高職無人機測繪虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)模式研究與實踐

胡 泊，張 丹

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004)

0 引言

根據(jù)《國家職業(yè)教育改革實施方案》(國發(fā)〔2019〕4號)和《現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院建設(shè)指南(試行)》(教高廳函〔2020〕16號)的文件精神，以習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想為指導(dǎo)，堅持立德樹人根本任務(wù)，貫徹落實《國家職業(yè)教育改革實施方案》《深化新時代教育評價改革總體方案》《職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動計劃(2020—2023年)》精神，黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院緊密圍繞“互聯(lián)互通、共建共享、先進科學(xué)”的建設(shè)理念，結(jié)合現(xiàn)有基礎(chǔ)辦學(xué)架構(gòu)，依托信息化支撐體系，正致力打造行業(yè)特色鮮明的國家級信息化、智能化、共享化虛擬仿真實訓(xùn)基地，助推“雙高建設(shè)”，向?qū)崿F(xiàn)“引領(lǐng)改革、支撐發(fā)展、中國特色、世界水平”的長遠(yuǎn)目標(biāo)更進一步[1]。

在全球信息化進程加速推進的大背景下，測繪地理信息產(chǎn)業(yè)鏈蓬勃發(fā)展，成熟度不斷提升，與經(jīng)濟社會發(fā)展的聯(lián)系持續(xù)增加，其市場規(guī)模已邁向千億級。無人機測繪技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)測量技術(shù)手段，開辟了更快速、靈活、高效的新型測繪時代。我國無人機測繪事業(yè)起步較晚，但隨著供給側(cè)的結(jié)構(gòu)性改革及市場需求的日益激增，近年來已成為測繪作業(yè)的常規(guī)手段并形成泛在趨勢。測繪地理信息產(chǎn)業(yè)模式的逐漸轉(zhuǎn)變，對相關(guān)專業(yè)的職教人才培養(yǎng)而言是機遇更是挑戰(zhàn)，重點在于如何提升其職業(yè)適應(yīng)性和崗位勝任力，從而提升高職測繪地理信息人才的核心競爭力[2-4]。

相較于傳統(tǒng)的測量實訓(xùn)，無人機測繪實訓(xùn)存在不夠用、看不到、進不去、練不成、成本高、安全低、受限多等現(xiàn)實問題，致使相關(guān)實訓(xùn)課程不僅線下效果不甚理想，且在疫情環(huán)境下開展的線上教學(xué)更是難上加難。筆者所在的教學(xué)團隊以學(xué)校雙高建設(shè)為契機，以國家級虛擬仿真基地為平臺，以“提質(zhì)培優(yōu)、增值賦能”為抓手，構(gòu)建基于虛擬仿真的無人機測繪實訓(xùn)教學(xué)體系，既符合改革傳統(tǒng)教學(xué)育人手段、推進人才培養(yǎng)創(chuàng)新的迫切需要，也是強化教學(xué)、學(xué)習(xí)、實訓(xùn)相融合的教學(xué)活動的有效手段。

1 研究現(xiàn)狀及存在問題

1.1 傳統(tǒng)實訓(xùn)模式的不足

《國家職業(yè)教育改革實施方案》(簡稱“職教20條”)提出：職業(yè)院校實踐性教學(xué)課時原則上占總課時一半以上[5]。無人機測繪技術(shù)作為測繪地理信息專業(yè)群最具代表性的新技術(shù)課程，更注重實操。目前高職院校對無人機測繪專業(yè)的發(fā)展越發(fā)重視，招生規(guī)模、資金投入、師資建設(shè)與教學(xué)條件等均在逐漸提升。通過對開設(shè)此專業(yè)的多所院校進行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)在實訓(xùn)教學(xué)中仍存在師資力量薄弱，設(shè)備體量不足，時空條件限制，以及線上授課困難等現(xiàn)象，“三高三難”問題尤為突出。

