摘 要：分析數(shù)字工程原理與方法課程在專業(yè)培養(yǎng)中的定位，從教學(xué)內(nèi)容、配套教學(xué)條件、教學(xué)方法3個(gè)方面，提出教學(xué)內(nèi)容應(yīng)以核心內(nèi)容為基礎(chǔ)并體現(xiàn)擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)條件上應(yīng)重視教材、特色實(shí)驗(yàn)室、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)及案例庫建設(shè)，在教學(xué)方法上應(yīng)采用個(gè)性化培養(yǎng)、融合實(shí)踐教學(xué)、漸進(jìn)式教學(xué)及多種形式綜合考核，從而保證該課程教學(xué)達(dá)到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：空間信息與數(shù)字技術(shù)；數(shù)字工程；空間信息；教學(xué)

0 引 言

數(shù)字工程的原理與方法（簡稱數(shù)字工程）是空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)的主干課程，使用《數(shù)字工程的原理與方法》為教材進(jìn)行授課[1]，課程具有以空間信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、通信科學(xué)、軟件工程等為基礎(chǔ)的交叉特色，且以基于案例庫的案例教學(xué)法為實(shí)踐教學(xué)依托[2]，以省級(jí)精品課程為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，結(jié)合大量的實(shí)踐案例支撐，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源與實(shí)踐案例資源的相互轉(zhuǎn)化與促進(jìn)。

1 課程的專業(yè)定位

從模擬時(shí)代進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，科技的發(fā)展促進(jìn)了各行業(yè)信息化建設(shè)的進(jìn)程。在此背景下，信息應(yīng)用也從傳統(tǒng)的模擬及相對(duì)孤立的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)“載體是數(shù)字的，信息是共享的，網(wǎng)絡(luò)是連通的，傳遞是實(shí)時(shí)的，應(yīng)用是可視的，決策是智能的”更高層次狀態(tài)轉(zhuǎn)變?？臻g信息技術(shù)主要解決具有地理定位特征的數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析與應(yīng)用。在信息化建設(shè)初期，3S（即地理信息系統(tǒng)GIS、遙感RS及全球定位系統(tǒng)GPS）及其共享集成技術(shù)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，發(fā)揮了重要的作用。例如，在一些國土、規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)等與空間信息應(yīng)用關(guān)系密切的企事業(yè)單位，建設(shè)了大量部門級(jí)應(yīng)用工程。但是，由于建設(shè)過程中一些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范都不太完善，技術(shù)方法、基礎(chǔ)平臺(tái)軟件也千差萬別，導(dǎo)致這些應(yīng)用工程存在孤立性。在目前信息化應(yīng)用需求背景下，這些工程已不能符合應(yīng)用需求，需要對(duì)已有的空間信息應(yīng)用相關(guān)的軟件平臺(tái)、數(shù)據(jù)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等進(jìn)行整合、集成。為解決這些問題，應(yīng)借助軟件工程技術(shù)，結(jié)合空間信息應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，對(duì)其加以理論化、系統(tǒng)化、規(guī)范化，形成數(shù)字工程技術(shù)的核心內(nèi)容，見圖1。空間信息與數(shù)字技術(shù)需要培養(yǎng)基礎(chǔ)牢固、知識(shí)面廣、有動(dòng)手能力的復(fù)合型人才。數(shù)字工程的原理與方法作為專業(yè)主干課程，在理論、技術(shù)、方法、工程管理等方面講述了數(shù)字工程建設(shè)的指導(dǎo)策略和方法，是專業(yè)培養(yǎng)的綱領(lǐng)性課程，為后續(xù)課程的深入教學(xué)提供了索引[3]。該課程從數(shù)字工程產(chǎn)生的背景入手，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球?yàn)槟繕?biāo)框架，全面介紹數(shù)字工程技術(shù)中的基本概念、總體框架、支撐技術(shù)和實(shí)施方法，重點(diǎn)教授數(shù)字工程建設(shè)中信息的數(shù)字化存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)化傳輸、可視化表達(dá)與智能化應(yīng)用，充分反映出本專業(yè)多學(xué)科交叉的特色。但該課程教學(xué)的一個(gè)主要問題是內(nèi)容面廣且部分概念抽象，如果教學(xué)設(shè)計(jì)及教學(xué)配套設(shè)施不到位，會(huì)達(dá)不到理想的教學(xué)效果。

