一流課程背景下“三維激光掃描”課程建設(shè)路徑探索

李峰 劉軍 王秋玲 張曉博 劉文龍 王果

摘?要：以一流課程建設(shè)為契機(jī)，為適應(yīng)新工科建設(shè)的要求，以提升課程教學(xué)效果為目的，力圖增加“三維激光掃描”課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。結(jié)合課程的現(xiàn)狀和重點(diǎn)問題，瞄準(zhǔn)課程建設(shè)的知識(shí)、能力、素質(zhì)和育人目標(biāo)，從教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)模式重構(gòu)、思政元素融入、全過程考核評(píng)價(jià)機(jī)制等方面探索了“三維激光掃描”一流課程的建設(shè)路徑，總結(jié)了課程建設(shè)的成效與經(jīng)驗(yàn)，提升了學(xué)生的創(chuàng)新、實(shí)踐和協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞：一流課程建設(shè)；新工科；“三維激光掃描”課程；課程建設(shè)路徑

為了應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的需要，教育部相繼出臺(tái)了多項(xiàng)有關(guān)提升高等教育教學(xué)質(zhì)量的文件、意見和政策。2016年6月，我國(guó)正式成為《華盛頓協(xié)議》的會(huì)員，我國(guó)工程教育認(rèn)證的結(jié)果將被其他17個(gè)正式成員國(guó)認(rèn)可［1］。2017年，以“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”為序曲，揭開了我國(guó)新工科建設(shè)的帷幕［2］。2018年，教育部首批認(rèn)定612個(gè)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目，以互聯(lián)網(wǎng)和人工智能為核心，通過培養(yǎng)新興領(lǐng)域工程科技人才，改造升級(jí)傳統(tǒng)工科專業(yè)，探索建立“新工科”建設(shè)的新理念、新標(biāo)準(zhǔn)、新模式，開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、構(gòu)建工程實(shí)踐教育創(chuàng)新體系［34］。2019年，教育部印發(fā)了《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》，意見要求樹立課程建設(shè)新理念，把“立德樹人成效”作為檢驗(yàn)高校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)，深入挖掘各類課程中蘊(yùn)含的思政元素，推進(jìn)課程改革創(chuàng)新，實(shí)施科學(xué)課程評(píng)價(jià)，通過一流本科課程“雙萬計(jì)劃”全面開展一流本科課程建設(shè)［5］。

課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程建設(shè)的質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)的質(zhì)量。傳統(tǒng)滿堂灌式的教學(xué)方法屬于一種單向知識(shí)傳遞的教學(xué)方式，教學(xué)形式單一僵化，產(chǎn)出導(dǎo)向不明，忽視了學(xué)生能力素質(zhì)的培養(yǎng)。一流課程建設(shè)是全面振興本科教育，是實(shí)現(xiàn)新時(shí)代高等教育內(nèi)涵式發(fā)展的重要舉措［6］。一流課程建設(shè)的實(shí)施對(duì)于突出課程內(nèi)容的廣度和深度，培養(yǎng)大學(xué)生解決復(fù)雜問題的高級(jí)思維，推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)施探究式與個(gè)性化學(xué)習(xí)，建立多樣化過程考核評(píng)價(jià)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的滿足感和成就感具有重要意義。

1?“三維激光掃描”課程的現(xiàn)狀與擬解決的重點(diǎn)問題

“三維激光掃描”課程主要源于1998年的激光掃描技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)出現(xiàn)僅有25年，該課程也只有10年的發(fā)展歷史。這種情況間接導(dǎo)致了市面上的教材較少且全面介紹激光掃描技術(shù)的教學(xué)材料匱乏。該課程的先修課程為“計(jì)算機(jī)視覺與模式識(shí)別”“計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)”“誤差理論與測(cè)量平差”“地理信息系統(tǒng)”，測(cè)繪地理信息類課程較少，尚無后續(xù)銜接課程。由于激光掃描技術(shù)在不斷發(fā)展進(jìn)步，因此，課程的內(nèi)容并未完全成形固定，部分內(nèi)容正在逐步更新和完善。根據(jù)課程的現(xiàn)狀和一流課程建設(shè)的要求，分析總結(jié)出以下三點(diǎn)課程建設(shè)的重點(diǎn)問題：

