新工科背景下面向智能測繪的無人機測繪課程群開發路徑研究

摘 要：隨著新工科建設和智能化測繪的不斷推進，測繪類相關高校應及時對測繪類專業的課程進行改革，但目前大多開設無人機測繪相關課程的測繪類高校教學重點沒有突出新工科背景下面向智能測繪的相關技術在無人機測繪中的應用，該文從教學內容、實踐教學方式、考核方式三方面出發，對相關教學體系進行改革，以期能夠推進新時代無人機測繪課程群的開發進度，培養更多符合時代要求的測繪學科人才。

關鍵詞：新工科建設；智能測繪；無人機測繪；課程群；人工智能

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）34-0089-04

Abstract： With the continuous advancement of new engineering construction and intelligentized surveying and mapping， surveying and mapping related colleges and universities should reform the courses of surveying and mapping majors in a timely manner， but at present， most of the surveying and mapping colleges and universities that offer UAV surveying and mapping related courses do not highlight the application of related technologies for intelligentized surveying and mapping in UAV surveying and mapping under the background of new engineering. Starting from three aspects of teaching content， practical teaching method and assessment method， this paper reforms the relevant teaching system， in order to promote the development progress of UAV surveying and mapping course group in the new era， and cultivate more surveying and mapping talents in line with the requirements of the times.

Keywords： new engineering construction; intelligentized surveying and mapping; UAV surveying and mapping; course group; artificial intelligence

專業課程群從課程定位以及課程之間的邏輯關系出發，將不同專業間共同開設的但要求有所不同的課程知識點有機組織，能夠有效指導教師的授課重點[1-2]。隨著新工科建設和智能化測繪的不斷推進，同時為了應對新時代國家和社會對測繪類專業人才的需求，測繪類相關高校應及時對測繪類專業的課程進行改革，探索實施測繪類專業新工科教育人才培養的“新課程模式”。在新工科背景下，要構建新工科專業和傳統工科專業相輔相成的學科新結構，結合發展人工智能、云計算、機器人和物聯網等相關的新工科及特色專業集群，其中測繪類專業是與其緊密關聯的專業[3-5]。測繪技術歷經模擬測繪和數字測繪，現已邁入智能測繪時代，其中的多專業交叉融合必將成為測繪技術發展的主要特征，尤其是與新興技術的融合。

圍繞新工科背景下智能測繪時代的測繪課程體系研究，國內外開展了大量研究工作。早在2017年，時任天津大學校長、現任中國農業大學黨委書記鐘登華院士就已經指出物聯網和人工智能等是未來五年內新工科背景下高等教育技術應用中的主要技術[6-7]。武漢大學龔健雅院士[8]指出了人工智能時代測繪遙感技術面臨的機遇和挑戰，介紹了人工智能在測繪遙感領域的應用進展，希望測繪遙感學科在人工智能時代獲得大發展。2021年，中國工程院潘云鶴院士團隊指出了借助大數據和人工智能等技術，建設測繪地理信息2.0時代的重點任務[9]。自然資源部國家基礎地理信息中心陳軍院士等[10]指出了智能化測繪的三個基本問題，包括測繪自然智能的解析與建模、混合型智能計算范式的構建與實現、賦能生產的機制與路徑。為了切實推動智能測繪的科技研發與工程應用，建議加強頂層設計，推動跨學科協同創新，促進產學研合作，營造良好發展環境。之后，武漢大學李德仁院士等[11]分析了智能測繪遙感衛星的適用體制，并對智能測繪遙感衛星的發展和使命進行了總結與展望。以上研究為新工科背景下面向智能測繪的無人機測繪課程群開發路徑研究提供了很好的思路，具有一定的借鑒意義。

無人機測繪融合了無人機、遙感傳感器、導航定位和圖像處理等多學科技術。由于制作成本低和操作飛行步驟簡易等優點，無人機在測繪領域得到了廣泛的應用。目前，大部分開設無人機測繪相關課程的測繪類高校仍以無人機飛行操作和無人機圖像軟件處理為教學重點，并未突出智能測繪在無人機測繪中的應用，這種趨勢并不符合新工科建設的宗旨。東華理工大學測繪與空間信息工程學院在無人機測繪方面開設有無人機測繪與應用、低空攝影測量與遙感、無人機測繪和無人機自然資源監測等課程，這些不同專業各自開設的課程之間存在一定的聯系性。為此，本文將大數據、人工智能和云計算等技術引入無人機測繪課程群，對新工科背景下面向智能測繪的無人機測繪課程群的開發路徑進行研究。

