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王家耀:大科学时代,交叉学科加速演进对教师提出了更高的要求
发布时间:2024-03-22     来源:光明社教育家     作者:王湘蓉 邓晓婷      浏览:1257次

湖南博物院,《长沙国南部地形图》安静占据小小一隅。壮丽尘埃,悉数于此。

探身看去,泛黄的帛片上水系蜿蜒,西汉时期的城邑、田地,被极简地标注其中。彼时这里的经济、人文如何?一寸十里,给后人留足了想象和探知空间。作为地图考古史上一个震动世界的发现,有学者指出,这幅地图的山脉画法已经接近现代等高线。

地图是文明建构与流变的象征。自古以来,地图对于人们认识、分析与执掌世界,具有重要价值。中国工程院院士王家耀提出,即便到了人工智能不断发展的今天,地图的原创性仍不会消减。从现实到抽象,一幅地图所涵盖的知识、文化、哲思、逻辑,综合万象。“地图是人类最伟大的创新思维之一”,王家耀认为,作为集科学、技术、工程属性于一体的特殊文化形态,地图可作为我们科学认识世界的开端。



王家耀,中国工程院院士,河南大学地理与环境学院教授,河南省时空大数据产业技术研究院院长。


“小众”科学的大天地

王家耀称地图学是“小众”科学。从社会价值层面来讲,虽然当下人们的工作、学习、生活离不开地图的指引,但很少有人真正理解地图更为深刻的原创性意义。无论哪种类型的地图,在看似通俗易懂的符号背后,是严密的数学方法、独特的地图语言,以及空间尺度变化理论共同组成的科学认知观,它对激发人的抽象思维有积极且深远的作用。

从古希腊地理学家埃拉托色尼发现地球的周长和曲率,再到德国气象及天文学家魏格纳于1912年提出大陆漂移学说,反映着自古以来人类对世界版图规律的认识。王家耀说,地图有严密的数学基础,把地球这样一个不规则的球面映射到平面上,需要科学抽象的方法。其实就是将复杂的内容进行简化和抽象。

这些严密性有可能是我们平时看到却并未深入思考的。比如打开一张分色的世界地图或者中国地图,可以看到233个国家和地区或我国34个省级行政区至少用了4种颜色作区分,这即是国际正规地图所遵循的“四色定理”,“四色定理”曾是国际上公认的最难解的数学难题之一。绘制地图颜色不可随意使用,字号也有严格的规定。

放眼历史和当下的国际社会,很多争端都由权属问题引起。小到田地,大至家国。《周礼》中言:“凡民讼,以地比正之;地讼,以图正之。”据记载,三国时期,魏国清河、平原二郡因为地界问题纷争多年,直到有人从皇宫中拿到一张标明边界的地图,这场纷争才得以结束。

“为何说钓鱼岛、南海诸岛自古以来就是中国固有的领土,就是凭我们现在掌握的历史上各种地图和相关文献,它们是我国最早发现、最早命名、最早行使行政管理权的地区。”王家耀强调,特别是在当今国际竞争如此激烈的情况下,地图的权属法理价值对维护一个国家的领土完整至关重要。

再从军事价值来看,王家耀指出,军事家在筹划和指挥作战时无不关注空间、时间的制胜意义。《管子·地图》言“凡兵主者,必先审之地图”,只有这样才能“行军袭邑,举错知先后,不失地利”。在古代,地图是一个国家重要的“军事资产”。据记载,秦国在统一六国的过程中曾缴获各国地图,后被刘邦接管,在当时,地图对于新政权的执掌具有重要的战略价值。

现代战争更是如此。王家耀说:“国防建设部署、规划离不开地图,战略谋划和计划需要利用地图,特别是一体化联合作战需要反映战场地理空间结构和空间关系的‘一张图’作支撑,作战行动要有地图引导,武器平台乃至远程武器的精确打击更需要精确的数字地图。”

王家耀说,无论从个人生活还是国家战略,地图的哲学意义可以概括为“什么时间在什么地方应该做什么事”。他建议我们养成用图的习惯,利用地图认识地理世界,可以锻炼我们的空间认知能力。比如获取全球的信息,了解各区域层面事物的相互关联、各国在各时期的交错关系等。

美国地理学家苏珊·汉森在《改变世界的十大地理思想》中提道:“所谓的地理思维就是要看到整体的宏图……向任何一位地理学家展示一幅地图,他会马上沉浸在各种关系和联系之中——人与环境之间的联系、地方之间的联系,这些都是地理学的核心问题。”

