高職課堂教學方式改進嘗試

張漫 張小清

摘 要：在高職課堂教學中，如何提高學生的興趣是每個老師需要考慮的。通過基于照片的小型物件三維重建為載體的自主式項目教學，探討課堂教學方式的改進，讓學生了解、參與到整個三維重建過程中，在制作過程中進行學習，提高學生的學習興趣和課堂效率。

關鍵詞：課堂教學;三維重建;自主式項目教學

1 基于照片等小型物件三維重建項目來由

近年來，隨著三維打印技術的發展，三維立體模型廣泛用于多種生活、生產領域，人們對小型物件三維立體模型的需求進一步擴大。然而，現有三維立體模型主要使用各種昂貴的專業設備對目標進行高精度測量，進而進行數字化處理，顯然這種方式難以滿足普通用戶的現實需求。因此，人們開始嘗試使用簡易數據采集方式，利用普通設備提取物件三維立體模型的方法。

日常生活中，數碼相機以及攝影機已經隨處可見，可以方便地拍攝對應物件的照片，記錄對應物件某個方向的投影，且拍攝結果易于計算機讀取。如果能利用照片這種二維圖像進行三維模型重建，并從圖像中為三維結構模型提取紋理信息，就能構建具有真實紋理特征的三維立體模型，便于物件的數字化管理及其后續三維打印輸出。

基于照片的小型物件三維重建技術，僅需使用數碼相機或者攝像機拍攝被測物的二維圖像，用計算機視覺算法來提取對應物件的三維模型，具有真實、快捷、簡便的優點。可以說，如何有效利用日常設備所獲取的二維照片，使用日常計算機實現照片到三維模型的轉換，是現今計算機圖像研究領域的重要方向之一，已經有多種成型軟件可以較方便地進行三維重建。

通過對我院學生開展的問卷調查結果表明，67.67%的學生在日常生活中接觸過3D物體的應用，但是49.17%的學生不知道通過軟件能將自己拍攝的照片二維物體轉換成三維的，75.83%的學生愿意嘗試通過軟件將手機照片變成拍攝物的立體樣子，愿意學習相關的課程。66.67%的學生喜歡邊玩邊學的授課方式。因此，本教學中依托基于照片等小型物件三維重建的項目開展教學活動，在教學中有效利用先進多種成型的商業軟件，在課堂中展示信息獲取技術與計算機圖形處理技術在生活中應用，吸引學生對計算機科學技術的興趣。

2 基于照片等小型物件三維重建課堂實踐

課堂是學生知識和思想創新的“實驗室”，是教師提升教學水平和教學能力的“操練場”，是應用型創新人才培育塑造的“孵化器”。課堂模式的與時俱進，不僅是課程改革的必然選擇，也是新時代應用型創新人才培養的必經之路。隨著教學課程改革的不斷深入，以學生為中心的各種教學方式已經走進課堂。目前我院大部分學生的學情是：學習無目標、課前不預習、課后不復習、課上玩手機，跟不上老師的節奏，日積月累，學生越來越學不會，越來越不愿意學，從而導致厭學、缺課現象嚴重。如何解決這個問題，讓學生主動進行學習成為每一個一線教師需要面對和思考的問題。本研究基于我院學生的基本學情，采用項目化教學，借鑒現有翻轉課堂模式，但是不占用，少占用學生非課堂學習的時間和空間，充分利用課上時間，改變師生角色，教師是學生學習的指導者和整個課程的設計者，是學生完成個性化學習的協作者、監督者。學生充分利用教師創建的環境，自由、自主地開展學習。有效地利用各種資源，拓寬學生知識面，教師利用設計者的角色把教學方式、教學策略、教學方法等優化結合，開展教學活動，提高教學質量。

在具體的教學過程中，引入翻轉課堂的教學理念，采用自主任務驅動，做中學，做中教的一體化教學方式。根據三維重建過程過步驟所需要的技術要求，主要教學過程如下圖所示：

（1）課程導入。課程開始，播放與課程相關學生又感興趣的影片，從影片播放效果引導學生思考，用照片或者視頻可以構建小型物件的三維結構，在電影中是采用特殊的設備完成的，引出課程問題，我們在生活中是否也能采集二維照片，生成小型物件的三維模型？

（2）視頻演示。教師播放從二維照片制作成三維模型的過程，時間在兩到三分鐘以內，讓學生頭腦里有一個初步的概念，用一款軟件簡單幾步就能做一個三維模型，吸引學生興趣。

（3）動手實驗。老師提供樣本照片和制作過程視頻，學生根據視頻完成制作。讓學生體會制作的過程，建立信心，認為自己能夠很輕松的完成某個物體的三維重建，激發學生想自己建某個物體三維模型的興趣。

