基于主动学习的《测量平差程序设计》教学模式研究
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）34-0143-04
一、概述
测量平差是测绘学科重要的专业基础课，随着测量领域对于精密数字获取创新手段不断涌现，将观测数据集体体现在多源化、多样化，测量平差的研究对象以及计算方法也将不断发展与创新。这就给误差理论与测量平差教学的改革与研究提出了更加新型的要求。
在本科一年级学生学习了《数字测图原理与方法》课程，紧随着对数学基础课程诸如《高等数学》、《线性代数》、《概率论与数理统计》等课程的学习以及《计算机基础》、《C++程序设计》等计算机核心课程。现在学生已初步建立了误差的基本概念和测绘理论基本框架，具备了必要的数学基础知识和简单编程技巧。本科二年级开设了测量平差的入门课程《误差理论与测量平差基础》。在误差理论的学习中，了解到测量平差的主要目的是确定观测量的最佳估值并评定其精度，结合四种经典平差模型列出相应的条件方程或误差方程，得到估值主要是解算法方程，法方程的解算是一个重要内容，有的矩阵计算已经超过人工计算的限度，然而对于一些观测量非常庞大的数据、往往花费了大量学时讲解如何计算。
因此，学生需要达到高效的学习效率、老师需要达到先进的教学目的，一些测绘专家学者在平差领域中以计算机为载体，结合专业性质提出了测量平差程序设计软件。程序软件可根据课程设计任务提出的具体要求解决实际问题。这样可以让每个学生在相同的教学要求下，各自处理的平差内容都不一样，能够培养学生结合所学计算机编程知识独立解决实际问题的能力。将计算中所用的部分计算编制成函数，供以后学习以及实地测绘工作编程时调用。
“测量平差程序设计”是一门涉及多领域多维度多学科交叉的一门课程，涵盖了计算机基础知识、数据结构、数学学科、程序设计、测绘学基本理论等多门专业、学科知识，旨要培养测绘专业的学生利用计算机编程技术解决空间数据的计算、分析等问题的基本技能，利用所学测绘专业理论知识分析、解决实际测量中所遇到的问题的实践能力[1]。现阶段是信息化、结构化测绘空间数据获取的海量、复杂、多维和快速性的时代，由于传统计算的局限性导致手工处理空间数据已经不能满足生产需要，必须通过有效的计算机程序进行处理，因此，开设“测量平差程序设计”课程，掌握基本的程序设计方法和技能是我们这个创新时代和行业发展的迫切需要[2]。
可是在测量平差程序设计教学方面，也会出现很多诸如以下的一些问题：
1.学科之间衔接不紧密。“测量平差程序设计”是集综合性、实践性于一体的理论与实践相结合的课程，运用的时候会用到计算机编程语言（如C/C++、VB等）、测绘学基本理论（误差理论与测量平差、数字测图原理与方法、3S等），计算机基础知识（如数据结构、数据库原理、计算机绘图等）和其他基础学科知识（如高等数学、工科数学分析、数理统计与概率论等）。这些知识之间没有必然的逻辑理论体系，学生可能由于某一方面的知识缺乏，而对“测量平差程序设计”课程的学习兴趣大大减少[3]。
2.学生认识问题不全面。很多我们本专业的学生以及其他非工科学生对我们测绘工作的认识只停留在“扛仪器搬尺子外业测量，用软件拿铅笔内页成图”的水平，认为平差程序设计是软件工程专业学生该做的专利，因此，没有足够的重视程序设计的学习，投入的精力也很有限甚至根本就是完成任务式的学习，相反还是有少量确实对计算机编程感兴趣的学生才会花大力气学习。另外，很多学生是到大学才开始接触计算机编程，对一个新的学科还没理解透彻，导致先修编程语言课程学习效果不甚理想，对程序设计没有信心，所以对“测量平差程序设计”课程产生消极、抵触情绪。
3.老师教学模式需创新。高等学校的教学改革是一个进行时而没有完成时，很多高校教学主要是以“老师在讲台上讲，学生在下面听”，所谓的“灌输式”的教学方法。这种教学方式基本是按照选定的教材把选定的章节内容从头至尾照本宣科“灌输”给学生[4]。这种方法能够在规定的教学日志内完成较多的教学内容，但是留给学生的思考时间太少，不能起到“醍醐灌顶”的效果，对于专业课程里面内容较抽象、晦涩难懂的“测量平差程序设计”课程，学生学习效果不会太理想。
