摘要：信息化和智能化測繪時代對課程建設(shè)提出了新的改革要求，為了適應(yīng)信息化測繪對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，針對三維激光掃描實驗課程的現(xiàn)狀，在OBE理念下，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，采用PBL方法設(shè)計激光掃描實驗教學(xué)模式，并引入混合式全過程方式進(jìn)行實驗考核評價。該教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的興趣，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，切實提高了學(xué)生利用所學(xué)的激光掃描知識解決復(fù)雜工程問題的能力，滿足了信息化測繪時代利用新技術(shù)開展工程實踐能力的培養(yǎng)需求。

關(guān)鍵詞：OBE理念；PBL方法；激光掃描實驗；教學(xué)模式

中圖分類號：G64；P307文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

ResearchonLaserScanningExperimentTeaching

ModeBasedonOBEandPBLMethod

WangGuo*PanJiechenCaiQingkongYangFuqinZhangPanpan

InstituteofCivilEngineeringHenanUniversityofEngineeringHenanZhengzhou451191

Abstract：Theeraofinformatizationandintelligentsurveyingandmappinghasputforwardnewreformrequirementsforcourseconstruction.Inorderto meettheneedsofcultivatinginnovativetalentsinsurveyingandmappinginformatization，undertheOBEconcept，combinedwithvirtualsimulationtechnology，PBLmethodisusedtodesignexperimentalteachingmodeandahybridfullprocessexperimentalassessmentandevaluationmethodisintroduced.Thisteachingmodehasincreasedstudents'interestinautonomouslearning，unleashedtheirsubjectiveinitiative，andeffectivelyimprovedtheirabilitytousethelaserscanningknowledgetheyhavelearnedtosolvecomplexengineeringproblems.Theproposedteachingmethodmeetsthetrainingneedsofstudentsintheeraofinformationsurveyingandmappingusingnewtechnologiestocarryoutengineeringpractice.

Keywords：OBE；PBLmethod；experimentalcourseoflaserscanning；teachingmode

在信息化和智能化測繪時代，測繪新技術(shù)的不斷發(fā)展必將引起測繪教育教學(xué)方面的變革［1］。激光掃描作為一種新的三維測繪手段，在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用［23］。激光掃描課程在測繪人才培養(yǎng)中的地位也愈發(fā)重要，高校逐漸將該課程納入人才培養(yǎng)方案，并不斷加大課程師資與教學(xué)研究投入，具有逐步成為測繪類專業(yè)重點課程的趨勢［4］。當(dāng)前，激光掃描課程的理論教學(xué)部分由于近年來教材的推出和完善［56］，已形成較穩(wěn)定的教學(xué)內(nèi)容；實踐教學(xué)部分，通常以少量建筑為對象構(gòu)建三維模型［78］，教學(xué)內(nèi)容、時間均不充分。與傳統(tǒng)的測繪技術(shù)原理不同，作為新興課程，學(xué)生對激光點云數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)濾波、點云分類、分割等獲取及處理方面的理解相對困難［9］，降低了學(xué)習(xí)興趣和熱情，造成較差的教學(xué)結(jié)果。而隨著信息化、智能化測繪時代的到來，該課程已在創(chuàng)新人才培養(yǎng)、創(chuàng)新化實驗教學(xué)方面發(fā)揮越來越重要的作用［10］，相關(guān)專業(yè)學(xué)者對該課程的實驗教學(xué)模式已進(jìn)行了研究［4，11］，但總體上，該課程的實驗效果還不理想，教學(xué)模式和方法仍處于探索階段。本文在分析本課程開展實驗教學(xué)中存在問題的基礎(chǔ)上，基于OBE理念，采用PBL教學(xué)模式進(jìn)行激光掃描實驗教學(xué)模式探討。

