测绘人员的工作重心。正因为如此，利用编程的方式实现空间定位信息的自动化处理已经成为了测绘工程本科毕业生的必备技能，程序设计类课程也因此成为了高校测绘工程专业的必修课程。

有关程序设计类课程的教学改革一直在进行，自高校测绘工程专业开设该类课程以来，结合测绘工程专业的特点，高校教师从教学内容的设置和教学方法的设计等方面亦进行了深入研究，取得了一系列的成果，其中，代表性的工作主要有：李艳红等人[1]面向新工科的数据结构与算法实践教学探索，提出了面向个体差异的教学内容设计、基于案例驱动的启发式教学、学生为中心的分享研讨式教学和注重多元融合的教学评价体系的教学改革思路，介绍了具体教学实施过程，为培养新工科背景下具备实践能力和创新能力的程序设计人才提供借鉴；张恒璟等人[2]以适应应用创新型人才培养体系建设的需要作为出发点，从程序设计类课程建设的总体目标、教学改革的方法手段、课程重难点问题的处理等方面探讨了课程的改革方向，以提高学生的应用创新能力；丁海勇等人[3]针对测绘程序设计类课程教学中存在重理论轻实践、编程语言内容学时较多的问题，介绍了案例导向型测量程序设计教学方法；汤俊和李长春[4]立足于“卓越计划”的背景，从优化教学内容、丰富教学手段、提高实践能力、完善考核体系等几个方面对测量程序设计课程的教学改革进行了探讨，并对其进行了集“专业导向、课堂讲授、自主学习、课程实验”于一体化的全方位、多层次改革与实践；王永波等人[5-6]分别对面向对象的程序设计方法在程序设计类课程中的实施，以及程序设计类课程的教学设计进行了探讨；曾喆等人[7]通过问卷调查的方式分析了测绘工程专业程序设计类课程教学过程中存在的问题，并从课程的整体教学策略、学时配置、课堂及实践教学内容设计、考试方法这几个方面给出了相应的教学方案，对课程的教学方式与方法进行了探讨；王建强等人[8]结合测绘程序设计的教学实践，对当前教学过程中存在的问题进行了分析，以课程教学目标作为基本的出发点，对课程内容、教学模式和考核方式进行了优化设计；张杰和汤征[9]结合指导测绘程序设计竞赛的经验和心得体会，分析了影响测绘程序设计课程教学效果的因素，并提出了赛课结合的改革措施和方法；孙姝娟等人[10]以培养应用创新型人才为导向对测绘程序设计课程的教学改革进行了研究，深入剖析了当前课程教学中所存在的问题，从课程设置、教学内容设计、教学手段等方面提出了相应的改革措施；闫凯等人[11]以“新工科”人才需求为导向，以“测量程序设计”课程为实践，探索了以“互联网海量知识+引导式教学方法”为核心的教学模式，取得了“鱼渔并授”的良好效果，为探索高校创新复合型人才的培养模式提供了借鉴；朱进等人[12]根据测绘地理信息类专业学生的培养要求，采用面向计算思维的案例式教学，引导学生分析问题并设计相应的解决方案，显著提高了学生的学习兴趣和计算思维能力。

从现有的研究来看，当前，高校测绘工程专业程序设计类开发课程的教学中尚存在如下问题：（1）教学内容的焦点集中在程序设计的知识点传授方面，如何应用科学的方法来指导整个程序（软件）的开发过程，此部分内容相对缺乏；（2）教学过程中对数据的组织与管理方面的教学内容相对较少，特别是控制网的自动化识别，目前的研究相对较少，需要加强；（3）有关数值计算的内容相对不足，给程序实现带来了一定在困难。

