適應(yīng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的三維激光實驗教學(xué)模式探究

李 峰, 孫廣通, 劉文龍, 宋 萍

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

0 引 言

以3S 技術(shù)和4D產(chǎn)品為代表的測繪學(xué)的發(fā)展,標(biāo)志著測繪學(xué)科從單一學(xué)科邁向了多學(xué)科的交叉融合[1]。測繪新技術(shù)的快速發(fā)展也必將引起測繪教育與教學(xué)的深刻變革。三維激光掃描課程作為一門新興測繪技術(shù)的課程在測繪學(xué)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(xué)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(dāng)前各高校的三維激光掃描課程主要分為理論教學(xué)部分和實踐教學(xué)部分，理論教學(xué)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(shù)為主[2]；實踐教學(xué)以少量建筑物為實驗對象構(gòu)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(xué)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(xué)生對激光點云的濾波算法、存儲結(jié)構(gòu)、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(xué)生學(xué)習(xí)興趣降低，課堂教學(xué)效果較差的結(jié)果。隨著互聯(lián)網(wǎng)+時代的到來，測繪科學(xué)的技術(shù)方法和手段已經(jīng)日新月異，傳統(tǒng)的測繪教學(xué)與實驗方法培養(yǎng)的學(xué)生與社會需求之間出現(xiàn)了嚴(yán)重的脫節(jié)，因此，面對新開課程如何適應(yīng)信息時代的發(fā)展要求，側(cè)重滿足測繪信息化服務(wù)和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需求，發(fā)揮實驗教學(xué)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(xué)模式，是擺在高等學(xué)校測繪教育工作者面前的重要課題[7-9]。

1 三維激光教學(xué)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(jì)90年代末的測繪新技術(shù)，融合了多項測繪技術(shù)，其內(nèi)容涉及普通測量學(xué)、GPS、GIS、遙感、測量平差理論、攝影測量學(xué)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(xué)生對涉及到的測繪知識和技能進(jìn)行內(nèi)化吸收和重構(gòu)，其實質(zhì)是提出了對學(xué)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(shù)雖然經(jīng)過了近20年的發(fā)展，激光掃描儀的硬件設(shè)施已經(jīng)非常成熟，但是相關(guān)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(dāng)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(yù)處理，對激光掃描新技術(shù)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(shè)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(dǎo)致人均操作時間短，學(xué)生訓(xùn)練不足，技術(shù)掌握不牢；另一方面也會導(dǎo)致教師設(shè)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(shè)計，僅著眼于局部，各實驗間關(guān)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(gòu)完整。

(3) 教學(xué)方法有待改進(jìn)。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(xué)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(shè)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(xué)習(xí)和相關(guān)技能訓(xùn)練，但是傳統(tǒng)教學(xué)模式往往忽視學(xué)生的主體地位，填鴨式教學(xué)方法無法培養(yǎng)學(xué)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(jìn)行訓(xùn)練，這樣才能進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)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(xué)模式

測繪創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標(biāo)是以培養(yǎng)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展為目的，具備厚基礎(chǔ)、寬口徑、強能力、高素質(zhì)的特征，能適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展的需求，富有創(chuàng)新精神的復(fù)合型、創(chuàng)新性人才[11-12]。測繪創(chuàng)新人才應(yīng)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(xué)習(xí)、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(biāo)，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(xué)模式，圖1所示為三維激光掃描模塊化實驗教學(xué)模式，顯示以三維激光掃描知識學(xué)習(xí)的培養(yǎng)作為基礎(chǔ)，通過驗證性實驗教學(xué)模塊、設(shè)計性開放實驗?zāi)K和綜合性實驗訓(xùn)練模塊依次遞進(jìn)訓(xùn)練學(xué)生的基本實驗操作能力，通過學(xué)科競賽模塊和產(chǎn)學(xué)研結(jié)合模塊深入提升學(xué)生的實踐技能，通過3種分層遞進(jìn)的綜合實驗教學(xué)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(xué)模式

2.1 知識培養(yǎng)模塊

在課堂教學(xué)過程中，引入“翻轉(zhuǎn)課堂”的理念[13]，教師構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)課程資源平臺，上傳制作的每單元短小精煉的教學(xué)視頻和多媒體課件，要求學(xué)生在課前自行預(yù)習(xí)并在平臺的答疑討論區(qū)提出預(yù)習(xí)中的問題，教師在了解了學(xué)生的疑問后在課堂上做有針對性的講解，重點引導(dǎo)學(xué)生自主思考學(xué)習(xí)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(guān)的1～2篇學(xué)術(shù)論文或視頻供學(xué)生加深課堂所學(xué)的印象。

