張漫 張小清

摘 要：在高職課堂教學(xué)中，如何提高學(xué)生的興趣是每個(gè)老師需要考慮的。通過基于照片的小型物件三維重建為載體的自主式項(xiàng)目教學(xué)，探討課堂教學(xué)方式的改進(jìn)，讓學(xué)生了解、參與到整個(gè)三維重建過程中，在制作過程中進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂效率。

關(guān)鍵詞：課堂教學(xué);三維重建;自主式項(xiàng)目教學(xué)

1 基于照片等小型物件三維重建項(xiàng)目來由

近年來，隨著三維打印技術(shù)的發(fā)展，三維立體模型廣泛用于多種生活、生產(chǎn)領(lǐng)域，人們對(duì)小型物件三維立體模型的需求進(jìn)一步擴(kuò)大。然而，現(xiàn)有三維立體模型主要使用各種昂貴的專業(yè)設(shè)備對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度測(cè)量，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)字化處理，顯然這種方式難以滿足普通用戶的現(xiàn)實(shí)需求。因此，人們開始嘗試使用簡(jiǎn)易數(shù)據(jù)采集方式，利用普通設(shè)備提取物件三維立體模型的方法。

日常生活中，數(shù)碼相機(jī)以及攝影機(jī)已經(jīng)隨處可見，可以方便地拍攝對(duì)應(yīng)物件的照片，記錄對(duì)應(yīng)物件某個(gè)方向的投影，且拍攝結(jié)果易于計(jì)算機(jī)讀取。如果能利用照片這種二維圖像進(jìn)行三維模型重建，并從圖像中為三維結(jié)構(gòu)模型提取紋理信息，就能構(gòu)建具有真實(shí)紋理特征的三維立體模型，便于物件的數(shù)字化管理及其后續(xù)三維打印輸出。

基于照片的小型物件三維重建技術(shù)，僅需使用數(shù)碼相機(jī)或者攝像機(jī)拍攝被測(cè)物的二維圖像，用計(jì)算機(jī)視覺算法來提取對(duì)應(yīng)物件的三維模型，具有真實(shí)、快捷、簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)?？梢哉f，如何有效利用日常設(shè)備所獲取的二維照片，使用日常計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)照片到三維模型的轉(zhuǎn)換，是現(xiàn)今計(jì)算機(jī)圖像研究領(lǐng)域的重要方向之一，已經(jīng)有多種成型軟件可以較方便地進(jìn)行三維重建。

通過對(duì)我院學(xué)生開展的問卷調(diào)查結(jié)果表明，67.67%的學(xué)生在日常生活中接觸過3D物體的應(yīng)用，但是49.17%的學(xué)生不知道通過軟件能將自己拍攝的照片二維物體轉(zhuǎn)換成三維的，75.83%的學(xué)生愿意嘗試通過軟件將手機(jī)照片變成拍攝物的立體樣子，愿意學(xué)習(xí)相關(guān)的課程。66.67%的學(xué)生喜歡邊玩邊學(xué)的授課方式。因此，本教學(xué)中依托基于照片等小型物件三維重建的項(xiàng)目開展教學(xué)活動(dòng)，在教學(xué)中有效利用先進(jìn)多種成型的商業(yè)軟件，在課堂中展示信息獲取技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)在生活中應(yīng)用，吸引學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的興趣。

2 基于照片等小型物件三維重建課堂實(shí)踐

課堂是學(xué)生知識(shí)和思想創(chuàng)新的“實(shí)驗(yàn)室”，是教師提升教學(xué)水平和教學(xué)能力的“操練場(chǎng)”，是應(yīng)用型創(chuàng)新人才培育塑造的“孵化器”。課堂模式的與時(shí)俱進(jìn)，不僅是課程改革的必然選擇，也是新時(shí)代應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的必經(jīng)之路。隨著教學(xué)課程改革的不斷深入，以學(xué)生為中心的各種教學(xué)方式已經(jīng)走進(jìn)課堂。目前我院大部分學(xué)生的學(xué)情是：學(xué)習(xí)無目標(biāo)、課前不預(yù)習(xí)、課后不復(fù)習(xí)、課上玩手機(jī)，跟不上老師的節(jié)奏，日積月累，學(xué)生越來越學(xué)不會(huì)，越來越不愿意學(xué)，從而導(dǎo)致厭學(xué)、缺課現(xiàn)象嚴(yán)重。如何解決這個(gè)問題，讓學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)成為每一個(gè)一線教師需要面對(duì)和思考的問題。本研究基于我院學(xué)生的基本學(xué)情，采用項(xiàng)目化教學(xué)，借鑒現(xiàn)有翻轉(zhuǎn)課堂模式，但是不占用，少占用學(xué)生非課堂學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間，充分利用課上時(shí)間，改變師生角色，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者和整個(gè)課程的設(shè)計(jì)者，是學(xué)生完成個(gè)性化學(xué)習(xí)的協(xié)作者、監(jiān)督者。學(xué)生充分利用教師創(chuàng)建的環(huán)境，自由、自主地開展學(xué)習(xí)。有效地利用各種資源，拓寬學(xué)生知識(shí)面，教師利用設(shè)計(jì)者的角色把教學(xué)方式、教學(xué)策略、教學(xué)方法等優(yōu)化結(jié)合，開展教學(xué)活動(dòng)，提高教學(xué)質(zhì)量。

