高职无人机测绘虚拟仿真实训教学模式研究与实践

胡 泊，张 丹

(黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004)

根据《国家职业教育改革实施方案》(国发〔2019〕4号)和《现代产业学院建设指南(试行)》(教高厅函〔2020〕16号)的文件精神，以***新时代中国特色社会主义思想为指导，坚持立德树人根本任务，贯彻落实《国家职业教育改革实施方案》《深化新时代教育评价改革总体方案》《职业教育提质培优行动计划(2020—2023年)》精神，黄河水利职业技术学院紧密围绕“互联互通、共建共享、先进科学”的建设理念，结合现有基础办学架构，依托信息化支撑体系，正致力打造行业特色鲜明的国家级信息化、智能化、共享化虚拟仿真实训基地，助推“双高建设”，向实现“引领改革、支撑发展、中国特色、世界水平”的长远目标更进一步[1]。

在全球信息化进程加速推进的大背景下，测绘地理信息产业链蓬勃发展，成熟度不断提升，与经济社会发展的联系持续增加，其市场规模已迈向千亿级。无人机测绘技术颠覆了传统测量技术手段，开辟了更快速、灵活、高效的新型测绘时代。我国无人机测绘事业起步较晚，但随着供给侧的结构性改革及市场需求的日益激增，近年来已成为测绘作业的常规手段并形成泛在趋势。测绘地理信息产业模式的逐渐转变，对相关专业的职教人才培养而言是机遇更是挑战，重点在于如何提升其职业适应性和岗位胜任力，从而提升高职测绘地理信息人才的核心竞争力[2-4]。

相较于传统的测量实训，无人机测绘实训存在不够用、看不到、进不去、练不成、成本高、安全低、受限多等现实问题，致使相关实训课程不仅线下效果不甚理想，且在疫情环境下开展的线上教学更是难上加难。笔者所在的教学团队以学校双高建设为契机，以国家级虚拟仿真基地为平台，以“提质培优、增值赋能”为抓手，构建基于虚拟仿真的无人机测绘实训教学体系，既符合改革传统教学育人手段、推进人才培养创新的迫切需要，也是强化教学、学习、实训相融合的教学活动的有效手段。

1.1 传统实训模式的不足

《国家职业教育改革实施方案》(简称“职教20条”)提出：职业院校实践性教学课时原则上占总课时一半以上[5]。无人机测绘技术作为测绘地理信息专业群最具代表性的新技术课程，更注重实操。目前高职院校对无人机测绘专业的发展越发重视，招生规模、资金投入、师资建设与教学条件等均在逐渐提升。通过对开设此专业的多所院校进行调研后发现在实训教学中仍存在师资力量薄弱，设备体量不足，时空条件限制，以及线上授课困难等现象，“三高三难”问题尤为突出。

其中“三高”问题表现为：

高投入：无人机测绘实训设备价格昂贵、更新快、配套设施多，且要专为飞机定期购置保险。为让学生享受更好的学习体验，多数院校投入了大量资金采购设备，完善教学条件。2019年以后，随着高职百万扩招计划推进，该专业学生人数大规模增加，致使本就在高位的设备采购体量有继续扩大的压力，资金投入继续增长。

高损耗：在无人机航飞数据获取练习中，需要多架次的空中作业。学生在真机练习时，无人机及相关载荷高频次的损坏和消耗在所难免，加之无人机往往需要返厂维修，增加了维修周期，必须要有足够数量的备用设备才能保证实训的实施。

高风险：近年来，国家一再强调“生产安全、安全生产”，高职院校对实训教学的安全问题愈加重视。无人机测绘实训由于作业方式特殊，具有一定危险性，且事故敏感度高。校内实训场师生人员密度高，校外实训基地地形又相对复杂，为实训开展带来了较高的风险隐患。

“三难”问题体现在：

难实施：无人机测绘综合实训所需场地面积大，地形复杂，对风力、光照、能见度等天气条件要求高，且要时刻遵守空域管理规定。考虑到飞行安全，当学生开始自由训练，教师的跟踪巡视指导效果将会因时空条件限制而受影响，实施难度较大。

难观摩：为提高教学效果，教师针对跟踪指导中搜集的“错误集”应及时进行正确讲解和演示，但学生受时空因素影响，不具备随时随地集中观摩的条件。学生由于难于高频率地集中观摩，从而导致相关教学质量大打折扣。

难再现：无人机测绘实训操作性强、内容繁多、流程复杂，学生注意力稍有不集中就可能会错过某些重要技能点的讲解，由于实训过程与情景均不可逆，导致实训环节有无法还原、再现的问题。

1.2 研究现状及存在的问题

考虑到VR具备了虚实结合、即时定位成图、空间建模，以及人与环境、计算机间沉浸式交互等优势，可以预见VR在教育行业中的应用将会是未来行业的爆发点，但目前尚处于起步阶段。