王家耀说:“我们现在阅读地图,是通过人类的视觉原理作出判断,最终指导自己的行动,而在未来人工智能时代,我们还可以引入类脑智能研究成果进行空间认知,通过脑机接口,用计算机作出更快、更精准的决策。”


科学家要善于从外部找寻发展动力

作为一名科学工作者,势必要懂得如何快速适应时代的变化。1961年,王家耀从解放军测绘学院毕业。此后的60余年,地图学不断突破。制图技术的革新,让一批制图人感受到了压力。从封闭的内部向外部拓展,并不是一件容易的事。尤其每到一个阶段,都会发现技术的局限性。

“我们过去搞制图的人总是在一个封闭的体系里打转,只管怎么制作地图,但用户怎么应用地图没人思考。完全在一个封闭体系内部运转是不行的,技术变化很快,必须从技术层面向外部突围寻找发展动力,解决内外融合的矛盾。”

20世纪60年代初期,制图学还处在传统的手工绘制阶段。系统论、信息论、控制论“三大论”的出现,对整个科学界产生了巨大影响,尤其影响着科学家的思维方式。大家必须立足本职,去外部寻找新的契合点。王家耀说:“这里面充满了哲学,实际上是我们科学家思维方式的变革。”

这场指向信息时代的变革经历了数字化—网络化—智能化阶段。在不可阻挡的趋势之下,地图学领域需要做好大量的理论和技术准备,建立“由经验地图制图到更加严密的理论模型制图”理论。70年代初,王家耀在解放军测绘学校(武汉)任教时,在图书馆偶然看到一本英文书《计算机绘图》。虽然这本书的内容不是绘制地图而是机械零部件,但给了他莫大的启发。他深谙手工制图的烦琐,意识到必将迎来改革。

“当时我觉得既然计算机能绘制机械图,为什么不能绘制地图呢?只不过地图更复杂。”正是在好奇心的驱动下,那时作为教研组副组长的王家耀,马上安排一位老师到武汉大学进修电子计算机,自己开始筹办计算机地图制图专业。

随着计算机制图技术的发展,传统通过纸质地图等物理媒介传递图形信息,变成通过数字终端传递数字信息,大大提高了制图单个环节的效率。王家耀谈道,单个环节效率提升后,又引发了新的问题:单人单机单系统,一人做一幅图,彼此无法协同。直到20世纪90年代,网络发展十分迅速,网络化为数字制图系统提供了一条信息“高速公路”,才解决了协同问题。“通过网络,我们可以把世界、国家、省市的基础数字模型地图制作出来,然后按照用途划分,再通过网络传递给无数个客户终端。这是一个集成性的开放系统。”

当网络化提高信息流和流水线的整体效率之后,如何才能实现更智能的协同?王家耀说:“这就好比我们平时在高速公路上开车,怎么合理规划路线才能不堵车?”在物联网、云计算、网格计算等新兴信息技术的支撑与推动下,20世纪末21世纪初,地图学领域的自动化迎来了飞速发展。

“尤其是总结了20世纪八九十年代搞专家系统的经验教训,那时不注重基础理论研究,把一般计算机专家系统简单搬到计算机地图制图领域,结果不实用,后来我们加强了基础理论研究并引进了人工智能技术,解决地图制图特别是地图内容制图综合中的一些难题。”

纵观地图学发展史的四个时期,地图制图科学技术转型发展的周期越来越短。从原始地图的萌芽和以观察者实地考察的直观逻辑思维为特征的古代地图学的形成与发展,共经历了4000余年时间;17世纪末兴起的以大规模三角测量和实测地形图为特征的传统地图学(即近代地图学)的形成,走过了300多年;从20世纪50年代末60年代初开启的以计算机数字地图制图与出版一体化为特征的现代地图学,只用了短短60多年时间;目前地图学正在开启以数据密集型计算为特征的新时代。王家耀说,这告诉我们只有站在学科发展前沿,抓住机遇并付诸实践,地图学才能发展,否则就可能滞后一个时代。



教学生先要“镀”自己

面对大科学时代学科发展的新特点,人工智能等新技术推动新一轮科技革命和产业变革迅速发展,学科交叉融合催生新的学科和研究领域,科学研究范式的深刻变革正在改变人们对学科发展的思维方式,科学技术、经济社会发展加快和渗透融合成为学科发展的重要力量源泉。

要让地理学专业的学生适应这样的趋势,王家耀认为有三点值得注意。一是让学生学透基本的原理和知识点,理论联系实际,培养学生解决实际问题的能力。二是要有学科交叉融合意识,这是大科学时代一个重要特点。很多人将自己封闭在自己的学科领域,持有“我是搞地理的”“你是做测绘的”这类观念,其实测绘学和地理学并没有不可逾越的界限,它们本身就具有交叉融合的特点。三是要将教育和科学研究同经济社会发展相融合,当下的人工智能发展加快了经济社会发展和交叉学科发展。

