OBE理念結合PBL方法的激光雷達實驗課程教學模式研究

摘要：信息化和智能化測繪時代對課程建設提出了新的改革要求，為了適應信息化測繪對創新人才培養的需求，針對三維激光掃描實驗課程的現狀，在OBE理念下，結合虛擬仿真技術，采用PBL方法設計激光掃描實驗教學模式，并引入混合式全過程方式進行實驗考核評價。該教學模式激發了學生的自主學習的興趣，發揮了學生的主觀能動性，切實提高了學生利用所學的激光掃描知識解決復雜工程問題的能力，滿足了信息化測繪時代利用新技術開展工程實踐能力的培養需求。

關鍵詞：OBE理念；PBL方法；激光掃描實驗；教學模式

中圖分類號：G64；P307文獻標識碼：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，測繪新技術的不斷發展必將引起測繪教育教學方面的變革［1］。激光掃描作為一種新的三維測繪手段，在越來越多的領域發揮重要作用［23］。激光掃描課程在測繪人才培養中的地位也愈發重要，高校逐漸將該課程納入人才培養方案，并不斷加大課程師資與教學研究投入，具有逐步成為測繪類專業重點課程的趨勢［4］。當前，激光掃描課程的理論教學部分由于近年來教材的推出和完善［56］，已形成較穩定的教學內容；實踐教學部分，通常以少量建筑為對象構建三維模型［78］，教學內容、時間均不充分。與傳統的測繪技術原理不同，作為新興課程，學生對激光點云數據獲取、數據濾波、點云分類、分割等獲取及處理方面的理解相對困難［9］，降低了學習興趣和熱情，造成較差的教學結果。而隨著信息化、智能化測繪時代的到來，該課程已在創新人才培養、創新化實驗教學方面發揮越來越重要的作用［10］，相關專業學者對該課程的實驗教學模式已進行了研究［4，11］，但總體上，該課程的實驗效果還不理想，教學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中存在問題的基礎上，基于OBE理念，采用PBL教學模式進行激光掃描實驗教學模式探討。

1激光掃描課程教學存在的問題分析

1.1激光點云處理理論和方法相對滯后

激光掃描課程內容涉及多門測繪學專業課，具有較強的綜合性、交叉性和專業性，在激光掃描數據獲取及處理過程中要求學生具有較強的知識內化和重構能力。經過20多年的發展，激光掃描硬件設備已成熟和完善，但激光點云數據處理理論和方法相對滯后，仍處在不斷發展中，即使陸續有相應的理論教材出版，但對實驗環節實踐創新能力課程的安排尚不充分。

1.2實驗儀器設備價格昂貴

激光掃描設備價格較高，而且涉及機載、地基、手持、車載、船載等多平臺的設備，即使只購置單一平臺的設備，也需要投入大量的資金，按照一臺設備一百萬元計算，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經費不足的情況下更加困難，教師設計實驗多以演示和驗證型實驗為主，導致學生訓練不足、知識和技能掌握不牢。

1.3實驗內容多、難度大、危險性高

激光掃描實驗教學包括外業數據采集和內業數據處理，以機載激光掃描為例，涉及GNSS相關知識、攝影測量知識、無人機飛行知識、傳感器集成解算知識、LiDAR點云處理知識等，涵蓋內容多。外業數據采集實驗中，需要GNSS基準站、無人機、激光掃描設備的安裝和操作，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無人機駕駛員證書且具有一定的飛行經驗，制約了學生的全過程參與。此外，實驗外場數據采集，需要有一定的操作場地，而針對高校所在的城市區域人員密集、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的開展。

1.4實驗教學方法有待進一步改進

傳統教學模式通常以教師為主導進行填鴨式的講解和教學，忽略了實驗學習過程中學生的主體地位，在學生獨立思考和解決問題能力的培養方面比較缺乏，十分不利于學生綜合應用所學的激光掃描知識進行實踐及創新的能力，迫切需要教師改進實驗教學方法，結合工程實際進行激光掃描實驗教學，進一步培養學生綜合應用所學的知識解決工程問題的能力。

2教學目標設計

成果導向教育（OutcomesbasedEduction，OBE）關注學生的學習產出，將教育范式從“內容為本”轉變為“學生為本”，強調以學生為中心，更加關注教學過程中的“學習成果”導向，于20世紀90年代，逐漸被西方國家在教育改革中采用。以問題為導向的教學方法（ProblemBasedLearning，PBL）是在教師的引導下，學生圍繞實際問題或項目要求，通過問題解決的過程，對學生的自主學習能力、實踐創新能力進行培養。

為了提高激光掃描實驗課程的培養效果，本文以機載激光掃描實驗為例，在OBE理念下，通過PBL教學方法，以河南工程學院校園為項目區，結合虛擬仿真技術，開展基于項目式的激光掃描實驗教學模式設計，通過項目目標分解、關鍵流程設計、結果分析、精度評價等步驟，讓學生在熟悉的校園場景中，親歷激光掃描項目外業數據采集、數據處理和成果提交的完整項目過程，提高學生運用所學的激光掃描知識，解決項目問題的動手操作和實踐創新能力。

