基于“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”的無人機(jī)航測實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

馬明舟

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116600）

0.引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各行各業(yè)對掌握新技術(shù)、具備較強(qiáng)實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才需求量不斷擴(kuò)大。近年來，無人機(jī)航測技術(shù)成為獲取地理空間信息的重要手段，人才缺口較大，急需高校調(diào)整人才培養(yǎng)方向，加快專業(yè)課程改革，培養(yǎng)與行業(yè)需求對接緊密的優(yōu)秀工程技術(shù)人才。

開設(shè)無人機(jī)航測實(shí)驗(yàn)課程是培養(yǎng)航測技術(shù)人才的重要環(huán)節(jié)。作為一門多學(xué)科新興技術(shù)匯集而產(chǎn)生的課程，傳統(tǒng)教學(xué)方法存在不足，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）無人機(jī)航測技術(shù)是一門學(xué)科融合、知識復(fù)雜、實(shí)踐性強(qiáng)的新型課程，傳統(tǒng)的線下教學(xué)模式對教師的專業(yè)知識要求較高，而無人機(jī)航測技術(shù)的興起僅4～5年，技術(shù)迭代速度快，教師資源稀缺，傳統(tǒng)的測繪教師不懂航空知識，航空專業(yè)教師又缺乏測繪技術(shù)；

（2）傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以線下模式為主，教師是課程的主導(dǎo)，講授和演示是教學(xué)的主要方法，教學(xué)內(nèi)容固定，教學(xué)方法單一，信息技術(shù)介入較少。而無人機(jī)航測技術(shù)的綜合性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)操作中有很多偶發(fā)性問題，在教師缺乏經(jīng)驗(yàn)、教學(xué)案例不豐富的情況下，易導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣及主動性，學(xué)生的專業(yè)知識僅停留在淺層理論認(rèn)知和基本操作層面，學(xué)習(xí)效果無法達(dá)到課程目標(biāo)要求，缺乏深入性、扎實(shí)性；

（3）無人機(jī)技術(shù)設(shè)備成本較高，高校的實(shí)驗(yàn)室投入經(jīng)費(fèi)有限，而新興技術(shù)迭代速度快，因此，無人機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)相對落后，無人機(jī)設(shè)備的數(shù)量和性能無法滿足線下實(shí)驗(yàn)需求，學(xué)生訓(xùn)練時間短，培養(yǎng)學(xué)生動手能力的效果差；

（4）無人機(jī)航測對訓(xùn)練環(huán)境要求嚴(yán)格，簡單的場地訓(xùn)練與真實(shí)的訓(xùn)練環(huán)境脫節(jié)，且真實(shí)環(huán)境存在安全隱患，既要保證訓(xùn)練的安全性，又要滿足真實(shí)性的理想訓(xùn)練場地十分稀缺。

如何破解上述困局，本文提出在無人機(jī)航測實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采用“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”的混合教學(xué)模式。

1“.線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”教學(xué)模式的核心是互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合

“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用即借助網(wǎng)絡(luò)中的大量信息資源，構(gòu)建線上學(xué)習(xí)平臺，作為課程知識的拓展端口，采用動畫、視頻和虛擬三維等多媒體技術(shù)豐富在線教學(xué)方式，以學(xué)生為中心，翻轉(zhuǎn)課堂角色，是主動學(xué)習(xí)方法的一種全新形式。

虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用即通過三維虛擬仿真和虛擬交互技術(shù)對實(shí)驗(yàn)場景、設(shè)備、流程、結(jié)果進(jìn)行虛擬展現(xiàn)，真實(shí)展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作的全部過程，讓學(xué)生身臨其境，完成如真實(shí)操作一般的實(shí)驗(yàn)感受，從而提升學(xué)習(xí)質(zhì)量。

將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，形成“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”的混合教學(xué)模式，其特點(diǎn)如下：

（1）豐富教學(xué)內(nèi)容，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對設(shè)備和環(huán)境的依賴。在無人機(jī)航測實(shí)驗(yàn)課程中，需要大型場景，動用昂貴的無人機(jī)和機(jī)載任務(wù)設(shè)備，損耗大量的資源和能源，且有一定的安全風(fēng)險。通過虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能模擬真實(shí)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)過程與現(xiàn)實(shí)世界高度一致，在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作前，可讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成大多數(shù)操作性訓(xùn)練，不僅降低了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的成本，也提升了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的安全性和可靠性；