1激光掃描課程教學(xué)存在的問題分析

1.1激光點云處理理論和方法相對滯后

激光掃描課程內(nèi)容涉及多門測繪學(xué)專業(yè)課，具有較強(qiáng)的綜合性、交叉性和專業(yè)性，在激光掃描數(shù)據(jù)獲取及處理過程中要求學(xué)生具有較強(qiáng)的知識內(nèi)化和重構(gòu)能力。經(jīng)過20多年的發(fā)展，激光掃描硬件設(shè)備已成熟和完善，但激光點云數(shù)據(jù)處理理論和方法相對滯后，仍處在不斷發(fā)展中，即使陸續(xù)有相應(yīng)的理論教材出版，但對實驗環(huán)節(jié)實踐創(chuàng)新能力課程的安排尚不充分。

1.2實驗儀器設(shè)備價格昂貴

激光掃描設(shè)備價格較高，而且涉及機(jī)載、地基、手持、車載、船載等多平臺的設(shè)備，即使只購置單一平臺的設(shè)備，也需要投入大量的資金，按照一臺設(shè)備一百萬元計算，加上后期點云處理軟件的投入，該課程至少需要投入千萬以上，這對大部分高校而言都難以承受，尤其是地方本科院校在辦學(xué)經(jīng)費不足的情況下更加困難，教師設(shè)計實驗多以演示和驗證型實驗為主，導(dǎo)致學(xué)生訓(xùn)練不足、知識和技能掌握不牢。

1.3實驗內(nèi)容多、難度大、危險性高

激光掃描實驗教學(xué)包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，以機(jī)載激光掃描為例，涉及GNSS相關(guān)知識、攝影測量知識、無人機(jī)飛行知識、傳感器集成解算知識、LiDAR點云處理知識等，涵蓋內(nèi)容多。外業(yè)數(shù)據(jù)采集實驗中，需要GNSS基準(zhǔn)站、無人機(jī)、激光掃描設(shè)備的安裝和操作，且具有一定的危險性，對操作要求較高，需要具備超視距或視距內(nèi)無人機(jī)駕駛員證書且具有一定的飛行經(jīng)驗，制約了學(xué)生的全過程參與。此外，實驗外場數(shù)據(jù)采集，需要有一定的操作場地，而針對高校所在的城市區(qū)域人員密集、存在飛行管制和場地限制問題，也在一定程度上制約了實際教學(xué)的開展。

1.4實驗教學(xué)方法有待進(jìn)一步改進(jìn)

傳統(tǒng)教學(xué)模式通常以教師為主導(dǎo)進(jìn)行填鴨式的講解和教學(xué)，忽略了實驗學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的主體地位，在學(xué)生獨立思考和解決問題能力的培養(yǎng)方面比較缺乏，十分不利于學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的激光掃描知識進(jìn)行實踐及創(chuàng)新的能力，迫切需要教師改進(jìn)實驗教學(xué)方法，結(jié)合工程實際進(jìn)行激光掃描實驗教學(xué)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的知識解決工程問題的能力。

2教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

成果導(dǎo)向教育（OutcomesbasedEduction，OBE）關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)出，將教育范式從“內(nèi)容為本”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生為本”，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，更加關(guān)注教學(xué)過程中的“學(xué)習(xí)成果”導(dǎo)向，于20世紀(jì)90年代，逐漸被西方國家在教育改革中采用。以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法（ProblemBasedLearning，PBL）是在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生圍繞實際問題或項目要求，通過問題解決的過程，對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實踐創(chuàng)新能力進(jìn)行培養(yǎng)。

為了提高激光掃描實驗課程的培養(yǎng)效果，本文以機(jī)載激光掃描實驗為例，在OBE理念下，通過PBL教學(xué)方法，以河南工程學(xué)院校園為項目區(qū)，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，開展基于項目式的激光掃描實驗教學(xué)模式設(shè)計，通過項目目標(biāo)分解、關(guān)鍵流程設(shè)計、結(jié)果分析、精度評價等步驟，讓學(xué)生在熟悉的校園場景中，親歷激光掃描項目外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和成果提交的完整項目過程，提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的激光掃描知識，解決項目問題的動手操作和實踐創(chuàng)新能力。

