高职课堂教学方式改进尝试

张漫 张小清

摘 要：在高职课堂教学中，如何提高学生的兴趣是每个老师需要考虑的。通过基于照片的小型物件三维重建为载体的自主式项目教学，探讨课堂教学方式的改进，让学生了解、参与到整个三维重建过程中，在制作过程中进行学习，提高学生的学习兴趣和课堂效率。

关键词：课堂教学;三维重建;自主式项目教学

1 基于照片等小型物件三维重建项目来由

近年来，随着三维打印技术的发展，三维立体模型广泛用于多种生活、生產领域，人们对小型物件三维立体模型的需求进一步扩大。然而，现有三维立体模型主要使用各种昂贵的专业设备对目标进行高精度测量，进而进行数字化处理，显然这种方式难以满足普通用户的现实需求。因此，人们开始尝试使用简易数据采集方式，利用普通设备提取物件三维立体模型的方法。

日常生活中，数码相机以及摄影机已经随处可见，可以方便地拍摄对应物件的照片，记录对应物件某个方向的投影，且拍摄结果易于计算机读取。如果能利用照片这种二维图像进行三维模型重建，并从图像中为三维结构模型提取纹理信息，就能构建具有真实纹理特征的三维立体模型，便于物件的数字化管理及其后续三维打印输出。

基于照片的小型物件三维重建技术，仅需使用数码相机或者摄像机拍摄被测物的二维图像，用计算机视觉算法来提取对应物件的三维模型，具有真实、快捷、简便的优点。可以说，如何有效利用日常设备所获取的二维照片，使用日常计算机实现照片到三维模型的转换，是现今计算机图像研究领域的重要方向之一，已经有多种成型软件可以较方便地进行三维重建。

通过对我院学生开展的问卷调查结果表明，67.67%的学生在日常生活中接触过3D物体的应用，但是49.17%的学生不知道通过软件能将自己拍摄的照片二维物体转换成三维的，75.83%的学生愿意尝试通过软件将手机照片变成拍摄物的立体样子，愿意学习相关的课程。66.67%的学生喜欢边玩边学的授课方式。因此，本教学中依托基于照片等小型物件三维重建的项目开展教学活动，在教学中有效利用先进多种成型的商业软件，在课堂中展示信息获取技术与计算机图形处理技术在生活中应用，吸引学生对计算机科学技术的兴趣。

2 基于照片等小型物件三维重建课堂实践

课堂是学生知识和思想创新的“实验室”，是教师提升教学水平和教学能力的“操练场”，是应用型创新人才培育塑造的“孵化器”。课堂模式的与时俱进，不仅是课程改革的必然选择，也是新时代应用型创新人才培养的必经之路。随着教学课程改革的不断深入，以学生为中心的各种教学方式已经走进课堂。目前我院大部分学生的学情是：学习无目标、课前不预习、课后不复习、课上玩手机，跟不上老师的节奏，日积月累，学生越来越学不会，越来越不愿意学，从而导致厌学、缺课现象严重。如何解决这个问题，让学生主动进行学习成为每一个一线教师需要面对和思考的问题。本研究基于我院学生的基本学情，采用项目化教学，借鉴现有翻转课堂模式，但是不占用，少占用学生非课堂学习的时间和空间，充分利用课上时间，改变师生角色，教师是学生学习的指导者和整个课程的设计者，是学生完成个性化学习的协作者、监督者。学生充分利用教师创建的环境，自由、自主地开展学习。有效地利用各种资源，拓宽学生知识面，教师利用设计者的角色把教学方式、教学策略、教学方法等优化结合，开展教学活动，提高教学质量。

在具体的教学过程中，引入翻转课堂的教学理念，采用自主任务驱动，做中学，做中教的一体化教学方式。根据三维重建过程过步骤所需要的技术要求，主要教学过程如下图所示：

（1）课程导入。课程开始，播放与课程相关学生又感兴趣的影片，从影片播放效果引导学生思考，用照片或者视频可以构建小型物件的三维结构，在电影中是采用特殊的设备完成的，引出课程问题，我们在生活中是否也能采集二维照片，生成小型物件的三维模型？

（2）视频演示。教师播放从二维照片制作成三维模型的过程，时间在两到三分钟以内，让学生头脑里有一个初步的概念，用一款软件简单几步就能做一个三维模型，吸引学生兴趣。

（3）动手实验。老师提供样本照片和制作过程视频，学生根据视频完成制作。让学生体会制作的过程，建立信心，认为自己能够很轻松的完成某个物体的三维重建，激发学生想自己建某个物体三维模型的兴趣。

