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虚实结合无人机摄影测量实验教学改革与效果评价

2021-12-14段祝庚陈丰田江学良王丽颖

实验室研究与探索 2021年10期
关键词:显著性摄影实验教学

段祝庚,陈丰田,岳 雄,江学良,王丽颖

(1.中南林业科技大学土木工程学院,长沙 410004;2.青海省地质测绘地理信息院,西宁 810000;3.青海省高原测绘地理信息新技术重点实验室,西宁 810000;4.武汉兆格信息技术有限公司,武汉 430223)

0 引言

摄影测量技术广泛应用于国家基础测绘、数字城市建设、生态环境监测、国土资源治理等众多领域。近年来随着低空无人机技术的快速发展,无人机摄影测量已经成为获取空间信息数据最为有效、经济的手段之一。因此,行业对无人机摄影测量专业人才的需求,尤其对人才质量的需求也在不断提升。

传统的无人机摄影测量实验教学主要采用实验理论与实际操作实践实验相结合的教学模式,实验理论主要由教师课堂讲授实验基本原理和方法,实际操作实践实验的主要内容是无人机航飞和基于单机版无人机摄影测量软件的影像数据处理。实验条件与教学模式相对陈旧,与新技术的发展相比,存在诸多方面不足,与实际生产环节存在较大的差距,难以适应生产实际的需求。

(1)学校专业实验室开放学时有限,并且长期以来摄影测量实验教学使用的平台和软件一般都是单机模式,基本上与网络无关,学生一般难以全开放式灵活使用实验室设备和专业软件,学生很少能自由选择时间、地点进行实验,学习环境与时间严重受限。

(2)测绘型无人机价格仍然不低,无人机设备实验资金投入较大,电池等低耗品消耗较多。无人机台套数难以满足实验教学需要,受设备台套数限制,学生实验参与度不高,而且无人机航飞时存在较高风险。

(3)实验教学的学习交流环境与条件不足,缺乏虚拟教学环境以及图文并茂的网络交流与讨论平台,不能对学生实验进度及效果进行全程监控。

随着计算机、网络技术的快速发展,虚拟仿真技术可应用于课程教学设计、虚拟教学系统的开发与资源平台建设、虚拟实验教学管理与改革等方面[1-3],虚拟仿真技术也逐步应用于测量实验领域[4-6],可解决测绘学科实验教学环节中存在仪器不足、成本高、风险大和容易受天气影响等问题[7-8]。

最近一二十年,现代网络技术和云计算技术有了快速发展,云端服务正不断涌现,云计算技术日趋成熟[9-10]。云计算具有虚拟化、低成本和灵活性等特点[11-12]。通过网络连接远程服务器进行数据处理和信息共享等服务,可让用户共享云端服务器的快速处理能力和各种优质的服务,从而为用户节约成本,提高工作效率。将云计算技术应用到无人机摄影测量生产实践及实验教学中,这将改变摄影测量生产实践和实验教学的作业模式,实现网络化、开放式摄影测量作业[13]。

本研究将虚拟仿真技术和云计算技术应用于无人机摄影测量实验教学,采用虚实结合的开放式实验教学模式,开展网络化、开放式摄影测量实验教学改革探索,并通过问卷调查进行实验教学效果评价,旨在提高实验教学效果。

1 虚实结合开放式实验教学模式及其特点

1.1 虚实结合开放式实验教学模式

无人机航空摄影测量实验的核心任务是让学生掌握无人机航空摄影测量数据采集和数据处理的原理、方法和作业流程。虚实结合开放式实验教学模式(见表1)的“实”是指实际操作实践,主要内容包括无人机航飞、像控点测量和利用无人机摄影测量软件进行数据处理。特别引进了基于云计算的桌面云摄影测量软件代替传统的单机版软件进行无人机影像数据处理,生产数字测绘产品,学生可随时随地注册登录该软件进行作业,开展网络化开放式实验教学[14-15]。“虚”即虚拟仿真实验,利用计算机技术开发了无人机摄影测量虚拟仿真实验系统,该系统由无人机基础知识模块、无人机部件功能练习模块、仿真实验模块、无人机操作视频模块、知识练习模块和学生成绩评价模块构成,建立了虚拟仿真模型库、实景三维模型库、知识练习库、用户数据库等提供相应数据支持(见图1)。虚拟仿真实验系统免费向开设无人机摄影测量课程的学生开放。学生通过注册账号登录,随时随地进行虚拟仿真实验。以无人机摄影测量数据采集和数据处理为核心教学内容,虚实结合,将实际实践操作实验和虚拟仿真实验相互融合,充分利用各自的优势,增强学生自主实验的主体地位,提高实验教学效果。

