適應創(chuàng)新人才培養(yǎng)的三維激光實驗教學模式探究

李 峰, 孫廣通, 劉文龍, 宋 萍

(1. 防災科技學院 生態(tài)環(huán)境學院, 河北 三河 065201；2. 北京工業(yè)職業(yè)技術學院 建筑與測繪工程學院, 北京 100042)

0 引 言

以3S 技術和4D產(chǎn)品為代表的測繪學的發(fā)展,標志著測繪學科從單一學科邁向了多學科的交叉融合[1]。測繪新技術的快速發(fā)展也必將引起測繪教育與教學的深刻變革。三維激光掃描課程作為一門新興測繪技術的課程在測繪學中的地位也愈發(fā)重要，各高校正在不斷加大該課程的教學研究與師資投入，未來幾年內(nèi)很可能會發(fā)展成為測繪專業(yè)的重點課程。當前各高校的三維激光掃描課程主要分為理論教學部分和實踐教學部分，理論教學部分尚無統(tǒng)一的教材，內(nèi)容以三維激光掃描原理、點云采集、點云處理和三維建模技術為主[2]；實踐教學以少量建筑物為實驗對象構建小場景的三維建筑物模型或三維曲面模型[3-5]，總體教學內(nèi)容容量小，實踐時間不充分。此外，作為新興課程，三維激光掃描儀器原理不同于傳統(tǒng)測繪儀器，學生對激光點云的濾波算法、存儲結(jié)構、3D建模等數(shù)據(jù)后續(xù)處理方法的理解相對困難[6]，很可能造成學生學習興趣降低，課堂教學效果較差的結(jié)果。隨著互聯(lián)網(wǎng)+時代的到來，測繪科學的技術方法和手段已經(jīng)日新月異，傳統(tǒng)的測繪教學與實驗方法培養(yǎng)的學生與社會需求之間出現(xiàn)了嚴重的脫節(jié)，因此，面對新開課程如何適應信息時代的發(fā)展要求，側(cè)重滿足測繪信息化服務和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需求，發(fā)揮實驗教學在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面的作用，形成多元化、層次化、創(chuàng)新化的綜合實驗教學模式，是擺在高等學校測繪教育工作者面前的重要課題[7-9]。

1 三維激光教學面臨的問題

(1) 激光點云數(shù)據(jù)的后處理理論與方法相對滯后。三維激光掃描作為起源于上世紀90年代末的測繪新技術，融合了多項測繪技術，其內(nèi)容涉及普通測量學、GPS、GIS、遙感、測量平差理論、攝影測量學等多門測繪課程，課程的交叉性、專業(yè)性、綜合性較強，在實際三維激光點云數(shù)據(jù)采集和處理過程中要求學生對涉及到的測繪知識和技能進行內(nèi)化吸收和重構，其實質(zhì)是提出了對學生測繪實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的具體要求。三維激光掃描技術雖然經(jīng)過了近20年的發(fā)展，激光掃描儀的硬件設施已經(jīng)非常成熟，但是相關的激光點云數(shù)據(jù)的后處理理論和方法卻相對滯后，尚處在發(fā)展完善當中，這直接造成了三維激光掃描課程教材短缺的局面。即便有教師編寫了部分講義，但是內(nèi)容多注重三維激光掃描的基本原理和數(shù)據(jù)預處理，對激光掃描新技術的跟蹤、理論部分的深入研究或?qū)嶒炚n程的安排尚不充分。

(2) 實驗儀器投入昂貴。三維激光掃描儀設備售價高，動輒上百萬元一臺，按30人規(guī)模的班級5人一組需要6臺儀器算，儀器投入至少600多萬元，再考慮后期處理軟件的投入，該門課程至少要投入近千萬元的資金，這是絕大多數(shù)測繪類本科院校難以承受的，而少量的三維激光掃描儀器會導致人均操作時間短，學生訓練不足，技術掌握不牢；另一方面也會導致教師設計的實驗多以演示型和驗證型為主，針對某一概念或原理而設計，僅著眼于局部，各實驗間關聯(lián)性弱，缺乏系統(tǒng)性和整體性，不利于三維激光掃描課程知識體系的架構完整。

