摘" 要：目前，社會(huì)對(duì)測繪信息化創(chuàng)新人才的培養(yǎng)要求越來越高，作為人才培養(yǎng)的重要課程之一，三維激光掃描測量課程需要做出相應(yīng)創(chuàng)新，必須明確教學(xué)的目標(biāo)，以就業(yè)為主，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，在教學(xué)過程中落實(shí)新型課堂理念，合理利用翻轉(zhuǎn)課堂。結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂理念以及線上線下混合式教學(xué)的方法，合理安排教學(xué)模塊，既要有驗(yàn)證性教學(xué)內(nèi)容和設(shè)計(jì)性內(nèi)容，還需要明確綜合性實(shí)驗(yàn)順聯(lián)模式，不僅需要提高學(xué)生的理論水平，還要對(duì)技能方面進(jìn)行強(qiáng)化。在上述教學(xué)基礎(chǔ)上，成立學(xué)生為主體的社團(tuán)，積極開展競賽，將社團(tuán)作為載體，在助建、助學(xué)和助教中將競賽作為依托進(jìn)行促進(jìn)。在學(xué)生實(shí)踐技能提升的過程中，合理地利用產(chǎn)學(xué)研合作模式，保證教學(xué)模式的良性閉環(huán)，既要有教學(xué)內(nèi)容和練習(xí)過程，又要有比賽環(huán)節(jié)。通過教學(xué)實(shí)踐，可有效地促進(jìn)實(shí)踐和教學(xué)的同步開展，從而為創(chuàng)新性測繪人才的培養(yǎng)奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新人才培養(yǎng)；三維激光掃描測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1673-7164（2023）02-0073-04

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛崛起，科學(xué)技術(shù)得到了顯著提高，測繪學(xué)也得到了快速發(fā)展，具有代表性的就是3s技術(shù)和4D產(chǎn)品，使得單一的測繪學(xué)科向交匯融合的多學(xué)科邁進(jìn)。測繪教育在測繪技術(shù)的發(fā)展過程中，也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變革［1］。

在新興測繪技術(shù)的課程中，三維激光掃描測量課程具有一定的代表性，其在此類教學(xué)中的地位愈加突出，許多高校紛紛加大師資力量，并對(duì)該課程教學(xué)加強(qiáng)研究，上述舉措標(biāo)志著，測繪專業(yè)的重點(diǎn)在未來幾年將向該方向轉(zhuǎn)型。目前，三維激光掃描測量課程在各個(gè)高校中的應(yīng)用包含兩個(gè)部分，一部分為理論課程，另一部分是教學(xué)實(shí)踐［2］。但各個(gè)高校使用的理論教材尚未統(tǒng)一，主要內(nèi)容包含三維激光掃描測量的相關(guān)理論，點(diǎn)云相關(guān)技術(shù)（采集和處理），同時(shí)三維建模技術(shù)也是重要的教材內(nèi)容。在教學(xué)實(shí)踐中，往往采用部分建筑物為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，完成小場景三維曲面模型和建筑物模式設(shè)計(jì)，但該方法教學(xué)容量較小，且教學(xué)時(shí)間有限，無法滿足實(shí)踐教學(xué)的需求［3］。三維激光掃描測量技術(shù)作為新興技術(shù)，在課程教學(xué)中與傳統(tǒng)測繪儀器的原理存在一定差異，學(xué)生在理解激光點(diǎn)云的相關(guān)結(jié)構(gòu)、算法以及建模數(shù)據(jù)的處理時(shí)存在一定難度，這種情況下，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣極有可能下降，直接影響效果和質(zhì)量。