其中“三高”問題表現(xiàn)為：

高投入：無人機測繪實訓(xùn)設(shè)備價格昂貴、更新快、配套設(shè)施多，且要專為飛機定期購置保險。為讓學(xué)生享受更好的學(xué)習(xí)體驗，多數(shù)院校投入了大量資金采購設(shè)備，完善教學(xué)條件。2019年以后，隨著高職百萬擴招計劃推進，該專業(yè)學(xué)生人數(shù)大規(guī)模增加，致使本就在高位的設(shè)備采購體量有繼續(xù)擴大的壓力，資金投入繼續(xù)增長。

高損耗：在無人機航飛數(shù)據(jù)獲取練習(xí)中，需要多架次的空中作業(yè)。學(xué)生在真機練習(xí)時，無人機及相關(guān)載荷高頻次的損壞和消耗在所難免，加之無人機往往需要返廠維修，增加了維修周期，必須要有足夠數(shù)量的備用設(shè)備才能保證實訓(xùn)的實施。

高風(fēng)險：近年來，國家一再強調(diào)“生產(chǎn)安全、安全生產(chǎn)”，高職院校對實訓(xùn)教學(xué)的安全問題愈加重視。無人機測繪實訓(xùn)由于作業(yè)方式特殊，具有一定危險性，且事故敏感度高。校內(nèi)實訓(xùn)場師生人員密度高，校外實訓(xùn)基地地形又相對復(fù)雜，為實訓(xùn)開展帶來了較高的風(fēng)險隱患。

“三難”問題體現(xiàn)在：

難實施：無人機測繪綜合實訓(xùn)所需場地面積大，地形復(fù)雜，對風(fēng)力、光照、能見度等天氣條件要求高，且要時刻遵守空域管理規(guī)定?？紤]到飛行安全，當(dāng)學(xué)生開始自由訓(xùn)練，教師的跟蹤巡視指導(dǎo)效果將會因時空條件限制而受影響，實施難度較大。

難觀摩：為提高教學(xué)效果，教師針對跟蹤指導(dǎo)中搜集的“錯誤集”應(yīng)及時進行正確講解和演示，但學(xué)生受時空因素影響，不具備隨時隨地集中觀摩的條件。學(xué)生由于難于高頻率地集中觀摩，從而導(dǎo)致相關(guān)教學(xué)質(zhì)量大打折扣。

難再現(xiàn)：無人機測繪實訓(xùn)操作性強、內(nèi)容繁多、流程復(fù)雜，學(xué)生注意力稍有不集中就可能會錯過某些重要技能點的講解，由于實訓(xùn)過程與情景均不可逆，導(dǎo)致實訓(xùn)環(huán)節(jié)有無法還原、再現(xiàn)的問題。

1.2 研究現(xiàn)狀及存在的問題

考慮到VR具備了虛實結(jié)合、即時定位成圖、空間建模，以及人與環(huán)境、計算機間沉浸式交互等優(yōu)勢，可以預(yù)見VR在教育行業(yè)中的應(yīng)用將會是未來行業(yè)的爆發(fā)點，但目前尚處于起步階段。

近年來，在相關(guān)團隊的不斷研究探索下，VR技術(shù)在無人機航測相關(guān)教學(xué)實踐中已取得一定成果。桂林理工大學(xué)周國清等大力推進校企深度合作，探究基于VR技術(shù)的實訓(xùn)教學(xué)新模式，構(gòu)建了無人機攝影測量VR教學(xué)系統(tǒng)[6]；首都師范大學(xué)鄧?yán)诘葟膶嶒灲虒W(xué)的客觀需求入手，以無人機航空攝影測量實習(xí)為例，總結(jié)了當(dāng)前實驗教學(xué)模式存在的問題，分析了虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的特點和優(yōu)勢，以及在虛擬仿真實驗課程構(gòu)建中應(yīng)注意的問題[7]；南京工業(yè)大學(xué)吳瑋等針對無人機航空測繪生產(chǎn)流程，確定了虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容，形成了虛擬仿真實驗平臺的教學(xué)評價體系，搭建了無人機航空測繪過程虛擬仿真實驗平臺[8]；中南林業(yè)科技大學(xué)段祝庚等探索無人機攝影測量虛實結(jié)合實驗教學(xué)模式，對無人機攝影測量實驗教學(xué)存在的問題進行了分析，將虛擬仿真系統(tǒng)和云計算技術(shù)引入無人機攝影測量實驗教學(xué)，進行虛實結(jié)合的開放式實驗?zāi)Ｊ浇虒W(xué)實踐[9]。