图1 无人机航空摄影测量实验虚拟仿真系统截图

1.2 基于云计算无人机摄影测量软件的特点

(1)基于云计算的软件可使用账号登录系统,时间、地点、电脑不受限制,增加实验课时,属于网络化开放式教学模式。教师组织、讲授与示范,学生自主完成实验。而传统的商业软件为单机版,需要加密授权,实验通常固定机房、电脑、地点、时间,教学的机动性、灵活性有限,属于相对封闭机房式教学模式。

(2)部分软件集成自动化程度较高,有益于提高作业效率,但不利于学生掌握和理解基本理论和概念;部分软件模块化,可分模块、分步骤开展实验,有利于学生掌握和理解基本理论和概念。

(3)基于云计算的软件较单机版具有明显经济优势,不用购置昂贵处理器,大量数据处理由云端服务器完成。

(4)可处理真实数据,生产实际测绘成果。但真实数据量大,处理时间较长,时间往往不可控。

1.3 虚拟仿真系统的特点

(1)学生可使用自己电脑利用账号登录虚拟仿真系统进行实验,可课前预习,课后复习,重复多次进行虚拟仿真实验。学生自主选择时间、地点,不受时空及电脑限制。教师组织、讲授与示范,学生自主完成实验,属于基于网络的开放式实验教学模式。

(2)实验数据完整齐全,工序统一,作业标准统一。系统作业流程全部模块化,可分作业步骤开展实验,有利于学生掌握摄影测量基本理论和概念,实验时间短且可控。

(3)学生可在线提交实验报告,师生可通过平台上的在线答疑功能进行互动交流,教师在线评分并及时反馈给学生。具有虚拟教学环境以及图文并茂的网络交流与讨论平台,可对学生实验进度及效果进行全程监控。

(4)实验目的是模拟作业过程,理解和掌握作业关键技术与方法,虚拟数据,不能生产实际测绘成果。

2 实验教学效果调查与评价

2.1 实验教学效果调查与评价方法

面向我校测绘工程、地理信息科学专业本科生开展了无人机摄影测量学实验教学模式改革对比研究。对照组为实验教学改革前的103 名本科学生,按传统实验模式教学。研究组为实验教学改革后的114 名本科学生,按虚实结合实验教学模式教学。

教学效果评价主要采用学生问卷调查和课程考核成绩进行评价(见图2)。学生问卷调查采用匿名全额调查方式进行,区分不同组别进行学生人数统计。教学效果评价指标主要包括实验累计作业时长、自主实验程度、对无人机摄影测量学课程教学的帮助程度、学生对实验课的兴趣度和满意度5 个指标。实验累计作业时长包括课堂计划课时和课余作业时间,课余作业时间由虚拟仿真系统自动统计实际作业时间。自主实验程度是指学生自由选择实验时间和地点,自主主导操作,独立完成实验的程度,区分于按实验计划安排固定实验时间和地点及需在老师主导或协助完成的实验,分为不能、一般、较大和很大4 个等级,统计赋值分别为1~4。对课程的帮助程度是虚实结合教学模式对学生理解和掌握基本原理、方法、作业流程的帮助程度,分为没帮助、有帮助、较大帮助和很大帮助4 个等级,统计赋值分别为1~4。兴趣度指学生对摄影测量实验项目的感兴趣程度及主动进行实验的程度,未完成全部实验项目的评定为不感兴趣,分为不感兴趣、一般、较感兴趣和非常感兴趣4 个等级,统计赋值分别为1~4。满意度是指对实验模式综合满意程度,分为不满意、一般、较满意和非常满意4 个等级,统计赋值分别为1~4。课程考核采用理论考试和实际操作考核相结合的形式,对照组和研究组理论考试试题难易程度相当,实际操作考核分别对应传统实际操作考核和虚实结合实验考核,理论考试成绩和实际操作考核成绩占总成绩的权重分别为40%和60%。学生考核成绩按分数分为不及格(<60 分)、及格(60~70 分)、中(70~80 分)、良(80~90 分)和优(90~100 分)5 个等级,统计赋值分别为1~5。

