新工科背景下無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)課程教學(xué)改革探討

丁闊，宋高峰

（北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144）

自2017 年2 月以來，教育部積極開展新工科建設(shè)，相繼形成“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”三大新工科建設(shè)指導(dǎo)文件[1-3]，促進(jìn)了高等工程教育的改革和發(fā)展。新工科首要是對(duì)傳統(tǒng)工科的改造和升級(jí)，指向新一輪的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命。當(dāng)前我國(guó)在校生人數(shù)和畢業(yè)生人數(shù)較多，存在拔尖創(chuàng)新人才少、人才培養(yǎng)與生產(chǎn)和創(chuàng)新實(shí)踐脫節(jié)等問題，新工科更加側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、跨學(xué)科能力、創(chuàng)新能力、智能技術(shù)應(yīng)用能力等，以適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[4-5]。

攝影測(cè)量學(xué)是基于對(duì)光學(xué)攝影機(jī)獲取的相片進(jìn)行量測(cè)和解譯，在無須接觸物體本身的情況下通過二維影像重建三維目標(biāo)，但傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量難以滿足人們對(duì)影像數(shù)據(jù)獲取實(shí)時(shí)性和實(shí)效性的要求，而隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷成熟和廣泛應(yīng)用，以及各類測(cè)繪設(shè)備如相機(jī)、傾斜相機(jī)、機(jī)載LiDAR 的快速普及，影像獲取方式越來越簡(jiǎn)單、快捷[6-7]。2017 年，無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在地理測(cè)繪、數(shù)字城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域開始被廣泛應(yīng)用，迫切需要大量專業(yè)人才。因此，無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)作為傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法的重要發(fā)展和補(bǔ)充，是適應(yīng)當(dāng)前行業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)需求的一門技術(shù)，符合國(guó)家新工科發(fā)展戰(zhàn)略[8-12]。

2.2 統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)中的“去數(shù)學(xué)化” 前已述及，統(tǒng)計(jì)學(xué)的內(nèi)核在統(tǒng)計(jì)思想，而統(tǒng)計(jì)學(xué)方法本身呈現(xiàn)給我們的是抽象的數(shù)學(xué)符號(hào)。面向數(shù)理功底較差的學(xué)生授課時(shí)，如何在講解中，將統(tǒng)計(jì)方法“去數(shù)學(xué)化”顯得很重要。所謂的“去數(shù)學(xué)化”實(shí)際就是將統(tǒng)計(jì)方法呈現(xiàn)給我們的抽象數(shù)學(xué)形式，轉(zhuǎn)換成我們易于理解的語言過程。“去數(shù)學(xué)化”也是對(duì)統(tǒng)計(jì)方法背后的統(tǒng)計(jì)思想的進(jìn)一步細(xì)化和具體化。我們以因子分析為例來說明“去數(shù)學(xué)化”的重要性。

2021 年，無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)專業(yè)被列入《職業(yè)教育專業(yè)目錄（2021 年）》，大量高校都開設(shè)了無人機(jī)測(cè)繪相關(guān)課程，作為一門新興學(xué)科，其內(nèi)容新穎，貼近市場(chǎng)前沿，實(shí)踐性強(qiáng)，且涉及技術(shù)范圍廣，課程發(fā)展建設(shè)既有很大空間，又面臨很多新的困難和挑戰(zhàn)，當(dāng)前仍處于探索階段[13-15]。本文總結(jié)了當(dāng)前無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)課程發(fā)展的現(xiàn)狀及問題，并就課程改革的方案進(jìn)行了探討。

1 無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 課程設(shè)計(jì)較為傳統(tǒng)

很多高校在無人機(jī)測(cè)繪專業(yè)課程建設(shè)方面投入不足，缺乏實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，在課程設(shè)計(jì)上仍以課堂講授為主，且理論教學(xué)內(nèi)容占比較大，即使購買了無人機(jī)設(shè)備，實(shí)踐教學(xué)中設(shè)備使用率仍然較低，學(xué)生實(shí)踐學(xué)時(shí)較短，無法滿足實(shí)踐教學(xué)的實(shí)際需求。

