無人機測繪技術課程混合式虛擬仿真實驗教學模式探索

摘 要 無人機測繪技術課程是一門理論性和實踐性均較強的學科交叉型測繪專業課程，傳統實驗教學模式難以滿足無人機測繪技術人才培養需求。文章基于“互聯網+”時代學生的學習特點，利用快速發展的虛擬現實技術構建混合式虛擬仿真實驗課程教學模式，對解決無人機測繪技術傳統教學模式下的諸多問題具有很強的現實意義，也為測繪學類本科專業的教學改革提供借鑒。

關鍵詞 無人機測繪；混合式教學；虛擬仿真；教學模式

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.23.037

Exploration of Hybrid Virtual Simulation Experiment Teaching Mode for

UAV Surveying and Mapping Technology Course

XU Jun1， HE Yanjun2， WU Bin1

（1. School of Natural Resources and Surveying， Nanning Normal University， Nanning， Guangxi 530001;

2. Key Laboratory of Environment Change and Resources Use in Beibu Gulf， Ministry of Education，

Nanning Normal University， Nanning， Guangxi 530001）

Abstract The course of UAV surveying and mapping technology is a highly theoretical and practical interdisciplinary surveying and mapping professional course， and the traditional experimental teaching mode is difficult to meet the requirements of talent cultivation for UAV surveying and mapping technology. Based on the learning characteristics of students in the \"Internet plus\" era and the rapidly developing and widely used virtual reality technology， this paper proposes to build a blended virtual simulation experiment teaching mode， which has a strong practical significance for solving many problems under the traditional teaching mode of UAV surveying and mapping technology， and also provides a reference for the teaching reform of surveying and mapping undergraduate majors.

Keywords UAV surveying and mapping; blended teaching; virtual simulation; teaching model

近年來，無人機測繪技術被廣泛應用于基礎測繪、自然資源、智慧城市、應急救災等領域，掌握無人機測繪技術的專業人才也受到各行業廣泛的青睞。無人機測繪技術人才需求量急劇增大，高校需要緊跟行業發展對無人機測繪技術人才的需求，推進測繪工程專業課程改革，及時調整測繪工程專業人才培養方案，培養與行業需求相匹配的無人機測繪技術優秀人才[1]。為培養符合行業發展需求的優秀無人機測繪技術人才，南寧師范大學（以下簡稱“我校”）為測繪工程專業本科生開設了無人機測繪技術課程，購置了用于教學的無人機，并組建了專業教學團隊。由于無人機測繪技術涉及多學科融合，技術綜合性強，要求任課教師既要有跨學科的專業知識，也要有豐富的實踐經驗和教學案例。另外，由于無人機設備成本較高，無人機飛行訓練環境要求嚴格，且存在無人機操縱不規范或應急處置不及時導致的人身及財產安全風險，傳統教學模式難以滿足線下實驗需求[2]。

本文參照測繪工程專業無人機測繪技術課程設置計劃，根據測繪行業對無人機測繪技術人才的能力要求修訂課程教學大綱，融合無人機測繪技術、虛擬仿真技術、互聯網技術，搭建線上線下課程學習和虛擬仿真實驗的學習平臺，將跨學科專業知識的學習內容放到在線學習平臺的線上學習部分，將部分受無人機設備類型數量和實驗場地所限的實驗放到學習平臺的虛擬仿真實驗部分，建立無人機測繪技術混合式虛擬仿真實驗教學課程[3]。學生利用線上實驗課程資源，不受時空條件限制地進行無人機測繪虛擬仿真學習與實訓，突破傳統實驗教學的不足，提高了學習興趣，也有效提升了無人機測繪技術課程實驗教學質量。

1" 混合式虛擬仿真實驗教學

1.1" 混合式教學

對于成長在數字時代的學生而言，傳統的學校面對面單向傳輸式現場學習模式已經無法滿足其學習需求。未來，學校教學組織的主要方式將會是融合傳統課堂現場學習和網絡在線學習優勢的混合式教學[4]。混合式教學是將傳統課堂教學的特點與線上教學有機結合、深度融合的教學模式。在該教學模式下，課程教學突出學生的教學主體及核心地位，學生可以在探究式學習中積極地觀察問題、分析問題并解決問題[5]。這種學習方式不僅促進了學生和教師之間的教學交流互動，同時也讓教師不受時空限制，實現從傳統的課堂組織者和實施者到教學活動的引導者和協作者的角色轉換。在信息網絡技術快速發展的當下，現代教育改革也朝著混合式教學模式改革和方法創新的新趨勢前進，為無人機測繪技術課程的教學改革提供了新的機遇[6]。

1.2" 虛擬仿真實驗教學

為實現高等教育高質量發展和全面提高人才培養質量，教育部深化本科教育實驗教學改革，推進高等教育實驗教學深度融合信息技術，使得示范性虛擬仿真實驗教學項目在全國范圍內展開[7]。虛擬仿真技術利用計算機設備和相關軟件系統構建虛擬的三維環境，以模擬現實世界。由于虛擬仿真技術具有交互性、沉浸性、逼真性和虛幻性等特點，在一些對實際操作技能要求較高的工科專業實踐教學中被廣泛應用，其獨特的作用逐漸得到展現[8]。通過虛擬仿真實驗可以改善實踐教學的時空局限和設備局限，將無人機測繪過程可視化，完成傳統實驗教學無法進行的精細化課堂教學，能有效解決當前人才培養中實踐與理論脫鉤的問題。