一、三維激光測量教學(xué)中存在的問題

（一）關(guān)于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理理論及方法存在滯后性

20世紀(jì)90年代末出現(xiàn)了一項(xiàng)測繪相關(guān)的新型技術(shù)，即三維激光掃描測量，該技術(shù)是多項(xiàng)測繪技術(shù)融合后的結(jié)果，不僅涉及普通測量學(xué)，還包括攝影測量學(xué)、GPS技術(shù)、遙感技術(shù)、GIS技術(shù)以及測量平差理論等，體現(xiàn)了該課程的綜合性特點(diǎn)，學(xué)生需要對(duì)所學(xué)的知識(shí)以及相關(guān)技能進(jìn)行重構(gòu)和吸收，具體要求則是對(duì)學(xué)生測繪實(shí)踐創(chuàng)新能力進(jìn)行培養(yǎng)［4］。目前，三維激光掃描測量技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，雖然相關(guān)硬件設(shè)施已經(jīng)十分完善，但關(guān)于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)及相關(guān)處理理論和處理方法較為落后，亟待完善，使得三維激光掃描測量課程的相關(guān)教材十分短缺，實(shí)驗(yàn)課程的安排也有待完善。

（二）實(shí)驗(yàn)儀器需要的投入較大

由于三維激光掃描測量儀器成本較高，每臺(tái)價(jià)格高達(dá)百萬，如果班級(jí)設(shè)計(jì)為30人，將其分為5組，每組使用一臺(tái)設(shè)備，則需投資較大的金額購買設(shè)備，不僅如此，在后期使用過程中還需要投入處理軟件，總投資需要千萬，大部分院校難以承受。但如果課程中投入的三維激光掃描測量儀較少，則會(huì)縮短每位學(xué)生操作的平均時(shí)間，短時(shí)間的訓(xùn)練難以使學(xué)生真正掌握該技術(shù)。設(shè)備投入不足，就會(huì)使得教師改變教學(xué)方法，多利用演示教學(xué)或驗(yàn)證教學(xué)方法，在實(shí)際教學(xué)中通過相關(guān)原理和概念進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，該方法浮于表面，無法與各個(gè)實(shí)驗(yàn)建立緊密的關(guān)聯(lián)性，無法突出整體性和系統(tǒng)性，不利于相關(guān)知識(shí)結(jié)構(gòu)完整性。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法需要改進(jìn)

據(jù)相關(guān)調(diào)查分析可知，在對(duì)畢業(yè)生培養(yǎng)質(zhì)量調(diào)查中，許多大學(xué)生的專業(yè)知識(shí)相對(duì)不足，呈現(xiàn)出狹窄的一面，同時(shí)也缺少實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，面對(duì)綜合性問題以及突發(fā)事件的處理時(shí)，存在較大問題。這一現(xiàn)象反映專業(yè)課程在培養(yǎng)人才方法以及課程本身的設(shè)置存在一定的缺陷。雖然學(xué)生通過了相關(guān)技能的測試和課程的學(xué)習(xí)，但傳統(tǒng)教學(xué)模式常以填鴨式教學(xué)方式為主，未能充分突顯學(xué)生主體地位，教師為主導(dǎo)的教學(xué)內(nèi)容傳授會(huì)使學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和思考能力得不到更好地提升，也會(huì)導(dǎo)致學(xué)生綜合性創(chuàng)新能力不足，因此需要在實(shí)際教學(xué)中根據(jù)相關(guān)工程對(duì)學(xué)生加強(qiáng)測繪能力訓(xùn)練，一方面是應(yīng)對(duì)生產(chǎn)問題，另一方面是促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的提高。

二、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的方法

（一）知識(shí)培養(yǎng)模塊

在對(duì)學(xué)生進(jìn)行三維激光掃描測量課程教學(xué)時(shí)，可引進(jìn)新型的教學(xué)理念。近年來線上線下混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂在多個(gè)學(xué)科中的應(yīng)用取得了良好的效果，可將該理念應(yīng)用到三維激光掃描測量課堂中，在教學(xué)期間，教師根據(jù)相關(guān)知識(shí)體系，在保證體系的完整性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行課件的設(shè)計(jì)，制作教學(xué)視頻，建立網(wǎng)絡(luò)課程，并通過網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行課程資源上傳，在課前提出對(duì)學(xué)生的要求，使其能夠通過預(yù)習(xí)的方法進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，并在課程平臺(tái)中進(jìn)行討論，明確相關(guān)問題。教師通過學(xué)生的討論總結(jié)出具有代表性的問題，在課堂中進(jìn)行針對(duì)性的說明，通過該方法不斷培養(yǎng)學(xué)生的自主思考能力和學(xué)習(xí)能力［5］。在課堂中教師積極鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行討論，不斷促進(jìn)學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的理解。授課結(jié)束后教師在教學(xué)平臺(tái)中發(fā)布部分視頻和相關(guān)論文，供學(xué)生觀看和閱讀，從而使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)課堂的印象。