根據(jù)企業(yè)需求合理修改教學(xué)內(nèi)容，將課程內(nèi)容分為實(shí)訓(xùn)篇、建模篇和應(yīng)用篇三部分（如圖1 所示）。實(shí)訓(xùn)篇為無人機(jī)測(cè)繪外業(yè)部分的基礎(chǔ)，著重介紹無人機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，包括基本概念、系統(tǒng)構(gòu)成和飛行注意事項(xiàng)等。建模篇側(cè)重?cái)z影測(cè)量技術(shù)的理論知識(shí)及三維實(shí)景模型的構(gòu)建，內(nèi)容包括解析三角測(cè)量、影響特征提取及匹配、數(shù)字地面模型的建立，圖文并茂，與實(shí)踐操作環(huán)節(jié)緊密結(jié)合。應(yīng)用篇以多個(gè)實(shí)踐場(chǎng)景為例，詳細(xì)介紹無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在諸多行業(yè)的應(yīng)用，并邀請(qǐng)合作企業(yè)分享前沿知識(shí)和應(yīng)用案例。

1.2 課程內(nèi)容較難

當(dāng)前本課程對(duì)于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)主要集中在無人機(jī)飛行操作中的動(dòng)手能力和傾斜攝影測(cè)量理論的學(xué)習(xí)理解能力，而對(duì)于無人機(jī)測(cè)繪任務(wù)分工上的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，針對(duì)測(cè)繪任務(wù)及航線規(guī)劃的獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力，三維建模軟件的自主學(xué)習(xí)操作能力，以及思想道德素質(zhì)等方面的培養(yǎng)尚顯不足。

1.3 考核方式單一

把多軸系統(tǒng)簡(jiǎn)化成單軸系，把阻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Mf折算至變頻電動(dòng)機(jī)軸上為Mr，此時(shí)把Mr看作等效的阻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。將計(jì)算軸作為計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的功率傳輸關(guān)系和機(jī)械總動(dòng)能一定為折算原則，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量化為兩部分：變頻電機(jī)端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的和標(biāo)記為JⅠ；靠低速軸側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和記作JⅡ[4]，如圖2(b)所示。

1.4 能力培養(yǎng)不足

無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)所涉及的技術(shù)領(lǐng)域較多，學(xué)習(xí)難度較大，對(duì)大學(xué)低年級(jí)沒有其他課程基礎(chǔ)的學(xué)生來說難度更大，其涉及內(nèi)容既包括無人機(jī)結(jié)構(gòu)、飛行原理、操作及維護(hù)等無人機(jī)相關(guān)內(nèi)容，又包括攝影測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的理論知識(shí)，以上兩部分內(nèi)容關(guān)聯(lián)較少，缺乏緊密聯(lián)系，尤其攝影測(cè)量技術(shù)部分所涉及的理論知識(shí)較為枯燥，公式較多且內(nèi)容極為抽象，如果沒有足夠的實(shí)踐體驗(yàn)，會(huì)增加學(xué)習(xí)難度，并使學(xué)生降低對(duì)本門課程的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)對(duì)于學(xué)生來說兼具新奇性、創(chuàng)新性和前沿性，在新工科背景下應(yīng)更加突出以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，融合多學(xué)科知識(shí)，培養(yǎng)綜合全面、創(chuàng)新能力突出且適應(yīng)時(shí)代需求的學(xué)生，具體包括以下幾個(gè)方面。