2 教學(xué)內(nèi)容

數(shù)字工程原理與方法教學(xué)內(nèi)容的安排包括核心內(nèi)容和擴(kuò)展內(nèi)容兩方面，其中核心內(nèi)容以教材為基礎(chǔ)，是完成課程學(xué)習(xí)的基本目標(biāo)；擴(kuò)展內(nèi)容從現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展的要求出發(fā)，教師可結(jié)合空間信息技術(shù)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，講授與課程內(nèi)容密切相關(guān)的最新前沿技術(shù)。

在核心內(nèi)容的教學(xué)上，需要講解清楚數(shù)字工程的基本概念，從數(shù)字工程產(chǎn)生的背景入手，讓學(xué)生掌握數(shù)字工程的總體框架，并結(jié)合軟件工程技術(shù)，理解數(shù)字工程技術(shù)支撐體系中3類技術(shù)方法（計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊及空間信息處理）的集成應(yīng)用；從“建立平臺(tái)、搭建應(yīng)用”的基本原理出發(fā)，講解數(shù)字工程基礎(chǔ)平臺(tái)的概念與內(nèi)容；從數(shù)字工程領(lǐng)域應(yīng)用角度，學(xué)習(xí)數(shù)字工程可視化方法、智能化方法的原理及其在數(shù)字工程中的作用；熟悉數(shù)字工程建設(shè)的組織過程，學(xué)習(xí)其實(shí)施過程，了解數(shù)字工程的應(yīng)用領(lǐng)域；通過實(shí)踐項(xiàng)目訓(xùn)練，形成數(shù)字工程應(yīng)用軟件項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)施、控制等實(shí)踐能力。為此，在教學(xué)內(nèi)容組織上，應(yīng)密切結(jié)合專業(yè)的培養(yǎng)方案，體現(xiàn)交叉學(xué)科的特色，把分散在多學(xué)科中與數(shù)字工程技術(shù)相關(guān)的共同知識(shí)點(diǎn)提煉出來，作系統(tǒng)化分析與處理，使其轉(zhuǎn)換為教學(xué)內(nèi)容，見表1。在完善知識(shí)體系的基礎(chǔ)上，還要突出課程的專業(yè)特點(diǎn)，在課程與相關(guān)專業(yè)知識(shí)之間實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的學(xué)習(xí)平臺(tái)，使學(xué)生的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)有牢固的基礎(chǔ)。

然而，信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，在講授核心教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，課程教學(xué)也應(yīng)緊跟相關(guān)技術(shù)發(fā)展，保證課程內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容的新穎性、現(xiàn)勢性，在課堂教學(xué)過程中應(yīng)將新技術(shù)、新應(yīng)用補(bǔ)充進(jìn)來，將最新的數(shù)字工程應(yīng)用項(xiàng)目的技術(shù)細(xì)節(jié)、實(shí)施過程更新到教學(xué)內(nèi)容及實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容中，作為教學(xué)上的擴(kuò)展內(nèi)容。例如，最近幾年來，云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)技術(shù)是解決時(shí)空信息存儲(chǔ)、管理、分析與應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)手段，在核心教學(xué)內(nèi)容中，這些方面均未涉及，而隨著信息獲取手段、硬件存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的快速發(fā)展，這些新設(shè)施、新技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字工程的項(xiàng)目實(shí)施中。因此，在新的教學(xué)內(nèi)容上，引入大數(shù)據(jù)（大數(shù)據(jù)應(yīng)用背景、大數(shù)據(jù)應(yīng)用目標(biāo)、大數(shù)應(yīng)用特點(diǎn)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用原則、大數(shù)據(jù)應(yīng)用途徑）、云計(jì)算（云計(jì)算互操作和集成標(biāo)準(zhǔn)、云計(jì)算服務(wù)目錄管理、云計(jì)算安全和隱私、MapReduce計(jì)算框架）內(nèi)容作為擴(kuò)展層次的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，既滿足了課程教學(xué)的需求，也開闊了學(xué)生的視野，保證了教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)勢性。