(3) 教學方法有待改進。持續(xù)開展的畢業(yè)生培養(yǎng)質(zhì)量跟蹤調(diào)查顯示，大學畢業(yè)生的專業(yè)知識面狹窄，創(chuàng)新能力與實踐能力不足，對突發(fā)事件或綜合性問題的處理存在著較大缺陷[10]。這從側(cè)面反映了在測繪專業(yè)課程體系設置和人才培養(yǎng)方面仍然存在著一些不盡人意之處，盡管經(jīng)過了多門測繪專業(yè)課的學習和相關技能訓練，但是傳統(tǒng)教學模式往往忽視學生的主體地位，填鴨式教學方法無法培養(yǎng)學生獨立思考的能力，因此很難形成綜合性的創(chuàng)新能力，這迫切需要教師整合多種切合工程實際的測繪綜合項目進行訓練，這樣才能進一步培養(yǎng)學生的綜合實踐能力和解決實際生產(chǎn)問題的能力。

2 實驗創(chuàng)新教學模式

測繪創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標是以培養(yǎng)學生知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展為目的，具備厚基礎、寬口徑、強能力、高素質(zhì)的特征，能適應社會經(jīng)濟發(fā)展的需求，富有創(chuàng)新精神的復合型、創(chuàng)新性人才[11-12]。測繪創(chuàng)新人才應該具有系統(tǒng)化的、綜合性的、開放式的測繪專業(yè)知識體系，善于學習、聯(lián)想與想象，勤于動手，樂于實踐，勇于探索，能夠發(fā)現(xiàn)測量實踐中出現(xiàn)的問題，能夠綜合運用測繪知識提出新的見解，以新的觀念、思維和方法解決問題。依據(jù)測繪創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標，提出了緊密聯(lián)系實踐的三維激光掃描模塊化多層次的實驗教學模式，圖1所示為三維激光掃描模塊化實驗教學模式，顯示以三維激光掃描知識學習的培養(yǎng)作為基礎，通過驗證性實驗教學模塊、設計性開放實驗模塊和綜合性實驗訓練模塊依次遞進訓練學生的基本實驗操作能力，通過學科競賽模塊和產(chǎn)學研結(jié)合模塊深入提升學生的實踐技能，通過3種分層遞進的綜合實驗教學模式實現(xiàn)測繪創(chuàng)新人才的培育。

圖1 三維激光掃描模塊化多層次實驗教學模式

2.1 知識培養(yǎng)模塊

在課堂教學過程中，引入“翻轉(zhuǎn)課堂”的理念[13]，教師構建網(wǎng)絡課程資源平臺，上傳制作的每單元短小精煉的教學視頻和多媒體課件，要求學生在課前自行預習并在平臺的答疑討論區(qū)提出預習中的問題，教師在了解了學生的疑問后在課堂上做有針對性的講解，重點引導學生自主思考學習的方法，并通過課堂師生討論交流的方式加深課堂內(nèi)容的理解，課后在平臺上發(fā)布本章節(jié)相關的1～2篇學術論文或視頻供學生加深課堂所學的印象。

針對三維激光掃描相關教材缺乏的現(xiàn)實，追蹤三維激光掃描前沿，緊跟三維激光掃描行業(yè)發(fā)展的需求，充實教學大綱和教學計劃，根據(jù)該課程多年的教學實踐經(jīng)驗和學生實踐能力訓練的特點，通過立項的“防災減災特色教材建設項目”自編《三維激光掃描原理與應用》教材，重新設計編排了三維激光掃描課程的理論教學內(nèi)容，重點介紹了激光掃描技術的相關術語和概念，激光掃描儀的組成和原理，激光點云的數(shù)據(jù)結(jié)構和可視化方法，多站激光點云的配準與系統(tǒng)檢校方法，激光點云的3D建模與紋理映射原理，機載與移動式激光掃描技術、激光掃描在地形建模、滑坡監(jiān)測、巖石變形監(jiān)測、隧道測量、文物修復、開采沉陷等領域的應用；按照循序漸進的方式分層編寫基礎驗證型、綜合型和案例型實驗指導書。