1.1?教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容如何適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)對(duì)人才培養(yǎng)的需求

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、5G、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的到來，為適應(yīng)未來新基建、新形勢(shì)下產(chǎn)業(yè)培育的要求，持續(xù)推動(dòng)新工科建設(shè)，培養(yǎng)造就多樣化、創(chuàng)新型新工科人才，助力實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)，從而支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。在此種背景下，如何改進(jìn)課程教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，有機(jī)嵌入新工科的內(nèi)容尚需深入研究。

1.2?如何破解教與學(xué)的難題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力

在“兩性一度”教學(xué)理念的指引下，如何將教學(xué)從教的范式向?qū)W的范式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，重視學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的獲得感和滿足感。適應(yīng)數(shù)字化和智能化時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)，通過適當(dāng)合理的途徑融入新科技完成傳統(tǒng)知識(shí)體系的升級(jí)改造，引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，將被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)。

1.3?如何有機(jī)融合專業(yè)知識(shí)與思政元素，實(shí)現(xiàn)課程的價(jià)值引領(lǐng)作用

從國(guó)家新時(shí)代戰(zhàn)略發(fā)展的需求出發(fā)，讓大學(xué)教育回歸育人的本質(zhì)，以價(jià)值引領(lǐng)為導(dǎo)向，深入挖掘思政教育中的德育元素和育人功能，在各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)自然地融入“課程思政”要點(diǎn)，將課程知識(shí)架構(gòu)轉(zhuǎn)化為鮮活的思政德育體系，這是進(jìn)一步落實(shí)黨和國(guó)家立德樹人根本任務(wù)和思想政治教育方針的重要表現(xiàn)［7］。

2?課程的建設(shè)目標(biāo)

圍繞應(yīng)用型本科院校的辦學(xué)定位，秉承“專業(yè)教育+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育”雙軌融合并進(jìn)的方式，開展課程的實(shí)踐創(chuàng)新教育教學(xué)，力圖培養(yǎng)能在測(cè)繪工程、GIS領(lǐng)域從事城市設(shè)計(jì)、施工、建模、空間分析等工作的應(yīng)用型專業(yè)和管理人才，制訂如下課程目標(biāo)：

2.1?知識(shí)目標(biāo)

了解三維激光掃描的理論前沿和最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，理解三維激光掃描的基本原理和基本方法，熟悉三維激光掃描建模的原理和激光掃描儀的檢定方法，掌握激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的方法和激光點(diǎn)云三維建模的基本方法。

2.2?能力目標(biāo)

具備較強(qiáng)的激光點(diǎn)云三維建模、三維地理信息空間分析和虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)的實(shí)踐應(yīng)用技能，為學(xué)生今后從事城市建設(shè)領(lǐng)域的規(guī)劃設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、立體展示奠定基礎(chǔ)。

2.3?素質(zhì)目標(biāo)

具備主動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣和能力，具有高度的社會(huì)責(zé)任感、溝通表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神［8］。

2.4?育人目標(biāo)

在課程教學(xué)過程中將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與思政內(nèi)容有機(jī)融合，引導(dǎo)學(xué)生自覺傳承和弘揚(yáng)中華優(yōu)秀文化，感悟并傳續(xù)紅色血脈，全面增強(qiáng)學(xué)生的人文素養(yǎng)和文化自信。

3?課程建設(shè)的路徑

3.1?課程內(nèi)容優(yōu)化

測(cè)繪地理信息與多學(xué)科交叉融合已漸成趨勢(shì)，秉承應(yīng)用型本科院校的辦學(xué)定位，聚焦未來新基建、新形勢(shì)下產(chǎn)業(yè)培育的要求，積極推動(dòng)三維激光掃描、無人機(jī)與智慧城市等新技術(shù)的深度融合，摒棄一些繁、難、偏、舊的內(nèi)容，深度挖掘基礎(chǔ)性和應(yīng)用性的教學(xué)內(nèi)容。在實(shí)踐教學(xué)方面，對(duì)接行業(yè)需求和工程技術(shù)的要求，按照“低階—中階—高階”的順序建立層次遞進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。優(yōu)化后的課程教學(xué)內(nèi)容主要包括：激光掃描儀的組成和原理；激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法；主流三維激光掃描儀及建模軟件；激光點(diǎn)云的3D建模與紋理映射原理；激光掃描儀的檢定；移動(dòng)式激光掃描技術(shù)；激光掃描在地形建模、滑坡監(jiān)測(cè)、震害建筑物識(shí)別等領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.2?教學(xué)模式重構(gòu)