3 配套教學(xué)條件

配套的教學(xué)條件是數(shù)字工程課程教學(xué)質(zhì)量的重要保障，該內(nèi)容主要體現(xiàn)在教材建設(shè)（包括實(shí)踐教材）、特色（專業(yè)）實(shí)驗(yàn)室、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)及實(shí)踐案例庫建設(shè)4個(gè)方面。

3.1 教材建設(shè)

作為教育部特色專業(yè)，學(xué)校對(duì)空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)建設(shè)非常重視，而數(shù)字工程的原理與方法是空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)的主干課程，因此我們課程的教材建設(shè)走在了全國前列。2006年，課程組就主持編著了《數(shù)字工程原理與方法》，并成為“十一五”規(guī)劃教材及教育部精品教材；2011年我們對(duì)該教材進(jìn)行了改版（第二版），突出了新技術(shù)的發(fā)展，為順利完成課程教學(xué)奠定了良好的基礎(chǔ)。此外，配套的實(shí)驗(yàn)講義《數(shù)字工程原理與方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》也已成型，為理論教學(xué)的實(shí)踐指導(dǎo)提供了關(guān)鍵的素材，目前，實(shí)踐教學(xué)教材也納入國家規(guī)劃教材?？傮w上，通過課程的理論、實(shí)踐教材建設(shè)，保證了學(xué)生使用該教材時(shí)更容易理解和掌握數(shù)字工程的實(shí)施技術(shù)與手段，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

3.2 課程實(shí)踐基地與特色（專業(yè)）實(shí)驗(yàn)室

通過多年的課程建設(shè)，結(jié)合不斷的科學(xué)研究活動(dòng)，我們?yōu)檎n程開展創(chuàng)造了良好的硬件環(huán)境，先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備直接向課程教學(xué)與實(shí)踐開放。在課程教學(xué)中，國家地理信息局?jǐn)?shù)字工程研究中心為本課程的實(shí)踐學(xué)習(xí)提供了良好的設(shè)施基礎(chǔ)。此外，武漢大學(xué)智能可視化和空間信息移動(dòng)服務(wù)等特色實(shí)驗(yàn)室，也專門針對(duì)教學(xué)中的智能化和可視化技術(shù)、數(shù)字工程平臺(tái)建設(shè)等主要教學(xué)主題，提供了現(xiàn)實(shí)的項(xiàng)目應(yīng)用藍(lán)本，在教學(xué)中發(fā)揮了重要作用，使學(xué)生通過課程實(shí)踐，親身體會(huì)到利用先進(jìn)教學(xué)設(shè)備展示的數(shù)字工程應(yīng)用效果。此外，數(shù)字考古研究室的最新成果也為數(shù)字工程應(yīng)用（數(shù)字考古）提供了直觀的范例，很好地促進(jìn)了課程教學(xué)效果。

3.3 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為快速、高效地實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)、展示教學(xué)內(nèi)容提供了良好的途徑。為促進(jìn)課程教學(xué)，學(xué)校建立了開放式的課程網(wǎng)站（湖北省精品課程），為學(xué)生提供教學(xué)資源和交流平臺(tái)。教學(xué)過程中，教師還利用即時(shí)通訊工具為學(xué)生在線答疑，例如每屆學(xué)生都建立了師生課程學(xué)習(xí)群（QQ群），教師可以通過文字、語音與學(xué)生實(shí)時(shí)進(jìn)行信息交流和互動(dòng)。除了針對(duì)每個(gè)年級(jí)的通用交流平臺(tái)以外，我們在教學(xué)過程中通過精品課程網(wǎng)站，針對(duì)學(xué)生提問較多的知識(shí)點(diǎn)，設(shè)置了專門的討論空間作為答疑、學(xué)習(xí)以及其他交流通道，充分利用了互聯(lián)網(wǎng)資源，提高了問題解答的效率。