（4）自由實驗。學生自由選取物體，拍攝照片，進行三維重建。

（5）觀察比對。直觀比較三維重建的結果。進行第一次自我疑問，為什么自己建的效果不理想。

（6）老師介入。引導學生進行第一次結果分析。由于選取的物體不合適、拍攝的照片不符合要求等問題導致學生第一次獨立三維重建基本都不合格，但是也有好有壞。此時，老師介入引導學生觀察，做的好一點的同學和不好的同學在源頭上即拍攝的照片有什么區別，從選擇的物件、照片的數量、拍攝角度、圖像質量等問題進行直觀對比。引入知識點，原始數據的要求，包括物件選擇的要求，照片采集的要求和照片采集的方法。向學生展示理想的照片和不理想的照片。同時簡單介紹照片處理的各種方法。

（7）自由實驗。學生觀察自己采集的照片找出相關問題，進行第二次照片采集和三維重建，此次要求學生記錄每一步完成的時間。

（8）觀察比對。直觀比較三維重建的結果。進行第二次自我疑問，比第一次理想的原始照片信息讓重建的三維模型比第一次好很多，但是依然存在很多問題和不理解的地方。

（9）改進調整。老師引導學生進行第二次結果分析。教師講解知識點，確定三維建模精度、效果間的耦合關系。學生修改參數和細節，進行第三次重建，爭取達到比較理想的效果。讓學生從建模過程理解三維重建中相片采集、位置姿態解析、密集點云加密過程的邏輯過程。如果效果不理想則進行問題分析，如果效果理想則進行過程總結。確定不同類型對象、不同精度、不同紋理要求的建模結果。依據經驗進行三維重建練習。了解物體弱紋理條件下，如何人為增加紋理提高實際建模效果。

（10）成果展示。互相欣賞成果、分享經驗、進行自我評價、相互評價和教師點評。

針對不同對象，學生根據興趣，自行進行三維建模，如小型玩偶、書包等物件。教師提供不同的樣本數據，學生進行相關物體的重建，根據不同的效果，學生發現問題、提出問題，教師介入引導學生解決問題，循環反復。

教師在后續的教學中，引入無人機連續成像視頻、GPS位置姿態參數輔助、無人機側視環繞成像、五頭相機等多種多視角成像數據，從小型物件重建進一步拓展到小型建筑物快速三維重建，開拓學生視野，進一步激發學生主動學習興趣。

整個課堂教學過程始終以學生為中心，教師把控課堂節奏，進行方向上的指引和技術上的指導，在適當的契機講解知識點。

3 基于照片等小型物件三維重建項目化教學與現有項目化教學對比分析

在我院電子信息技術專業，任務式項目化教學已經得到了廣泛應用。通過建立“教、學、做”一體化的教學環境，吸引學習者的注意力和提高學習欲望，以任務驅動為主線，將所需知識融合在任務中，通過任務項目拆分，排序，逐步引領學生循序漸進完成每一個子任務，讓學生最終達到掌握知識、獲得技能的效果。但是在實際執行中，學生的認知能力、思維能力、動手能力和學習態度等多方面都有極大的差異，即使任務是多層次的，對于學生而言完成度仍有很大差異。另外，這些任務全部來自老師的設計，學生只能按要求完成，是否符合學生興趣有待商榷;其次，在教學過程中，由于教師不敢放手，很多任務都是老師手把手的教學，學生照葫蘆畫瓢的做，學生容易養成依賴心理，容易背離老師項目設計的初衷。

基于照片等小型物件三維重建項目教學將協作學習理論、任務驅動策略、項目教學法等教學方法在課堂上進行綜合運用。在教學過程中采用的是自主式項目教學方式，以基于照片等小型物件三維重建為載體，建立一個紋理清晰、尺寸正確、模型真實的三維模型為目標，通過獨立完成和同學合作為實踐方式，讓學生在整個學習過程中主動參與、樂于探究、勤于動手，培養學生自主分析問題和解決問題的能力。該項目除了第一個子任務是老師提供資源，教授實現方式外，后面所有的任務均由學生自由選材，自由實踐、自由比對、自由完成，注重教學的開放性和生活性。在教學過程中，教師敢于放手，從教變導，在學生需要的時候予以幫助，讓學生在實踐中發現問題、解決問題，同時引導學生在實踐中發現新知識、掌握新內容。學生作為學習的主體，通過獨立完成項目，提高了自學能力、觀察能力、動手能力、分析和解決問題的能力。另外，由于建模的物件由學生自由選擇，學生通過不斷的實驗學會了如何“覓食”，能夠根據自己的實際情況選擇學習方法、不斷探索、感悟成敗，尋求樂趣。通過不斷的實驗，學生懂得了“溫故而知新”的道理，不斷的重復學習加深了對知識的理解。

4 結論

基于照片等小型物件三維重建項目教學是基于目前學情對高職課堂教學方式進行改進的一種嘗試。在課堂上向學生展示圖像獲取、圖像匹配、圖像空間位置關系恢復、三維重建的信息獲得技術與計算機圖形處理技術，與學生面對面完成照片三維重建中所需進行的各項處理步驟。學生在老師總體任務的要求下，自主選材，自主實驗，互賞成果，整個教學過程中，學生興趣濃厚，參與度極高，極大了激發了學生自主學習意識。

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