（2）教學(xué)模式設(shè)計的思路創(chuàng)新。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法中，學(xué)生主要在書本中學(xué)習(xí)無人機(jī)設(shè)備構(gòu)造和操作的基本知識及方法，書本知識是平面線性的，很難與立體復(fù)雜的實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生直觀聯(lián)系，雖然在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程中有教師對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講解和操作演示，但學(xué)生數(shù)量多，教師和無人機(jī)設(shè)備數(shù)量短缺等原因使教學(xué)演示的效果不佳，且大量擠占了學(xué)生動手操作實(shí)驗(yàn)的時間，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，降低了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建線上學(xué)習(xí)平臺，拓寬了學(xué)習(xí)途徑，將學(xué)習(xí)從以課堂為主延伸至課前與課后，有利于過程引導(dǎo)式的教學(xué)實(shí)施，能有效串聯(lián)理論課堂與實(shí)驗(yàn)課堂；同時，能引導(dǎo)學(xué)生開展自主實(shí)驗(yàn)，由教師實(shí)施過程把控，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，增加學(xué)習(xí)興趣，減輕教師的工作壓力，提高教學(xué)工作效率和教學(xué)質(zhì)量。在教學(xué)理念上突出自主式學(xué)習(xí)和以學(xué)生為中心，在教學(xué)內(nèi)容上，既滿足對理論知識的鞏固和掌握，又滿足實(shí)際工作中對過程和細(xì)節(jié)的要求，更快掌握應(yīng)用技術(shù)；

（3）改傳統(tǒng)的被動式學(xué)習(xí)為積極自主式學(xué)習(xí)。由學(xué)生自主完成虛擬實(shí)驗(yàn)的全部過程，鼓勵學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中探索和創(chuàng)新，指導(dǎo)教師僅需對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行把控，并在網(wǎng)絡(luò)互動平臺中進(jìn)行輔導(dǎo)答疑；構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的虛擬環(huán)境，使學(xué)生從理論教學(xué)環(huán)境迅速融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，甚至是真實(shí)的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。因此，“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”的混合教學(xué)模式更適應(yīng)真實(shí)性、發(fā)散性和開放式的新工科課程；

（4）從準(zhǔn)備、過程和結(jié)果3個方面考查學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。教師將文字、圖片、視頻等學(xué)習(xí)資源上傳至云端的學(xué)習(xí)園地中，便于學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，教師可借助互聯(lián)網(wǎng)云端的學(xué)習(xí)評價系統(tǒng)，將學(xué)生預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的時間質(zhì)量評價、完成虛擬仿真操作的準(zhǔn)確性評價、完成虛擬實(shí)驗(yàn)后的測試成績評價，以及教師對學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)過程的表現(xiàn)評價、學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報告的質(zhì)量評價進(jìn)行綜合考核，分析學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的學(xué)習(xí)質(zhì)量，借助大數(shù)據(jù)和人工智能算法，完成客觀指標(biāo)的評定，減輕教師在學(xué)習(xí)成績評判過程中的工作壓力，且能客觀反映學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的掌握程度，對學(xué)生進(jìn)行全面、系統(tǒng)和貼近實(shí)際的能力評價。在“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”的混合教學(xué)模式中，學(xué)習(xí)評價和管理將更為復(fù)雜，評價內(nèi)容更多、指標(biāo)更細(xì)化。應(yīng)用型人才的培養(yǎng)是對評價體系綜合性和全面性的必然要求；

（5）對傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展。“線上+線下“”虛擬+現(xiàn)實(shí)”的混合教學(xué)模式能無限延長學(xué)生操作、訓(xùn)練等實(shí)驗(yàn)時間，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間和場地的局限性。通過反復(fù)的仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生加深對操作、流程和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的掌握，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

2“.線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”的無人機(jī)航測實(shí)驗(yàn)課程的構(gòu)建

2.1 課程架構(gòu)

基于“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”的無人機(jī)航測實(shí)驗(yàn)課程的架構(gòu)（如圖1所示），以課程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以學(xué)習(xí)平臺為核心，面向教師和學(xué)生。學(xué)習(xí)平臺前端是教學(xué)活動的不同場所，劃分為線下課堂和線上課堂兩個部分，其中，線下課堂中包含傳統(tǒng)的線下教室和實(shí)驗(yàn)室，并依據(jù)VR、AR技術(shù)建立沉浸式虛擬仿真操作實(shí)驗(yàn)室，線下課堂是課上學(xué)習(xí)的主要場所；線上課堂包含在線課程平臺和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，線上課堂是實(shí)施課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練前后用于預(yù)習(xí)、鞏固和測試的學(xué)習(xí)場所。豐富的前端平臺為教師提供了多種教學(xué)手段，也為學(xué)生提供了多種學(xué)習(xí)途徑，將課堂從現(xiàn)實(shí)世界延伸至網(wǎng)絡(luò)世界，將有效學(xué)習(xí)時間從課上延伸至課前、課后，將實(shí)訓(xùn)的有限性擴(kuò)展為無限性。學(xué)習(xí)平臺后端是基于人工智能技術(shù)構(gòu)建的過程跟蹤式學(xué)習(xí)評價系統(tǒng)，通過建立大數(shù)據(jù)分析模型，綜合分析學(xué)生對無人機(jī)航測技術(shù)的掌握程度，從而進(jìn)行科學(xué)的學(xué)業(yè)能力評定。