2.2 驗證性實驗教學模塊

為了保證實驗課的順利進行，采用“線上課堂+線下作業(yè)”相結(jié)合的模式[14]，利用實驗互動教學平臺通過網(wǎng)絡向?qū)W生分發(fā)實驗教學視頻和實驗指導書資料，提供軟件操作的互動教程。首先由教師快速演示實驗過程，然后學生借助實驗操作視頻和指導書完成這些演示型或驗證型實驗，如果遇到問題，學生可以在線提問或直接由教師答疑，實驗完成后現(xiàn)場提交實驗結(jié)果到系統(tǒng)以備教師后續(xù)評分之用。這種實驗互動模式集設計、仿真及考核于一體，能充分調(diào)動學生學習的積極性進行自主學習，高效利用課堂時間順利完成實驗過程，強化了學生的基本實驗技能，提高了他們實踐動手能力。

三維激光掃描技術原理不同于傳統(tǒng)測繪技術，兩者在數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)處理方法等方面有較大的技術差距。傳統(tǒng)測繪數(shù)據(jù)僅局限于二維平面數(shù)據(jù)，三維激光掃描技術主要面向三維建模領域，對大部分學生而言，直接從熟悉的二維空間轉(zhuǎn)換到陌生的三維空間，思維轉(zhuǎn)變的過程較為艱難，理解三維激光掃描的相關理論也相當困難，因此，在進行課內(nèi)三維激光掃描理論教學的同時配套融合適量的課內(nèi)實驗幫助學生消化理解課堂知識，表1所示為對應于知識培養(yǎng)模塊的課內(nèi)實驗項目及其實驗目標。

2.3 設計性開放實驗模塊

開放性實驗是設計性教學模塊的改進、發(fā)展和延伸，創(chuàng)造了一個以學生為主體的自主發(fā)展和實踐訓練的空間，能夠激發(fā)學生的創(chuàng)新實踐操作能力和課程學習興趣，且能發(fā)揮測繪實驗室現(xiàn)有資源的最大利用效益，在強化學生的實踐操作能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和嚴謹?shù)目茖W作為方面具有重要的作用。經(jīng)過前期課堂知識的消化理解和課內(nèi)驗證性教學實驗模塊的練習，學生已經(jīng)具備了三維激光掃描的基礎知識和基本操作方法，開放性實驗的目標即建立以“興趣驅(qū)動”的體驗式學習模式進行三維激光掃描科學實驗全過程性質(zhì)的設計性實驗訓練。

表1 驗證性實驗教學模塊及其實驗目標

教師根據(jù)測繪企業(yè)的人才實際需求狀況、教師科研課題和學校立足地震行業(yè)的特點，開設具有彈性內(nèi)容的“雕塑文物3D建模”“城市3D建筑物重建”“地形建模與等高線繪制”“地震損毀建筑物3D建模”等三維激光掃描題目，網(wǎng)上公布。學生以4人興趣小組團隊形式通過網(wǎng)上申請、教師線上審核的方式完成選題。通過引入CDIO(Conceive, Design, Implement and Operate，構思-設計-實施-操作)的教學理念[15]，即以學生為中心來自主討論并選擇三維激光掃描的采集對象，然后小組成員共同制定三維激光掃描的數(shù)據(jù)采集、點云處理和3D建模的方案，按照方案由小組成員分工合作實施數(shù)據(jù)獲取和處理的工作，操作點云建成3D模型并完成模型的展示，最后書寫并線上提交實驗報告，教務處依據(jù)教師評定成績等級為學生分配相應的學分。整個設計性開發(fā)實驗過程最大限度地發(fā)揮了學生的主動性和創(chuàng)造性，激發(fā)了他們的求知欲，而教師僅在此過程扮演了引導、建議和輔助的角色。

2.4 綜合性實驗訓練模塊

三維激光掃描課程涉及到多門測繪專業(yè)課程，課程的綜合性強，適于組織安排綜合性測繪實驗項目來提高學生的綜合分析、解決測繪實際問題的能力。為方便教學的需要，實驗地點選擇在學院南校區(qū)，該校區(qū)面積僅為2 180 m2，實驗時間選擇在開放實驗課上，實驗目標是完成南校區(qū)的3D實景建模工作。測繪工程專業(yè)有2個教學班，每班人數(shù)在30人左右，因此，可將2個班分為10～12組，對應每個組將南校區(qū)劃分為10～12個實驗區(qū)，保證每個實驗區(qū)內(nèi)有3～4幢建筑物。綜合項目教學的主要步驟有：