2" 無人機測繪技術混合式虛擬仿真實驗教學

2.1" 教學架構

本文提出的混合式虛擬仿真實驗教學是結合混合式教學和虛擬仿真實驗教學的一種新型教學模式，該模式以課程數據為基礎，以學習平臺為核心，面向教師和學生，教學架構如圖1所示。學習平臺前端為教師提供多種教學手段，也為學生提供多種學習途徑，為線下課堂和線上課堂兩個部分。學習平臺后端利用建立學生學習的大數據分析模型，綜合分析學生掌握無人機測繪的程度，科學評定學生的學習能力和學業水平，是基于人工智能構建的過程跟蹤式學習評價系統[9-10]。

2.2" 教學內容

線下課堂中包含傳統的線下教室、無人機測繪技術實驗室和無人機測繪實訓場地。線下課程學習內容主要包括無人機測繪系統（組成、特點）、無人機攝影測量原理（垂直、傾斜、貼近）等測繪專業內容。無人機測繪技術實驗室學習內容主要包括無人機模擬飛行、無人機影像數據處理。無人機測繪實訓場地學習內容主要包括無人機航攝飛行安全操控、無人機測繪綜合實習。

線上課堂中包含虛擬仿真實驗平臺和在線課程平臺，用于實施實驗訓練和在線課程教學，學生可以在這個線上課堂進行實驗和課程的預習、鞏固和測試。線上課程學習內容主要包括無人機基礎（定義、分類、組成、特點）、無人機飛行原理（飛行環境、翼型、空氣動力學）、航空飛行知識（法律法規、駕駛執照）、無人機測繪過程（垂直、傾斜、貼近）。虛擬仿真實驗學習內容主要包括無人機認知實驗和無人機操作實驗，其中，無人機認知實驗主要包括無人機結構、無人機測繪系統組成、起降場地選取、航攝數據質量檢查、測繪任務航線設計等實驗。無人機操作實驗主要包括儀器設備選取、地面像控測量、無人機航線設計、無人機航攝影像采集、無人機垂直攝影、無人機傾斜攝影、無人機貼近攝影、異常狀況操作訓練等實驗。

3" 混合式虛擬仿真實驗教學模式

以無人機測繪技術課程的傾斜攝影測量實驗教學內容為例，混合式虛擬仿真實驗教學模式主要包括以下5個環節：

3.1" 線上學生預習

在線上，學生通過線上課程平臺進行預習，通過學習教學課件和觀看教學視頻預習無人機傾斜攝影測量知識，并通過線上課程平臺提供的知識測驗功能在線檢驗學生的線上學習效果。

3.2" 線下教師教學

在線下，教師在傳統教室中進行課程教學，通過面對面講授、互動、提問等各種常規教學環節，解答學生在線上預習過程中遇到的各種問題，重點關注無人機傾斜攝影測量的原理、技術要點和注意事項。

3.3" 線上虛擬實驗

學生通過虛擬仿真實驗平臺觀看視頻動畫，了解無人機傾斜攝影測量的過程和要求，熟悉測區的地形、地貌、風力、風向、空氣濕度等飛行環境特點，通過虛擬仿真訓練掌握實驗步驟和關鍵操作。

3.4" 線下實操訓練

在現實訓練場景，學生在教師的指導下操作無人機，進行測繪航線規劃和航攝飛行，完成無人機傾斜攝影測量過程。

3.5" 教學評價反饋

采用過程跟蹤式的學習評價系統，收集學生學習時間、測試成果、實驗誤操作情況等數據，根據學生在前面幾個階段的學習表現和訓練成果，對學生成績進行綜合評定。

4" 總結與展望

無人機測繪技術課程目前已在高校中廣泛開設，并成為一門新興的測繪技術專業課程，結合混合式教學與虛擬仿真實驗教學，創新混合式虛擬仿真實驗教學，改傳統的被動式學習為積極自主式學習，將課堂從現實世界延伸至網絡世界，可發揮各類教學手段的優勢，提高測繪工程專業人才培養質量，為高校工科專業的教學改革提供實踐參考。

*通信作者：何燕君

基金項目：南寧師范大學本科教學改革項目“《無人機測繪技術》課程混合式虛擬仿真實驗教學模式探索與實踐”（2023JGX047）；南寧師范大學校級課程思政示范課程建設項目“無人機測繪技術”（19）；廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“自然資源融合模式促進鄉村振興發展研究”（2021KY0402）。

參考文獻

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[2] 吳瑋，徐敬海.無人機航空測繪過程虛擬仿真實驗教學的探索[J].現代測繪，2021，44（5）：62-64.

[3] 馬明舟.基于“線上+線下”“虛擬＋現實”的無人機航測實驗教學模式研究[J].經緯天地，2021（3）：83-85.

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[5] 嚴京京，李迺彤，龍濤，等.高等教育混合式教學發展及要求研究[J].成才之路，2023（18）：13-16.

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[8] 周國清，郭寶宇，王浩宇，等.無人機攝影測量虛擬仿真實驗教學系統的構建與應用[J].測繪通報，2021（12）：163-167.

[9] 劉鴻雁.基于“五維一體”模式下的混合式教學過程性評價研究[J].才智，2023（25）：65-68.

[10] 劉鑫.基于層次分析法構建高校混合式教學評價體系[J].齊魯師范學院學報，2023，38（4）：9-16.