一 無人機測繪課程群面臨的新問題

隨著大數據、云計算、AI和物聯網等新興技術的出現，測繪行業迅速發展，測繪科學與技術已邁入智能化時代。智能化測繪最顯著的特征是跨界融合、泛在感知、智能自主和精準服務，對測繪類專業的人才需求提出更高的要求[12]。傳統測繪的單一教育模式已無法支持人才教培的要求，因此，無人機測繪課程群急需進行優化升級。

（一） 教學內容尚需交叉

鑒于無人機技術應用廣泛，國內部分高校大力發展無人機相關的專業及課程。諸如北京航空航天大學開設有無人駕駛航空器系統工程本科專業以及飛行器設計、航空宇航制造工程和航空宇航科學與技術等碩士、博士專業。西北工業大學在無人機領域具備較為充分的學術積累，是無人機高水平人才的搖籃，開設了飛行器設計與工程、飛行器動力工程、飛行器控制與信息工程和航空航天工程等本科專業，建設有無人飛行器技術全國重點實驗室，負責無人機研發和生產等方面工作。這些學校無人機相關專業的開設都為無人機測繪課程奠定了堅實的基礎，現今絕大多數測繪類相關專業均開設了無人機測繪課程群。但隨著無人機測繪、三維激光掃描、圖像處理等技術的發展，在新工科建設和智能化測繪時代的大背景下，無人機測繪課程群需要與大數據、云計算、人工智能和物聯網等新興技術緊密結合。然而，大部分學校相關課程仍保持在傳統的獨立狀態而未與各種快速發展的新興技術接軌，最終培養出的人才將不具備跨學科的知識整合能力，難以適應當今復雜多變的智能測繪任務。因此，有必要對現今的無人機測繪課程群內容進行升級改造，通過在課程內容中加入大數據、云計算和人工智能等相關知識，以提升學生自身的硬實力。

（二） 實踐教學方式有待改進

現階段許多高校在無人機測繪課程的設置上過于重視理論教學，而輕視實踐能力的培養，課程設置中實踐內容學時占比較少的現象非常普遍[13]。一方面，這不利于相關專業學生積累實踐經驗，提升自身的實踐能力。在無人機測繪實際作業中可能會遇到飛行穩定性差、遙控距離受限、電池續航時間不足、數據傳輸和存儲困難，以及飛行安全和法律法規等問題，這些問題都需要學生在實際作業前進行充分準備和合理規劃，并采取相應的解決措施，而學生很難在目前過于重理論輕實踐的教學方式中學習到相應技能；另一方面，無人機測繪課程群專業性強、內容難度較高，僅以書本中的理論知識為主而不輔以實踐內容進行教學，對于缺乏扎實理論基礎的學生來說，學習難度較大，容易失去學習興趣。此外，還存在部分高校購買了昂貴的無人機測繪設備，卻不讓學生上手操控，而將這些儀器設備當成擺設，不能發揮實際的教學作用的現象。在無人機測繪課程群的實踐教學中，出于場地、儀器設備、人員等的限制，教學內容可能存在與具體復雜多變的工作內容差別較大的情況，會導致學生在實際工作或更深層次的科研工作中遇到困難等。由上述內容可以看出，傳統的無人機測繪課程群的實踐教學沒有遵循“寬基礎、大專業、小方向”理念，在實踐平臺設置上缺乏綜合性和交叉性，難以培養出學生的創新思維和實踐能力[14]。因此，有必要構建更符合時代需求的實踐平臺，打造更貼合專業發展趨勢的實踐教學培養方案，優化課程體系設置，加強實踐訓練，提高課程的實用性，最終實現提升學生相應實踐能力的目標。