3教學(xué)模式設(shè)計

在激光掃描課程教學(xué)過程中，OBE理念結(jié)合PBL方法在一定程度上可以彌補(bǔ)和改善新興三維激光掃描課程實驗教學(xué)方面的不足，提升學(xué)生參與課堂和實踐的積極性及實踐動手能力，有利于學(xué)生將所學(xué)的激光掃描知識應(yīng)用于實際工程項目。OBE理念結(jié)合PBL方法的激光掃描課程實驗主要包括虛擬場景及虛擬仿真軟件的開發(fā)建設(shè)、OBE理念結(jié)合PBL方法的教學(xué)過程以及實驗考核方式的改革。

3.1虛擬場景及虛擬仿真軟件的開發(fā)建設(shè)

以河南工程學(xué)院校園為實驗場景，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建校園的真實三維模型，利用Unity3D設(shè)計相應(yīng)的虛擬仿真軟件并上線河南省高等學(xué)校虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺（https：//www.hnilab.com/#/project/detail？projectid=3b5b9265e1474d3e83880a2905342060），實現(xiàn)在真實的校園三維場景下，完成機(jī)載激光掃描的仿真測量。外業(yè)交互式操作的主要步驟包括選擇測區(qū)合適位置并架設(shè)PPK基準(zhǔn)站、接收機(jī)開機(jī)并設(shè)置模式、量取天線高、無人機(jī)部件認(rèn)識與組裝、設(shè)備（激光雷達(dá)、相機(jī)等）安裝與初始化、遙控器開機(jī)并與無人機(jī)連接、測區(qū)范圍選擇、飛行航線規(guī)劃及上傳無人機(jī)、遙控器控制及激光掃描數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)下載與傳輸、設(shè)備回收裝箱等。通過虛擬仿真技術(shù)，讓外業(yè)測量在虛擬場景中得以還原，學(xué)生可在熟悉的校園虛擬環(huán)境中完成機(jī)載激光掃描的數(shù)據(jù)獲取實驗，體驗從機(jī)載激光掃描基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、激光掃描設(shè)備認(rèn)知、無人機(jī)外業(yè)飛行、激光點云數(shù)據(jù)獲取、處理直至三維數(shù)據(jù)應(yīng)用的全過程。

3.2OBE理念結(jié)合PBL方法的教學(xué)過程

OBE理念結(jié)合PBL方法的激光掃描實驗課程教學(xué)過程包括：專題實驗導(dǎo)學(xué)→項目導(dǎo)入→課堂實操→任務(wù)布置等四個方面的內(nèi)容，如圖1所示，分別對應(yīng)完成課前預(yù)習(xí)、項目目標(biāo)、實踐能力培養(yǎng)和強(qiáng)化訓(xùn)練這四個目標(biāo)。在OBE理念的指引下，利用翻轉(zhuǎn)課堂模式的教學(xué)設(shè)計，課前教師將本次實驗用到的相關(guān)實驗網(wǎng)站、虛擬仿真軟件和數(shù)據(jù)處理軟件等通過線上教學(xué)系統(tǒng)分發(fā)給學(xué)生，結(jié)合導(dǎo)學(xué)問題和視頻，要求學(xué)生完成賬號的注冊、相關(guān)軟件的安裝，并線下開展實驗課前預(yù)習(xí)?；赑BL式教學(xué)方法，進(jìn)行實驗項目導(dǎo)入，以學(xué)生熟悉的校園場景為例，教師簡介項目的背景、項目目標(biāo)、項目所用到的激光掃描設(shè)備及相應(yīng)的處理軟件和數(shù)據(jù)處理流程。課堂實操部分，學(xué)生根據(jù)教師發(fā)布的項目目標(biāo)、錄制的實操視頻及軟件操作手冊，對項目所在的校園區(qū)域進(jìn)行無人機(jī)激光掃描數(shù)據(jù)獲取、處理和對應(yīng)產(chǎn)品的生成，并進(jìn)行互動答疑、開展討論，學(xué)生通過自主思考，搞清楚整個數(shù)據(jù)獲取及處理的全流程，自己動手操作，設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)處理方案，鍛煉學(xué)生利用所學(xué)的機(jī)載激光掃描知識完成具體項目的能力，加深對激光掃描理論知識的深入理解。學(xué)生在完成實操方案設(shè)計及操作和處理后，完成實驗報告的撰寫，并完成實驗測試，從而進(jìn)一步考核學(xué)生對實驗相關(guān)知識和內(nèi)容的理解及掌握程度，以便不斷地改進(jìn)實驗授課內(nèi)容和效果。

