無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)課程混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

摘 要 無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)課程是一門(mén)理論性和實(shí)踐性均較強(qiáng)的學(xué)科交叉型測(cè)繪專(zhuān)業(yè)課程，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式難以滿足無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)人才培養(yǎng)需求。文章基于“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，利用快速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式，對(duì)解決無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)傳統(tǒng)教學(xué)模式下的諸多問(wèn)題具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，也為測(cè)繪學(xué)類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)的教學(xué)改革提供借鑒。

關(guān)鍵詞 無(wú)人機(jī)測(cè)繪；混合式教學(xué)；虛擬仿真；教學(xué)模式

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.23.037

Exploration of Hybrid Virtual Simulation Experiment Teaching Mode for

UAV Surveying and Mapping Technology Course

XU Jun1， HE Yanjun2， WU Bin1

（1. School of Natural Resources and Surveying， Nanning Normal University， Nanning， Guangxi 530001;

2. Key Laboratory of Environment Change and Resources Use in Beibu Gulf， Ministry of Education，

Nanning Normal University， Nanning， Guangxi 530001）

Abstract The course of UAV surveying and mapping technology is a highly theoretical and practical interdisciplinary surveying and mapping professional course， and the traditional experimental teaching mode is difficult to meet the requirements of talent cultivation for UAV surveying and mapping technology. Based on the learning characteristics of students in the \"Internet plus\" era and the rapidly developing and widely used virtual reality technology， this paper proposes to build a blended virtual simulation experiment teaching mode， which has a strong practical significance for solving many problems under the traditional teaching mode of UAV surveying and mapping technology， and also provides a reference for the teaching reform of surveying and mapping undergraduate majors.

Keywords UAV surveying and mapping; blended teaching; virtual simulation; teaching model

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測(cè)繪、自然資源、智慧城市、應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域，掌握無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的專(zhuān)業(yè)人才也受到各行業(yè)廣泛的青睞。無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)人才需求量急劇增大，高校需要緊跟行業(yè)發(fā)展對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)人才的需求，推進(jìn)測(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)課程改革，及時(shí)調(diào)整測(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案，培養(yǎng)與行業(yè)需求相匹配的無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)優(yōu)秀人才[1]。為培養(yǎng)符合行業(yè)發(fā)展需求的優(yōu)秀無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)人才，南寧師范大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我?！保闇y(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)了無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)課程，購(gòu)置了用于教學(xué)的無(wú)人機(jī)，并組建了專(zhuān)業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)。由于無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)涉及多學(xué)科融合，技術(shù)綜合性強(qiáng)，要求任課教師既要有跨學(xué)科的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，也要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)案例。另外，由于無(wú)人機(jī)設(shè)備成本較高，無(wú)人機(jī)飛行訓(xùn)練環(huán)境要求嚴(yán)格，且存在無(wú)人機(jī)操縱不規(guī)范或應(yīng)急處置不及時(shí)導(dǎo)致的人身及財(cái)產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)教學(xué)模式難以滿足線下實(shí)驗(yàn)需求[2]。

本文參照測(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)課程設(shè)置計(jì)劃，根據(jù)測(cè)繪行業(yè)對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)人才的能力要求修訂課程教學(xué)大綱，融合無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建線上線下課程學(xué)習(xí)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)平臺(tái)，將跨學(xué)科專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)內(nèi)容放到在線學(xué)習(xí)平臺(tái)的線上學(xué)習(xí)部分，將部分受無(wú)人機(jī)設(shè)備類(lèi)型數(shù)量和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地所限的實(shí)驗(yàn)放到學(xué)習(xí)平臺(tái)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)部分，建立無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程[3]。學(xué)生利用線上實(shí)驗(yàn)課程資源，不受時(shí)空條件限制地進(jìn)行無(wú)人機(jī)測(cè)繪虛擬仿真學(xué)習(xí)與實(shí)訓(xùn)，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高了學(xué)習(xí)興趣，也有效提升了無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

1" 混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1.1" 混合式教學(xué)