2 無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)課程教學(xué)改革探討

頭孢哌酮鈉/舒巴坦的兩種配方比較鮑曼不動(dòng)桿菌所致肺部感染的療效……………………… 熊 潔，彭清臻，厲銀平，等（2·141）

當(dāng)前本課程的考核方式主要以實(shí)驗(yàn)成績(jī)和報(bào)告成績(jī)?yōu)橹鳎渲袑?shí)驗(yàn)成績(jī)主要針對(duì)無人機(jī)操作實(shí)驗(yàn)，該部分成績(jī)?nèi)狈侠碛行У脑u(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，不夠客觀真實(shí)，且學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告過程中，往往缺乏獨(dú)立自主的思考，對(duì)于實(shí)驗(yàn)構(gòu)想的理解不夠深入，實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成質(zhì)量較低。

2.1 以需求為導(dǎo)向，與企業(yè)結(jié)合

教師可在授課過程中向?qū)W生提供相關(guān)資料及深度學(xué)習(xí)算法代碼，適當(dāng)增加課程的難度和挑戰(zhàn)性，在人工智能課程中也可增加無人機(jī)模型構(gòu)建的案例分析，兩門課程都屬于北方工業(yè)大學(xué)智能建造學(xué)科的重要組成部分，均以智能建造行業(yè)的發(fā)展為共同導(dǎo)向，在課程交叉教學(xué)的過程中，必將拓展學(xué)生思維，使學(xué)生加深對(duì)行業(yè)的理解。

本課程與實(shí)踐結(jié)合極為緊密，如果以大量的理論知識(shí)輔以少量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，則忽略了學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，且本課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)基本以無人機(jī)操作和影像處理為主。無人機(jī)操作部分，由于學(xué)時(shí)及課堂人數(shù)限制，學(xué)生往往無法熟練掌握操作技巧，且缺乏對(duì)航線選取及線路規(guī)劃的認(rèn)識(shí)。影像處理部分實(shí)驗(yàn)，流程類似傳統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)，由教師講解實(shí)驗(yàn)原理和步驟，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行對(duì)照操作，始終處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，無法培養(yǎng)自主思考的能力。

圖1 課程內(nèi)容體系

可以在學(xué)校學(xué)生會(huì)和團(tuán)委的支持下，成立“無人機(jī)協(xié)會(huì)”，以社團(tuán)為載體，在全校范圍舉辦學(xué)科競(jìng)賽，競(jìng)賽內(nèi)容應(yīng)涵蓋無人機(jī)飛行、無人機(jī)和三維激光掃描模型的建筑物3D 構(gòu)建，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以賽促學(xué)，以學(xué)促行。

2.2 自主性、開放式實(shí)驗(yàn)框架

引入翻轉(zhuǎn)課堂和CDIO（Conceive，Design，Implement and Operate，構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)施—操作）的自主學(xué)習(xí)教學(xué)理念，改變?cè)械尿?yàn)證式實(shí)驗(yàn)方式，構(gòu)建以學(xué)生為主體的開放性實(shí)驗(yàn)框架。以三維模型構(gòu)建實(shí)驗(yàn)為例，由教師向各組學(xué)生分別安排教學(xué)任務(wù)，各組任務(wù)可側(cè)重不同應(yīng)用領(lǐng)域，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)飛行計(jì)劃、測(cè)量精度、模型構(gòu)建等，學(xué)生在執(zhí)行過程中會(huì)存在一些難度較大的問題，由教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)學(xué)生自行交流并解決問題。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核過程中，學(xué)生始終處于被考核狀態(tài)，而開放式實(shí)驗(yàn)可將考核辦法進(jìn)行修正，由各組學(xué)生匯報(bào)完成情況，并由其他各組學(xué)生對(duì)評(píng)定成果打分，作為最終成績(jī)的重要組成部分。整個(gè)考核過程堅(jiān)持以學(xué)生為中心，鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、解決問題能力、交流溝通能力、演示匯報(bào)能力等，可有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.3 與人工智能技術(shù)融合