圖1 “線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”無人機(jī)航測的實(shí)驗(yàn)課程架構(gòu)

2.2 課程建設(shè)思路

從測繪行業(yè)對航測人才能力需求出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)階段無人機(jī)攝影測量員職業(yè)資格考試、測繪地理信息數(shù)據(jù)獲取與處理職業(yè)技術(shù)等級認(rèn)證、無人航空器駕駛職業(yè)技術(shù)等級認(rèn)證等要求，梳理和整合無人機(jī)航測技術(shù)課程的理論與實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計符合人才培養(yǎng)目標(biāo)的課程教學(xué)大綱。對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析，形成不同的教學(xué)模塊，剖析線下、線上、現(xiàn)實(shí)和虛擬4種教學(xué)手段在不同教學(xué)模塊中的應(yīng)用，設(shè)計出滿足教學(xué)內(nèi)容、促進(jìn)學(xué)習(xí)主動性、減輕教師教學(xué)壓力的教學(xué)方案。通過收集網(wǎng)絡(luò)資源和自主設(shè)計制作兩種途徑，依托網(wǎng)絡(luò)教育平臺，建立文字、圖像、視頻、動畫、3D模型于一體且教學(xué)形式豐富的在線課程，實(shí)現(xiàn)在線教學(xué)、在線實(shí)驗(yàn)和在線測試等主要功能。通過Unity3D技術(shù)建立無人機(jī)航測虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺，開發(fā)線上互動式和線下沉浸式專業(yè)仿真實(shí)驗(yàn)。尋找適合的數(shù)據(jù)分析模型，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立滿足混合式教學(xué)需求的過程跟蹤式課程學(xué)習(xí)評價系統(tǒng)，科學(xué)評測每名學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。

3“.線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”的無人機(jī)測量技術(shù)課程教學(xué)模式

以無人機(jī)基本飛行訓(xùn)練課程環(huán)節(jié)為例，“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”的教學(xué)模式（如圖2所示）包括以下環(huán)節(jié)：

圖2 “線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”教學(xué)模式的主要階段

（1）線上知識預(yù)習(xí)。該階段主要通過線上課堂中在線課程平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過教學(xué)課件、教學(xué)視頻完成無人機(jī)基本飛行控制知識預(yù)習(xí)，通過知識測驗(yàn)檢驗(yàn)線上學(xué)習(xí)的效果；

（2）線下課堂教學(xué)。該階段在線下教室中完成，包含面對面講授、互動、提問等環(huán)節(jié)，解決學(xué)生線上學(xué)習(xí)中的疑問，注重?zé)o人機(jī)基本飛行動作控制中的知識點(diǎn)、訓(xùn)練要領(lǐng)和安全事項(xiàng)；

（3）線上虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。該階段通過線上課堂中的在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，借助三維動畫了解實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的過程和內(nèi)容，利用三維模型熟悉無人機(jī)設(shè)備和構(gòu)造，通過虛擬仿真訓(xùn)練掌握實(shí)驗(yàn)步驟和關(guān)鍵操作；

（4）線下虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。該階段是在線下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中讓學(xué)生和教師通過穿戴虛擬外設(shè)設(shè)備，以沉浸式的方式進(jìn)入虛擬教學(xué)活動中，完成與現(xiàn)實(shí)操作一致的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練過程，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)操作，為開展外業(yè)實(shí)訓(xùn)奠定基礎(chǔ)；

（5）線下實(shí)操訓(xùn)練。該階段是在真實(shí)的訓(xùn)練場景中，由教師指導(dǎo)學(xué)生親自操作無人機(jī)完成規(guī)定的基本飛行動作訓(xùn)練；

（6）教學(xué)評價與反饋。該階段中將根據(jù)前面5個階段中學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和訓(xùn)練成果，對學(xué)業(yè)成績進(jìn)行綜合評定，線上和線下虛擬仿真系統(tǒng)中的學(xué)業(yè)成績將根據(jù)學(xué)習(xí)時間、測驗(yàn)成果、實(shí)驗(yàn)誤操作率等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動核算，線下課堂和實(shí)操訓(xùn)練的學(xué)業(yè)成績由教師根據(jù)學(xué)生表現(xiàn)量化指標(biāo)核算后輸入系統(tǒng)，并由系統(tǒng)根據(jù)指標(biāo)評價體系計算結(jié)果。

4.結(jié)束語

無人機(jī)航測技術(shù)作為一門新興的測繪技術(shù)專業(yè)課程，目前已在高校中廣泛開設(shè)，將“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真技術(shù)”與傳統(tǒng)教學(xué)方法相結(jié)合，創(chuàng)新“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”的混合教學(xué)，是發(fā)揮各類教學(xué)手段優(yōu)勢的最優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，優(yōu)化和創(chuàng)新現(xiàn)有教學(xué)模式，可提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目標(biāo)，為學(xué)生可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，對高校教學(xué)改革具有較強(qiáng)的實(shí)踐參考意義。