近年来，在相关团队的不断研究探索下，VR技术在无人机航测相关教学实践中已取得一定成果。桂林理工大学周国清等大力推进校企深度合作，探究基于VR技术的实训教学新模式，构建了无人机摄影测量VR教学系统[6]；
首都师范大学邓磊等从实验教学的客观需求入手，以无人机航空摄影测量实习为例，总结了当前实验教学模式存在的问题，分析了虚拟仿真技术在实验教学中的特点和优势，以及在虚拟仿真实验课程构建中应注意的问题[7]；
南京工业大学吴玮等针对无人机航空测绘生产流程，确定了虚拟仿真实验教学内容，形成了虚拟仿真实验平台的教学评价体系，搭建了无人机航空测绘过程虚拟仿真实验平台[8]；
中南林业科技大学段祝庚等探索无人机摄影测量虚实结合实验教学模式，对无人机摄影测量实验教学存在的问题进行了分析，将虚拟仿真系统和云计算技术引入无人机摄影测量实验教学，进行虚实结合的开放式实验模式教学实践[9]。

上述研究为VR技术在教学中的应用奠定了基础，但多停留在对单一课程的虚拟仿真实践应用，VR技术的角色定位仍偏向于一种外界教学工具，缺乏系统性和推广性，也无法体现VR技术在实训教学中的必要性和深度融合。总结归纳主要表现为以下4个方面：

(1)缺少共建共享、多位一体的VR实训教学平台；

(2)缺少与时俱进、去陈出新的VR实训教学内容；

(3)缺少协同创新、行之有效的VR实训教学模式；

(4)缺少循环更新、产教相融的VR实践反馈机制。

2.1 平台的构成

随着测绘先进技术及高精尖仪器的快速更迭，传统实训教学实训条件、方法模式和考核评价机制普遍不再适配现阶段的社会发展和市场需求[6]。在“双高建设”背景下，笔者学校结合自身办学优势与特色，深度落实协同创新理念下的产教融合教学模式，针对学院下设专业进行统筹、规划、聚类，形成工程测量技术、测绘工程技术、摄影测量与遥感技术、测绘地理信息技术和地籍不动产测绘技术等5个虚拟仿真应用课程群，并且正在致力打造高水平测绘地理信息专业群虚拟仿真综合实训基地。以其鲜明的实时计算、可视化、模拟与仿真、动态交互等技术特色，对难以表达的、无法到达的测绘地理现象、测绘工程问题等开展数字仿真模拟、动态监测与预报预测。其中基于摄影测量与遥感技术课程群，以无人机测绘相关教学内容为核心，构建集“3个中心、8个系统、N种功能”于一体的无人机测绘虚拟仿真实训教学平台，从而形成“1+3+8+N”的多层、多元应用框架体系，如图1所示。

平台以“学生为本、面向需求、聚类统筹、协同创新”为建设思路，以三教改革和打造优质、实用、创新的实训教学资源为落脚点，产、学、研协同发展，创新无人机测绘虚拟仿真实训教学团队，利用VR、多媒体、AI、5G、互联网、大数据、机器学习等先进电子信息技术，构建可共享的无人机测绘VR实训场景，针对具有“三高、三难”属性的实训项目进行仿真操作。深入贯彻协同创新精神，切实落地产教融合模式，确立“政-行-校-企”四方融合与协作的互联互通互动，支持平台与数据的共建共管共享，实现仿真素材与资源的开发开放，达成人才培养与输出的持续持久持优。

2.2 平台的功能

无人机测绘虚拟仿真实训教学平台由教学管理、研创体验和技能认证与竞赛3个分中心构成。

教学管理分中心是平台的核心部分，包含实训教学、信息管理和资源管理3个子系统，该中心主要为虚拟仿真实训教学过程提供各类服务与保障功能。实训教学子系统起到虚拟课堂的作用，贯穿应用于整个闭环教学过程，包括课前、课中、课后在内的所有教学环节均在该子系统中完成并形成记录；
信息管理子系统负责对校、企、生三方信息及其在使用教学系统时生成的静态、动态教学信息进行统计、存储、组织、管理、分析、查询与输出，该子系统针对不同身份或级别的用户设置权限，为教学评价与诊改提供基础数据保障；
资源管理子系统则针对教学中用到的仿真软件、仿真素材及仿真设备等进行动态管理、更新与维护，确保相关资源的顺利调用，为虚拟仿真实训课堂的正常运行保驾护航。

图1 “1平台-3中心-8系统-多功能”框架结构

研创体验分中心由科研创新和操控体验两个子系统组成。科研创新子系统以大学生创客空间、大师工作室，以及各类工程研究实验室为科创媒介，在“政—校—企—行”深度融合基础上，结合无人机测绘实训课程实际开展情况，实施需求分析、市场调研、资源开发、成效评估，不断推陈出新，升级产品，助力虚拟仿真平台、软件、资源的创新性、先进性和适应性始终保持在较高水平。操控体验子系统作为窗口系统同时为教学第二课堂、企业员工培训及社会服务等多个端口开放，通过让不同身份用户与虚拟仿真平台的交互，实现互利共赢的良性发展态势。