針對三維激光掃描相關(guān)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(xué)大綱和教學(xué)計劃，根據(jù)該課程多年的教學(xué)實踐經(jīng)驗和學(xué)生實踐能力訓(xùn)練的特點，通過立項的“防災(zāi)減災(zāi)特色教材建設(shè)項目”自編《三維激光掃描原理與應(yīng)用》教材，重新設(shè)計編排了三維激光掃描課程的理論教學(xué)內(nèi)容，重點介紹了激光掃描技術(shù)的相關(guān)術(shù)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(gòu)和可視化方法，多站激光點云的配準(zhǔn)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(shù)、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(fù)、開采沉陷等領(lǐng)域的應(yīng)用；按照循序漸進(jìn)的方式分層編寫基礎(chǔ)驗證型、綜合型和案例型實驗指導(dǎo)書。

2.2 驗證性實驗教學(xué)模塊

為了保證實驗課的順利進(jìn)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(xué)平臺通過網(wǎng)絡(luò)向?qū)W生分發(fā)實驗教學(xué)視頻和實驗指導(dǎo)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(xué)生借助實驗操作視頻和指導(dǎo)書完成這些演示型或驗證型實驗，如果遇到問題，學(xué)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(shè)計、仿真及考核于一體，能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，高效利用課堂時間順利完成實驗過程，強化了學(xué)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(shù)原理不同于傳統(tǒng)測繪技術(shù)，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(shù)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(shù)主要面向三維建模領(lǐng)域，對大部分學(xué)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(guān)理論也相當(dāng)困難，因此，在進(jìn)行課內(nèi)三維激光掃描理論教學(xué)的同時配套融合適量的課內(nèi)實驗幫助學(xué)生消化理解課堂知識，表1所示為對應(yīng)于知識培養(yǎng)模塊的課內(nèi)實驗項目及其實驗?zāi)繕?biāo)。

2.3 設(shè)計性開放實驗?zāi)K

開放性實驗是設(shè)計性教學(xué)模塊的改進(jìn)、發(fā)展和延伸，創(chuàng)造了一個以學(xué)生為主體的自主發(fā)展和實踐訓(xùn)練的空間，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新實踐操作能力和課程學(xué)習(xí)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(xué)生的實踐操作能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)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(xué)實驗?zāi)K的練習(xí)，學(xué)生已經(jīng)具備了三維激光掃描的基礎(chǔ)知識和基本操作方法，開放性實驗的目標(biāo)即建立以“興趣驅(qū)動”的體驗式學(xué)習(xí)模式進(jìn)行三維激光掃描科學(xué)實驗全過程性質(zhì)的設(shè)計性實驗訓(xùn)練。

表1 驗證性實驗教學(xué)模塊及其實驗?zāi)繕?biāo)

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(xué)校立足地震行業(yè)的特點，開設(shè)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?！钡热S激光掃描題目，網(wǎng)上公布。學(xué)生以4人興趣小組團(tuán)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(gòu)思-設(shè)計-實施-操作)的教學(xué)理念[15]，即以學(xué)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(wù)處依據(jù)教師評定成績等級為學(xué)生分配相應(yīng)的學(xué)分。整個設(shè)計性開發(fā)實驗過程最大限度地發(fā)揮了學(xué)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(dǎo)、建議和輔助的角色。

2.4 綜合性實驗訓(xùn)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(xué)生的綜合分析、解決測繪實際問題的能力。為方便教學(xué)的需要，實驗地點選擇在學(xué)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?zāi)繕?biāo)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(xué)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(yīng)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(xué)的主要步驟有：

(1) GPS控制網(wǎng)的布設(shè)。由教師帶領(lǐng)各小組學(xué)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(shè)。由各個小組分別進(jìn)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(dǎo)線的形式完成架站點的平面位置測量；采用四等水準(zhǔn)測量的方法以附合或閉合水準(zhǔn)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(biāo)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(xué)生操作無人機，按照實驗區(qū)形狀為全體學(xué)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(dǎo)下，利用Pix4DMapper軟件由學(xué)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(shè)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(zhǔn)對各站點點云數(shù)據(jù)，再集中精確配準(zhǔn)所有站點數(shù)據(jù)。教師指導(dǎo)學(xué)生將無人機采集的建筑物點云與激光掃描點云進(jìn)行精確配準(zhǔn)，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(dǎo)入所建*.dgn格式的3D模型，并在其中為每棟建筑物輸入對應(yīng)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(xùn)練模塊重建的校園3D場景

