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        虛實結合無人機攝影測量實驗教學改革與效果評價

        2021-12-14 07:16:42段祝庚陳豐田江學良王麗穎
        實驗室研究與探索 2021年10期
        關鍵詞:顯著性攝影實驗教學

        段祝庚,陳豐田,岳 雄,江學良,王麗穎

        (1.中南林業(yè)科技大學土木工程學院,長沙 410004;2.青海省地質測繪地理信息院,西寧 810000;3.青海省高原測繪地理信息新技術重點實驗室,西寧 810000;4.武漢兆格信息技術有限公司,武漢 430223)

        0 引言

        攝影測量技術廣泛應用于國家基礎測繪、數字城市建設、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、國土資源治理等眾多領域。近年來隨著低空無人機技術的快速發(fā)展,無人機攝影測量已經成為獲取空間信息數據最為有效、經濟的手段之一。因此,行業(yè)對無人機攝影測量專業(yè)人才的需求,尤其對人才質量的需求也在不斷提升。

        傳統(tǒng)的無人機攝影測量實驗教學主要采用實驗理論與實際操作實踐實驗相結合的教學模式,實驗理論主要由教師課堂講授實驗基本原理和方法,實際操作實踐實驗的主要內容是無人機航飛和基于單機版無人機攝影測量軟件的影像數據處理。實驗條件與教學模式相對陳舊,與新技術的發(fā)展相比,存在諸多方面不足,與實際生產環(huán)節(jié)存在較大的差距,難以適應生產實際的需求。

        (1)學校專業(yè)實驗室開放學時有限,并且長期以來攝影測量實驗教學使用的平臺和軟件一般都是單機模式,基本上與網絡無關,學生一般難以全開放式靈活使用實驗室設備和專業(yè)軟件,學生很少能自由選擇時間、地點進行實驗,學習環(huán)境與時間嚴重受限。

        (2)測繪型無人機價格仍然不低,無人機設備實驗資金投入較大,電池等低耗品消耗較多。無人機臺套數難以滿足實驗教學需要,受設備臺套數限制,學生實驗參與度不高,而且無人機航飛時存在較高風險。

        (3)實驗教學的學習交流環(huán)境與條件不足,缺乏虛擬教學環(huán)境以及圖文并茂的網絡交流與討論平臺,不能對學生實驗進度及效果進行全程監(jiān)控。

        隨著計算機、網絡技術的快速發(fā)展,虛擬仿真技術可應用于課程教學設計、虛擬教學系統(tǒng)的開發(fā)與資源平臺建設、虛擬實驗教學管理與改革等方面[1-3],虛擬仿真技術也逐步應用于測量實驗領域[4-6],可解決測繪學科實驗教學環(huán)節(jié)中存在儀器不足、成本高、風險大和容易受天氣影響等問題[7-8]。

        最近一二十年,現代網絡技術和云計算技術有了快速發(fā)展,云端服務正不斷涌現,云計算技術日趨成熟[9-10]。云計算具有虛擬化、低成本和靈活性等特點[11-12]。通過網絡連接遠程服務器進行數據處理和信息共享等服務,可讓用戶共享云端服務器的快速處理能力和各種優(yōu)質的服務,從而為用戶節(jié)約成本,提高工作效率。將云計算技術應用到無人機攝影測量生產實踐及實驗教學中,這將改變攝影測量生產實踐和實驗教學的作業(yè)模式,實現網絡化、開放式攝影測量作業(yè)[13]。

        本研究將虛擬仿真技術和云計算技術應用于無人機攝影測量實驗教學,采用虛實結合的開放式實驗教學模式,開展網絡化、開放式攝影測量實驗教學改革探索,并通過問卷調查進行實驗教學效果評價,旨在提高實驗教學效果。

        1 虛實結合開放式實驗教學模式及其特點

        1.1 虛實結合開放式實驗教學模式

        無人機航空攝影測量實驗的核心任務是讓學生掌握無人機航空攝影測量數據采集和數據處理的原理、方法和作業(yè)流程。虛實結合開放式實驗教學模式(見表1)的“實”是指實際操作實踐,主要內容包括無人機航飛、像控點測量和利用無人機攝影測量軟件進行數據處理。特別引進了基于云計算的桌面云攝影測量軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單機版軟件進行無人機影像數據處理,生產數字測繪產品,學生可隨時隨地注冊登錄該軟件進行作業(yè),開展網絡化開放式實驗教學[14-15]?!疤摗奔刺摂M仿真實驗,利用計算機技術開發(fā)了無人機攝影測量虛擬仿真實驗系統(tǒng),該系統(tǒng)由無人機基礎知識模塊、無人機部件功能練習模塊、仿真實驗模塊、無人機操作視頻模塊、知識練習模塊和學生成績評價模塊構成,建立了虛擬仿真模型庫、實景三維模型庫、知識練習庫、用戶數據庫等提供相應數據支持(見圖1)。虛擬仿真實驗系統(tǒng)免費向開設無人機攝影測量課程的學生開放。學生通過注冊賬號登錄,隨時隨地進行虛擬仿真實驗。以無人機攝影測量數據采集和數據處理為核心教學內容,虛實結合,將實際實踐操作實驗和虛擬仿真實驗相互融合,充分利用各自的優(yōu)勢,增強學生自主實驗的主體地位,提高實驗教學效果。