上述研究為VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，但多停留在對單一課程的虛擬仿真實踐應(yīng)用，VR技術(shù)的角色定位仍偏向于一種外界教學(xué)工具，缺乏系統(tǒng)性和推廣性，也無法體現(xiàn)VR技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中的必要性和深度融合?？偨Y(jié)歸納主要表現(xiàn)為以下4個方面：

(1)缺少共建共享、多位一體的VR實訓(xùn)教學(xué)平臺；

(2)缺少與時俱進、去陳出新的VR實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容；

(3)缺少協(xié)同創(chuàng)新、行之有效的VR實訓(xùn)教學(xué)模式；

(4)缺少循環(huán)更新、產(chǎn)教相融的VR實踐反饋機制。

2 無人機測繪虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)平臺的構(gòu)建

2.1 平臺的構(gòu)成

隨著測繪先進技術(shù)及高精尖儀器的快速更迭，傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)實訓(xùn)條件、方法模式和考核評價機制普遍不再適配現(xiàn)階段的社會發(fā)展和市場需求[6]。在“雙高建設(shè)”背景下，筆者學(xué)校結(jié)合自身辦學(xué)優(yōu)勢與特色，深度落實協(xié)同創(chuàng)新理念下的產(chǎn)教融合教學(xué)模式，針對學(xué)院下設(shè)專業(yè)進行統(tǒng)籌、規(guī)劃、聚類，形成工程測量技術(shù)、測繪工程技術(shù)、攝影測量與遙感技術(shù)、測繪地理信息技術(shù)和地籍不動產(chǎn)測繪技術(shù)等5個虛擬仿真應(yīng)用課程群，并且正在致力打造高水平測繪地理信息專業(yè)群虛擬仿真綜合實訓(xùn)基地。以其鮮明的實時計算、可視化、模擬與仿真、動態(tài)交互等技術(shù)特色，對難以表達的、無法到達的測繪地理現(xiàn)象、測繪工程問題等開展數(shù)字仿真模擬、動態(tài)監(jiān)測與預(yù)報預(yù)測。其中基于攝影測量與遙感技術(shù)課程群，以無人機測繪相關(guān)教學(xué)內(nèi)容為核心，構(gòu)建集“3個中心、8個系統(tǒng)、N種功能”于一體的無人機測繪虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)平臺，從而形成“1+3+8+N”的多層、多元應(yīng)用框架體系，如圖1所示。

平臺以“學(xué)生為本、面向需求、聚類統(tǒng)籌、協(xié)同創(chuàng)新”為建設(shè)思路，以三教改革和打造優(yōu)質(zhì)、實用、創(chuàng)新的實訓(xùn)教學(xué)資源為落腳點，產(chǎn)、學(xué)、研協(xié)同發(fā)展，創(chuàng)新無人機測繪虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)團隊，利用VR、多媒體、AI、5G、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)等先進電子信息技術(shù)，構(gòu)建可共享的無人機測繪VR實訓(xùn)場景，針對具有“三高、三難”屬性的實訓(xùn)項目進行仿真操作。深入貫徹協(xié)同創(chuàng)新精神，切實落地產(chǎn)教融合模式，確立“政-行-校-企”四方融合與協(xié)作的互聯(lián)互通互動，支持平臺與數(shù)據(jù)的共建共管共享，實現(xiàn)仿真素材與資源的開發(fā)開放，達成人才培養(yǎng)與輸出的持續(xù)持久持優(yōu)。

2.2 平臺的功能

無人機測繪虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)平臺由教學(xué)管理、研創(chuàng)體驗和技能認(rèn)證與競賽3個分中心構(gòu)成。