由于这些专业性质的问题和编程技术在学习中非常重要，在本科阶段增加在这个领域继续学习信心，学生教师必须准备的非常充分。我们需要实践经验尤其是常见的编程结构。对于初学者编程使用编程语言解决实际问题不是一件容易的事。他们需要彻底了解一种语言的语法和语义完全理解，然后转换，使用自己的心理模式完全将自己的理解转化为计算机代码。学生们应该参与创建基于计算机的问题，并提供可能的解决方案。这种方式，他们不太可能从这项研究中获益的编程的主题。导师会指导选择和帮助设计和提出解决方案。大部分的工作应该是由学生完成的。基于此我们需要提出一种学习方法，叫做主动学习法。
二、主动学习法
主动学习是学生参与阅读、写作、讨论或解决问题、促进分析、综合和评价等活动的一个过程。这是一个计划好了的一些活动和事情，邀请了这些参与者通过运用，互动和分享经验教育过程的一部分。在教育活动中交互式成分偏向于这个培养目标。主动学习促进思考，解决问题，批判性思维，操作材料、分析、综合和评价信息。 在众多主动式学习的描述中，学生自主解决问题，举一反三，尝试新技能以及完成作业任务都是依靠他们所学的知识或者已经具备的能力。构建主义者认为学习是一个获得创意和知识构建的过程，而不是一个被动的过程。换句话说，学习需要个人积极主动而且需要参与构建和建设个人的心智模式。
主动学习是现今被广泛接受的高品质形式的教育。研究表明，学生比起传统的演讲的话更喜欢提升主动学习的策略。研究人员一致认为学习涉及到构建我们自己的想法。他们建议有结构的设计、有结合力的材料然后鼓励学生积极参与进来。主动学习是涉及学生直接和积极参与学习过程本身。这意味着学生不是简单的接受口头和视觉上的信息、接收、参与做一些事情，例如说、听力、写作和阅读程序并反映个人或小组。
深入学习法讲述的是如果我们的学生都是编程的初学者，他们刚刚学习了长达一个学期的C++程序课程[5]。一本面向对象语言计算机教育科学的著作看起来不是一项容易的任务。在大学里面，这一门课程一般的学生很难通过。这门课主要是偏向于面向对象的C++语言特性。现实生活中没有很多时间来做应用程序开发和解决问题。我们的学生由于知识很薄弱使得他们通过记忆分离事实。
我们的课程将重点放在教会学生解决问题所需的技术，学生充当老师能够教授高级学校使用编程语言解决问题。学习者应该学会通过整合新知识与他们已经获得的知识。教师应该明白心智模式改变缓慢，并可以改善通过学习者的积极参与。面对心理模型不会在其中工作的情况，他们应该寻找意义，这个意义不是被直接指令所强加。学生应该自己寻找在鉴于先前的知识和经验在材料和解释知识之间的关系。
深度学习是一种学习方法和态度，学习者使用的高阶认知技能等能力分析，合成，解决问题，并且认为元认知为了构建长期的理解。它包括新思想的批判性分析，联系他们已知的概念和原则，这种理解可以用于解决问题的新的不熟悉的环境。深入学习者反思他们所学的个人意义。他们是自主的、几乎自学。但他们也与学习者合作，高元认知和学习技能。
目前的理论认为不关注教师教学，但关注老师和学生之间的有效沟通。建构主义理论认为学习方法源于学生知觉的教师的要求。教练的作用在形成这些观念是至关重要的对学生所学内容的理解。也是至关重要的理解，教师不直接产生深度学习的学生。主要是学生的努力，对深度学习很重要。
导师需要帮助学生看到他们要做的工作的目的，并监督他们的成功。主动学习需要发现，知识获取是一个持续的过程，和大量的不确定性。发现发生在学习者的大脑，刺激搜索，商店和解决具有挑战性的问题和机会深入去探索它们。犯错误并改正是学习过程的一部分，而不应该劝阻学生学习更多。
我们的目标是促进深度学习的原则和技巧，并创建独立的沉思的终身学习者。我们认为实现这需要学生的积极参与。主要建议摆脱文学教学不仅应该把焦点放在学习新的语言特性，但也的组合和使用这些特性，特别是基本程序设计的根本问题。学生没有给出足够的指导如何将程序块结合在一起。良好的教学需要教师保持最初的事实，模型和规则简单，只有扩大和完善学生收获的经验。