当下高等教育的专业设置中,作为地理学的二级学科,地图学与地理信息系统逐渐遇冷,“我们从其他高校引进的人才,很少有从事地图学与地理信息系统专业研究的,这对社会经济和科学技术的发展很不利。政府部门、军队,以及广大社会用户都需要使用地图”。王家耀认为,地图学与地理信息系统作为一个完整的二级学科,是不可缺少的。

地图学与地理信息系统是一个交叉性很强的学科。关于地图所呈现的内容,过去有很多经典的名言,“地图是浓缩历史的经典”“地图是诠释世界的杰作”。王家耀说,地图不仅可以表达现在,还可以表达过去和未来。地图跨越时间和空间、自然和人文、技术和工程。在该专业的教育中,尤其要培养学生的超前感。

要习得这种超前感,教师的“教”只是一方面,重要在于自己如何去学,要善于从生活、时代的广袤地带找答案。王家耀说:“对于地理学专业的人才培养而言,基础一定要打得牢,知识面要宽,这个‘宽’并不是说要学习十几门或者更多的课程,作为老师,要教会学生获取知识的方法。”

对于如何做一名好老师,王家耀有一个很重要的体会:教好学生不是源自外部压力,而是内心的动力。王家耀今年88岁,退而未休,一生见证着地图学阶梯式的发展。但他的学术和教学历程也曾有过断崖式的跌宕。当他爽朗地讲出这些细枝末节时,尤其能体会他所说的动力实则是一位师者的自我重建和超越。

在解放军测绘学院求学期间,王家耀有“三套笔记本”:第一套是听课笔记,跟着教员思路记下关键点;第二套是课后复习笔记,对比教员讲的和参考书上的内容有什么不同、为什么不同;第三套是复习考试笔记,即认真研读前两套笔记本的内容,实现由“少”到“多”,再由“多”到“少”。

毕业之前,王家耀就参与翻译了(俄译汉)大量地图制图学领域科技资料,且作为项目主要负责人,组织设计编纂并验收了《军官地图集》。留校任教的第一年,王家耀带的是一个越南留学生班,待这届学生毕业,王家耀刚刚开启的教育事业突然中断。

1964—1966年期间,他在河北涿州参加劳动。其后,王家耀又去北京某三轮车社当上了“板爷”,每天蹬着一千多斤的货物早出晚归,昌平、通县(现通州)、门头沟、长辛店……沉重的车辙遍布城南城北。直到1969年年底,学校搬迁至武汉重建,王家耀才被通知调回。朝夕思念的生活突然有了回响,但当时的王家耀已经有5年多没有“摸”过书了。

“那时学校招收的都是部队有实践经验的学生。回到教学岗位,我得从头再来。全国的地理、地貌有什么特点?它们是怎么形成的?在地图上怎么表达?地图学这一套复杂的系统知识我都是靠自学。”1972年王家耀开始写教材,先后编写出版了《地貌及其综合》《制图综合》《地图编制》《地图制图数据处理的模型与方法》《理论地图学》《地图学原理与方法》等著作(教材);随着网络发展,他编写了包括《空间信息系统原理》《网格地理信息服务概论》《数字地图综合进展》等专业书籍。王家耀说,自己的教学笔记总是被学生“抢”了去,他还笑称“没人愿意还给我”。一路走来的成长经历给了王家耀很大的启发,他认为一定要培养学生自主学习的能力。

王家耀不赞成用一种模式,如一个统一的教案甚至一个PPT进行教学,这样完全忽视了教育本身的创造意义,教育方法应该灵活且有差异性。教师队伍至关重要,要建立一流的教师队伍,才能培养一流的人才,才能有高水平的创新。正是基于对人才培养的思考,在河南大学工作多年的王家耀一直对河南的高等教育“心有不甘”。

王家耀认为河南是教育大省,但不是教育强省,高等教育亟待提高质量。教师队伍建设是一个复杂的系统工程,很多高等院校对于发展、创新、科技、教育、教师之间的关系没有辩证思考。他深感一部分高校表面上重视人才,实质上引进的是很多顶“帽子”。

“要培养什么样的人,我们必须要有前瞻性的思考。”王家耀认为,在大科学时代,交叉学科的加速演进对教师的能力提出了更高的要求,要具备高度的创新思维能力及能动性、创造性和自主能力,从“镀”自己开始,才有可能从源头和底层去解决人才培养问题。

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