新工科背景下無人機測繪技術課程教學改革探討

丁闊，宋高峰

（北方工業大學，北京 100144）

自2017 年2 月以來，教育部積極開展新工科建設，相繼形成“復旦共識”“天大行動”“北京指南”三大新工科建設指導文件[1-3]，促進了高等工程教育的改革和發展。新工科首要是對傳統工科的改造和升級，指向新一輪的技術革命和產業革命。當前我國在校生人數和畢業生人數較多，存在拔尖創新人才少、人才培養與生產和創新實踐脫節等問題，新工科更加側重培養學生工程實踐能力、跨學科能力、創新能力、智能技術應用能力等，以適應新技術、新產業、新經濟的發展[4-5]。

攝影測量學是基于對光學攝影機獲取的相片進行量測和解譯，在無須接觸物體本身的情況下通過二維影像重建三維目標，但傳統的航空攝影測量難以滿足人們對影像數據獲取實時性和實效性的要求，而隨著無人機技術的不斷成熟和廣泛應用，以及各類測繪設備如相機、傾斜相機、機載LiDAR 的快速普及，影像獲取方式越來越簡單、快捷[6-7]。2017 年，無人機測繪技術在地理測繪、數字城市、環境監測等領域開始被廣泛應用，迫切需要大量專業人才。因此，無人機測繪技術作為傳統攝影測量方法的重要發展和補充，是適應當前行業發展和人才培養需求的一門技術，符合國家新工科發展戰略[8-12]。

2.2 統計學教學中的“去數學化” 前已述及，統計學的內核在統計思想，而統計學方法本身呈現給我們的是抽象的數學符號。面向數理功底較差的學生授課時，如何在講解中，將統計方法“去數學化”顯得很重要。所謂的“去數學化”實際就是將統計方法呈現給我們的抽象數學形式，轉換成我們易于理解的語言過程。“去數學化”也是對統計方法背后的統計思想的進一步細化和具體化。我們以因子分析為例來說明“去數學化”的重要性。

2021 年，無人機測繪技術專業被列入《職業教育專業目錄（2021 年）》，大量高校都開設了無人機測繪相關課程，作為一門新興學科，其內容新穎，貼近市場前沿，實踐性強，且涉及技術范圍廣，課程發展建設既有很大空間，又面臨很多新的困難和挑戰，當前仍處于探索階段[13-15]。本文總結了當前無人機測繪技術課程發展的現狀及問題，并就課程改革的方案進行了探討。

1 無人機測繪技術課程教學現狀

1.1 課程設計較為傳統

很多高校在無人機測繪專業課程建設方面投入不足，缺乏實驗教學平臺，在課程設計上仍以課堂講授為主，且理論教學內容占比較大，即使購買了無人機設備，實踐教學中設備使用率仍然較低，學生實踐學時較短，無法滿足實踐教學的實際需求。

根據企業需求合理修改教學內容，將課程內容分為實訓篇、建模篇和應用篇三部分（如圖1 所示）。實訓篇為無人機測繪外業部分的基礎，著重介紹無人機基礎知識，包括基本概念、系統構成和飛行注意事項等。建模篇側重攝影測量技術的理論知識及三維實景模型的構建，內容包括解析三角測量、影響特征提取及匹配、數字地面模型的建立，圖文并茂，與實踐操作環節緊密結合。應用篇以多個實踐場景為例，詳細介紹無人機測繪技術在諸多行業的應用，并邀請合作企業分享前沿知識和應用案例。

1.2 課程內容較難

當前本課程對于學生綜合能力的培養主要集中在無人機飛行操作中的動手能力和傾斜攝影測量理論的學習理解能力，而對于無人機測繪任務分工上的團隊協作能力，針對測繪任務及航線規劃的獨立思考和創新能力，三維建模軟件的自主學習操作能力，以及思想道德素質等方面的培養尚顯不足。

1.3 考核方式單一

把多軸系統簡化成單軸系，把阻轉轉矩Mf折算至變頻電動機軸上為Mr，此時把Mr看作等效的阻轉轉矩。將計算軸作為計算基準點，以確保系統的功率傳輸關系和機械總動能一定為折算原則，將系統轉動慣量化為兩部分：變頻電機端轉動慣量的和標記為JⅠ；靠低速軸側的轉動慣量之和記作JⅡ[4]，如圖2(b)所示。

1.4 能力培養不足

無人機測繪技術所涉及的技術領域較多，學習難度較大，對大學低年級沒有其他課程基礎的學生來說難度更大，其涉及內容既包括無人機結構、飛行原理、操作及維護等無人機相關內容，又包括攝影測量技術領域的理論知識，以上兩部分內容關聯較少，缺乏緊密聯系，尤其攝影測量技術部分所涉及的理論知識較為枯燥，公式較多且內容極為抽象，如果沒有足夠的實踐體驗，會增加學習難度，并使學生降低對本門課程的學習興趣和熱情。

無人機測繪技術對于學生來說兼具新奇性、創新性和前沿性，在新工科背景下應更加突出以產業需求為導向，融合多學科知識，培養綜合全面、創新能力突出且適應時代需求的學生，具體包括以下幾個方面。

2 無人機測繪技術課程教學改革探討

頭孢哌酮鈉/舒巴坦的兩種配方比較鮑曼不動桿菌所致肺部感染的療效……………………… 熊 潔，彭清臻，厲銀平，等（2·141）

當前本課程的考核方式主要以實驗成績和報告成績為主，其中實驗成績主要針對無人機操作實驗，該部分成績缺乏合理有效的評分標準，不夠客觀真實，且學生在完成實驗報告過程中，往往缺乏獨立自主的思考，對于實驗構想的理解不夠深入，實驗報告完成質量較低。

