数字工程原理与方法课程的理论教学思考
0 引 言
数字工程的原理与方法（简称数字工程）是空间信息与数字技术专业的主干课程，使用《数字工程的原理与方法》为教材进行授课[1]，课程具有以空间信息科学、计算机科学、通信科学、软件工程等为基础的交叉特色，且以基于案例库的案例教学法为实践教学依托[2]，以省级精品课程为网络教学平台，结合大量的实践案例支撑，实现了教学资源与实践案例资源的相互转化与促进。
1 课程的专业定位
从模拟时代进入数字时代，科技的发展促进了各行业信息化建设的进程。在此背景下，信息应用也从传统的模拟及相对孤立的状态，实现“载体是数字的，信息是共享的，网络是连通的，传递是实时的，应用是可视的，决策是智能的”更高层次状态转变。空间信息技术主要解决具有地理定位特征的数据采集、传输、分析与应用。在信息化建设初期，3S（即地理信息系统GIS、遥感RS及全球定位系统GPS）及其共享集成技术在很多领域得到应用，发挥了重要的作用。例如，在一些国土、规划、防灾减灾等与空间信息应用关系密切的企事业单位，建设了大量部门级应用工程。但是，由于建设过程中一些标准、规范都不太完善，技术方法、基础平台软件也千差万别，导致这些应用工程存在孤立性。在目前信息化应用需求背景下，这些工程已不能符合应用需求，需要对已有的空间信息应用相关的软件平台、数据平台、网络平台等进行整合、集成。为解决这些问题，应借助软件工程技术，结合空间信息应用领域的特殊性，对其加以理论化、系统化、规范化，形成数字工程技术的核心内容，见图1。空间信息与数字技术需要培养基础牢固、知识面广、有动手能力的复合型人才。数字工程的原理与方法作为专业主干课程，在理论、技术、方法、工程管理等方面讲述了数字工程建设的指导策略和方法，是专业培养的纲领性课程，为后续课程的深入教学提供了索引[3]。该课程从数字工程产生的背景入手，以实现数字地球为目标框架，全面介绍数字工程技术中的基本概念、总体框架、支撑技术和实施方法，重点教授数字工程建设中信息的数字化存储、实时化传输、可视化表达与智能化应用，充分反映出本专业多学科交叉的特色。但该课程教学的一个主要问题是内容面广且部分概念抽象，如果教学设计及教学配套设施不到位，会达不到理想的教学效果。
2 教学内容
数字工程原理与方法教学内容的安排包括核心内容和扩展内容两方面，其中核心内容以教材为基础，是完成课程学习的基本目标；扩展内容从现有技术发展的要求出发，教师可结合空间信息技术发展的最新动态，讲授与课程内容密切相关的最新前沿技术。
在核心内容的教学上，需要讲解清楚数字工程的基本概念，从数字工程产生的背景入手，让学生掌握数字工程的总体框架，并结合软件工程技术，理解数字工程技术支撑体系中3类技术方法（计算机、网络通讯及空间信息处理）的集成应用；从“建立平台、搭建应用”的基本原理出发，讲解数字工程基础平台的概念与内容；从数字工程领域应用角度，学习数字工程可视化方法、智能化方法的原理及其在数字工程中的作用；熟悉数字工程建设的组织过程，学习其实施过程，了解数字工程的应用领域；通过实践项目训练，形成数字工程应用软件项目的设计、实施、控制等实践能力。为此，在教学内容组织上，应密切结合专业的培养方案，体现交叉学科的特色，把分散在多学科中与数字工程技术相关的共同知识点提炼出来，作系统化分析与处理，使其转换为教学内容，见表1。在完善知识体系的基础上，还要突出课程的专业特点，在课程与相关专业知识之间实现统一的学习平台，使学生的知识体系结构有牢固的基础。