（三） 考核方式急需優化

傳統無人機測繪課程群教學中學生的最終成績通常為“平時成績”和“考試成績”兩部分相結合，其中平時成績往往為出勤情況、作業及實驗報告等。但出勤情況難以反映學生是否真正掌握了所學知識，作業及實驗報告是學生課后完成的，往往與同班同學的實驗結果有很多相似之處。然而，由于所進行的實驗或分配任務的同一性，很難區分其是否存在剽竊或借用行為。此外，許多學生只用幾句話就將實驗總結與心得介紹完，僅用一種敷衍式的態度完成實驗，實驗過程中的各類操作也是機械式地重復完成而無法理解其中的意義，在考試中許多學生的做法也與實驗相似，只是將書本上的文字默寫下來作為答案而并沒有真正地掌握所學知識。這種教學成績評定方式也給任課教師帶來了很大負擔，教師無法知曉學生對知識的實際掌握情況，難以客觀、全面地評定成績。因此，傳統無人機測繪課程群考核辦法不利于促進學生自主學習、生生互動和師生互動。為了落實新工科建設提出的“形成以學習者為中心的工程教育模式”，需優化無人機測繪課程群的考核辦法。

二 無人機測繪課程群開發路徑

為了建立新工科背景下面向智能測繪的無人機測繪課程群，本文針對上述傳統無人機測繪課程群教學中存在的問題提出新工科背景下智能測繪時代無人機測繪課程群培養的一系列新方案、新路徑、新辦法，以求能夠實現提高學生的動手能力、增強學生團隊合作和互動交流能力、提高學生的代碼編寫能力、調動學生學習的主動性和積極性等目標。

（一） 新工科背景下智能測繪時代無人機測繪課程群培養新方案

新工科背景下智能測繪時代應培養測繪類專業學生具備跨新興技術的綜合能力，當今培養方案的教學內容不夠豐富，因此需要構建跨專業的個性化培養方案為學生提供更豐富的教學內容。為了實現這一目標，國內各高校開展了大量研究工作。中南大學校長李建成院士團隊提出了建立實時、泛在的測繪技術體系，旨在培養學生適應智能測繪時代的創新能力[15]。武漢大學黃海蘭等[16]分析了智能測繪的時代背景，提出創新培養理念、專業交叉融合、理論實踐并重的人才培養模式，構建以學生為中心、教師為主導的開放性課堂。南京信息工程大學臧玉府等[17]從人工智能背景下對測繪工程專業人才培養的要求出發，引入人工智能知識，深化了數字攝影測量課程教學內容。

不難發現，國內大量研究指出智能測繪時代的測繪類專業與大數據、云計算、人工智能和物聯網等技術高度相關[7]，因此對無人機測繪課程群培養方案的修訂。本文將在課程設置中充分考慮多專業課程結構，為學生引入一定量交叉專業的知識點，例如基于人工智能的無人機飛行航線規劃和基于云計算的無人機航拍圖像快速拼接等，使得學生掌握一些人工智能和云計算等新興技術。此外結合本校教學實例可以知曉，無人機測繪類專業基礎課程間也有高度相關性，低空攝影測量與遙感課程的知識點掌握扎實的學生，往往在高空間分辨率遙感和攝影測量學的課程考核中也能得到較高的成績，此外數字圖像處理、地理信息系統原理、遙感程序設計基礎等課程也能發現相似的情況，因此除了在教學中引入其他新興專業的知識外，也應加強本專業課程間的聯系，比如進行課程聯合考察，開展綜合實驗，這樣一方面可以強化學生對于測繪本專業知識的掌握，另一方面也可以在進行聯合教學時對不同課程教學內容進行整合，避免對相同知識點重復教學、降低學生學習興趣、浪費時間與師資力量的情況發生。由上述專業外知識補充與專業內課程的聯動兩方面補充無人機測繪課程群的教學內容，以求真正建設新工科背景下面向智能測繪的無人機測繪課程群。

（二） 新工科背景下智能測繪時代實踐育人新路徑

為了貫徹落實“寬基礎、大專業、小方向”的教學理念，保證實踐教學的綜合性和交叉性，從而培養學生的創新思維，本文對原有課程中包括的實驗課程內容和實踐平臺兩方面對實踐教學方式進行優化。