心理模型也是一个学习方法的内因所在。当我们在教基础编程这些编程概念时，解决心理模型的类型是很重要的。模型对建构控制，数据结构，数据展示，程序设计以及问题域的理解是至关重要的。主动学习文献可以鼓励学生积极参与，探索编程相关信息，通过例子或者用自己的话来解释，在解决问题和创造性转移两方面表现的更为出色。
循环句、条件句、数组和递归都被认为是语言特征，而这些语言特征都是有极大问题的，
它们可能会因为特别关注而受益。然而，一些学者认为，潜在问题的最重要的缺陷是将方案和设计说成是一个实际的程序。实际上频繁的编程练习是解决这一问题的关键[6]。
三、基于主动学习的平差程序设计教学模式
主动学习涉及三个基本步骤：
1.告诉学生自我组织成2～4组和每组随机指定一个记录者，如果需要就写下来。
2.提出一个具有挑战性的问题，给出足够的时间让大多数组织完成任务或取得合理的进度，一个问题可以细化成几个小问题，几个小步骤并且把每一步当成一个独立的活动。
3.呼吁一些个人或小组来分享他们的反应，然后讨论。
基于主动学习的平差程序设计教学模式包括四个阶段：开始、行动、讨论、总结。
第一阶段：开始。
去做好测量平差程序设计的基础工作不是一件容易的事。它所运用的知识非常深而且很广泛，在学校课堂有限的时间内，要使学生快速把握学习目标以及学习内容是一个难点，是教学任务设计的首要工作。结合这个问题，从学生主观认知每一个平差问题的习惯出发，一些非常有教学经验的老师设计了比较系统的课堂教学体系：程序设计语言与平台发展史―面向对象C++编程语言―编程平台适用性及选择―测量科研项目及企业具体需求的工程案例与实践教学[7，8]。在教学中主要以工程案例为主线，提出由简单到复杂的经典教学模式：测量典型函数设计―GUI程序设计―菜单程序设计―测量控制网精度估算与平差程序设计―综合应用程序设计。
为此，学生教师提出的一个具有挑战性的基于主动学习的开始，一个他们不熟悉的开放式的活动。特别是一个开始应该加强和培养有意义的学习，应该有一系列广泛的有潜力的问题、难题、态度和看法。一个学习者的开始应该是复杂且相关的。根据开始的主要目标，活动可以单独、成对或者以小组形式运行。
引入一个新的话题的主要的目的之一是训练学生的老师如何面对和处理不熟悉的情况。在这种情况下，计算机科学教育需要学生的老师考虑多个反应选项。为了实现这个目标，必须设置超过一种能够开始的方法。此外，一种设计良好的开始能够暴露学生在电脑科学与教育方面丰富多样的知识。整个模型中，这个庞大的创意包括讨论、推敲，精练和重新组织。 第二阶段：行动。
学生的工作在开始就交给他们，这一阶段的持续时间由开始阶段的复杂性及其目标所决定。在课堂上老师讲解了诸多理论、演示了很多经典例子，对平差程序设计的代码进行调试以及编码和调试所设计的流程图。由于在学校安排的教学时间是有限的，想要融会贯通本课程设计不是一日之寒，千里之行始于足下，所以很遗憾的仅能对相近（或相似）内容选择一项基本内容进行程序实现，对于测量平差经典模型里面的其他内容，还需要同学们利用课余时间，回顾老师课堂上讲授的，模仿课堂教学内容并且独立完成，纸上来的终觉浅，绝知此事要躬行。因此，课下练习是课堂实验教学非常有必要的。在学生通过老师讲授和课外练习完成测量平差数据处理程序的每一个模块后，引导学生将各个独立的程序模块集成为一个完整的程序系统，这个任务可以通过课程设计来完成，可以做一个“测量平差数据处理系统”软件的界面和接口，将已经调试好的程序模块集成到软件系统。
第三阶段：讨论。
测量平差程学设计课堂教学应从传统的模式化、单一化和“灌输式”教学方式向引导式、研究式教学方式转变。“测量平差程序设计”课程融入了高级程序语言，以及测绘科学相关算法等内容，一般采用多媒体进行讲解与学生进行交流互动，程序如何编写、如何运行、如何调试等内容，都应演示给学生看，学生出现的问题也需要在互动的同时进行探讨。由于编程问题里面比较多的测量计算过程非常复杂，涉及到大量的数学公式及推导过程，加大学科之间的交流，同学之间，师生之间问题的探讨是非常有必要的，这样互相学习互相进步，再难得问题都会迎刃而解。
