訓用一體的實踐課程項目化彈性教學模式
——以遙感影像三維重建專項訓練課程為例

施群山，梁 靜，周 楊，藍朝楨，呂 亮

(1.信息工程大學 地理空間信息學院，鄭州 450001；2.河南測繪職業學院 遙感工程系，鄭州 451464)

近年來，隨著攝影測量技術的發展以及無人機的普及，利用遙感影像進行三維重建已經成為測繪領域的一項新型測繪工作，其提供的三維重建產品可以為數字城市建設、裝備制造維修、文物修復重建、虛擬戰場構建、無人作戰應用、軍事醫療救護等多個方面的應用提供支持。特別是自然資源部實景三維中國建設計劃的提出[1]，實景三維模型的構建必將成為各測繪部門今后一段時間內的一項重要測繪生產任務，遙感影像三維重建作為實景三維建模的主要手段，軍地測繪部門對這方面的人才需求必然大幅增加。因此，信息工程大學緊跟需求，于2019年開始，率先在高職層次遙感測繪專業中開設遙感影像三維重建專項訓練課程，用來培養遙感影像三維重建方面的人才。

目前，雖然攝影測量專業有部分課程涉及到了遙感影像三維重建方面的內容，但是專門開設一門課程進行遙感影像三維建模的教學還比較少，因此該課程實施缺少可借鑒的經驗，各項教學內容需要不斷完善，尤其在教學模式方面。由于該課程具有很強的操作性和應用針對性，不同目標的建模給課程的實施帶來不同的要求，因此，為了使課程更加貼近生產需要，讓學生掌握的操作技能更快形成生產力，文中提出訓用一體的實踐課程項目化彈性教學模式，并以遙感影像三維重建專項訓練課程為例，將教學過程納入到一線作業單位的生產環節中，以作業單位下達的任務為牽引，進行教學內容設計，學生通過本課程的學習和實踐，最終將實踐成果提交到作業單位，供作業單位使用，形成生產閉環，實現學生技能訓練和成果得到利用的有效融合，達到“訓有所用，用能促訓”的目標。

1 遙感影像三維重建專項訓練課程教學現狀分析

1.1 課程特點

遙感影像三維重建專項訓練課程是信息工程大學高職層次遙感測繪專業的一門任職崗位課，要求學生在掌握遙感影像三維重建基本理論基礎上，能全面系統地掌握遙感影像三維重建的基本方法和技能。該課程具有以下特點。

1)原理復雜。遙感影像三維重建方式主要有手工建模、半自動建模、全自動建模等，其中手工建模主要是依靠3D Studio Max[2]等建模軟件進行三維建模，不涉及較多的原理；半自動建模則主要是基于激光雷達掃描數據，依據一定的算法自動生成建筑輪廓，然后在建筑輪廓基礎上進行進一步編輯；全自動建模主要是依據傾斜攝影獲取的影像，基于相關的技術進行自動化三維模型構建，其涉及的原理復雜，包括相機標定、影像特征點檢測與匹配、空中三角測量、多視稠密點云重建、模型格網構建、紋理映射、人工編輯等多項技術，相關技術的原理需要學生能夠了解掌握，以便更好的進行遙感影像三維模型的建模與編輯。

2)實踐性強。遙感影像三維重建專項訓練課程的最大特點是實踐性強，本課程一共安排80學時，其中實踐部分安排60學時，可見該課程是一門以實踐為主的課程，課程的教學目標就是要求學生掌握遙感影像三維建模的操作技能。本課程在實踐教學中涉及的軟件眾多，比如影像處理軟件PhotoShop[3]，手工建模軟件3D Studio Max、MicroStation[4]，自動建模軟件MetaShape[5]、ContextCapture[6]，模型編輯軟件Geomagic Studio[7]，模型發布軟件Cesium[8]等；須要教授學生的技能多，比如影像數據采集技能、影像編輯處理技能、基于矢量的三維建模技能、交互式三維建模技能、傾斜攝影自動三維重建技能、傾斜攝影模型編輯技能、三維模型發布等。其中很多軟件操作和建模技能復雜，這為實踐教學帶來了較大難度。