2.1 以需求為導向，與企業結合

教師可在授課過程中向學生提供相關資料及深度學習算法代碼，適當增加課程的難度和挑戰性，在人工智能課程中也可增加無人機模型構建的案例分析，兩門課程都屬于北方工業大學智能建造學科的重要組成部分，均以智能建造行業的發展為共同導向，在課程交叉教學的過程中，必將拓展學生思維，使學生加深對行業的理解。

本課程與實踐結合極為緊密，如果以大量的理論知識輔以少量實驗進行教學，則忽略了學生實踐和創新能力的培養，且本課程的實踐環節設計基本以無人機操作和影像處理為主。無人機操作部分，由于學時及課堂人數限制，學生往往無法熟練掌握操作技巧，且缺乏對航線選取及線路規劃的認識。影像處理部分實驗，流程類似傳統課程實驗，由教師講解實驗原理和步驟，學生根據實驗指導書進行對照操作，始終處于被動學習狀態，無法培養自主思考的能力。

圖1 課程內容體系

可以在學校學生會和團委的支持下，成立“無人機協會”，以社團為載體，在全校范圍舉辦學科競賽，競賽內容應涵蓋無人機飛行、無人機和三維激光掃描模型的建筑物3D 構建，以此激發學生的學習興趣，以賽促學，以學促行。

2.2 自主性、開放式實驗框架

引入翻轉課堂和CDIO（Conceive，Design，Implement and Operate，構思—設計—實施—操作）的自主學習教學理念，改變原有的驗證式實驗方式，構建以學生為主體的開放性實驗框架。以三維模型構建實驗為例，由教師向各組學生分別安排教學任務，各組任務可側重不同應用領域，由學生自主設計飛行計劃、測量精度、模型構建等，學生在執行過程中會存在一些難度較大的問題，由教師負責引導學生自行交流并解決問題。在傳統的實驗報告考核過程中，學生始終處于被考核狀態，而開放式實驗可將考核辦法進行修正，由各組學生匯報完成情況，并由其他各組學生對評定成果打分，作為最終成績的重要組成部分。整個考核過程堅持以學生為中心，鍛煉了學生的自主學習能力、解決問題能力、交流溝通能力、演示匯報能力等，可有效提高學生學習的積極性。

2.3 與人工智能技術融合

隨著社會的發展，產業之間的互聯互通日益密切，新工科推動現有學科的交叉融合，也是未來創新人才培養的趨勢。例如，人工智能技術目前已快速融入各個行業，在無人機測繪技術中，無人機影像拼接中的特征點匹配主要就是通過人工智能分層卷積特征進行的，需要對不同深度的卷積特征逐層進行關聯性分析，最終完成無人機影像的拼接。同時在很多無人機應用行業領域中，無人機搭載的人工智能技術，通過智能化，來減少人的識別和判斷帶來的誤差，從而提高決策能力。

應明確以產業需求為導向，學校的“供”應該與企業的“需”相適應，借助學校平臺優勢建立并拓寬與相關無人機應用企業的合作，以無人機三維模型構建人才培養為切入點，與企業開展校企合作，培養人才，企業參與教學大綱、教學計劃的制訂，在生產認識實習階段，由教師帶領學生到企業參加生產實踐。

Simulation on Power System of Offshore Platform with Closed Bus-Tie(s)

治療后，2組患者的膝關節功能評分較治療前均顯著升高(均P<0.05)，觀察組膝關節評分更高于對照組(P<0.05)。見表1。

2.4 虛擬仿真技術的應用

由于實踐課程學時有限，實踐飛行時間往往用在學生對飛行技巧的掌握上，學生對于測量方案設計、線路規劃等方面的知識相對掌握不足。此外，無人機設備往往無法滿足所有學生實驗，導致學生實驗參與度不高，因此，可將虛擬仿真技術引入課程教學設計，解決無人機測繪實驗中儀器不足、風險大和容易受到天氣影響等問題，并保證了外業飛行實驗的質量。

利用虛擬現實技術構建無人機虛擬現實平臺有兩大優勢：一是傳統的無人機培訓方式，如視頻教學模式、培訓模式，存在效率低、成本高的問題。通過無人機虛擬平臺，教師可以進行無限制的飛行測試，從而提高訓練效率，減少訓練成本。二是該平臺可以幫助研究人員進行深度學習，通過無人機虛擬平臺，研究人員可以收集大量的訓練數據和圖像，能夠以低成本的方式為無人機飛行過程中的無人機航路規劃提供支持。無人機深度學習虛擬現實系統可以生成大量訓練數據，提高人工智能系統的訓練效率，有利于工程應用。

3 結語

在新工科建設背景下，無人機測繪技術作為一門實踐性很強的前沿學科，應在教學內容上以需求為主導，融合人工智能、虛擬仿真技術，構建多學科融合的知識體系，在教學方法上探索更加自主開放的實驗框架，增強學生自主學習能力，開展校企合作，開展多種形式學科競賽，多主體協同發力，實現對學生自主學習能力和實踐技能的強化培養。以上教學改革方案能夠提高學生興趣，激發學生潛能，讓學生通過課程學習熟練掌握知識，提高綜合能力，最終培養出適應時代需求、綜合全面、創新能力突出的人才。