同时，在上课的时候老师可通过提问和布置作业的方式培养学生自学能力和创新能力。在必要的一段时间以后，在此期间，学生们要么单独工作、要么成对工作，要么是小组工作，呈现聚类情况。
在这一阶段，结果、主题、思想，起源于活动阶段，并对此进行了讨论。学生完善他们对于概念、态度和理念的理解，作为他们对于专业建构过程的一部分。
老师强调学生提出的重要想法，并强调从这些想法派生出的想法。为了表达在一般情况下，大多数数学概念不存在唯一解的情况，还有开始阶段提出的特殊活动，老师不能判断学生的立场和意见。同时，同学们都被鼓励通过提交不同的观点合材料反应和表达他们的意见和建设性的批评。
第四阶段：总结。
这一阶段将话题的上下文和强调的概念进行了讨论。它不同于前三阶段的管理。首先，它明显缩短。其次，在前三阶段，学生是主要的对象，但是在总结阶段，课程的老师需要走向前沿。老师结束，并突出在前三阶段提出的或讨论的中心概念、教学理念，概念框架以及其他相关主题[9，10]。同样重要需要注意的是，学生字前三阶段可以提问，并且在老师的指导下作为一个建造者。总结可以用不同的形式表达，如框架构想、主题与其他主题之间的关系列表、概念地图等。
四、基于主动学习的教师任务
基于主动学习模型中老师的角色：老师必须创造一个全班参加的支持性的，充分鼓励学生活跃性的知识环境。
在第一阶段，显示了开始阶段的教师。以测量科研项目的工程案例为主线，采用多媒体技术辅助教学，在课堂现场演示编程的主要步骤与核心代码，并演示编程效果，给学生以直观的学习印象。
在第二个行动阶段，老师不断的在不同的小组和个人之见听取意见，并留心他们说了什么，还要鼓励他们深入思考。当需要的时候，老师应该引导学生的讨论。当然，老师的引导应该鼓励不同的想法，不要给定一个确切答案。结合测绘行业企业对数据处理方面程序软件的需求，选择有针对性的教学案例，使学生对程序设计产生浓厚兴趣。
在第三个讨论阶段，老师应该作为一个好的倾听者，并需要留心有关键建议的学生。特别的，老师应该鼓励学生解释他们为什么提出自己的建议和如何深化自己的建议，并建议探索不同的路径，培养反思的过程，但不要对学生的意见进行评判。老师要强调其中的重点，并提出不同的想法之间的可能的联系。
第四阶段总结时，建立课下学习兴趣小组，借助网络教育手段，分工合作，共同完成综合性实验项目或来自企业直接需求的编程项目的设计与代码编写。要总结前一阶段提出的观点，总结强调要对要点进行讨论。老师可以补充新的想法与类别，但不建议有学生提出。
五、总结
随着社会经济的发展，快速空间数据获取并对其进行高效处理，获得符合规范要求的测绘成果显得更加重要，必然要求测绘专业学生具有较强的利用计算机进行测量数据处理的技能。本文通过对计算机编程语言的课程方法的主题的研究解释基于“测量平差程序设计”主动学习模型的实现。本文解释了对于新的学生这种模型如何发挥作用，以及学生应该扮演的角色，老师扮演的角色还有学生参与的过程。对于更积极地学习者来说，更有意义的是他们对于编程的理解的学习过程。重要的是鼓励学生一起学习，一起工作，谈论计算机语言，并有机会挑战自己的心理模型。
测绘专业学生利用计算机解决实际问题的能力，是学生对测量专业课知识的理解与掌握的重要体现，也是衡量学生动手能力的重要标志。那么怎么样将这一技术学得更好呢？我们必须不断完善科学的学习方法，结合实际例子将主动学习方法与程序设计融入到一起，提高学生的动手能力、解决问题的能力以及自主学习的能力。本文对“测量程序设计”课程教学改革进行了有益的探索，并在实践中得到了有效的发挥，取得了良好的教学效果。
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