3)應用廣泛。在遙感影像三維重建專項訓練課程中，所涉及的軟件和操作技能使用十分廣泛，比如課程中用到的PhotoShop圖像處理軟件，除在本課程中用到外，也可廣泛的應用到我們工作和學習生活中，如照片的處理、多媒體課件制作、海報設計等都會用到，這為學生將來的工作做了一個很好的技能儲備。另外三維建模成果在城市規劃設計、交通路網建設、城市招商引資等領域應用也十分廣泛，可以為政府決策部門提供技術支撐。因此，學生熟練掌握遙感影像三維重建的方法和技能，是十分必要的。

4)成果可測。遙感影像三維重建專項訓練課程的另一個特點是三維建模成果具有可量測性。三維模型可以直觀真實反映城市結構布局，具有平面精度和高程精度，可以直接在三維模型成果上量測獲取建筑物高度、道路寬度、河流寬度等地物要素信息。因此，在實踐教學過程中，要向學生著重強調精度問題，三維模型成果質量要滿足項目精度的要求。教師在教學中要時刻要求學生牢記“真實、準確、細致、及時” 八字測繪方針，養成愛崗敬業、精益求精的良好職業素養。

1.2 教學現狀與問題分析

遙感影像三維重建專項訓練課程作為一門正處于建設起步階段的課程，很多地方亟待完善，教學團隊在教學中發現以下3個比較突出的問題。

1)教學脫離生產，教學設計難以有效制定。由于本課程屬于新開設課程，并且遙感影像三維建模技術也屬于一項新技術，生產單位具體作業流程、生產中的規范要求是什么，這一系列的問題教學團隊并不是完全掌握，雖然前期教學團隊也開展了廣泛的調研，但是由于測繪生產部門對該新技術也沒有形成統一的認識，因此教學中存在一定的教學脫離生產實際的問題，具體表現在：一是教師不清楚生產單位真正需要建什么樣的模型，無法針對性設計教學內容；二是學生在學習過程中不能充分認識到遙感影像三維重建的重要意義，導致學習的積極性不高，制作的成果質量參差不齊。

2)學生基礎不一，教學進度難以有效控制。我校高職層次的學生學習基礎不一，有已經上過高職院校的，也有高中畢業并且學習成績較差的，學生不同的基礎，給教學進度的控制帶來了難度。基礎較好的同學對理論知識和實訓技能的掌握相對較快，如同樣一個訓練科目，部分學生利用4個學時可以完成，部分學生必須8個學時才能完成，因此需要創新教學方法，針對不同基礎的學生，采用彈性教學安排進度，因材施教。

3)考核不易量化，教學效果難以有效評價。遙感影像三維重建專項訓練課程是一門實踐性強的課程，最終考核主要是依據學生平時表現和最終的成果,但是平時表現考核具有很強的主觀性，沒有量化標準。另外三維模型成果的質量評價，也會因為建模的應用場景不同，有不同的評價標準。學生制作的成果是否滿足實際需要也得不到檢驗。

2 訓用一體的項目化彈性教學模式

針對遙感影像三維重建專項訓練課程上述教學現狀，文中提出了訓用一體的項目化彈性教學模式。

2.1 基本思路

針對教學脫離生產的問題，目前國內外高校都進行了有益的探索和嘗試，在一些國家中有很多比較成功的職業教育典型模式，例如德國的“雙元制”[9]、加拿大的“合作教育”[10]、日本的“產學合作”模式[11]、澳大利亞以行業為主導的“TAFE”模式[12]等。這些培養模式都有一個共同的特點，就是將技能人才的培養與企業生產結合起來，在生產實踐中打造真正的技能人才，推進工學結合。我國地方院校則主要通過“產教結合、校企合作”辦學模式，在企業建立實訓基地，實行頂崗實習制度，這種培養方式以就業為導向，以市場需求為基礎，以培養技能型人才為目的，實現學校和企業的雙向共贏。采用“在學中做，做中學”，理論聯系實際，借用企業生產的大環境，將課堂教學和實踐教學融為一體，取得了較好的效果。但是由于信息工程大學的特殊性，高職層次學生在校時間較短，只有2年，安排的課程比較多，將學生送到一線單位頂崗實習的方式操作起來難度較大，不具有可行性，因此需要采用新的教學模式，既能使教學貼合實際生產，又能有效提高學生的實踐能力。文中提出訓用一體的課程教學模式來解決這個問題，具體來說就是將整個課程的教學環節，無縫的融入到一線單位的生產鏈中，將每個學生都當成實際生產中的作業人員，這樣雖然學生沒有到單位，但是作業流程上，和在單位頂崗實習一樣，從而實現時空異位、環節相同的虛擬“頂崗實習”。