中国矿业大学测绘工程专业早在30年前便为测绘工程专业在校全日制本科生开设了程序设计类课程，在课程的教学内容制定、教学模式与教学方法探索方面积累了丰富的经验，并在2020版课程质量标准制定中正式以“数据结构与测绘程序设计”命名。笔者于2009年开始成为课程的负责人，从教学内容的制定、教学方法的研讨以及教学实践的探索等各方面对课程进行了一系列改革，取得了较好的成效。本文以“数据结构与测绘程序设计”课程近十余年来课程教学改革中所取得的成果作为出发点，详细介绍了课程内容的设置、教学方法的改革、多媒体课件的研究等方面的情况，并结合教学改革成果的应用情况，对今后的课程改革方向进行了展望。

1 教学内容的改革

对于测绘工程专业而言，程序设计类课程的教学总体目标是培养学生应用计算机技术解决测绘专业问题的能力，让学生掌握不同类型的典型测绘软件设计方法，使得学生初步具备编写测绘软件常用算法的能力以及开发中小规模测绘专业软件的能力。在具体教学目标的设定上，主要有如下几个方面：（1）通过该类课程的学习，使学生了解测绘行业软件发展的最新动态，认识软件危机产生的基本原因及其克服软件危机的基本思路与方法；（2）掌握测绘数据处理过程中常用的数据结构；（3）初步了解并熟练掌握测绘程序设计过程中所涉及的基本数值方法；（4）了解软件工程的基本思想，熟悉生命周期法在测绘软件设计与开发过程中各个阶段的基本职能。基于教学目标的考虑，在教学内容的设置上，主要包括软件工程的基本知识、数据结构和数值分析这3个方面的内容。

1.1 软件工程

当前，对于每一位从事软件开发的工作人员而言，有必要了解并正确认识软件危机，并利用科学的方法来缓解软件危机的影响，以达到延长软件生命周期的目的。在“数据结构与测绘程序设计”这一课程内容的制定上，增加了“软件工程学”的相关知识点，具体包括软件危机的定义与产生原因和克服软件危机的方法与途径两个内容，其中，作为克服软件危机的方法与途径的主要手段，软件生命周期的基本定义及其在各生命周期内软件开发人员的职责（如图1所示）是这一部分的重点讲解内容，通过此部分内容的讲解，让学生了解并掌握大型软件开发过程中的基本方法与思路。

1.2 数据结构

2008年之前，“数据结构”和“测绘软件设计与实现”作为两门独立的课程为笔者学校测绘工程专业本科生开设，其中，“数据结构”课程的教学内容大部分延续了计算机专业的教学内容，在教学过程中主要讲解线性表、树、图等基本的数据结构及其与之相关的算法；而“测绘软件设计与实现”课程则注重讲解一些常用算法的编写，如坐标正算与坐标反算、前方交会等。上述两门课程的内容之间重合度较低，学生通常难以理解开设“数据结构”课程对于测绘专业的意义。

为了打通两门课程之间的壁垒，尽快建立起两门课程之间的桥梁，在笔者接手“测绘软件设计与实现”课程后，对教学内容进行了较大的调整，将课程的目标从原先的常用算法的编写调整为控制网平差程序的设计与实现。如此，在编程实现过程中，学生将需要利用“数据结构”课程的所学的图结构对控制网进行表达与描述，并基于图实现对控制网中相关信息（如误差方程的列立、附/闭合路线的查找与条件方程的确定等）的提取，进而实现两门课程内容之间的融会贯通。“数据结构与测绘程序设计”课程中有关数据结构部分的学习内容安排如图2所示。

1.3 数值分析

在经典的控制网平差中，方阵求逆是每一个程序开发人员必须解决的问题。作为“测绘软件设计与实现”的先修课程之一，将“线性代数”的课堂所学知识直接应用于控制网平差，很多同学根本无从下手。基于此，在笔者接手“测绘软件设计与实现”课程后，加入了“数值分析”中的部分教学内容，具体包括线性方程组求解、曲线曲面拟合两个部分的内容（如图3所示）。通过学习，并配备了4个相应的上机学时，如此，学生可以轻松地解决在测绘内业数据处理中所涉及的数值计算问题。

