基于“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”的無人機航測實驗教學模式研究

馬明舟

（大連理工大學城市學院，遼寧 大連 116600）

0.引言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，各行各業(yè)對掌握新技術、具備較強實踐能力的應用型人才需求量不斷擴大。近年來，無人機航測技術成為獲取地理空間信息的重要手段，人才缺口較大，急需高校調(diào)整人才培養(yǎng)方向，加快專業(yè)課程改革，培養(yǎng)與行業(yè)需求對接緊密的優(yōu)秀工程技術人才。

開設無人機航測實驗課程是培養(yǎng)航測技術人才的重要環(huán)節(jié)。作為一門多學科新興技術匯集而產(chǎn)生的課程，傳統(tǒng)教學方法存在不足，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）無人機航測技術是一門學科融合、知識復雜、實踐性強的新型課程，傳統(tǒng)的線下教學模式對教師的專業(yè)知識要求較高，而無人機航測技術的興起僅4～5年，技術迭代速度快，教師資源稀缺，傳統(tǒng)的測繪教師不懂航空知識，航空專業(yè)教師又缺乏測繪技術；

（2）傳統(tǒng)的實驗教學以線下模式為主，教師是課程的主導，講授和演示是教學的主要方法，教學內(nèi)容固定，教學方法單一，信息技術介入較少。而無人機航測技術的綜合性強，實驗操作中有很多偶發(fā)性問題，在教師缺乏經(jīng)驗、教學案例不豐富的情況下，易導致學生缺乏學習興趣及主動性，學生的專業(yè)知識僅停留在淺層理論認知和基本操作層面，學習效果無法達到課程目標要求，缺乏深入性、扎實性；

（3）無人機技術設備成本較高，高校的實驗室投入經(jīng)費有限，而新興技術迭代速度快，因此，無人機實驗室的建設相對落后，無人機設備的數(shù)量和性能無法滿足線下實驗需求，學生訓練時間短，培養(yǎng)學生動手能力的效果差；

（4）無人機航測對訓練環(huán)境要求嚴格，簡單的場地訓練與真實的訓練環(huán)境脫節(jié)，且真實環(huán)境存在安全隱患，既要保證訓練的安全性，又要滿足真實性的理想訓練場地十分稀缺。

如何破解上述困局，本文提出在無人機航測實驗教學過程中采用“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”的混合教學模式。

1“.線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”教學模式的核心是互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真技術與傳統(tǒng)教學相結合

“互聯(lián)網(wǎng)+”技術在教學中的應用即借助網(wǎng)絡中的大量信息資源，構建線上學習平臺，作為課程知識的拓展端口，采用動畫、視頻和虛擬三維等多媒體技術豐富在線教學方式，以學生為中心，翻轉課堂角色，是主動學習方法的一種全新形式。

虛擬仿真技術在教學中的應用即通過三維虛擬仿真和虛擬交互技術對實驗場景、設備、流程、結果進行虛擬展現(xiàn)，真實展現(xiàn)實驗操作的全部過程，讓學生身臨其境，完成如真實操作一般的實驗感受，從而提升學習質(zhì)量。

將互聯(lián)網(wǎng)技術、虛擬現(xiàn)實技術與傳統(tǒng)教學相結合，形成“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”的混合教學模式，其特點如下：

（1）豐富教學內(nèi)容，克服傳統(tǒng)實驗教學對設備和環(huán)境的依賴。在無人機航測實驗課程中，需要大型場景，動用昂貴的無人機和機載任務設備，損耗大量的資源和能源，且有一定的安全風險。通過虛擬現(xiàn)實實驗教學，能模擬真實環(huán)境，實驗過程與現(xiàn)實世界高度一致，在真實的實驗操作前，可讓學生在虛擬環(huán)境中完成大多數(shù)操作性訓練，不僅降低了實驗課程教學的成本，也提升了實驗學習的安全性和可靠性；