針對學生基礎不一的問題，筆者所在課程組創新教學方法，采用理論聯系實踐、項目化、彈性教學方法進行教學。由于該課程以實踐為主，因此教學實施中，前期安排20學時講解三維模型重建中涉及的關鍵理論技術，在后期的實踐環節中，教師再次將理論知識融入到實訓步驟中，向學生闡述每個過程中所涉及的關鍵理論知識。對于基礎薄弱的同學，通過這種“學中做，做中學”知識貫通的方式，可以幫助他們再次加強理論知識的理解。在整個實訓課程中，實訓內容為圖像處理操作訓練、三維建模基本操作訓練、基于矢量數據的三維建模訓練、交互式三維建模訓練、無人機傾斜影像數據采集、傾斜影像自動建模訓練、傾斜影像模型編輯訓練、傾斜影像模型發布訓練等8個項目，對每個項目的學時要求只是給定一個平均學時數，對于不同的學生，可以允許他們所使用的學時有所不同。教師在教學時，采用實操演示加操作視頻的方式進行教學。在整個課程開始前，教師提前錄制各個教學項目的操作視頻，在云課堂中發布，讓學生提前進行自主觀看學習，在每個項目實施時，教師再次進行實操講解。這樣學得快的學生，可以提前看下一個項目的操作視頻，學得慢的可以回看操作視頻，教師現場操作講解則起到加強鞏固的作用。另外為了讓所有學生之間的學習進度不至差別太大，讓學生之間建立幫扶對子，學習進度比較快的同學，一對一幫扶學習進度慢的同學，讓學生共同進步，從而保證整個課程結束時，所有學生都能完成教學任務。

針對考核不易量化的問題，課程組參考生產單位的質量驗收評價流程，建立成果質量驗收標準規范，在教師評價打分的基礎上，將學生完成的實習成果交到一線單位，采用單位的標準化流程進行驗收。對于平時成績，則采用教師主評、單位專家輔評、學生互評的方式給定，教師、單位專家、學生分別打分，最后分別按照50%、40%、10%的權重計算出平時成績，力爭對學生的考核評價客觀公正。

2.2 實施步驟

訓用一體的課程教學模式具體實施時，按照以下幾個步驟進行。

1)在課程開始前，首先聯系相關生產單位，請該單位結合實際承擔的項目，給學生們下達實際的遙感影像三維重建生產任務。

2)授課教師針對下達的遙感影像三維重建生產任務，分析相關建模任務特點，調整教學內容重難點，完成教學安排和教學設計。

3)課程實施主要在校內完成，實施過程中以學生為中心，讓學生在“學中做、在做中學”，最終達到掌握相關操作技能的目的。在實施中，適當邀請作業單位專家來校進行授課指導。

4)課程結束后，將學生的成果提交給任務下達單位，由任務下達單位按照標準流程和質量規范檢查成果是否滿足要求，并給定成果評價分值。對于平時成績則按照上述介紹的教師、單位專家、學生分別打分的方式加權計算，最終得到每個學生的總成績。

3 教學實踐

3.1 教學實踐案例

為了驗證提出的教學模式在遙感影像三維重建專項訓練課程中的實際效果，筆者所在課程組將該模式應用到高職遙感測繪專業2020年和2021年秋季學期遙感影像三維重建專項訓練課程中。在2020年秋季學期，整個教學按照2.2節的實施步驟。課程開始前，聯系了南京某測繪業務單位，請該單位結合實際生產任務，給該班的學生下達了三維重建生產任務。任務明確了生產的范圍區域、建模的精度、生產的時限要求、提交的成果、依據的規范等。在接到任務后，任課教師首先對照任務書，對教學內容和要求進行了針對性的調整，實施時則以生產時限為依據，將教學內容劃分為多個教學項目，各個項目的教學時間，則采取以學生為中心的彈性化設計，只給定平均所有學時，如表1所示，每個學生可以根據自己的學習基礎，進行學習訓練時長調整。結課后，則將學生的實習成果交給任務下達單位。根據2020年實際的教學實踐效果，課程組在2021年的課程中，針對性地又修訂了教學計劃，使之更加貼近教學和生產目標。

