基于“线上+线下”“虚拟+现实”的无人机航测实验教学模式研究

马明舟

（大连理工大学城市学院，辽宁 大连 116600）

0.引言

随着我国经济快速发展，各行各业对掌握新技术、具备较强实践能力的应用型人才需求量不断扩大。近年来，无人机航测技术成为获取地理空间信息的重要手段，人才缺口较大，急需高校调整人才培养方向，加快专业课程改革，培养与行业需求对接紧密的优秀工程技术人才。

开设无人机航测实验课程是培养航测技术人才的重要环节。作为一门多学科新兴技术汇集而产生的课程，传统教学方法存在不足，主要表现在以下几个方面：

（1）无人机航测技术是一门学科融合、知识复杂、实践性强的新型课程，传统的线下教学模式对教师的专业知识要求较高，而无人机航测技术的兴起仅4～5年，技术迭代速度快，教师资源稀缺，传统的测绘教师不懂航空知识，航空专业教师又缺乏测绘技术；

（2）传统的实验教学以线下模式为主，教师是课程的主导，讲授和演示是教学的主要方法，教学内容固定，教学方法单一，信息技术介入较少。而无人机航测技术的综合性强，实验操作中有很多偶发性问题，在教师缺乏经验、教学案例不丰富的情况下，易导致学生缺乏学习兴趣及主动性，学生的专业知识仅停留在浅层理论认知和基本操作层面，学习效果无法达到课程目标要求，缺乏深入性、扎实性；

（3）无人机技术设备成本较高，高校的实验室投入经费有限，而新兴技术迭代速度快，因此，无人机实验室的建设相对落后，无人机设备的数量和性能无法满足线下实验需求，学生训练时间短，培养学生动手能力的效果差；

（4）无人机航测对训练环境要求严格，简单的场地训练与真实的训练环境脱节，且真实环境存在安全隐患，既要保证训练的安全性，又要满足真实性的理想训练场地十分稀缺。

如何破解上述困局，本文提出在无人机航测实验教学过程中采用“线上+线下”“虚拟+现实”的混合教学模式。

1“.线上+线下”“虚拟+现实”教学模式的核心是互联网+虚拟仿真技术与传统教学相结合

“互联网+”技术在教学中的应用即借助网络中的大量信息资源，构建线上学习平台，作为课程知识的拓展端口，采用动画、视频和虚拟三维等多媒体技术丰富在线教学方式，以学生为中心，翻转课堂角色，是主动学习方法的一种全新形式。

虚拟仿真技术在教学中的应用即通过三维虚拟仿真和虚拟交互技术对实验场景、设备、流程、结果进行虚拟展现，真实展现实验操作的全部过程，让学生身临其境，完成如真实操作一般的实验感受，从而提升学习质量。

将互联网技术、虚拟现实技术与传统教学相结合，形成“线上+线下”“虚拟+现实”的混合教学模式，其特点如下：

（1）丰富教学内容，克服传统实验教学对设备和环境的依赖。在无人机航测实验课程中，需要大型场景，动用昂贵的无人机和机载任务设备，损耗大量的资源和能源，且有一定的安全风险。通过虚拟现实实验教学，能模拟真实环境，实验过程与现实世界高度一致，在真实的实验操作前，可让学生在虚拟环境中完成大多数操作性训练，不仅降低了实验课程教学的成本，也提升了实验学习的安全性和可靠性；

（2）教学模式设计的思路创新。在传统的实验教学方法中，学生主要在书本中学习无人机设备构造和操作的基本知识及方法，书本知识是平面线性的，很难与立体复杂的实际实验过程产生直观联系，虽然在传统的实验课程中有教师对实验内容进行讲解和操作演示，但学生数量多，教师和无人机设备数量短缺等原因使教学演示的效果不佳，且大量挤占了学生动手操作实验的时间，严重影响实验教学的效果，降低了人才培养的质量。通过互联网技术搭建线上学习平台，拓宽了学习途径，将学习从以课堂为主延伸至课前与课后，有利于过程引导式的教学实施，能有效串联理论课堂与实验课堂；同时，能引导学生开展自主实验，由教师实施过程把控，调动学生学习的主动性，增加学习兴趣，减轻教师的工作压力，提高教学工作效率和教学质量。在教学理念上突出自主式学习和以学生为中心，在教学内容上，既满足对理论知识的巩固和掌握，又满足实际工作中对过程和细节的要求，更快掌握应用技术；

（3）改传统的被动式学习为积极自主式学习。由学生自主完成虚拟实验的全部过程，鼓励学生在实验过程中探索和创新，指导教师仅需对实验过程进行把控，并在网络互动平台中进行辅导答疑；构建与现实实验相同的虚拟环境，使学生从理论教学环境迅速融入实验教学环境，甚至是真实的生产作业环境。因此，“线上+线下”“虚拟+现实”的混合教学模式更适应真实性、发散性和开放式的新工科课程；