        圖1 無人機航空攝影測量實驗虛擬仿真系統(tǒng)截圖

        1.2 基于云計算無人機攝影測量軟件的特點

        (1)基于云計算的軟件可使用賬號登錄系統(tǒng),時間、地點、電腦不受限制,增加實驗課時,屬于網絡化開放式教學模式。教師組織、講授與示范,學生自主完成實驗。而傳統(tǒng)的商業(yè)軟件為單機版,需要加密授權,實驗通常固定機房、電腦、地點、時間,教學的機動性、靈活性有限,屬于相對封閉機房式教學模式。

        (2)部分軟件集成自動化程度較高,有益于提高作業(yè)效率,但不利于學生掌握和理解基本理論和概念;部分軟件模塊化,可分模塊、分步驟開展實驗,有利于學生掌握和理解基本理論和概念。

        (3)基于云計算的軟件較單機版具有明顯經濟優(yōu)勢,不用購置昂貴處理器,大量數據處理由云端服務器完成。

        (4)可處理真實數據,生產實際測繪成果。但真實數據量大,處理時間較長,時間往往不可控。

        1.3 虛擬仿真系統(tǒng)的特點

        (1)學生可使用自己電腦利用賬號登錄虛擬仿真系統(tǒng)進行實驗,可課前預習,課后復習,重復多次進行虛擬仿真實驗。學生自主選擇時間、地點,不受時空及電腦限制。教師組織、講授與示范,學生自主完成實驗,屬于基于網絡的開放式實驗教學模式。

        (2)實驗數據完整齊全,工序統(tǒng)一,作業(yè)標準統(tǒng)一。系統(tǒng)作業(yè)流程全部模塊化,可分作業(yè)步驟開展實驗,有利于學生掌握攝影測量基本理論和概念,實驗時間短且可控。

        (3)學生可在線提交實驗報告,師生可通過平臺上的在線答疑功能進行互動交流,教師在線評分并及時反饋給學生。具有虛擬教學環(huán)境以及圖文并茂的網絡交流與討論平臺,可對學生實驗進度及效果進行全程監(jiān)控。

        (4)實驗目的是模擬作業(yè)過程,理解和掌握作業(yè)關鍵技術與方法,虛擬數據,不能生產實際測繪成果。

        2 實驗教學效果調查與評價

        2.1 實驗教學效果調查與評價方法

        面向我校測繪工程、地理信息科學專業(yè)本科生開展了無人機攝影測量學實驗教學模式改革對比研究。對照組為實驗教學改革前的103 名本科學生,按傳統(tǒng)實驗模式教學。研究組為實驗教學改革后的114 名本科學生,按虛實結合實驗教學模式教學。

        教學效果評價主要采用學生問卷調查和課程考核成績進行評價(見圖2)。學生問卷調查采用匿名全額調查方式進行,區(qū)分不同組別進行學生人數統(tǒng)計。教學效果評價指標主要包括實驗累計作業(yè)時長、自主實驗程度、對無人機攝影測量學課程教學的幫助程度、學生對實驗課的興趣度和滿意度5 個指標。實驗累計作業(yè)時長包括課堂計劃課時和課余作業(yè)時間,課余作業(yè)時間由虛擬仿真系統(tǒng)自動統(tǒng)計實際作業(yè)時間。自主實驗程度是指學生自由選擇實驗時間和地點,自主主導操作,獨立完成實驗的程度,區(qū)分于按實驗計劃安排固定實驗時間和地點及需在老師主導或協助完成的實驗,分為不能、一般、較大和很大4 個等級,統(tǒng)計賦值分別為1~4。對課程的幫助程度是虛實結合教學模式對學生理解和掌握基本原理、方法、作業(yè)流程的幫助程度,分為沒幫助、有幫助、較大幫助和很大幫助4 個等級,統(tǒng)計賦值分別為1~4。興趣度指學生對攝影測量實驗項目的感興趣程度及主動進行實驗的程度,未完成全部實驗項目的評定為不感興趣,分為不感興趣、一般、較感興趣和非常感興趣4 個等級,統(tǒng)計賦值分別為1~4。滿意度是指對實驗模式綜合滿意程度,分為不滿意、一般、較滿意和非常滿意4 個等級,統(tǒng)計賦值分別為1~4。課程考核采用理論考試和實際操作考核相結合的形式,對照組和研究組理論考試試題難易程度相當,實際操作考核分別對應傳統(tǒng)實際操作考核和虛實結合實驗考核,理論考試成績和實際操作考核成績占總成績的權重分別為40%和60%。學生考核成績按分數分為不及格(<60 分)、及格(60~70 分)、中(70~80 分)、良(80~90 分)和優(yōu)(90~100 分)5 個等級,統(tǒng)計賦值分別為1~5。