2 教学方法改革

作为一门以培养学生实际动手能力和创新能力为目标的专业主干课程，教师在日常教学过程中应尽可能避免出现灌输式教学、理论脱离实际等问题，针对不同的教学内容，灵活应用项目引导式教学法、翻转课堂教学法、专题研讨式教学法和案例式教学法这4种不同的教学方法（如图4所示）。

2.1 项目引导式教学法

项目引导式教学法即以工程应用的现实需求为导向，结合课堂教学内容，对照相应的工作情景和条件，指定学生本人为具体实务的承担者，促其思考如何具體开展相应的项目研究，从而使抽象的知识具体化、形象化。具体教学中，利用图对控制网进行表达与描述、基于图的误差方程的列立，以及基于图的附合/闭合路线的提取等，均被列举为现实的需求，要求学生结合课堂所学知识来编程实现相应的算法。

该方法可以将学生引入实际情景中，调动学生的主观能动性，在工作情景中较为轻松地掌握课堂所学知识，进而锻炼其实际动手能力。

2.2 翻转课堂教学法

翻转课堂的本质是转变师生的角色。课前，任课老师就某一特定问题对学生提出教学目标与要求，针对具体的问题，学生在课堂完成相应资料的收集、问题的思考以及课堂上相关的提问。课堂上，通过教师合理的引导，由指定学生扮演教师的角色，面向全体同学给出问题的解决方案，在此过程中，教师扮演的角色是一名“学生”。除此之外，通过引导，台下学生可以就台上学生讲解的内容发表自己的观点和见解，进而激发大家的思考。

通过翻转课堂教学法，鼓励学生通过平等交流的方式完成相应知识体系的构建。

2.3 专题研讨式教学法

专题研讨式教学法可以启发学生从多角度思考问题，集思广益，训练学生的创造性思维。具体而言，课堂上，学生就教师指定的某一特定问题进行讨论，以寻求问题的解决方案。作为教师，组织专题研讨时需要精心设计研讨主题，研讨主题应具有典型性、争议性，最重要的是要具备讨论的空间。选定主题后，可按如下操作进行：（1）将研讨主题提前下达给学生，学生分组进行（以6～8人为宜）；（2）各小组成员利用课余时间，根据下达的主题查阅相关资料、讨论，并将讨论结果利用PPT的形式展现出来，并推荐1人作为小组代表进行课堂发言；（3）课堂讨论时，各组代表轮流上台发言，阐述本组成员的观点和讨论结果，对阐述不够全面和完善的地方，小组其他成员可加以补充，每组发言时间控制在6～8 min；（4）其他小组成员对其汇报内容进行提问，并开展讨论；（5）讨论完毕后，以组为单位进行评定等级，记入学生平时成绩。

2.4 案例式教学法

案例式教学法的主旨是“理论联系实际”，结合课堂所学知识对某一具体案例进行分析，并通过提问、小组讨论等方式使学生积极参与到教学过程中来，促进学生主动思考，独立分析，可能的情况下并将学生的角色反转为教学过程的主体，强化学生对知识的深刻理解和把握，提高学生分析问题和解决问题的能力。“数据结构与测绘软件开发”课程的案例教学法既包括在授课时结合授课内容的及时举例，也包括针对重点教学内容而设计的具体案例讲解，同学们一方面需要结合课堂所学知识对案例进行分析、思考和作答，另一方面也可结合授课内容对他人的观点进行点评。

3 多媒体课件的研制

经过多年的建设，对于课程的内容已经基本完善，制作成相应的课程并应用于实际教学中。然而，在教学过程中发现，学生在学习过程中，状态通常由刚开始的积极到最后的被动接受，教学过程中师生互动存在明显不足。究其原因，除了课程内容相对枯燥外，多媒体课件形式较为固化、灵活元素不足是导致学生状态发生明显改变的主要原因。基于此，对多媒体课件进行了设计与研发，具体措施如下：（1）在内容上将理论太深、与专业课程相关性较弱的部分内容进行了删减；（2）对多媒体课件的配色、页面等多方面进行调整，使得课件在颜色配色方面更赏心悦目，让学生更容易接受；（3）在课件中加入了较多的动画，用于演示数据结构中插入、删除等相关操作，使得学生对课堂教学内容的理解更为深刻。