一是豐富新工科背景下智能測繪時代無人機測繪課程群的實踐教學內容。在傳統的無人機測繪課程群教學內容分配中，通常是在進行系統的理論教學之后，再分配學時進行無人機飛行操作、影像獲取與處理等實踐教學，最后由學生課后撰寫實驗報告。正如前文所述，這種方式重理論輕實踐。此外，由于學生都進行著相同的實驗，實驗報告的撰寫可能普遍存在抄襲借鑒的現象，即使學生確實按要求完成實驗也存在只是參考實驗教程機械式地重復實驗操作，無法真正理解掌握實驗中的每步操作的內涵。為了讓學生切實掌握所學知識，提高學生的動手能力、代碼編寫能力，調動學生學習的主動性和積極性，增強學生團隊合作、互動交流能力，同時也與前文豐富教學內容的改革方案相配合，筆者建議在實踐課程中，讓學生基于老師的科研項目，自由組隊、自擬課題進行實驗，比如讓學生自主編寫程序實現對無人機采集的影像的融合拼接和建筑物、道路等地物的提取，尤其鼓勵學生在實踐課程中融合所學的大數據、云計算和人工智能等知識。這樣在實踐教學中不再是讓學生操作無人機采集影像后采用Pix 4D Mapper等影像處理軟件對影像進行后續處理就結束實踐課程，有助于學生更熟練地掌握無人機測繪與大數據、云計算、人工智能等知識，并將這些知識融會貫通，提高動手能力，從而培養出創新思維。

二是打造新工科背景下智能測繪時代能夠體現協同創新育人理念的實踐教學平臺。實踐教學不應只有軟件操作，還應該讓學生能夠真正參與到面向生產實際的無人機測繪作業中。考慮新工科背景下智能測繪的無人機測繪課程群實踐教學的綜合性和交叉性，筆者認為有必要構建院系“專業交叉”、校企“協同育人”的實踐平臺，構建“合作共贏、成果共享、人才流通”的實用教育協作機制。真正讓學生認識到無人機測繪行業的發展趨勢，以及實際生產作業對無人機測繪專業技能的要求情況，激發學生學習的主動性和積極性。此外，不同高校間也應相互合作，加強教學交流，還可以借助慕課之類的線上平臺聯合辦學，讓學生能夠了解到更多的專業知識，接觸到更多的觀點，擴寬眼界的同時改進自身的不足之處，憑借新的實踐教學平臺打造出以學生為中心，以培養創新能力為目標的新工科背景下智能測繪時代無人機測繪課程群協同創新育人新路徑。

（三） 新工科背景下智能測繪時代無人機測繪課程群考核新辦法

傳統的考核方式難以真實地反映學生對于知識的實際掌握情況，為構建新工科背景下面向智能測繪的無人機測繪課程群考核新辦法，將對無人機測繪課程群的考核辦法進行優化。除平時成績與考試成績外將增設上文提到的新的實驗方案的成績，主要由“程序設計實驗報告”“最終成果答辯匯報”兩部分組成。學生自由組隊、參與科研、設計代碼、運行程序、撰寫報告、匯報成果，教師主要輔助答疑、點評匯報，然后根據學生整體完成情況進行最終的成績評定，而無人機測繪課程群的最終考試也將在考察范圍中適當結合大數據、云計算、人工智能物聯網等知識進行出題，以求能夠全面客觀了解學生對相關知識的掌握情況，并能夠評判學生的實踐能力與創新能力。以往無人機測繪課程群最終成績的判定通常為：平時成績與考試成績分別占比40％和60%，本文提出的方法則將適當縮減平時成績在最終成績中所占比例，平時成績占比20％，實驗成績與考試成績各占40％，具體評判標準見表1。

表1 考核參照表

三 結束語

無人機測繪技術在實際生產中應用廣泛，該課程對測繪學科人才培養十分重要，本文主要從教學內容、實踐教學方式與考核方式三個方面進行研究，探討了新工科背景下面向智能測繪的無人機測繪課程群開發路徑，提出了培養新方案、實踐育人新路徑和考核新辦法。但這并不意味著相關教學體系的改革僅需要改善這三個方面就可以做到，為適應未來培養多元化、創新型優秀人才的新工科要求，以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，形成傳承與創新、交叉與融合、協調與共享的主要途徑，未來對于無人機測繪課程群的開發路徑仍需進行大量研究，希望本文能為未來的研究提供參考，助力培養更多符合時代要求的測繪學科人才。

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DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.34.021

基金項目：江西省教育科學“十四五”規劃2023年度青年課題“新工科背景下面向智能測繪的無人機測繪課程群開發路徑研究”（23QN023）

作者簡介：龔循強（1988-），男，漢族，江西南昌人，博士，副教授，中國測繪學會智能化測繪工作委員會委員，碩士研究生導師。研究方向為智能化測繪的教學與科研。