3.4 教學(xué)案例庫

案例庫對(duì)于促進(jìn)理論教學(xué)具有重要的作用。為提高教學(xué)效果[4]，本課程教學(xué)中建立了教學(xué)案例庫，并給學(xué)生提供實(shí)際項(xiàng)目的全套需求、設(shè)計(jì)文檔及源代碼。在10多年數(shù)字工程項(xiàng)目開發(fā)實(shí)踐基礎(chǔ)上，我們針對(duì)“數(shù)字工程”理論教學(xué)需求，在教學(xué)過程中開發(fā)配套的案例庫系統(tǒng)，選取的應(yīng)用領(lǐng)域均來自多年來項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)例，主要包括數(shù)字城市、數(shù)字電力、數(shù)字水利、數(shù)字環(huán)保、數(shù)字國土、數(shù)字農(nóng)業(yè)等重點(diǎn)數(shù)字行業(yè)應(yīng)用，從行業(yè)應(yīng)用的背景介紹、支撐技術(shù)（如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、軟件服務(wù)架構(gòu)等）、應(yīng)用需求、設(shè)計(jì)、維護(hù)等各個(gè)方面，對(duì)案例的內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)的闡述；對(duì)于部分大型工程項(xiàng)目，甚至包括招、投標(biāo)信息，也進(jìn)行了針對(duì)性的編輯和精簡處理，提取與理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的案例庫，較真實(shí)地還原數(shù)字工程項(xiàng)目建設(shè)涉及的理論知識(shí)、關(guān)鍵技術(shù)、流程和內(nèi)容，為學(xué)生提供全面的知識(shí)點(diǎn)深入學(xué)習(xí)和實(shí)踐項(xiàng)目建設(shè)參考[2]。

案例教學(xué)效果體現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，課程的實(shí)踐內(nèi)容都來源于歷年來的實(shí)際工程項(xiàng)目，實(shí)踐內(nèi)容對(duì)學(xué)生非常具有吸引力，通過參觀項(xiàng)目的演示，學(xué)生了解了項(xiàng)目的大致內(nèi)容及實(shí)際作用，激發(fā)了學(xué)生探索技術(shù)細(xì)節(jié)方面的熱情，教師在教學(xué)中作適當(dāng)引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)；其次，對(duì)于某些優(yōu)秀的成果，可以應(yīng)用在實(shí)際項(xiàng)目中，或參與國內(nèi)技能大賽，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加強(qiáng)其動(dòng)手能力，不少學(xué)生的課程實(shí)踐作品多次獲得業(yè)內(nèi)頂級(jí)公司或教育部組織的頂級(jí)行業(yè)技能大賽獎(jiǎng)，該方式不但提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，優(yōu)秀實(shí)踐成果也可以轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，促進(jìn)了案例建設(shè)。

4 教學(xué)方法

本課程在教學(xué)中采用課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)等實(shí)踐性環(huán)節(jié)相結(jié)合的方式，注重理論聯(lián)系實(shí)際。利用本專業(yè)校級(jí)精品課程網(wǎng)站的豐富資源，教師在主講的單模式中，逐漸滲入討論式、啟發(fā)式、參與式等多種教學(xué)方法；組織學(xué)生利用各種工具重構(gòu)知識(shí)，將視聽媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合、數(shù)字化學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)結(jié)合、自主學(xué)習(xí)與協(xié)作學(xué)習(xí)結(jié)合[5-6]；采用案例教學(xué)、基于問題學(xué)習(xí)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)、情景模擬教學(xué)、合作式學(xué)習(xí)等多種形式的教學(xué)策略，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和實(shí)踐操作能力。

（1）個(gè)性化培養(yǎng)教學(xué)法。在教學(xué)中采用教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體、學(xué)教并重、個(gè)體差異化的教學(xué)模式，重視網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的自主學(xué)習(xí)與協(xié)作學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)教師主導(dǎo)地位和學(xué)生主體地位的和諧統(tǒng)一。轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，變以教師為主體的“滿堂灌”教學(xué)方式為“互動(dòng)”式教學(xué)，以提示、引導(dǎo)、啟發(fā)、討論的方式激發(fā)個(gè)體的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，及時(shí)支持和肯定，幫助學(xué)生參與討論，活躍課堂氣氛。