教學(xué)管理分中心是平臺的核心部分，包含實訓(xùn)教學(xué)、信息管理和資源管理3個子系統(tǒng)，該中心主要為虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)過程提供各類服務(wù)與保障功能。實訓(xùn)教學(xué)子系統(tǒng)起到虛擬課堂的作用，貫穿應(yīng)用于整個閉環(huán)教學(xué)過程，包括課前、課中、課后在內(nèi)的所有教學(xué)環(huán)節(jié)均在該子系統(tǒng)中完成并形成記錄；信息管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對校、企、生三方信息及其在使用教學(xué)系統(tǒng)時生成的靜態(tài)、動態(tài)教學(xué)信息進行統(tǒng)計、存儲、組織、管理、分析、查詢與輸出，該子系統(tǒng)針對不同身份或級別的用戶設(shè)置權(quán)限，為教學(xué)評價與診改提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障；資源管理子系統(tǒng)則針對教學(xué)中用到的仿真軟件、仿真素材及仿真設(shè)備等進行動態(tài)管理、更新與維護，確保相關(guān)資源的順利調(diào)用，為虛擬仿真實訓(xùn)課堂的正常運行保駕護航。

圖1 “1平臺-3中心-8系統(tǒng)-多功能”框架結(jié)構(gòu)

研創(chuàng)體驗分中心由科研創(chuàng)新和操控體驗兩個子系統(tǒng)組成?？蒲袆?chuàng)新子系統(tǒng)以大學(xué)生創(chuàng)客空間、大師工作室，以及各類工程研究實驗室為科創(chuàng)媒介，在“政—?！蟆小鄙疃热诤匣A(chǔ)上，結(jié)合無人機測繪實訓(xùn)課程實際開展情況，實施需求分析、市場調(diào)研、資源開發(fā)、成效評估，不斷推陳出新，升級產(chǎn)品，助力虛擬仿真平臺、軟件、資源的創(chuàng)新性、先進性和適應(yīng)性始終保持在較高水平。操控體驗子系統(tǒng)作為窗口系統(tǒng)同時為教學(xué)第二課堂、企業(yè)員工培訓(xùn)及社會服務(wù)等多個端口開放，通過讓不同身份用戶與虛擬仿真平臺的交互，實現(xiàn)互利共贏的良性發(fā)展態(tài)勢。

技能認(rèn)證與競賽分中心包含1+X技能認(rèn)證子系統(tǒng)、AOPA資格認(rèn)證子系統(tǒng)和技能大賽培訓(xùn)子系統(tǒng)，主要功能是進行與無人機測繪技術(shù)專業(yè)密切相關(guān)的職業(yè)技能認(rèn)證及各類學(xué)生技能競賽的考培和訓(xùn)練工作。為盡可能保持學(xué)生在本專業(yè)領(lǐng)域的活躍程度與核心競爭力的提升，轉(zhuǎn)戰(zhàn)虛擬賽道從某種意義上達到了“曲線救國”的目的，既能幫助學(xué)生在不受條件限制的情況下不間斷地訓(xùn)練技能，還可為優(yōu)秀學(xué)員提供參與資格認(rèn)證與虛擬仿真技能競賽的機會。

3 基于虛擬仿真的無人機測繪實訓(xùn)教學(xué)模式改革

3.1 融合CBE、OBE的虛擬仿真教學(xué)理念

CBE(Competence-based Education)教育模式基于具體工作崗位的職責(zé)要求，強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生包括專業(yè)能力、方法能力和社會能力在內(nèi)的職業(yè)勝任力，屬于能力導(dǎo)向培養(yǎng)；OBE(Outcome-based Education)教育模式基于學(xué)習(xí)過程，產(chǎn)出學(xué)習(xí)成果，注重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的綜合素質(zhì)，屬于成果導(dǎo)向培養(yǎng)。作為引進于西方的教育理念，CBE和OBE特點鮮明，各有長短，應(yīng)相互借鑒，融合互利，從而加速教育理念轉(zhuǎn)變，推動教育模式完善，推進應(yīng)用型教育的改革創(chuàng)新[10]。