然而，信息技术的发展日新月异，在讲授核心教学内容基础上，课程教学也应紧跟相关技术发展，保证课程内容与时俱进。为了实现课程内容的新颖性、现势性，在课堂教学过程中应将新技术、新应用补充进来，将最新的数字工程应用项目的技术细节、实施过程更新到教学内容及实践教学内容中，作为教学上的扩展内容。例如，最近几年来，云平台和大数据技术是解决时空信息存储、管理、分析与应用的基础设施和技术手段，在核心教学内容中，这些方面均未涉及，而随着信息获取手段、硬件存储和网络传输能力的快速发展，这些新设施、新技术的应用，已经进入数字工程的项目实施中。因此，在新的教学内容上，引入大数据（大数据应用背景、大数据应用目标、大数应用特点、大数据应用原则、大数据应用途径）、云计算（云计算互操作和集成标准、云计算服务目录管理、云计算安全和隐私、MapReduce计算框架）内容作为扩展层次的教学知识点，既满足了?n程教学的需求，也开阔了学生的视野，保证了教学内容的现势性。
3 配套教学条件
配套的教学条件是数字工程课程教学质量的重要保障，该内容主要体现在教材建设（包括实践教材）、特色（专业）实验室、网络教学平台及实践案例库建设4个方面。
3.1 教材建设
作为教育部特色专业，学校对空间信息与数字技术专业建设非常重视，而数字工程的原理与方法是空间信息与数字技术专业的主干课程，因此我们课程的教材建设走在了全国前列。2006年，课程组就主持编著了《数字工程原理与方法》，并成为“十一五”规划教材及教育部精品教材；2011年我们对该教材进行了改版（第二版），突出了新技术的发展，为顺利完成课程教学奠定了良好的基础。此外，配套的实验讲义《数字工程原理与方法实验指导》也已成型，为理论教学的实践指导提供了关键的素材，目前，实践教学教材也纳入国家规划教材。总体上，通过课程的理论、实践教材建设，保证了学生使用该教材时更容易理解和掌握数字工程的实施技术与手段，提高了学生的动手能力，激发了学生学习的积极性和主动性。 3.2 课程实践基地与特色（专业）实验室
通?^多年的课程建设，结合不断的科学研究活动，我们为课程开展创造了良好的硬件环境，先进的实验仪器设备直接向课程教学与实践开放。在课程教学中，国家地理信息局数字工程研究中心为本课程的实践学习提供了良好的设施基础。此外，武汉大学智能可视化和空间信息移动服务等特色实验室，也专门针对教学中的智能化和可视化技术、数字工程平台建设等主要教学主题，提供了现实的项目应用蓝本，在教学中发挥了重要作用，使学生通过课程实践，亲身体会到利用先进教学设备展示的数字工程应用效果。此外，数字考古研究室的最新成果也为数字工程应用（数字考古）提供了直观的范例，很好地促进了课程教学效果。
3.3 网络平台
网络平台为快速、高效地实现师生互动、展示教学内容提供了良好的途径。为促进课程教学，学校建立了开放式的课程网站（湖北省精品课程），为学生提供教学资源和交流平台。教学过程中，教师还利用即时通讯工具为学生在线答疑，例如每届学生都建立了师生课程学习群（QQ群），教师可以通过文字、语音与学生实时进行信息交流和互动。除了针对每个年级的通用交流平台以外，我们在教学过程中通过精品课程网站，针对学生提问较多的知识点，设置了专门的讨论空间作为答疑、学习以及其他交流通道，充分利用了互联网资源，提高了问题解答的效率。
3.4 教学案例库
案例库对于促进理论教学具有重要的作用。为提高教学效果[4]，本课程教学中建立了教学案例库，并给学生提供实际项目的全套需求、设计文档及源代码。在10多年数字工程项目开发实践基础上，我们针对“数字工程”理论教学需求，在教学过程中开发配套的案例库系统，选取的应用领域均来自多年来项目建设的实例，主要包括数字城市、数字电力、数字水利、数字环保、数字国土、数字农业等重点数字行业应用，从行业应用的背景介绍、支撑技术（如网络技术、数据库技术、软件服务架构等）、应用需求、设计、维护等各个方面，对案例的内容进行系统的阐述；对于部分大型工程项目，甚至包括招、投标信息，也进行了针对性的编辑和精简处理，提取与理论教学知识点相对应的案例库，较真实地还原数字工程项目建设涉及的理论知识、关键技术、流程和内容，为学生提供全面的知识点深入学习和实践项目建设参考[2]。