2.5 學(xué)科競賽模塊

學(xué)科競賽模塊是學(xué)生對所學(xué)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(xué)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(xué)習(xí)、拓寬專業(yè)視野，培養(yǎng)小組成員團(tuán)結(jié)協(xié)作精神、促進(jìn)良好的學(xué)風(fēng)建設(shè)、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識。在校學(xué)生處和團(tuán)委的支持下，以測繪工程專業(yè)教研室為對口指導(dǎo)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(xué)參與到3D數(shù)字化設(shè)計與運用的社團(tuán)活動中，進(jìn)而為學(xué)生提供一個學(xué)習(xí)交流、互助競爭、展現(xiàn)提升、完善自我的服務(wù)平臺。以社團(tuán)為載體在全校范圍內(nèi)舉辦學(xué)科競賽，以測繪工程專業(yè)教師為技術(shù)顧問，在學(xué)校競賽基金的大力支持下由輔導(dǎo)員全員、全程、全方位負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)指導(dǎo)“三維激光掃描建模大賽”活動。先由“虛擬現(xiàn)實協(xié)會”進(jìn)行必要的面試選拔，重點考察學(xué)生團(tuán)隊合作互助意識和綜合素質(zhì)，面試合格的學(xué)生參與學(xué)科競賽活動。學(xué)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?！焙汀疤摂M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(gòu)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(quán)分?jǐn)?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(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目。

競賽完成后，比賽同學(xué)在賽后以小組形式向低年級同學(xué)展示比賽項目技術(shù)實施設(shè)計方案、比賽過程細(xì)節(jié)、經(jīng)驗與教訓(xùn)等，把許多平時學(xué)不到的知識經(jīng)驗傳授給新同學(xué)，這樣循環(huán)往復(fù)，逐步形成高年級同學(xué)帶低年級同學(xué)的傳幫帶模式，一屆一屆相互促進(jìn)，共同進(jìn)步。在競賽過程中，學(xué)生能體會到自身理論與技術(shù)上的不足，深知基礎(chǔ)學(xué)習(xí)的重要性，在今后的課程學(xué)習(xí)中會潛移默化地形成一種自我約束、積極向上的良好學(xué)習(xí)風(fēng)氣。 教師通過指導(dǎo)學(xué)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(xué)過程中不斷更新教育理念，學(xué)習(xí)新知識理論，運用先進(jìn)的教學(xué)方法提升教學(xué)水平，促進(jìn)學(xué)?！半p師型”教師隊伍的建設(shè)；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(xùn)平臺，改善實驗手段和條件，使得學(xué)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(xué)、以賽促教、以賽促建”的良性實踐教學(xué)模式。

2.6 產(chǎn)學(xué)研結(jié)合模塊

為了使學(xué)生所學(xué)能應(yīng)用到三維激光掃描實際工作中，瞄準(zhǔn)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(xué)校所處的京津冀地域優(yōu)勢建立并拓展相關(guān)激光掃描應(yīng)用領(lǐng)域企業(yè)的合作關(guān)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(xué)大綱、教學(xué)計劃的制定，教材編寫，前沿知識講座與報告[16]，在認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)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(shù)人才，另一方面利用學(xué)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(wù)，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(xué)，可以參與到教師的縱向課題的研究實踐中，學(xué)習(xí)利用C++和libLAS庫進(jìn)行激光點云數(shù)據(jù)處理和特征提取的編程工作中，學(xué)習(xí)科學(xué)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(guān)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(xué)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(biāo)，構(gòu)建了知識培養(yǎng)為基礎(chǔ)模塊，以驗證性、設(shè)計性和綜合性實驗為主體的基礎(chǔ)實驗訓(xùn)練模塊，以學(xué)科競賽和產(chǎn)學(xué)研辦學(xué)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(xué)體系，充分發(fā)揮了學(xué)生的主動性和積極性，顯著地提升了學(xué)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(fù)合型人才和滿足企業(yè)需求的人才打下了良好的基礎(chǔ)。