通過兩個學期的實踐，相比于2019年本課程的教學，無論是從教師的感受、學生的反饋，還是學生實習成果的質量都有顯著的提高。教師方面，教學目標更加明確，同時也可以明顯感受到學生學習更加積極，由之前的等老師教，變成了自己主動學；學生方面，學習目標更加聚焦，學習由之前的漫不經心，到現在的加班加點，甚至主動要求利用晚自習時間到機房加班學習。實習成果質量方面感受最為直觀，以前整個課程下來，還有很多同學沒有完成既定的建模任務，但是采用這種訓用一體的模式后，學生都不想拖后腿，尤其是成果要交回任務下達單位，更增強了學生們做好成果的動力，有效提高了教學質量。

表1 訓練項目學時分配表

3.2 教學模式特點分析

通過實際的教學實踐，提出的教學模式取得了明顯的效果，其是校企合作以及聯教聯訓教學模式，在遙感影像三維重建專項訓練課程教學中的創新嘗試。課程將教學融入到生產單位的實際作業中，成為生產作業的一環，而不是脫離單位實際，這樣一方面可以加強學生對遙感影像三維重建實際意義的認識，另一方面可以以一線生產單位的需求為牽引，進行教學內容的設計，真正做到學有所用，訓用一體。具體來說文中提出的教學模式有以下幾個特點。

1)訓用結合，以需求促建設。本課程結合學生無法到單位進行“頂崗實習”的現實情況，將校企合作模式進行創新，采用訓用結合的方式，來促進課程的建設，邀請單位全程參與課程教學中，課前提出任務需求，課中參與指導，課后參加考評，讓學生上課的成果直接成為單位生產任務的成果。

2)項目引導，以生產促學習。本課程以專題項目的方式進行教學，按照學生進行建模需要的專業技能，將課程劃分為多個項目，各個項目承前啟后、環環相扣，各個項目學習時長因人而異，學生學習由淺入深，效果好。

3)質量檢查，以驗收促質量。在考核評價環節，以生產中的成果質量驗收檢查，代替一般的學習考評方式。以生產單位的成果質量規范要求為標準，來驗收學生提交的實踐教學成果，并進行結業成績評定。對于平時成績，則采用多方參與、共同評價的方式來進行評定，通過多措并舉的方式來提高學生的質量意識，提高學習效率。

4)實踐應用，以案例促推廣。遙感影像三維重建專項訓練課程實用性強、推廣應用價值大，為了增強學生學習的興趣，在學習過程中，除了按照生產單位要求的實習內容外，課后還會布置一些和學生以及生活密切相關的作業，如讓學生自己給自己的照片換背景，建一下自己宿舍樓的三維模型等，這些案例可以有效提高學生興趣，促進教學成果在實際中的應用。

綜上所述，文中提出的訓用一體項目化彈性教學模式，取得了良好的教學實踐效果。該課程自開設以來，已經兩次被評為校級優質課，同時該課程也受到學生的普遍歡迎。

4 結束語

以遙感影像三維重建專項訓練課程為例，在分析遙感影像三維重建專項訓練課程的特點、教學現狀和存在主要問題的基礎上，提出訓用一體的項目化彈性教學模式，在教學過程中，結合學生無法到單位頂崗實習的現狀，邀請一線生產單位全程參與到教學過程中，開課前下達任務、上課時參與指導、結課后組織成果驗收，讓課程教學成為實際生產任務的一部分。教學實踐表明，該教學模式可以有效提升學生參與積極性，促進學生實踐成果質量的提升，提高遙感影像三維重建專項訓練課程的教學效果。