案例教学效果体现在两个方面：首先，课程的实践内容都来源于历年来的实际工程项目，实践内容对学生非常具有吸引力，通过参观项目的演示，学生了解了项目的大致内容及实际作用，激发了学生探索技术细节方面的热情，教师在教学中作适当引导，激发学生的创新意识；其次，对于某些优秀的成果，可以应用在实际项目中，或参与国内技能大赛，促进学生的学习积极性，加强其动手能力，不少学生的课程实践作品多次获得业内顶级公司或教育部组织的顶级行业技能大赛奖，该方式不但提高了学生的学习兴趣和积极性，优秀实践成果也可以转化为生产力，促进了案例建设。
4 教学方法
本课程在教学中采用课堂教学与实验、实习等实践性环节相结合的方式，注重理论联系实际。利用本专业校级精品课程网站的丰富资源，教师在主讲的单模式中，逐渐渗入讨论式、启发式、参与式等多种教学方法；组织学生利用各种工具重构知识，将视听媒体教学与传统教学结合、数字化学习与传统学习结合、自主学习与协作学习结合[5-6]；采用案例教学、基于问题学习、任务驱动式教学、情景模拟教学、合作式学习等多种形式的教学策略，激发学生的学习兴趣，提升学生对知识的综合运用能力和实践操作能力。
（1）个性化培养教学法。在教学中采用教师为主导、学生为主体、学教并重、个体差异化的教学模式，重视网络环境下的自主学习与协作学习，实现教师主导地位和学生主体地位的和谐统一。转变教学观念，变以教师为主体的“满堂灌”教学方式为“互动”式教学，以提示、引导、启发、讨论的方式激发个体的学习积极性和主动性，及时支持和肯定，帮助学生参与讨论，活跃课堂气氛。
（2）融合实践与案例教学。在掌握课堂教学理论知识的前提下，充分利用特色实验室和课程实践基地的功能，加深学生对教学知识点的理解和运用能力。在教学中采用知识体系概论（总体）―知识点强化训练―分组项目实践集成（总体）的“总分总”教学设计，兼顾理论讲解和实践过程的系统化。将案例教学法应用于理论教学环节中，在案例教学中，通过对教学过程的详细分析，采用“案例导入、理论讲授、案例分析、案例讨论和理论归纳”五步教学流程，用实际案例辅助纯理论教学的不足，进行案例实证刺激，使教学内容易于理解，便于学生掌握。
（3）突出教学重点、难点，采用由浅入深、由基础到应用的渐进式教学思路。教学过程中，针对重、难点知识点，设计了“教师预讲―学生课外查阅资料―学生课堂发言―教师点评与总结”的探索式教学理念，调动学生的学习积极性和主动性。例如，课程教学内容中的数字工程“可视化技术”和“智能化技术”是两个教学难点，在教学时除理论教学外，还要组织学生参观相关项目成果，鼓励学生搜集相关领域项目信息，对可视化技术和智能化技术在实际工程应用中反映的设计思路、功能表达以及面向的业务领域进行讨论分析。
（4）多种形式考核，综合评判学生能力。除平时布置思考题外，教师鼓励学生主动提问，并在实践中寻找解决方法。例如，作为教学环节，项目工程投标就是一项锻炼学生总体把握综合实效的策略。常规的教学和实践活动往往从知识、技能角度考虑学生的培养，很难从整个项目的宏观角度考虑整个项目的技术思路、成本等问题。为了锻炼学生这方面的能力，采取教师提出工程项目，从技术、成本、环境、规模等方面提出一些具体要求，学生以小组为单位，进行模拟投标竞争、答辩，最后进行评比。此方式既锻炼了学生的团队协作，也提高了教师对数字工程项目建设的总体把握能力。
5 结 语
空间信息与数字技术专业的主干课程数字工程的原理与方法，精炼了信息化社会背景下数字工程建设过程中相关的理论方法，是软件工程技术在空间信息应用领域的具体应用。在教学内容中合理引入现势进展资料，完善教学配套条件，改革教学方法，是提高该课程教学效果的关键。下一步，本团队将在网络教学平台、教学案例库建设上，基于理论教学的具体内容（教学知识点），从改进网络教学平台的师生互动效果、案例系统的环境模拟简易化方面，进一步加快进度，促进理论教学与实践环节的联系和相互补充，帮助学生更好地完成本课程理论基础的学习。