(1) GPS控制網(wǎng)的布設。由教師帶領各小組學生按照GPS測量規(guī)范的要求在實驗區(qū)選定10個左右的GPS控制點位置，利用周邊4個GPS D級點，使用10臺GPS接收機，采用邊連式網(wǎng)型完成實驗區(qū)GPS控制網(wǎng)的布設。由各個小組分別進行GPS網(wǎng)的基線解算、自由網(wǎng)平差和約束平差，控制點高程采用GPS擬合高程。各個小組根據(jù)分區(qū)狀況選定激光掃描儀的站點位置，由于分區(qū)很小，所以可以采用全站儀附合或閉合導線的形式完成架站點的平面位置測量；采用四等水準測量的方法以附合或閉合水準路線的方式測量架站點的高程。因?qū)嶒瀰^(qū)道路密集，直接選擇白色道路標記線的角點作為無人機的像控點、檢查點，并使用支架式對中桿RTK測量像控點。

(2) 無人機傾斜攝影航測。教師采取現(xiàn)場演示的方式為全體學生操作無人機，按照實驗區(qū)形狀為全體學生演示航線規(guī)劃、航攝參數(shù)計算、現(xiàn)場飛行的整個航測過程。在教師指導下，利用Pix4DMapper軟件由學生熟悉并操作完成影像定向、密集點云生成、正射影像制作等流程，掌握利用地面濾波方法將建筑物點云與地面點云分離的方法，體會攝影測量課程數(shù)據(jù)處理的原理和過程。

(3) 激光點云數(shù)據(jù)采集與處理。由于三維激光掃描儀數(shù)量少，因此由各小組商議使用的順序，在課余時間根據(jù)選定的站點架設三維激光掃描儀，分站點360°全景采集激光點云數(shù)據(jù)。各小組先大地定向各站點數(shù)據(jù)，然后粗配準對各站點點云數(shù)據(jù)，再集中精確配準所有站點數(shù)據(jù)。教師指導學生將無人機采集的建筑物點云與激光掃描點云進行精確配準，使得建筑物數(shù)據(jù)變?yōu)楹蓓旤c云的完整數(shù)據(jù)，各組根據(jù)分區(qū)剪切出各組激光點云數(shù)據(jù)。

(4) 3D模型重建與3D GIS系統(tǒng)。各小組根據(jù)激光點云數(shù)據(jù)，利用Microstation軟件完成3D模型的重建工作，然后將各組模型利用已定向的位置整合成一個整體，地面模型由地面點云生成并將正射影像圖作為紋理貼到地面模型上，圖2所示為各小組重建的實驗區(qū)3D場景圖。利用SupperMapper 3D GIS系統(tǒng)軟件導入所建*.dgn格式的3D模型，并在其中為每棟建筑物輸入對應的屬性，操作軟件完成3D GIS軟件的空間分析功能。

圖2 通過綜合性實驗訓練模塊重建的校園3D場景

2.5 學科競賽模塊

學科競賽模塊是學生對所學三維激光掃描知識系統(tǒng)理解、整理和運用的過程，集中體現(xiàn)了學生獨立思考、綜合研究、解決實際問題的能力，能深化專業(yè)知識學習、拓寬專業(yè)視野，培養(yǎng)小組成員團結(jié)協(xié)作精神、促進良好的學風建設、激發(fā)學生創(chuàng)新意識。在校學生處和團委的支持下，以測繪工程專業(yè)教研室為對口指導單位成立“虛擬現(xiàn)實協(xié)會”，組織富有創(chuàng)新意識、有3D建模意愿的同學參與到3D數(shù)字化設計與運用的社團活動中，進而為學生提供一個學習交流、互助競爭、展現(xiàn)提升、完善自我的服務平臺。以社團為載體在全校范圍內(nèi)舉辦學科競賽，以測繪工程專業(yè)教師為技術顧問，在學校競賽基金的大力支持下由輔導員全員、全程、全方位負責組織協(xié)調(diào)指導“三維激光掃描建模大賽”活動。先由“虛擬現(xiàn)實協(xié)會”進行必要的面試選拔，重點考察學生團隊合作互助意識和綜合素質(zhì)，面試合格的學生參與學科競賽活動。學科競賽的內(nèi)容主要涵蓋“無人機加激光掃描儀的建筑物3D建模”和“虛擬場景展示”兩大部分，競賽過程記錄各組數(shù)據(jù)采集、處理、3D建模和虛擬場景構建時間，3D建模效果評分由測繪工程專業(yè)教師共同打分得到，根據(jù)建模時間與建模效果的加權分數(shù)確定成績名次，根據(jù)獲獎情況選拔優(yōu)秀小組參加大學生創(chuàng)新訓練項目。