對(duì)于成長(zhǎng)在數(shù)字時(shí)代的學(xué)生而言，傳統(tǒng)的學(xué)校面對(duì)面單向傳輸式現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)模式已經(jīng)無(wú)法滿足其學(xué)習(xí)需求。未來(lái)，學(xué)校教學(xué)組織的主要方式將會(huì)是融合傳統(tǒng)課堂現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)優(yōu)勢(shì)的混合式教學(xué)[4]?；旌鲜浇虒W(xué)是將傳統(tǒng)課堂教學(xué)的特點(diǎn)與線上教學(xué)有機(jī)結(jié)合、深度融合的教學(xué)模式。在該教學(xué)模式下，課程教學(xué)突出學(xué)生的教學(xué)主體及核心地位，學(xué)生可以在探究式學(xué)習(xí)中積極地觀察問(wèn)題、分析問(wèn)題并解決問(wèn)題[5]。這種學(xué)習(xí)方式不僅促進(jìn)了學(xué)生和教師之間的教學(xué)交流互動(dòng)，同時(shí)也讓教師不受時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的課堂組織者和實(shí)施者到教學(xué)活動(dòng)的引導(dǎo)者和協(xié)作者的角色轉(zhuǎn)換。在信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)下，現(xiàn)代教育改革也朝著混合式教學(xué)模式改革和方法創(chuàng)新的新趨勢(shì)前進(jìn)，為無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)課程的教學(xué)改革提供了新的機(jī)遇[6]。

1.2" 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

為實(shí)現(xiàn)高等教育高質(zhì)量發(fā)展和全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，教育部深化本科教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，推進(jìn)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合信息技術(shù)，使得示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在全國(guó)范圍內(nèi)展開(kāi)[7]。虛擬仿真技術(shù)利用計(jì)算機(jī)設(shè)備和相關(guān)軟件系統(tǒng)構(gòu)建虛擬的三維環(huán)境，以模擬現(xiàn)實(shí)世界。由于虛擬仿真技術(shù)具有交互性、沉浸性、逼真性和虛幻性等特點(diǎn)，在一些對(duì)實(shí)際操作技能要求較高的工科專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)中被廣泛應(yīng)用，其獨(dú)特的作用逐漸得到展現(xiàn)[8]。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以改善實(shí)踐教學(xué)的時(shí)空局限和設(shè)備局限，將無(wú)人機(jī)測(cè)繪過(guò)程可視化，完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法進(jìn)行的精細(xì)化課堂教學(xué)，能有效解決當(dāng)前人才培養(yǎng)中實(shí)踐與理論脫鉤的問(wèn)題。

2" 無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

2.1" 教學(xué)架構(gòu)

本文提出的混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是結(jié)合混合式教學(xué)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種新型教學(xué)模式，該模式以課程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以學(xué)習(xí)平臺(tái)為核心，面向教師和學(xué)生，教學(xué)架構(gòu)如圖1所示。學(xué)習(xí)平臺(tái)前端為教師提供多種教學(xué)手段，也為學(xué)生提供多種學(xué)習(xí)途徑，為線下課堂和線上課堂兩個(gè)部分。學(xué)習(xí)平臺(tái)后端利用建立學(xué)生學(xué)習(xí)的大數(shù)據(jù)分析模型，綜合分析學(xué)生掌握無(wú)人機(jī)測(cè)繪的程度，科學(xué)評(píng)定學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和學(xué)業(yè)水平，是基于人工智能構(gòu)建的過(guò)程跟蹤式學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)[9-10]。

2.2" 教學(xué)內(nèi)容

線下課堂中包含傳統(tǒng)的線下教室、無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和無(wú)人機(jī)測(cè)繪實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地。線下課程學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括無(wú)人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)（組成、特點(diǎn)）、無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量原理（垂直、傾斜、貼近）等測(cè)繪專(zhuān)業(yè)內(nèi)容。無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括無(wú)人機(jī)模擬飛行、無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理。無(wú)人機(jī)測(cè)繪實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括無(wú)人機(jī)航攝飛行安全操控、無(wú)人機(jī)測(cè)繪綜合實(shí)習(xí)。