隨著社會(huì)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)之間的互聯(lián)互通日益密切，新工科推動(dòng)現(xiàn)有學(xué)科的交叉融合，也是未來創(chuàng)新人才培養(yǎng)的趨勢(shì)。例如，人工智能技術(shù)目前已快速融入各個(gè)行業(yè)，在無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)中，無人機(jī)影像拼接中的特征點(diǎn)匹配主要就是通過人工智能分層卷積特征進(jìn)行的，需要對(duì)不同深度的卷積特征逐層進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，最終完成無人機(jī)影像的拼接。同時(shí)在很多無人機(jī)應(yīng)用行業(yè)領(lǐng)域中，無人機(jī)搭載的人工智能技術(shù)，通過智能化，來減少人的識(shí)別和判斷帶來的誤差，從而提高決策能力。

應(yīng)明確以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，學(xué)校的“供”應(yīng)該與企業(yè)的“需”相適應(yīng)，借助學(xué)校平臺(tái)優(yōu)勢(shì)建立并拓寬與相關(guān)無人機(jī)應(yīng)用企業(yè)的合作，以無人機(jī)三維模型構(gòu)建人才培養(yǎng)為切入點(diǎn)，與企業(yè)開展校企合作，培養(yǎng)人才，企業(yè)參與教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃的制訂，在生產(chǎn)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)階段，由教師帶領(lǐng)學(xué)生到企業(yè)參加生產(chǎn)實(shí)踐。

Simulation on Power System of Offshore Platform with Closed Bus-Tie(s)

治療后，2組患者的膝關(guān)節(jié)功能評(píng)分較治療前均顯著升高(均P<0.05)，觀察組膝關(guān)節(jié)評(píng)分更高于對(duì)照組(P<0.05)。見表1。

2.4 虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

由于實(shí)踐課程學(xué)時(shí)有限，實(shí)踐飛行時(shí)間往往用在學(xué)生對(duì)飛行技巧的掌握上，學(xué)生對(duì)于測(cè)量方案設(shè)計(jì)、線路規(guī)劃等方面的知識(shí)相對(duì)掌握不足。此外，無人機(jī)設(shè)備往往無法滿足所有學(xué)生實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與度不高，因此，可將虛擬仿真技術(shù)引入課程教學(xué)設(shè)計(jì)，解決無人機(jī)測(cè)繪實(shí)驗(yàn)中儀器不足、風(fēng)險(xiǎn)大和容易受到天氣影響等問題，并保證了外業(yè)飛行實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建無人機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)有兩大優(yōu)勢(shì)：一是傳統(tǒng)的無人機(jī)培訓(xùn)方式，如視頻教學(xué)模式、培訓(xùn)模式，存在效率低、成本高的問題。通過無人機(jī)虛擬平臺(tái)，教師可以進(jìn)行無限制的飛行測(cè)試，從而提高訓(xùn)練效率，減少訓(xùn)練成本。二是該平臺(tái)可以幫助研究人員進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，通過無人機(jī)虛擬平臺(tái)，研究人員可以收集大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和圖像，能夠以低成本的方式為無人機(jī)飛行過程中的無人機(jī)航路規(guī)劃提供支持。無人機(jī)深度學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以生成大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)，提高人工智能系統(tǒng)的訓(xùn)練效率，有利于工程應(yīng)用。

3 結(jié)語

在新工科建設(shè)背景下，無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的前沿學(xué)科，應(yīng)在教學(xué)內(nèi)容上以需求為主導(dǎo)，融合人工智能、虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建多學(xué)科融合的知識(shí)體系，在教學(xué)方法上探索更加自主開放的實(shí)驗(yàn)框架，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，開展校企合作，開展多種形式學(xué)科競(jìng)賽，多主體協(xié)同發(fā)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐技能的強(qiáng)化培養(yǎng)。以上教學(xué)改革方案能夠提高學(xué)生興趣，激發(fā)學(xué)生潛能，讓學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)熟練掌握知識(shí)，提高綜合能力，最終培養(yǎng)出適應(yīng)時(shí)代需求、綜合全面、創(chuàng)新能力突出的人才。