上述內(nèi)容提到，在實(shí)際教學(xué)中缺乏三維激光掃描測量的相關(guān)教材，針對(duì)這一問題，需要對(duì)三維激光掃描測量的發(fā)展需求進(jìn)行充分分析，對(duì)相關(guān)技術(shù)的前沿內(nèi)容進(jìn)行追蹤，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行豐富，在實(shí)際教學(xué)中，不斷分析學(xué)生實(shí)踐能力訓(xùn)練的特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)相關(guān)項(xiàng)目的內(nèi)容，進(jìn)行教材的合理設(shè)計(jì)，對(duì)三維激光掃描測量課程的理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新編排。

（二）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊

在教學(xué)過程中為了促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課的順利開展，對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行改善，除了使用線下教學(xué)及相關(guān)作業(yè)外，還要開展線上課堂。教師建立關(guān)于實(shí)驗(yàn)互動(dòng)的平臺(tái)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)資料及視頻教學(xué)內(nèi)容發(fā)放給學(xué)生，在線上提供有關(guān)操作的互動(dòng)教程。在教學(xué)過程中，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行詳細(xì)的演示，之后要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及操作視頻，結(jié)合教師的演示完成相關(guān)驗(yàn)證，當(dāng)學(xué)生遇到問題時(shí)，可通過線上直接提問的方法解惑，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)后提交結(jié)果，教師通過教學(xué)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。開展這種設(shè)計(jì)、模仿以及考核一體化的教學(xué)模式，不僅能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，還能夠使實(shí)驗(yàn)過程更加順利，提高了課堂的時(shí)間利用率，對(duì)學(xué)生基本技能的提高和動(dòng)手能力的提升有著積極作用。

與傳統(tǒng)測繪技術(shù)相比，三維激光掃描測量技術(shù)在原理方面存在明顯差異，主要體現(xiàn)在技術(shù)差距方面，如數(shù)據(jù)集采集方式不同、數(shù)據(jù)源不同、數(shù)據(jù)處理方式等技術(shù)的區(qū)別等。就傳統(tǒng)測繪數(shù)據(jù)而言，其在二維平面數(shù)據(jù)中的應(yīng)用較為廣泛，但僅限于此［6］。而三維激光掃描測量技術(shù)，可應(yīng)用于三維建模中，在教學(xué)中大部分學(xué)生對(duì)二維空間較為熟悉，但將其轉(zhuǎn)為三維空間時(shí)存在一定的陌生感，難以完成思維的轉(zhuǎn)變，在三維激光掃描測量理論的理解時(shí)也存在一定的難度。所以，將三維激光掃描測量理論在課堂中講解的過程中，需要結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)協(xié)助學(xué)者進(jìn)行理論知識(shí)的理解，并幫助學(xué)生消化更多的課堂知識(shí)，需要教師明確實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，確定每個(gè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

（三）設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K

在設(shè)計(jì)性教學(xué)中，其教學(xué)模塊的發(fā)展和改進(jìn)，可通過開放性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行體現(xiàn)，其能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)造出突出主體地位的發(fā)展空間和實(shí)際訓(xùn)練內(nèi)容，有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣，在創(chuàng)新實(shí)踐操作中激發(fā)學(xué)生操作能力，在有限的測繪實(shí)驗(yàn)室資源中，提高利用效果，其作用不僅能夠在提升學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐操作能力中發(fā)揮，還可在嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)作為中突出［7］。學(xué)生通過前期的學(xué)習(xí)有效掌握課堂知識(shí)內(nèi)容，并通過練習(xí)熟悉教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，有效地掌握三維激光掃描測量的基礎(chǔ)知識(shí)，并能夠自主操作。在開放性實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的過程中，興趣的培養(yǎng)是主要目標(biāo)，有利于學(xué)生在三維激光掃描測量技術(shù)實(shí)驗(yàn)中間設(shè)計(jì)性的訓(xùn)練。