融合持續(xù)改進的CBE和OBE教育理念，以學(xué)生為本，從提升職業(yè)適應(yīng)性和勝任力出發(fā)，重組虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)模式，重建客觀、合理、規(guī)范、綜合的虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)考核評價體系，有助于充分體現(xiàn)和發(fā)揮虛擬仿真平臺輔助實訓(xùn)教學(xué)的初衷和價值。根據(jù)相關(guān)專業(yè)能力、方法能力、社會能力，以及學(xué)習(xí)成果類型的差異性，因地制宜、因材施教，制定基于虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)平臺的閉環(huán)教學(xué)設(shè)計，旨在全面提升學(xué)生核心競爭力，從而促進教學(xué)目標(biāo)的達成。

3.2 無人機測繪虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)體系設(shè)計

課堂始終是高校教育教學(xué)主陣地，實訓(xùn)課又在高職教學(xué)中占據(jù)50%以上的比重。筆者團隊經(jīng)多年實訓(xùn)教學(xué)實踐，總結(jié)了一套“多層次、系統(tǒng)化、研究型、共享式”無人機測繪虛擬仿真實訓(xùn)“閉環(huán)教學(xué)體系”，可行而有效地培養(yǎng)并提升學(xué)生綜合實踐能力和創(chuàng)新能力，如圖2所示。

圖2 基于虛擬仿真的閉環(huán)實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計

與以往單純的VR技術(shù)進課堂模式相比，基于虛擬仿真平臺的閉環(huán)實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計更能體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，并充分挖掘VR價值、發(fā)揮VR作用，將完整的課堂與VR平臺融為一體，即實現(xiàn)在VR中上課，課上用VR的效果。

3.3 實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

現(xiàn)階段對于無人機測繪技術(shù)實訓(xùn)課而言，為讓學(xué)生習(xí)得高水平技能，實景下的真機訓(xùn)練不可或缺。采用虛實結(jié)合模式授課，即在實戰(zhàn)前先行開展虛擬仿真訓(xùn)練，可有效彌補傳統(tǒng)實訓(xùn)中設(shè)備昂貴數(shù)量少、損毀率高、天氣場地受限、訓(xùn)練排隊等待時間長等弊端，看似增加了教學(xué)環(huán)節(jié)，實為實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)之捷徑。具體教學(xué)內(nèi)容見表1。

表1 無人機測繪技術(shù)虛實結(jié)合實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容

3.4 教學(xué)成效

自融合虛擬仿真技術(shù)以來，筆者教學(xué)團隊通過不斷探索、試驗和改進，相關(guān)教學(xué)體系已逐漸趨于成熟，并初現(xiàn)成效。經(jīng)對2020—2022三屆學(xué)生“無人機測繪技術(shù)”實訓(xùn)教學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，相較于傳統(tǒng)模式，虛實結(jié)合混合式教學(xué)在以下方面有明顯改善，見表2。

表2 無人機測繪技術(shù)實訓(xùn)課虛實結(jié)合授課成效

4 結(jié)語

實踐數(shù)據(jù)表明，采用基于虛擬仿真的無人機測繪實訓(xùn)教學(xué)模式使得儀器損壞率和維修成本極大降低，學(xué)生因排隊等候儀器的無效時間大幅縮減，提高了課堂效率，學(xué)生考核通過率和優(yōu)秀率上漲顯著，尤其是不太擅長操作無人機的女生成績得到了極大提升，授課連貫性和大綱完成度得到有效保障，相關(guān)職業(yè)資格證書獲取量明顯增加，學(xué)習(xí)綜合成效優(yōu)化顯著。另外，虛擬仿真與實訓(xùn)課程的無縫融合，降低了開課門檻，只要有網(wǎng)絡(luò)有電腦，即可開展教學(xué)活動，同時還可間接助力學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、想象力、創(chuàng)造力，以及電子信息設(shè)備應(yīng)用能力的提高，一定意義上實現(xiàn)了學(xué)生技能水平及綜合素質(zhì)的提升，加速高職無人機測繪技術(shù)專業(yè)人才的提質(zhì)培優(yōu)進程。