（4）自由实验。学生自由选取物体，拍摄照片，进行三维重建。

（5）观察比对。直观比较三维重建的结果。进行第一次自我疑问，为什么自己建的效果不理想。

（6）老师介入。引导学生进行第一次结果分析。由于选取的物体不合适、拍摄的照片不符合要求等问题导致学生第一次独立三维重建基本都不合格，但是也有好有坏。此时，老师介入引导学生观察，做的好一点的同学和不好的同学在源头上即拍摄的照片有什么区别，从选择的物件、照片的数量、拍摄角度、图像质量等问题进行直观对比。引入知识点，原始数据的要求，包括物件选择的要求，照片采集的要求和照片采集的方法。向学生展示理想的照片和不理想的照片。同时简单介绍照片处理的各种方法。

（7）自由实验。学生观察自己采集的照片找出相关问题，进行第二次照片采集和三维重建，此次要求学生记录每一步完成的时间。

（8）观察比对。直观比较三维重建的结果。进行第二次自我疑问，比第一次理想的原始照片信息让重建的三维模型比第一次好很多，但是依然存在很多问题和不理解的地方。

（9）改进调整。老师引导学生进行第二次结果分析。教师讲解知识点，确定三维建模精度、效果间的耦合关系。学生修改参数和细节，进行第三次重建，争取达到比较理想的效果。让学生从建模过程理解三维重建中相片采集、位置姿态解析、密集点云加密过程的逻辑过程。如果效果不理想则进行问题分析，如果效果理想则进行过程总结。确定不同类型对象、不同精度、不同纹理要求的建模结果。依据经验进行三维重建练习。了解物体弱纹理条件下，如何人为增加纹理提高实际建模效果。

（10）成果展示。互相欣赏成果、分享经验、进行自我评价、相互评价和教师点评。

针对不同对象，学生根据兴趣，自行进行三维建模，如小型玩偶、书包等物件。教师提供不同的样本数据，学生进行相关物体的重建，根据不同的效果，学生发现问题、提出问题，教师介入引导学生解决问题，循环反复。

教师在后续的教学中，引入无人机连续成像视频、GPS位置姿态参数辅助、无人机侧视环绕成像、五头相机等多种多视角成像数据，从小型物件重建进一步拓展到小型建筑物快速三维重建，开拓学生视野，进一步激发学生主动学习兴趣。

整个课堂教学过程始终以学生为中心，教师把控课堂节奏，进行方向上的指引和技术上的指导，在适当的契机讲解知识点。

3 基于照片等小型物件三维重建项目化教学与现有项目化教学对比分析

在我院电子信息技术专业，任务式项目化教学已经得到了广泛应用。通过建立“教、学、做”一体化的教学环境，吸引学习者的注意力和提高学习欲望，以任务驱动为主线，将所需知识融合在任务中，通过任务项目拆分，排序，逐步引领学生循序渐进完成每一个子任务，让学生最终达到掌握知识、获得技能的效果。但是在實际执行中，学生的认知能力、思维能力、动手能力和学习态度等多方面都有极大的差异，即使任务是多层次的，对于学生而言完成度仍有很大差异。另外，这些任务全部来自老师的设计，学生只能按要求完成，是否符合学生兴趣有待商榷;其次，在教学过程中，由于教师不敢放手，很多任务都是老师手把手的教学，学生照葫芦画瓢的做，学生容易养成依赖心理，容易背离老师项目设计的初衷。

基于照片等小型物件三维重建项目教学将协作学习理论、任务驱动策略、项目教学法等教学方法在课堂上进行综合运用。在教学过程中采用的是自主式项目教学方式，以基于照片等小型物件三维重建为载体，建立一个纹理清晰、尺寸正确、模型真实的三维模型为目标，通过独立完成和同学合作为实践方式，让学生在整个学习过程中主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生自主分析问题和解决问题的能力。该项目除了第一个子任务是老师提供资源，教授实现方式外，后面所有的任务均由学生自由选材，自由实践、自由比对、自由完成，注重教学的开放性和生活性。在教学过程中，教师敢于放手，从教变导，在学生需要的时候予以帮助，让学生在实践中发现问题、解决问题，同时引导学生在实践中发现新知识、掌握新内容。学生作为学习的主体，通过独立完成项目，提高了自学能力、观察能力、动手能力、分析和解决问题的能力。另外，由于建模的物件由学生自由选择，学生通过不断的实验学会了如何“觅食”，能够根据自己的实际情况选择学习方法、不断探索、感悟成败，寻求乐趣。通过不断的实验，学生懂得了“温故而知新”的道理，不断的重复学习加深了对知识的理解。

4 结论

基于照片等小型物件三维重建项目教学是基于目前学情对高职课堂教学方式进行改进的一种尝试。在课堂上向学生展示图像获取、图像匹配、图像空间位置关系恢复、三维重建的信息获得技术与计算机图形处理技术，与学生面对面完成照片三维重建中所需进行的各项处理步骤。学生在老师总体任务的要求下，自主选材，自主实验，互赏成果，整个教学过程中，学生兴趣浓厚，参与度极高，极大了激发了学生自主学习意识。

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