為扭轉(zhuǎn)學(xué)生被動(dòng)接受教師單方面的灌輸和傳授知識(shí)的困局，我們?cè)O(shè)計(jì)了本課程基于現(xiàn)代信息技術(shù)且面向創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的混合式教學(xué)模式，如下圖所示。在教學(xué)方法方面，通過專題導(dǎo)學(xué)設(shè)計(jì)、課程案例驅(qū)動(dòng)、課堂互動(dòng)討論、課下任務(wù)布置環(huán)節(jié)訓(xùn)練學(xué)生邏輯思維，促進(jìn)掌握理論內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生自主探究問題的學(xué)習(xí)興趣。具體組織實(shí)施如下：（1）課前通過任務(wù)清單、思維導(dǎo)圖和慕課視頻進(jìn)行課前專題導(dǎo)學(xué)；（2）課中將工程案例貫穿課程當(dāng)中，講解課程重點(diǎn)、難點(diǎn)，講授理論知識(shí)和數(shù)據(jù)處理流程；（3）課下布置作業(yè)、思考題和小組報(bào)告的形式來強(qiáng)化課上所學(xué)。（4）構(gòu)建理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和綜合素質(zhì)相結(jié)合的“三位一體”的“三維激光掃描”課程體系，采用“知識(shí)培養(yǎng)模塊”“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)K”“設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)?zāi)K”“綜合性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練模塊”的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的創(chuàng)新實(shí)踐能力［9］。以知識(shí)應(yīng)用為導(dǎo)向，通過感知性的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握激光掃描儀、無人機(jī)的基本操作方法；利用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生掌握三維建模和虛擬現(xiàn)實(shí)制作技術(shù)；通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的三維建?；A(chǔ)和三維空間分析能力；通過綜合性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力；通過學(xué)科競(jìng)賽和產(chǎn)學(xué)研合作模塊培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

面向創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的混合式教學(xué)模式圖

3.3?思政元素與專業(yè)知識(shí)的融合

深挖思政案例，融入課程教學(xué)的過程中，突出測(cè)繪工程師責(zé)任擔(dān)當(dāng)、家國(guó)情懷和大國(guó)工匠精神，推動(dòng)思想政治和專業(yè)教育的緊密結(jié)合：（1）將國(guó)產(chǎn)激光掃描儀、無人機(jī)和測(cè)繪原理方法的發(fā)展歷史作為課程思政的現(xiàn)實(shí)素材；（2）充分展示激光掃描和無人機(jī)技術(shù)構(gòu)建美麗中國(guó)中取得的巨大成就；（3）選擇革命遺址、歷史文物制作虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，讓學(xué)生在三維沉浸式體驗(yàn)中，感悟紅色歷史和傳統(tǒng)文化，傳續(xù)紅色血脈，堅(jiān)定文化自信。

3.4?過程性綜合評(píng)價(jià)方法

通過自評(píng)、互評(píng)、教師評(píng)價(jià)和企業(yè)專家評(píng)價(jià)的方式實(shí)現(xiàn)4個(gè)維度的過程性評(píng)價(jià)，從基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)3個(gè)層次完成學(xué)習(xí)內(nèi)容的過程考核，構(gòu)建多層次多維度的教學(xué)評(píng)價(jià)模式。從基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維3個(gè)方面綜合評(píng)定課程成績(jī)，其中課堂表現(xiàn)占5%，期中測(cè)驗(yàn)占10%、儀器操作占10%、小組討論占5%、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰φ?0%、期末測(cè)驗(yàn)占40%、綜合實(shí)踐占10%（開放實(shí)驗(yàn)或?qū)W科競(jìng)賽或大創(chuàng)項(xiàng)目或校企合作獲獎(jiǎng)、工作表現(xiàn)等）。