（2）教學模式設計的思路創(chuàng)新。在傳統(tǒng)的實驗教學方法中，學生主要在書本中學習無人機設備構造和操作的基本知識及方法，書本知識是平面線性的，很難與立體復雜的實際實驗過程產(chǎn)生直觀聯(lián)系，雖然在傳統(tǒng)的實驗課程中有教師對實驗內(nèi)容進行講解和操作演示，但學生數(shù)量多，教師和無人機設備數(shù)量短缺等原因使教學演示的效果不佳，且大量擠占了學生動手操作實驗的時間，嚴重影響實驗教學的效果，降低了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。通過互聯(lián)網(wǎng)技術搭建線上學習平臺，拓寬了學習途徑，將學習從以課堂為主延伸至課前與課后，有利于過程引導式的教學實施，能有效串聯(lián)理論課堂與實驗課堂；同時，能引導學生開展自主實驗，由教師實施過程把控，調(diào)動學生學習的主動性，增加學習興趣，減輕教師的工作壓力，提高教學工作效率和教學質(zhì)量。在教學理念上突出自主式學習和以學生為中心，在教學內(nèi)容上，既滿足對理論知識的鞏固和掌握，又滿足實際工作中對過程和細節(jié)的要求，更快掌握應用技術；

（3）改傳統(tǒng)的被動式學習為積極自主式學習。由學生自主完成虛擬實驗的全部過程，鼓勵學生在實驗過程中探索和創(chuàng)新，指導教師僅需對實驗過程進行把控，并在網(wǎng)絡互動平臺中進行輔導答疑；構建與現(xiàn)實實驗相同的虛擬環(huán)境，使學生從理論教學環(huán)境迅速融入實驗教學環(huán)境，甚至是真實的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。因此，“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”的混合教學模式更適應真實性、發(fā)散性和開放式的新工科課程；

（4）從準備、過程和結果3個方面考查學生的學習質(zhì)量。教師將文字、圖片、視頻等學習資源上傳至云端的學習園地中，便于學生做好實驗教學前的預習環(huán)節(jié)，教師可借助互聯(lián)網(wǎng)云端的學習評價系統(tǒng)，將學生預習環(huán)節(jié)的時間質(zhì)量評價、完成虛擬仿真操作的準確性評價、完成虛擬實驗后的測試成績評價，以及教師對學生虛擬實驗過程的表現(xiàn)評價、學生完成實驗報告的質(zhì)量評價進行綜合考核，分析學生在實驗過程中的學習質(zhì)量，借助大數(shù)據(jù)和人工智能算法，完成客觀指標的評定，減輕教師在學習成績評判過程中的工作壓力，且能客觀反映學生對實驗的掌握程度，對學生進行全面、系統(tǒng)和貼近實際的能力評價。在“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”的混合教學模式中，學習評價和管理將更為復雜，評價內(nèi)容更多、指標更細化。應用型人才的培養(yǎng)是對評價體系綜合性和全面性的必然要求；

（5）對傳統(tǒng)教學的延伸與拓展。“線上+線下“”虛擬+現(xiàn)實”的混合教學模式能無限延長學生操作、訓練等實驗時間，克服傳統(tǒng)實驗教學時間和場地的局限性。通過反復的仿真實驗，使學生加深對操作、流程和關鍵環(huán)節(jié)的掌握，提高學生理論聯(lián)系實際的能力。

2“.線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”的無人機航測實驗課程的構建

2.1 課程架構

基于“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”的無人機航測實驗課程的架構（如圖1所示），以課程數(shù)據(jù)為基礎，以學習平臺為核心，面向教師和學生。學習平臺前端是教學活動的不同場所，劃分為線下課堂和線上課堂兩個部分，其中，線下課堂中包含傳統(tǒng)的線下教室和實驗室，并依據(jù)VR、AR技術建立沉浸式虛擬仿真操作實驗室，線下課堂是課上學習的主要場所；線上課堂包含在線課程平臺和虛擬仿真實驗平臺，線上課堂是實施課程教學和實驗訓練前后用于預習、鞏固和測試的學習場所。豐富的前端平臺為教師提供了多種教學手段，也為學生提供了多種學習途徑，將課堂從現(xiàn)實世界延伸至網(wǎng)絡世界，將有效學習時間從課上延伸至課前、課后，將實訓的有限性擴展為無限性。學習平臺后端是基于人工智能技術構建的過程跟蹤式學習評價系統(tǒng)，通過建立大數(shù)據(jù)分析模型，綜合分析學生對無人機航測技術的掌握程度，從而進行科學的學業(yè)能力評定。