（2）融合實(shí)踐與案例教學(xué)。在掌握課堂教學(xué)理論知識(shí)的前提下，充分利用特色實(shí)驗(yàn)室和課程實(shí)踐基地的功能，加深學(xué)生對(duì)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解和運(yùn)用能力。在教學(xué)中采用知識(shí)體系概論（總體）—知識(shí)點(diǎn)強(qiáng)化訓(xùn)練—分組項(xiàng)目實(shí)踐集成（總體）的“總分總”教學(xué)設(shè)計(jì)，兼顧理論講解和實(shí)踐過程的系統(tǒng)化。將案例教學(xué)法應(yīng)用于理論教學(xué)環(huán)節(jié)中，在案例教學(xué)中，通過對(duì)教學(xué)過程的詳細(xì)分析，采用“案例導(dǎo)入、理論講授、案例分析、案例討論和理論歸納”五步教學(xué)流程，用實(shí)際案例輔助純理論教學(xué)的不足，進(jìn)行案例實(shí)證刺激，使教學(xué)內(nèi)容易于理解，便于學(xué)生掌握。

（3）突出教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)，采用由淺入深、由基礎(chǔ)到應(yīng)用的漸進(jìn)式教學(xué)思路。教學(xué)過程中，針對(duì)重、難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“教師預(yù)講—學(xué)生課外查閱資料—學(xué)生課堂發(fā)言—教師點(diǎn)評(píng)與總結(jié)”的探索式教學(xué)理念，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。例如，課程教學(xué)內(nèi)容中的數(shù)字工程“可視化技術(shù)”和“智能化技術(shù)”是兩個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，在教學(xué)時(shí)除理論教學(xué)外，還要組織學(xué)生參觀相關(guān)項(xiàng)目成果，鼓勵(lì)學(xué)生搜集相關(guān)領(lǐng)域項(xiàng)目信息，對(duì)可視化技術(shù)和智能化技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中反映的設(shè)計(jì)思路、功能表達(dá)以及面向的業(yè)務(wù)領(lǐng)域進(jìn)行討論分析。

（4）多種形式考核，綜合評(píng)判學(xué)生能力。除平時(shí)布置思考題外，教師鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)提問，并在實(shí)踐中尋找解決方法。例如，作為教學(xué)環(huán)節(jié)，項(xiàng)目工程投標(biāo)就是一項(xiàng)鍛煉學(xué)生總體把握綜合實(shí)效的策略。常規(guī)的教學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)往往從知識(shí)、技能角度考慮學(xué)生的培養(yǎng)，很難從整個(gè)項(xiàng)目的宏觀角度考慮整個(gè)項(xiàng)目的技術(shù)思路、成本等問題。為了鍛煉學(xué)生這方面的能力，采取教師提出工程項(xiàng)目，從技術(shù)、成本、環(huán)境、規(guī)模等方面提出一些具體要求，學(xué)生以小組為單位，進(jìn)行模擬投標(biāo)競爭、答辯，最后進(jìn)行評(píng)比。此方式既鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，也提高了教師對(duì)數(shù)字工程項(xiàng)目建設(shè)的總體把握能力。

5 結(jié) 語

空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)的主干課程數(shù)字工程的原理與方法，精煉了信息化社會(huì)背景下數(shù)字工程建設(shè)過程中相關(guān)的理論方法，是軟件工程技術(shù)在空間信息應(yīng)用領(lǐng)域的具體應(yīng)用。在教學(xué)內(nèi)容中合理引入現(xiàn)勢進(jìn)展資料，完善教學(xué)配套條件，改革教學(xué)方法，是提高該課程教學(xué)效果的關(guān)鍵。下一步，本團(tuán)隊(duì)將在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)案例庫建設(shè)上，基于理論教學(xué)的具體內(nèi)容（教學(xué)知識(shí)點(diǎn)），從改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的師生互動(dòng)效果、案例系統(tǒng)的環(huán)境模擬簡易化方面，進(jìn)一步加快進(jìn)度，促進(jìn)理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)的聯(lián)系和相互補(bǔ)充，幫助學(xué)生更好地完成本課程理論基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)。

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（編輯：孫怡銘）