（4）从准备、过程和结果3个方面考查学生的学习质量。教师将文字、图片、视频等学习资源上传至云端的学习园地中，便于学生做好实验教学前的预习环节，教师可借助互联网云端的学习评价系统，将学生预习环节的时间质量评价、完成虚拟仿真操作的准确性评价、完成虚拟实验后的测试成绩评价，以及教师对学生虚拟实验过程的表现评价、学生完成实验报告的质量评价进行综合考核，分析学生在实验过程中的学习质量，借助大数据和人工智能算法，完成客观指标的评定，减轻教师在学习成绩评判过程中的工作压力，且能客观反映学生对实验的掌握程度，对学生进行全面、系统和贴近实际的能力评价。在“线上+线下”“虚拟+现实”的混合教学模式中，学习评价和管理将更为复杂，评价内容更多、指标更细化。应用型人才的培养是对评价体系综合性和全面性的必然要求；

（5）对传统教学的延伸与拓展。“线上+线下“”虚拟+现实”的混合教学模式能无限延长学生操作、训练等实验时间，克服传统实验教学时间和场地的局限性。通过反复的仿真实验，使学生加深对操作、流程和关键环节的掌握，提高学生理论联系实际的能力。

2“.线上+线下”“虚拟+现实”的无人机航测实验课程的构建

2.1 课程架构

基于“线上+线下”“虚拟+现实”的无人机航测实验课程的架构（如图1所示），以课程数据为基础，以学习平台为核心，面向教师和学生。学习平台前端是教学活动的不同场所，划分为线下课堂和线上课堂两个部分，其中，线下课堂中包含传统的线下教室和实验室，并依据VR、AR技术建立沉浸式虚拟仿真操作实验室，线下课堂是课上学习的主要场所；线上课堂包含在线课程平台和虚拟仿真实验平台，线上课堂是实施课程教学和实验训练前后用于预习、巩固和测试的学习场所。丰富的前端平台为教师提供了多种教学手段，也为学生提供了多种学习途径，将课堂从现实世界延伸至网络世界，将有效学习时间从课上延伸至课前、课后，将实训的有限性扩展为无限性。学习平台后端是基于人工智能技术构建的过程跟踪式学习评价系统，通过建立大数据分析模型，综合分析学生对无人机航测技术的掌握程度，从而进行科学的学业能力评定。

图1 “线上+线下”“虚拟+现实”无人机航测的实验课程架构

2.2 课程建设思路

从测绘行业对航测人才能力需求出发，结合现阶段无人机摄影测量员职业资格考试、测绘地理信息数据获取与处理职业技术等级认证、无人航空器驾驶职业技术等级认证等要求，梳理和整合无人机航测技术课程的理论与实训教学内容，设计符合人才培养目标的课程教学大纲。对教学内容进行分析，形成不同的教学模块，剖析线下、线上、现实和虚拟4种教学手段在不同教学模块中的应用，设计出满足教学内容、促进学习主动性、减轻教师教学压力的教学方案。通过收集网络资源和自主设计制作两种途径，依托网络教育平台，建立文字、图像、视频、动画、3D模型于一体且教学形式丰富的在线课程，实现在线教学、在线实验和在线测试等主要功能。通过Unity3D技术建立无人机航测虚拟仿真实训平台，开发线上互动式和线下沉浸式专业仿真实验。寻找适合的数据分析模型，通过大数据分析技术，建立满足混合式教学需求的过程跟踪式课程学习评价系统，科学评测每名学生的学习状况。

3“.线上+线下”“虚拟+现实”的无人机测量技术课程教学模式

以无人机基本飞行训练课程环节为例，“线上+线下”“虚拟+现实”的教学模式（如图2所示）包括以下环节：

图2 “线上+线下”“虚拟+现实”教学模式的主要阶段

（1）线上知识预习。该阶段主要通过线上课堂中在线课程平台进行学习，通过教学课件、教学视频完成无人机基本飞行控制知识预习，通过知识测验检验线上学习的效果；

（2）线下课堂教学。该阶段在线下教室中完成，包含面对面讲授、互动、提问等环节，解决学生线上学习中的疑问，注重无人机基本飞行动作控制中的知识点、训练要领和安全事项；

（3）线上虚拟实验学习。该阶段通过线上课堂中的在线虚拟仿真实验平台，借助三维动画了解实验训练的过程和内容，利用三维模型熟悉无人机设备和构造，通过虚拟仿真训练掌握实验步骤和关键操作；

（4）线下虚拟实验训练。该阶段是在线下虚拟仿真实验室中让学生和教师通过穿戴虚拟外设设备，以沉浸式的方式进入虚拟教学活动中，完成与现实操作一致的实验训练过程，强化实验操作，为开展外业实训奠定基础；

（5）线下实操训练。该阶段是在真实的训练场景中，由教师指导学生亲自操作无人机完成规定的基本飞行动作训练；

（6）教学评价与反馈。该阶段中将根据前面5个阶段中学生的学习表现和训练成果，对学业成绩进行综合评定，线上和线下虚拟仿真系统中的学业成绩将根据学习时间、测验成果、实验误操作率等数据实现系统自动核算，线下课堂和实操训练的学业成绩由教师根据学生表现量化指标核算后输入系统，并由系统根据指标评价体系计算结果。

4.结束语

无人机航测技术作为一门新兴的测绘技术专业课程，目前已在高校中广泛开设，将“互联网+虚拟仿真技术”与传统教学方法相结合，创新“线上+线下”“虚拟+现实”的混合教学，是发挥各类教学手段优势的最优化策略，实现虚实结合，优化和创新现有教学模式，可提高人才培养质量的目标，为学生可持续发展奠定了基础，对高校教学改革具有较强的实践参考意义。