当前，新研制课件已经投入使用，并取得了较好的教学效果。

4 教学改革成果的应用情况

当前，《数据结构与测绘程序设计》教学改革项目的研究成果已经在我校测绘工程专业2020级、2021级和2022级本科生的课堂教学与实践环节之中，取得了较好的教学效果，总结如下。

4.1 对课堂教学效果的提升

教学内容的改革，从软件开发的整体层面上来讲，让学生对于软件危机有了正确的认识，对克服软件危机的方法有了较好的把握，从而可以更好地利用软件生命周期法来指导整个软件开发过程；从程序编写的层面来看，教学内容的改革有效地将线性表、树与二叉树、图等数据结构应用于测绘数据处理的具体过程之中，学生的学习观念从“为学习而学习”转变为“为应用而学习”，大大地提升了教学的效果，激发了学生的编程兴趣。

教学方法的改革，改变了传统的“填鸭式”教育，每一位同学都可以变成教学的主体，可以成为别人的“教师”，教学过程中角色的转变，使得课堂的气氛变得异常活跃，学生的学习积极性得到了增强；更为重要的是，为了在课堂上扮演好“教师”的角色，他们会充分利用课余时间进行相应的准备，大大地提高了时间的利用率。

总体而言，通过新的课程体系的学习，同学们对编程表现出了浓厚兴趣，部分同学在课外时间积极与任课老师联系，要求动手編制作为课外思考题的程序，并希望得到任课老师的指导。

4.2 对创新型专业人才培养的贡献

通过“数据结构与测绘软件开发”课程的学习，增强了学生从事程序设计与开发的自信心，激发了学生动手编程的兴趣，得益于课堂所学知识与积累的程序开发经验，学生在教学实践环节表现出了充分的主动性和积极性，一大批学生对软件开发表现出了强烈的兴趣。

值得一提的是，理论教学与实践教学的有机结合，学生的动手能力得到了大幅提升，大大地增强了学生的自信心，拓展了学生的就业面。尤其是通过软件危机与软件生命周期的学习，使得学生对软件开发的全过程不再陌生，一部分学生已经与测绘、GIS相关的软件开发公司建立了联系，参与到具体的软件开发项目的组织、管理与实施工作中。

5 结语

“数据结构与测绘程序设计”课程教学改革的经验告诉我们，学以致用是专业类课程教学的基本出发点。在科学技术得到迅猛发展的今天，以测绘工程为代表的部分专业其工作内容和性质均发生了翻天覆地的变化，为了能够培养出符合行业需求的高级专门人才，高校专业课程的设置及其教学内容的更新均应时刻保持与行业需求相挂钩。

与此同时，在课堂教学中教师通过综合运用案例教学法和项目引导式教学法可在一定程度上实现以用促学；更为重要的是，以切实地解决工程问题作为理论知识讲解的切入点，可在很大程度上激发学生的学习兴趣，提高学生学习的积极性和主观能动性。

立足于“数据结构与测绘程序设计”课程建设的成果，在今后的教学中将继续做好如下工作。

（1）在能力培养方面，将培养学生的创新能力作为考核的重要指标，进一步扩大课程与现有其他课程之间的衔接，建立以培养创造能力为目标的开放式实践教学模式，整合构建创新型实践教学环节。

（2）以做好课堂理论知识与实践环节之间的无缝对接为目标，进一步优选部分核心课程为试点，实施全程开放、师生互动的实践教学模式，展开“师生讨论、联合攻关、互动教学、鼓励创新”的新型教学活动。

（3）继续深入地对现有的多媒体教学模式进行改革，在多门课程中继续尝试研制专门化、功能化、网络化、开放式、互动型的多媒体教学课件，探索新型的多媒体教学方法。

参考文献

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