在實(shí)際教學(xué)中，需要充分了解社會(huì)中對(duì)口行業(yè)對(duì)人才的需求，結(jié)合學(xué)校新工科建設(shè)的特點(diǎn)及相關(guān)科研課題，進(jìn)行相關(guān)建筑物的建模，使其突出3D的特點(diǎn)并富含彈性內(nèi)容，將其作為三維激光掃描測量課堂中的相關(guān)題目，在教學(xué)平臺(tái)中發(fā)布。指導(dǎo)學(xué)生建立學(xué)習(xí)興趣小組，以團(tuán)隊(duì)的方式進(jìn)行相關(guān)題目的選擇，確定題目后，學(xué)生通過教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行題目申請(qǐng)，教師完成審核后確定選題。在實(shí)際教學(xué)中，合理地應(yīng)用構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和操作的教學(xué)理念，指導(dǎo)學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，鼓勵(lì)其在小組中積極討論，確定三維激光掃描測量時(shí)采集信息的對(duì)象，之后在小組成員協(xié)商下，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)施點(diǎn)云處理，并設(shè)計(jì)建模方案，確定后小組成員進(jìn)行分工，完成相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取及處理，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行操作，建立相關(guān)模型并展示。完成后總結(jié)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在教學(xué)平臺(tái)中提交，教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生的創(chuàng)造性和自主性得到了充分發(fā)揮，此時(shí)學(xué)生的求知欲也會(huì)得到有效的激發(fā)。實(shí)際教學(xué)中教師扮演輔助角色，給予學(xué)生合理化建議和正確引導(dǎo)。

（四）綜合性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練

在多個(gè)測繪專業(yè)課程的整合下，三維激光掃描測量課程才得以成立，這也標(biāo)志著該課程具有綜合性的特點(diǎn)，所以在提升學(xué)生測繪實(shí)際問題解決能力和綜合分析能力時(shí)，需要通過測繪實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來完成，并且保證該項(xiàng)目具有綜合性特點(diǎn)。學(xué)校需要為教學(xué)需求提供便利，可在合理的位置設(shè)置實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，明確具體實(shí)驗(yàn)時(shí)間，可在開放實(shí)驗(yàn)課中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師可將學(xué)校的某個(gè)區(qū)域的3D建模作為教學(xué)目標(biāo)。結(jié)合教學(xué)班級(jí)學(xué)生人數(shù)等情況，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行合理的劃分。

1. 布設(shè)GPS控制網(wǎng)。教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組后，帶領(lǐng)各個(gè)小組進(jìn)行各個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的GPS布控，在布控過程中結(jié)合4個(gè)D級(jí)點(diǎn)的GPS，設(shè)立不同方位的GPS接收機(jī)，布置的GPS控制網(wǎng)使其具備邊連式網(wǎng)型特點(diǎn)［8］。在GPS網(wǎng)基線解線和約束自由網(wǎng)平差過程中，每個(gè)小組分別完成，使用GPS擬合高程作為控制點(diǎn)的高程。小組成員結(jié)合試驗(yàn)區(qū)域的劃分情況，合理選擇激光掃描儀站點(diǎn)位置。在分區(qū)較小的情況下，在架站點(diǎn)平面位置測量時(shí)，可使用全站儀布設(shè)閉合導(dǎo)線測量的方法完成。對(duì)于架占點(diǎn)高程的測量，可布設(shè)閉合水準(zhǔn)線路通過及四等水準(zhǔn)測量的方法完成。通常校園中設(shè)立的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，存在較為密集的道路，所以無人機(jī)的檢查點(diǎn)和像控點(diǎn)，應(yīng)選擇白色道路標(biāo)記線及其角點(diǎn)完成。