3.3實驗考核方式改革

成果導(dǎo)向教育的OBE理念注重過程學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)成果，因此，對激光掃描實驗課程的考核和評價應(yīng)避免以往卷面考試或者憑教師主觀印象打分等片面的評價方式，更加注重實驗學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)效果的考核評價。采用混合式考核評價方式，以客觀全面地評價學(xué)生參與激光掃描實驗的學(xué)習(xí)效果，實驗總成績=實驗操作及表現(xiàn)（35%）+實驗數(shù)據(jù)處理方案設(shè)計及實驗報告（35%）+實驗測試題（30%）。實驗操作及表現(xiàn)為學(xué)生參與實驗的情況，包括出勤、提出問題、解決問題的能力，在虛擬仿真軟件中設(shè)置相應(yīng)的考核點進(jìn)行評價，系統(tǒng)在外業(yè)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理中分別設(shè)置了影響數(shù)據(jù)結(jié)果的多個參數(shù)，不同參數(shù)變化產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)采集和處理方案，每位學(xué)生均需要參與無人機(jī)激光掃描知識問答、設(shè)備認(rèn)知、設(shè)計航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理部分的實驗。實驗數(shù)據(jù)處理方案設(shè)計及實驗報告部分，學(xué)生需要設(shè)計數(shù)據(jù)濾波方案、數(shù)字高程模型（DEM）生成方案、房屋矢量線劃圖（DLG）繪制方案，并生成無人機(jī)激光掃描數(shù)據(jù)產(chǎn)品，然后填寫實驗報告并上傳無人機(jī)激光掃描數(shù)據(jù)產(chǎn)品，教師根據(jù)學(xué)生提交的方案和結(jié)果進(jìn)行打分。實驗測試題部分，學(xué)生需要完成相關(guān)的測試題，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生提供計算分析結(jié)果和測試題進(jìn)行打分，檢驗學(xué)生實驗學(xué)習(xí)效果。相比于傳統(tǒng)的實驗考核評價方式，混合式全過程評價實驗方式更加利于學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，更加注重過程和成果導(dǎo)向，使學(xué)生主動學(xué)習(xí)和動手實踐能力得以培養(yǎng)，更加符合信息化、智能化測繪時代人才培養(yǎng)的要求。

結(jié)語

信息化和智能化測繪時代的到來，對測繪人才的培養(yǎng)提出了改革和創(chuàng)新的新要求，基于OBE理念下，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，通過虛擬場景及虛擬仿真軟件的開發(fā)建設(shè)，運(yùn)用PBL方法激光掃描實驗課程教學(xué)，改革了實驗考核方式，創(chuàng)新了人才培養(yǎng)模式，創(chuàng)建了一種虛實一體的、面向?qū)W生開放的激光掃描實驗教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生自主參與激光掃描實驗的興趣，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)激光掃描知識的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生利用所學(xué)的激光掃描知識解決實際工程問題的能力，取得了良好的激光掃描實驗教學(xué)效果。

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基金項目：河南省教育科學(xué)規(guī)劃2024年度一般課題：“OBE理念下應(yīng)用型本科高校激光雷達(dá)課程思政建設(shè)的路徑研究”（2024YB0290），河南工程學(xué)院教學(xué)改革重點項目“基于OBE理念的應(yīng)用型本科院校應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式研究”（2022JYZD02）

*通訊作者：王果（1986—），男，漢族，河南南陽人，博士，副教授，研究方向：激光掃描。