技能认证与竞赛分中心包含1+X技能认证子系统、AOPA资格认证子系统和技能大赛培训子系统，主要功能是进行与无人机测绘技术专业密切相关的职业技能认证及各类学生技能竞赛的考培和训练工作。为尽可能保持学生在本专业领域的活跃程度与核心竞争力的提升，转战虚拟赛道从某种意义上达到了“曲线救国”的目的，既能帮助学生在不受条件限制的情况下不间断地训练技能，还可为优秀学员提供参与资格认证与虚拟仿真技能竞赛的机会。

3.1 融合CBE、OBE的虚拟仿真教学理念

CBE(Competence-based Education)教育模式基于具体工作岗位的职责要求，强调培养学生包括专业能力、方法能力和社会能力在内的职业胜任力，属于能力导向培养；
OBE(Outcome-based Education)教育模式基于学习过程，产出学习成果，注重培养学生发现、分析和解决问题的综合素质，属于成果导向培养。作为引进于西方的教育理念，CBE和OBE特点鲜明，各有长短，应相互借鉴，融合互利，从而加速教育理念转变，推动教育模式完善，推进应用型教育的改革创新[10]。

融合持续改进的CBE和OBE教育理念，以学生为本，从提升职业适应性和胜任力出发，重组虚拟仿真实训教学内容，重构虚拟仿真实训教学模式，重建客观、合理、规范、综合的虚拟仿真实训教学考核评价体系，有助于充分体现和发挥虚拟仿真平台辅助实训教学的初衷和价值。根据相关专业能力、方法能力、社会能力，以及学习成果类型的差异性，因地制宜、因材施教，制定基于虚拟仿真实训教学平台的闭环教学设计，旨在全面提升学生核心竞争力，从而促进教学目标的达成。

3.2 无人机测绘虚拟仿真实训教学体系设计

课堂始终是高校教育教学主阵地，实训课又在高职教学中占据50%以上的比重。笔者团队经多年实训教学实践，总结了一套“多层次、系统化、研究型、共享式”无人机测绘虚拟仿真实训“闭环教学体系”，可行而有效地培养并提升学生综合实践能力和创新能力，如图2所示。

图2 基于虚拟仿真的闭环实训教学设计

与以往单纯的VR技术进课堂模式相比，基于虚拟仿真平台的闭环实训教学设计更能体现以学生为中心的教学理念，并充分挖掘VR价值、发挥VR作用，将完整的课堂与VR平台融为一体，即实现在VR中上课，课上用VR的效果。

3.3 实训教学内容重构

现阶段对于无人机测绘技术实训课而言，为让学生习得高水平技能，实景下的真机训练不可或缺。采用虚实结合模式授课，即在实战前先行开展虚拟仿真训练，可有效弥补传统实训中设备昂贵数量少、损毁率高、天气场地受限、训练排队等待时间长等弊端，看似增加了教学环节，实为实现教学目标之捷径。具体教学内容见表1。

表1 无人机测绘技术虚实结合实训教学内容

3.4 教学成效

自融合虚拟仿真技术以来，笔者教学团队通过不断探索、试验和改进，相关教学体系已逐渐趋于成熟，并初现成效。经对2020—2022三届学生“无人机测绘技术”实训教学相关数据进行统计，相较于传统模式，虚实结合混合式教学在以下方面有明显改善，见表2。

表2 无人机测绘技术实训课虚实结合授课成效

实践数据表明，采用基于虚拟仿真的无人机测绘实训教学模式使得仪器损坏率和维修成本极大降低，学生因排队等候仪器的无效时间大幅缩减，提高了课堂效率，学生考核通过率和优秀率上涨显著，尤其是不太擅长操作无人机的女生成绩得到了极大提升，授课连贯性和大纲完成度得到有效保障，相关职业资格证书获取量明显增加，学习综合成效优化显著。另外，虚拟仿真与实训课程的无缝融合，降低了开课门槛，只要有网络有电脑，即可开展教学活动，同时还可间接助力学生学习兴趣、想象力、创造力，以及电子信息设备应用能力的提高，一定意义上实现了学生技能水平及综合素质的提升，加速高职无人机测绘技术专业人才的提质培优进程。

猜你喜欢测绘实训教学微课让高中数学教学更高效甘肃教育(2020年14期)2020-09-11基于CDIO理念的数控实训教学改革与实践装备制造技术(2020年12期)2020-05-22浙江省第一测绘院浙江国土资源(2019年10期)2019-10-31工程测绘中GNSS测绘技术的应用建材发展导向(2019年10期)2019-08-24“自我诊断表”在高中数学教学中的应用东方教育(2017年19期)2017-12-0504 无人机测绘应用创新受青睐中国公共安全(2017年7期)2017-10-13虚拟情景实训环境三维模拟计算机测量与控制(2017年6期)2017-07-01电工电子实训教学改革与创新电子制作(2017年8期)2017-06-05无人机在地形测绘中的应用电子制作(2017年9期)2017-04-17对外汉语教学中“想”和“要”的比较唐山文学(2016年2期)2017-01-15

推荐访问:无人机 测绘 高职