3教學模式設計

在激光掃描課程教學過程中，OBE理念結合PBL方法在一定程度上可以彌補和改善新興三維激光掃描課程實驗教學方面的不足，提升學生參與課堂和實踐的積極性及實踐動手能力，有利于學生將所學的激光掃描知識應用于實際工程項目。OBE理念結合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建設、OBE理念結合PBL方法的教學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建設

以河南工程學院校園為實驗場景，利用無人機傾斜攝影技術構建校園的真實三維模型，利用Unity3D設計相應的虛擬仿真軟件并上線河南省高等學校虛擬仿真實驗教學共享平臺（https：//www.hnilab.com/#/project/detail？projectid=3b5b9265e1474d3e83880a2905342060），實現在真實的校園三維場景下，完成機載激光掃描的仿真測量。外業交互式操作的主要步驟包括選擇測區合適位置并架設PPK基準站、接收機開機并設置模式、量取天線高、無人機部件認識與組裝、設備（激光雷達、相機等）安裝與初始化、遙控器開機并與無人機連接、測區范圍選擇、飛行航線規劃及上傳無人機、遙控器控制及激光掃描數據采集、數據下載與傳輸、設備回收裝箱等。通過虛擬仿真技術，讓外業測量在虛擬場景中得以還原，學生可在熟悉的校園虛擬環境中完成機載激光掃描的數據獲取實驗，體驗從機載激光掃描基礎知識學習、激光掃描設備認知、無人機外業飛行、激光點云數據獲取、處理直至三維數據應用的全過程。

3.2OBE理念結合PBL方法的教學過程

OBE理念結合PBL方法的激光掃描實驗課程教學過程包括：專題實驗導學→項目導入→課堂實操→任務布置等四個方面的內容，如圖1所示，分別對應完成課前預習、項目目標、實踐能力培養和強化訓練這四個目標。在OBE理念的指引下，利用翻轉課堂模式的教學設計，課前教師將本次實驗用到的相關實驗網站、虛擬仿真軟件和數據處理軟件等通過線上教學系統分發給學生，結合導學問題和視頻，要求學生完成賬號的注冊、相關軟件的安裝，并線下開展實驗課前預習。基于PBL式教學方法，進行實驗項目導入，以學生熟悉的校園場景為例，教師簡介項目的背景、項目目標、項目所用到的激光掃描設備及相應的處理軟件和數據處理流程。課堂實操部分，學生根據教師發布的項目目標、錄制的實操視頻及軟件操作手冊，對項目所在的校園區域進行無人機激光掃描數據獲取、處理和對應產品的生成，并進行互動答疑、開展討論，學生通過自主思考，搞清楚整個數據獲取及處理的全流程，自己動手操作，設計相應的數據獲取及數據處理方案，鍛煉學生利用所學的機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。學生在完成實操方案設計及操作和處理后，完成實驗報告的撰寫，并完成實驗測試，從而進一步考核學生對實驗相關知識和內容的理解及掌握程度，以便不斷地改進實驗授課內容和效果。

3.3實驗考核方式改革

成果導向教育的OBE理念注重過程學習和學習成果，因此，對激光掃描實驗課程的考核和評價應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，更加注重實驗學習過程和學習效果的考核評價。采用混合式考核評價方式，以客觀全面地評價學生參與激光掃描實驗的學習效果，實驗總成績=實驗操作及表現（35%）+實驗數據處理方案設計及實驗報告（35%）+實驗測試題（30%）。實驗操作及表現為學生參與實驗的情況，包括出勤、提出問題、解決問題的能力，在虛擬仿真軟件中設置相應的考核點進行評價，系統在外業數據采集和數據處理中分別設置了影響數據結果的多個參數，不同參數變化產生不同的數據采集和處理方案，每位學生均需要參與無人機激光掃描知識問答、設備認知、設計航線規劃、數據采集、數據預處理部分的實驗。實驗數據處理方案設計及實驗報告部分，學生需要設計數據濾波方案、數字高程模型（DEM）生成方案、房屋矢量線劃圖（DLG）繪制方案，并生成無人機激光掃描數據產品，然后填寫實驗報告并上傳無人機激光掃描數據產品，教師根據學生提交的方案和結果進行打分。實驗測試題部分，學生需要完成相關的測試題，系統根據學生提供計算分析結果和測試題進行打分，檢驗學生實驗學習效果。相比于傳統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生養成自主學習的習慣，更加注重過程和成果導向，使學生主動學習和動手實踐能力得以培養，更加符合信息化、智能化測繪時代人才培養的要求。

結語

信息化和智能化測繪時代的到來，對測繪人才的培養提出了改革和創新的新要求，基于OBE理念下，結合虛擬仿真技術，通過虛擬場景及虛擬仿真軟件的開發建設，運用PBL方法激光掃描實驗課程教學，改革了實驗考核方式，創新了人才培養模式，創建了一種虛實一體的、面向學生開放的激光掃描實驗教學模式，激發了學生自主參與激光掃描實驗的興趣，調動了學生學習激光掃描知識的積極性，培養了學生利用所學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效果。

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基金項目：河南省教育科學規劃2024年度一般課題：“OBE理念下應用型本科高校激光雷達課程思政建設的路徑研究”（2024YB0290），河南工程學院教學改革重點項目“基于OBE理念的應用型本科院校應用創新型人才培養模式研究”（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。