        采用統(tǒng)計軟件SPSS 21.0 對調查數據進行處理,對對照組和研究組兩組樣本進行樣本均值t檢驗。根據統(tǒng)計學原理,由于兩組調查數據屬于獨立樣本,需要先檢驗兩組調查數據的方差是否齊性,并依據樣本是否具有方差齊性,分別使用獨立樣本等方差t檢驗和異方差t檢驗,再依據t檢驗概率P<0.05 判斷兩組調查數據是否存在顯著性差異。

        2.2 評價結果

        統(tǒng)計分析結果為調查指標差異顯著性檢驗(見表2)以及調查指標均值和標準差(見表3)。統(tǒng)計分析結果顯示:

        表2 對照組和研究組間調查指標差異顯著性檢驗

        表3 調查指標均值和標準差

        (1)累計作業(yè)時長在Levene方差齊性檢驗中,顯著性水平Sig.的值為0.000 <0.05,拒絕原假設方差相等,得到相應的異方差均值t檢驗的顯著性水平Sig.的值為0.000 <0.05,且累計作業(yè)時長均值由1.00提升為3.11,即在對照組和研究組間累計作業(yè)時長具有顯著性差異,且研究組較對照組累計作業(yè)時長大幅增加。

        (2)自主實驗程度在Levene方差齊性檢驗中,顯著性水平Sig.的值為0.320 >0.05,接受原假設方差相等,得到相應的等方差均值t檢驗的顯著性水平Sig.的值為0.000 <0.05,且自主實驗程度均值由1.60提升為3.12,即在對照組和研究組間自主實驗程度具有顯著性差異,且研究組較對照組自主實驗程度明顯增加。

        對課程的幫助程度在Levene方差齊性檢驗中,顯著性水平Sig.的值為0.253 >0.05,接受原假設方差相等,得到相應的等方差均值t檢驗的顯著性水平Sig.的值為0.000 <0.05,且對課程的幫助程度均值由2.43 提升為3.27,即在對照組和研究組間自主實驗程度具有顯著性差異,且研究組較對照組自主實驗程度明顯增加。

        (3)興趣度在Levene方差齊性檢驗中,顯著性水平Sig.的值為0.297 >0.05,接受原假設方差相等,得到相應的等方差均值t檢驗的顯著性水平Sig.的值為0.000 <0.05,且興趣度均值由3.13 提升為3.54,即在對照組和研究組間興趣度具有顯著性差異,且研究組較對照組興趣度略有增加。

        (4)滿意度在Levene方差齊性檢驗中,顯著性水平Sig.的值為0.524 >0.05,接受原假設方差相等,得到相應的等方差均值t檢驗的顯著性水平Sig.的值為0.000 <0.05,且滿意度均值由2.73 提升為3.25,即在對照組和研究組間滿意度具有顯著性差異,且研究組較對照組滿意度明顯增加。

        (5)考核成績在Levene方差齊性檢驗中,顯著性水平Sig.的值為0.000 <0.05,拒絕原假設方差相等,得到相應的異方差均值t檢驗的顯著性水平Sig.的值為0.004 <0.05,且考核成績均值由3.75 提升為4.13,即在對照組和研究組間學生考核成績具有顯著性差異,且研究組較對照組考核成績略有提升。

        綜上所述,統(tǒng)計分析結果表明,虛實結合實驗教學模式對實驗累計作業(yè)時長、自主實驗程度、課程教學的幫助程度、學生對實驗課的興趣度和滿意度、課程考核成績等調查指標均有不同程度地提高,實驗教學效果有明顯提升。

        3 結語

        隨著無人機攝影測量技術的日趨成熟,攝影測量技術有了更大的應用發(fā)展空間。無人機攝影測量技術的發(fā)展變化對測繪教學、科研、生產均產生了深遠影響。無人機攝影測量實驗教學顯得尤為重要。無人機攝影測量實驗教學應與生產實踐緊密接合,服務于生產實踐。虛擬仿真技術和云計算技術具有網絡化、開放性和交互性的特點和優(yōu)勢,將虛擬仿真技術和云計算技術應用于無人機攝影測量實驗教學,可實現網絡化、開放式實驗教學。虛實結合實驗教學模式,可解決實驗課時不夠、高風險、高成本的難題,減少學校實驗室建設資金投入,增加學生實驗時長,提高學生自主實驗的程度、興趣、滿意度及考核成績,從而增強實驗教學效果,提高學生的研究創(chuàng)新和工程實踐能力。但虛擬仿真技術和云計算技術應用到無人機攝影測量實驗教學,這是一項探索性的系統(tǒng)工程,在實踐課程的體系設計、實習實踐環(huán)節(jié)和施教方式等方面還需要進一步改進、完善和優(yōu)化。

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