線上課堂中包含虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和在線課程平臺(tái)，用于實(shí)施實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練和在線課程教學(xué)，學(xué)生可以在這個(gè)線上課堂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和課程的預(yù)習(xí)、鞏固和測(cè)試。線上課程學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)（定義、分類(lèi)、組成、特點(diǎn)）、無(wú)人機(jī)飛行原理（飛行環(huán)境、翼型、空氣動(dòng)力學(xué)）、航空飛行知識(shí)（法律法規(guī)、駕駛執(zhí)照）、無(wú)人機(jī)測(cè)繪過(guò)程（垂直、傾斜、貼近）。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括無(wú)人機(jī)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)和無(wú)人機(jī)操作實(shí)驗(yàn)，其中，無(wú)人機(jī)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)主要包括無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)、無(wú)人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)組成、起降場(chǎng)地選取、航攝數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、測(cè)繪任務(wù)航線設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)。無(wú)人機(jī)操作實(shí)驗(yàn)主要包括儀器設(shè)備選取、地面像控測(cè)量、無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)、無(wú)人機(jī)航攝影像采集、無(wú)人機(jī)垂直攝影、無(wú)人機(jī)傾斜攝影、無(wú)人機(jī)貼近攝影、異常狀況操作訓(xùn)練等實(shí)驗(yàn)。

3" 混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

以無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)課程的傾斜攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為例，混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式主要包括以下5個(gè)環(huán)節(jié)：

3.1" 線上學(xué)生預(yù)習(xí)

在線上，學(xué)生通過(guò)線上課程平臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)，通過(guò)學(xué)習(xí)教學(xué)課件和觀看教學(xué)視頻預(yù)習(xí)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量知識(shí)，并通過(guò)線上課程平臺(tái)提供的知識(shí)測(cè)驗(yàn)功能在線檢驗(yàn)學(xué)生的線上學(xué)習(xí)效果。

3.2" 線下教師教學(xué)

在線下，教師在傳統(tǒng)教室中進(jìn)行課程教學(xué)，通過(guò)面對(duì)面講授、互動(dòng)、提問(wèn)等各種常規(guī)教學(xué)環(huán)節(jié)，解答學(xué)生在線上預(yù)習(xí)過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題，重點(diǎn)關(guān)注無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的原理、技術(shù)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)。

3.3" 線上虛擬實(shí)驗(yàn)

學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)觀看視頻動(dòng)畫(huà)，了解無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的過(guò)程和要求，熟悉測(cè)區(qū)的地形、地貌、風(fēng)力、風(fēng)向、空氣濕度等飛行環(huán)境特點(diǎn)，通過(guò)虛擬仿真訓(xùn)練掌握實(shí)驗(yàn)步驟和關(guān)鍵操作。

3.4" 線下實(shí)操訓(xùn)練

在現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練場(chǎng)景，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下操作無(wú)人機(jī)，進(jìn)行測(cè)繪航線規(guī)劃和航攝飛行，完成無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量過(guò)程。

3.5" 教學(xué)評(píng)價(jià)反饋

采用過(guò)程跟蹤式的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，收集學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間、測(cè)試成果、實(shí)驗(yàn)誤操作情況等數(shù)據(jù)，根據(jù)學(xué)生在前面幾個(gè)階段的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和訓(xùn)練成果，對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行綜合評(píng)定。

4" 總結(jié)與展望

無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)課程目前已在高校中廣泛開(kāi)設(shè)，并成為一門(mén)新興的測(cè)繪技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程，結(jié)合混合式教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，創(chuàng)新混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改傳統(tǒng)的被動(dòng)式學(xué)習(xí)為積極自主式學(xué)習(xí)，將課堂從現(xiàn)實(shí)世界延伸至網(wǎng)絡(luò)世界，可發(fā)揮各類(lèi)教學(xué)手段的優(yōu)勢(shì)，提高測(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，為高校工科專(zhuān)業(yè)的教學(xué)改革提供實(shí)踐參考。

*通信作者：何燕君

基金項(xiàng)目：南寧師范大學(xué)本科教學(xué)改革項(xiàng)目“《無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)》課程混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐”（2023JGX047）；南寧師范大學(xué)校級(jí)課程思政示范課程建設(shè)項(xiàng)目“無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)”（19）；廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“自然資源融合模式促進(jìn)鄉(xiāng)村振興發(fā)展研究”（2021KY0402）。

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