競賽完成后，比賽同學在賽后以小組形式向低年級同學展示比賽項目技術實施設計方案、比賽過程細節(jié)、經(jīng)驗與教訓等，把許多平時學不到的知識經(jīng)驗傳授給新同學，這樣循環(huán)往復，逐步形成高年級同學帶低年級同學的傳幫帶模式，一屆一屆相互促進，共同進步。在競賽過程中，學生能體會到自身理論與技術上的不足，深知基礎學習的重要性，在今后的課程學習中會潛移默化地形成一種自我約束、積極向上的良好學習風氣。 教師通過指導學生參加比賽，將不斷提高自身的實踐操作能力和技能水平，在今后的教學過程中不斷更新教育理念，學習新知識理論，運用先進的教學方法提升教學水平，促進學校“雙師型”教師隊伍的建設；教師根據(jù)競賽要求開發(fā)有助于實踐技能培養(yǎng)的實訓平臺，改善實驗手段和條件，使得學生能在更好的實驗環(huán)境下得到充分的實踐鍛煉，最終形成“以賽促學、以賽促教、以賽促建”的良性實踐教學模式。

2.6 產(chǎn)學研結(jié)合模塊

為了使學生所學能應用到三維激光掃描實際工作中，瞄準并跟蹤三維激光掃描發(fā)展的前沿和企業(yè)的人才需求，借助學校所處的京津冀地域優(yōu)勢建立并拓展相關激光掃描應用領域企業(yè)的合作關系，以三維激光掃描人才培養(yǎng)為切入點與國內(nèi)外著名的三維激光掃描儀廠商如Faro、天寶、富斯德、拓普康、華測、北京浩宇測繪展開校企合作模式，邀請企業(yè)參與三維激光掃描課程教學大綱、教學計劃的制定，教材編寫，前沿知識講座與報告[16]，在認識實習、生產(chǎn)實習和暑期社會實踐階段由教師帶隊到企業(yè)參與一線生產(chǎn)實踐，一方面為企業(yè)量身定培所需的工程技術人才，另一方面利用學校的智力和科技資源為企業(yè)提供生產(chǎn)、研發(fā)、管理咨詢等方面的社會服務，實現(xiàn)在工程教育培養(yǎng)方面校企雙贏的局面。對于另一部分有志于繼續(xù)深造的同學，可以參與到教師的縱向課題的研究實踐中，學習利用C++和libLAS庫進行激光點云數(shù)據(jù)處理和特征提取的編程工作中，學習科學研究的思維方法、嘗試書寫并發(fā)表科研論文以及三維激光掃描相關的實用新型專利和發(fā)明專利的申請工作中。

3 結(jié) 語

從三維激光掃描課程教學的實際狀況出發(fā)，結(jié)合測繪工程專業(yè)的特點，以培養(yǎng)實踐創(chuàng)新型測繪人才為目標，構建了知識培養(yǎng)為基礎模塊，以驗證性、設計性和綜合性實驗為主體的基礎實驗訓練模塊，以學科競賽和產(chǎn)學研辦學為技能提升模塊，探索出一條“教”“練”“賽”“行”梯次配置的良性閉環(huán)實驗教學體系，充分發(fā)揮了學生的主動性和積極性，顯著地提升了學生的測繪實踐技能，形成了頗具特色的測繪實踐創(chuàng)新模式，為高質(zhì)量培養(yǎng)測繪復合型人才和滿足企業(yè)需求的人才打下了良好的基礎。