在具體的教學(xué)過程中，引入翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)理念，采用自主任務(wù)驅(qū)動(dòng)，做中學(xué)，做中教的一體化教學(xué)方式。根據(jù)三維重建過程過步驟所需要的技術(shù)要求，主要教學(xué)過程如下圖所示：

（1）課程導(dǎo)入。課程開始，播放與課程相關(guān)學(xué)生又感興趣的影片，從影片播放效果引導(dǎo)學(xué)生思考，用照片或者視頻可以構(gòu)建小型物件的三維結(jié)構(gòu)，在電影中是采用特殊的設(shè)備完成的，引出課程問題，我們?cè)谏钪惺欠褚材懿杉S照片，生成小型物件的三維模型？

（2）視頻演示。教師播放從二維照片制作成三維模型的過程，時(shí)間在兩到三分鐘以內(nèi)，讓學(xué)生頭腦里有一個(gè)初步的概念，用一款軟件簡(jiǎn)單幾步就能做一個(gè)三維模型，吸引學(xué)生興趣。

（3）動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。老師提供樣本照片和制作過程視頻，學(xué)生根據(jù)視頻完成制作。讓學(xué)生體會(huì)制作的過程，建立信心，認(rèn)為自己能夠很輕松的完成某個(gè)物體的三維重建，激發(fā)學(xué)生想自己建某個(gè)物體三維模型的興趣。

（4）自由實(shí)驗(yàn)。學(xué)生自由選取物體，拍攝照片，進(jìn)行三維重建。

（5）觀察比對(duì)。直觀比較三維重建的結(jié)果。進(jìn)行第一次自我疑問，為什么自己建的效果不理想。

（6）老師介入。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行第一次結(jié)果分析。由于選取的物體不合適、拍攝的照片不符合要求等問題導(dǎo)致學(xué)生第一次獨(dú)立三維重建基本都不合格，但是也有好有壞。此時(shí)，老師介入引導(dǎo)學(xué)生觀察，做的好一點(diǎn)的同學(xué)和不好的同學(xué)在源頭上即拍攝的照片有什么區(qū)別，從選擇的物件、照片的數(shù)量、拍攝角度、圖像質(zhì)量等問題進(jìn)行直觀對(duì)比。引入知識(shí)點(diǎn)，原始數(shù)據(jù)的要求，包括物件選擇的要求，照片采集的要求和照片采集的方法。向?qū)W生展示理想的照片和不理想的照片。同時(shí)簡(jiǎn)單介紹照片處理的各種方法。

（7）自由實(shí)驗(yàn)。學(xué)生觀察自己采集的照片找出相關(guān)問題，進(jìn)行第二次照片采集和三維重建，此次要求學(xué)生記錄每一步完成的時(shí)間。

（8）觀察比對(duì)。直觀比較三維重建的結(jié)果。進(jìn)行第二次自我疑問，比第一次理想的原始照片信息讓重建的三維模型比第一次好很多，但是依然存在很多問題和不理解的地方。

（9）改進(jìn)調(diào)整。老師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行第二次結(jié)果分析。教師講解知識(shí)點(diǎn)，確定三維建模精度、效果間的耦合關(guān)系。學(xué)生修改參數(shù)和細(xì)節(jié)，進(jìn)行第三次重建，爭(zhēng)取達(dá)到比較理想的效果。讓學(xué)生從建模過程理解三維重建中相片采集、位置姿態(tài)解析、密集點(diǎn)云加密過程的邏輯過程。如果效果不理想則進(jìn)行問題分析，如果效果理想則進(jìn)行過程總結(jié)。確定不同類型對(duì)象、不同精度、不同紋理要求的建模結(jié)果。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行三維重建練習(xí)。了解物體弱紋理?xiàng)l件下，如何人為增加紋理提高實(shí)際建模效果。

（10）成果展示。互相欣賞成果、分享經(jīng)驗(yàn)、進(jìn)行自我評(píng)價(jià)、相互評(píng)價(jià)和教師點(diǎn)評(píng)。