3.5?課程建設(shè)效果

3.5.1?評(píng)教結(jié)果優(yōu)良，教學(xué)效果增強(qiáng)

課程的評(píng)價(jià)包括課程組自評(píng)和他評(píng)。課程組自評(píng)是指在整個(gè)教學(xué)過程中，引入PDCA（計(jì)劃、執(zhí)行、檢查、處理）管理循環(huán)的方法，參照各環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)課程的目標(biāo)達(dá)成度，總結(jié)教學(xué)實(shí)施中的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并集體討論制定改進(jìn)的措施和方案，監(jiān)測(cè)課程的質(zhì)量情況。向?qū)W生發(fā)放課程調(diào)查問卷，進(jìn)行學(xué)情分析，匯總分析問題，提出持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)方案，不斷推進(jìn)課程建設(shè)的質(zhì)量。課程的他評(píng)包括學(xué)校/學(xué)院督導(dǎo)的聽課評(píng)價(jià)、教務(wù)處在期末組織的學(xué)生問卷調(diào)查、學(xué)校組織的學(xué)生網(wǎng)評(píng)、教務(wù)處組織的期末學(xué)生反饋等。近5年學(xué)生評(píng)教結(jié)果均為良好以上，課程組集體分析各類評(píng)教結(jié)果，制定改進(jìn)措施，持續(xù)提升教學(xué)效果。

3.5.2?一流課程建設(shè)成效

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育成效顯著，基于“三維激光掃描”課程的雙創(chuàng)教育覆蓋面大、參與度高?；谡n程思政實(shí)踐教學(xué)的啟發(fā)，涌現(xiàn)出一大批大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的典型。依托本課程的指導(dǎo)，測(cè)繪專業(yè)學(xué)生在各類大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、挑戰(zhàn)杯、技能比賽中取得獲獎(jiǎng)?11項(xiàng)；依托本課程服務(wù)于地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)，師生共同完成“產(chǎn)學(xué)研”項(xiàng)目1項(xiàng)；指導(dǎo)學(xué)生第一作者發(fā)表論文2篇。教學(xué)相長(zhǎng)，課程組經(jīng)過10年的教學(xué)實(shí)踐沉淀，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，共同出版《三維激光掃描原理與應(yīng)用》教材1部，與兄弟院校合作出版《LiDAR原理及應(yīng)用》教材1部，該教材已在6所高校得到了推廣應(yīng)用；發(fā)表6篇教改論文，獲1項(xiàng)校級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)。課題組已經(jīng)指導(dǎo)本校和省外其他高校本科生畢業(yè)論文分別達(dá)到45項(xiàng)和2項(xiàng)，培養(yǎng)的專業(yè)畢業(yè)生在三維激光掃描、無人機(jī)和GIS行業(yè)正發(fā)揮著重要的作用。

結(jié)語

教育部大力推進(jìn)一流本科課程建設(shè)，目的是樹立課程建設(shè)新理念，推進(jìn)課程改革創(chuàng)新，通過深化課程改革構(gòu)建更高水平的人才培養(yǎng)體系?；谶@樣的一個(gè)改革背景，在“三維激光掃描”課程建設(shè)與實(shí)踐過程中，課程團(tuán)隊(duì)在以“學(xué)生為中心”的教育理念指導(dǎo)下，以“新工科”建設(shè)為引領(lǐng)，對(duì)接行業(yè)需求，建立以實(shí)踐知識(shí)為起點(diǎn)的培養(yǎng)模式，教學(xué)方法開始由教的范式向?qū)W的范式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，引入研討教學(xué)、案例教學(xué)和討論教學(xué)等多樣化手段，開展翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下答疑、作業(yè)布置、輔導(dǎo)反饋等教學(xué)設(shè)計(jì)，喚起學(xué)生的求知欲，提升人才培養(yǎng)的創(chuàng)新實(shí)踐能力，落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)。

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作者簡(jiǎn)介：李峰（1979—?），男，山東泰安人，博士，教授，主要從事測(cè)繪工程方面的教學(xué)工作。