2. 傾斜攝影無人機(jī)航測。教師通過演示講解無人機(jī)的操作方法，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)域的情況，對(duì)無人機(jī)的航線進(jìn)行規(guī)劃，并計(jì)算航攝參數(shù)，之后進(jìn)行現(xiàn)場飛行，讓學(xué)生充分了解航線。學(xué)生在使用Pix4Dmapper軟件的過程中，教師應(yīng)給予正確的指導(dǎo)，使其能夠熟練操作，順利進(jìn)行影像的定向，并生成密集點(diǎn)，完成正射影像的制作，熟練掌握地面點(diǎn)云和建筑物點(diǎn)云的分離方法，采用濾波方式完成，使學(xué)生在攝影測量的過程中，充分體會(huì)到關(guān)于數(shù)據(jù)處理的原理。

3. 采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)集的方法及處理方式。在實(shí)際教學(xué)中，由于三維激光掃描測量儀投入較大，學(xué)校中相關(guān)儀器較少，所以教學(xué)中教師需要合理安排學(xué)生的開展順序。在課堂之余，指導(dǎo)學(xué)生明確站點(diǎn)，并完成三維激光掃描測量儀的架設(shè)，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集需要采用360°全景采集的方法。小組對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)大致定向，之后對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗略配準(zhǔn)，最后完成集中且精確的配準(zhǔn)，保證建筑物數(shù)據(jù)發(fā)生變化，且含有屋頂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且要保證其完整性，小組對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剪切，獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。

4. 3DGIS系統(tǒng)和3D模型重建。獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，小組成員需要進(jìn)行3D模型的重建，采用Microstation軟件完成，之后根據(jù)定向位置將模型整合，使其成為一個(gè)整體：將正射影像圖作為紋理，使用地面點(diǎn)云生成地面模型后，將其貼于模型上。完成后對(duì)建筑物屬性進(jìn)行明確，通過GIS軟件進(jìn)行操作，使其空間分析功能得到充分發(fā)揮。

（五）學(xué)科競賽模塊

在學(xué)生學(xué)習(xí)三維激光掃描測量知識(shí)后，可通過學(xué)科競賽考查學(xué)生是否能夠理解、整理和運(yùn)用相關(guān)知識(shí)系統(tǒng)，同時(shí)也是體現(xiàn)學(xué)生相關(guān)能力的重要過程。在全校范圍內(nèi)進(jìn)行學(xué)科競賽，教師可在競賽中提供指導(dǎo)。競賽過程中可將虛擬場景展示、無人機(jī)加激光掃描儀建筑物3D建模作為主要內(nèi)容。競賽完成后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行打分，并設(shè)置一定的獎(jiǎng)勵(lì)，旨在提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

（六）產(chǎn)學(xué)研結(jié)合模塊

為了保證實(shí)際工作中學(xué)生能夠熟練地使用三維激光掃描測量技術(shù)，使學(xué)生符合企業(yè)人才需求目標(biāo)，學(xué)校根據(jù)實(shí)際情況，積極與激光掃描應(yīng)用的相關(guān)企業(yè)進(jìn)行合作，明確切入點(diǎn)，大力發(fā)展激光掃描應(yīng)用的人才培養(yǎng)。在三維激光掃描測量課程設(shè)計(jì)中，邀請(qǐng)相關(guān)企業(yè)參與。教師在學(xué)生實(shí)習(xí)的過程中，帶領(lǐng)學(xué)生去合作企業(yè)學(xué)習(xí)，通過這種方式提高學(xué)生的技術(shù)能力，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

三、結(jié)語

在三維激光掃描測量課程教學(xué)中，想要培養(yǎng)創(chuàng)新性人才，需要結(jié)合課程實(shí)際，明確相關(guān)專業(yè)的特點(diǎn)，明確培養(yǎng)人才的相關(guān)模塊，探索出新型的教學(xué)模式。不僅需要具有基礎(chǔ)知識(shí)模塊，還要有綜合性及實(shí)驗(yàn)性的教學(xué)方法，以此提高學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合能力，使企業(yè)對(duì)創(chuàng)新性人才的需求得到滿足。

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（責(zé)任編輯：胡甜甜）