圖1 “線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”無人機航測的實驗課程架構

2.2 課程建設思路

從測繪行業(yè)對航測人才能力需求出發(fā)，結合現(xiàn)階段無人機攝影測量員職業(yè)資格考試、測繪地理信息數(shù)據(jù)獲取與處理職業(yè)技術等級認證、無人航空器駕駛職業(yè)技術等級認證等要求，梳理和整合無人機航測技術課程的理論與實訓教學內(nèi)容，設計符合人才培養(yǎng)目標的課程教學大綱。對教學內(nèi)容進行分析，形成不同的教學模塊，剖析線下、線上、現(xiàn)實和虛擬4種教學手段在不同教學模塊中的應用，設計出滿足教學內(nèi)容、促進學習主動性、減輕教師教學壓力的教學方案。通過收集網(wǎng)絡資源和自主設計制作兩種途徑，依托網(wǎng)絡教育平臺，建立文字、圖像、視頻、動畫、3D模型于一體且教學形式豐富的在線課程，實現(xiàn)在線教學、在線實驗和在線測試等主要功能。通過Unity3D技術建立無人機航測虛擬仿真實訓平臺，開發(fā)線上互動式和線下沉浸式專業(yè)仿真實驗。尋找適合的數(shù)據(jù)分析模型，通過大數(shù)據(jù)分析技術，建立滿足混合式教學需求的過程跟蹤式課程學習評價系統(tǒng)，科學評測每名學生的學習狀況。

3“.線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”的無人機測量技術課程教學模式

以無人機基本飛行訓練課程環(huán)節(jié)為例，“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”的教學模式（如圖2所示）包括以下環(huán)節(jié)：

圖2 “線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”教學模式的主要階段

（1）線上知識預習。該階段主要通過線上課堂中在線課程平臺進行學習，通過教學課件、教學視頻完成無人機基本飛行控制知識預習，通過知識測驗檢驗線上學習的效果；

（2）線下課堂教學。該階段在線下教室中完成，包含面對面講授、互動、提問等環(huán)節(jié)，解決學生線上學習中的疑問，注重無人機基本飛行動作控制中的知識點、訓練要領和安全事項；

（3）線上虛擬實驗學習。該階段通過線上課堂中的在線虛擬仿真實驗平臺，借助三維動畫了解實驗訓練的過程和內(nèi)容，利用三維模型熟悉無人機設備和構造，通過虛擬仿真訓練掌握實驗步驟和關鍵操作；

（4）線下虛擬實驗訓練。該階段是在線下虛擬仿真實驗室中讓學生和教師通過穿戴虛擬外設設備，以沉浸式的方式進入虛擬教學活動中，完成與現(xiàn)實操作一致的實驗訓練過程，強化實驗操作，為開展外業(yè)實訓奠定基礎；

（5）線下實操訓練。該階段是在真實的訓練場景中，由教師指導學生親自操作無人機完成規(guī)定的基本飛行動作訓練；

（6）教學評價與反饋。該階段中將根據(jù)前面5個階段中學生的學習表現(xiàn)和訓練成果，對學業(yè)成績進行綜合評定，線上和線下虛擬仿真系統(tǒng)中的學業(yè)成績將根據(jù)學習時間、測驗成果、實驗誤操作率等數(shù)據(jù)實現(xiàn)系統(tǒng)自動核算，線下課堂和實操訓練的學業(yè)成績由教師根據(jù)學生表現(xiàn)量化指標核算后輸入系統(tǒng)，并由系統(tǒng)根據(jù)指標評價體系計算結果。

4.結束語

無人機航測技術作為一門新興的測繪技術專業(yè)課程，目前已在高校中廣泛開設，將“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真技術”與傳統(tǒng)教學方法相結合，創(chuàng)新“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”的混合教學，是發(fā)揮各類教學手段優(yōu)勢的最優(yōu)化策略，實現(xiàn)虛實結合，優(yōu)化和創(chuàng)新現(xiàn)有教學模式，可提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目標，為學生可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎，對高校教學改革具有較強的實踐參考意義。