針對(duì)不同對(duì)象，學(xué)生根據(jù)興趣，自行進(jìn)行三維建模，如小型玩偶、書包等物件。教師提供不同的樣本數(shù)據(jù)，學(xué)生進(jìn)行相關(guān)物體的重建，根據(jù)不同的效果，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，教師介入引導(dǎo)學(xué)生解決問題，循環(huán)反復(fù)。

教師在后續(xù)的教學(xué)中，引入無人機(jī)連續(xù)成像視頻、GPS位置姿態(tài)參數(shù)輔助、無人機(jī)側(cè)視環(huán)繞成像、五頭相機(jī)等多種多視角成像數(shù)據(jù)，從小型物件重建進(jìn)一步拓展到小型建筑物快速三維重建，開拓學(xué)生視野，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣。

整個(gè)課堂教學(xué)過程始終以學(xué)生為中心，教師把控課堂節(jié)奏，進(jìn)行方向上的指引和技術(shù)上的指導(dǎo)，在適當(dāng)?shù)钠鯔C(jī)講解知識(shí)點(diǎn)。

3 基于照片等小型物件三維重建項(xiàng)目化教學(xué)與現(xiàn)有項(xiàng)目化教學(xué)對(duì)比分析

在我院電子信息技術(shù)專業(yè)，任務(wù)式項(xiàng)目化教學(xué)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。通過建立“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)環(huán)境，吸引學(xué)習(xí)者的注意力和提高學(xué)習(xí)欲望，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)為主線，將所需知識(shí)融合在任務(wù)中，通過任務(wù)項(xiàng)目拆分，排序，逐步引領(lǐng)學(xué)生循序漸進(jìn)完成每一個(gè)子任務(wù)，讓學(xué)生最終達(dá)到掌握知識(shí)、獲得技能的效果。但是在實(shí)際執(zhí)行中，學(xué)生的認(rèn)知能力、思維能力、動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)態(tài)度等多方面都有極大的差異，即使任務(wù)是多層次的，對(duì)于學(xué)生而言完成度仍有很大差異。另外，這些任務(wù)全部來自老師的設(shè)計(jì)，學(xué)生只能按要求完成，是否符合學(xué)生興趣有待商榷;其次，在教學(xué)過程中，由于教師不敢放手，很多任務(wù)都是老師手把手的教學(xué)，學(xué)生照葫蘆畫瓢的做，學(xué)生容易養(yǎng)成依賴心理，容易背離老師項(xiàng)目設(shè)計(jì)的初衷。

基于照片等小型物件三維重建項(xiàng)目教學(xué)將協(xié)作學(xué)習(xí)理論、任務(wù)驅(qū)動(dòng)策略、項(xiàng)目教學(xué)法等教學(xué)方法在課堂上進(jìn)行綜合運(yùn)用。在教學(xué)過程中采用的是自主式項(xiàng)目教學(xué)方式，以基于照片等小型物件三維重建為載體，建立一個(gè)紋理清晰、尺寸正確、模型真實(shí)的三維模型為目標(biāo)，通過獨(dú)立完成和同學(xué)合作為實(shí)踐方式，讓學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中主動(dòng)參與、樂于探究、勤于動(dòng)手，培養(yǎng)學(xué)生自主分析問題和解決問題的能力。該項(xiàng)目除了第一個(gè)子任務(wù)是老師提供資源，教授實(shí)現(xiàn)方式外，后面所有的任務(wù)均由學(xué)生自由選材，自由實(shí)踐、自由比對(duì)、自由完成，注重教學(xué)的開放性和生活性。在教學(xué)過程中，教師敢于放手，從教變導(dǎo)，在學(xué)生需要的時(shí)候予以幫助，讓學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)新知識(shí)、掌握新內(nèi)容。學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，通過獨(dú)立完成項(xiàng)目，提高了自學(xué)能力、觀察能力、動(dòng)手能力、分析和解決問題的能力。另外，由于建模的物件由學(xué)生自由選擇，學(xué)生通過不斷的實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)了如何“覓食”，能夠根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇學(xué)習(xí)方法、不斷探索、感悟成敗，尋求樂趣。通過不斷的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生懂得了“溫故而知新”的道理，不斷的重復(fù)學(xué)習(xí)加深了對(duì)知識(shí)的理解。

4 結(jié)論

基于照片等小型物件三維重建項(xiàng)目教學(xué)是基于目前學(xué)情對(duì)高職課堂教學(xué)方式進(jìn)行改進(jìn)的一種嘗試。在課堂上向?qū)W生展示圖像獲取、圖像匹配、圖像空間位置關(guān)系恢復(fù)、三維重建的信息獲得技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，與學(xué)生面對(duì)面完成照片三維重建中所需進(jìn)行的各項(xiàng)處理步驟。學(xué)生在老師總體任務(wù)的要求下，自主選材，自主實(shí)驗(yàn)，互賞成果，整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生興趣濃厚，參與度極高，極大了激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)。

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