采用统计软件SPSS 21.0 对调查数据进行处理,对对照组和研究组两组样本进行样本均值t检验。根据统计学原理,由于两组调查数据属于独立样本,需要先检验两组调查数据的方差是否齐性,并依据样本是否具有方差齐性,分别使用独立样本等方差t检验和异方差t检验,再依据t检验概率P<0.05 判断两组调查数据是否存在显著性差异。

2.2 评价结果

统计分析结果为调查指标差异显著性检验(见表2)以及调查指标均值和标准差(见表3)。统计分析结果显示:

表2 对照组和研究组间调查指标差异显著性检验

表3 调查指标均值和标准差

(1)累计作业时长在Levene方差齐性检验中,显著性水平Sig.的值为0.000 <0.05,拒绝原假设方差相等,得到相应的异方差均值t检验的显著性水平Sig.的值为0.000 <0.05,且累计作业时长均值由1.00提升为3.11,即在对照组和研究组间累计作业时长具有显著性差异,且研究组较对照组累计作业时长大幅增加。

(2)自主实验程度在Levene方差齐性检验中,显著性水平Sig.的值为0.320 >0.05,接受原假设方差相等,得到相应的等方差均值t检验的显著性水平Sig.的值为0.000 <0.05,且自主实验程度均值由1.60提升为3.12,即在对照组和研究组间自主实验程度具有显著性差异,且研究组较对照组自主实验程度明显增加。

对课程的帮助程度在Levene方差齐性检验中,显著性水平Sig.的值为0.253 >0.05,接受原假设方差相等,得到相应的等方差均值t检验的显著性水平Sig.的值为0.000 <0.05,且对课程的帮助程度均值由2.43 提升为3.27,即在对照组和研究组间自主实验程度具有显著性差异,且研究组较对照组自主实验程度明显增加。

(3)兴趣度在Levene方差齐性检验中,显著性水平Sig.的值为0.297 >0.05,接受原假设方差相等,得到相应的等方差均值t检验的显著性水平Sig.的值为0.000 <0.05,且兴趣度均值由3.13 提升为3.54,即在对照组和研究组间兴趣度具有显著性差异,且研究组较对照组兴趣度略有增加。

(4)满意度在Levene方差齐性检验中,显著性水平Sig.的值为0.524 >0.05,接受原假设方差相等,得到相应的等方差均值t检验的显著性水平Sig.的值为0.000 <0.05,且满意度均值由2.73 提升为3.25,即在对照组和研究组间满意度具有显著性差异,且研究组较对照组满意度明显增加。

(5)考核成绩在Levene方差齐性检验中,显著性水平Sig.的值为0.000 <0.05,拒绝原假设方差相等,得到相应的异方差均值t检验的显著性水平Sig.的值为0.004 <0.05,且考核成绩均值由3.75 提升为4.13,即在对照组和研究组间学生考核成绩具有显著性差异,且研究组较对照组考核成绩略有提升。

综上所述,统计分析结果表明,虚实结合实验教学模式对实验累计作业时长、自主实验程度、课程教学的帮助程度、学生对实验课的兴趣度和满意度、课程考核成绩等调查指标均有不同程度地提高,实验教学效果有明显提升。

3 结语

随着无人机摄影测量技术的日趋成熟,摄影测量技术有了更大的应用发展空间。无人机摄影测量技术的发展变化对测绘教学、科研、生产均产生了深远影响。无人机摄影测量实验教学显得尤为重要。无人机摄影测量实验教学应与生产实践紧密接合,服务于生产实践。虚拟仿真技术和云计算技术具有网络化、开放性和交互性的特点和优势,将虚拟仿真技术和云计算技术应用于无人机摄影测量实验教学,可实现网络化、开放式实验教学。虚实结合实验教学模式,可解决实验课时不够、高风险、高成本的难题,减少学校实验室建设资金投入,增加学生实验时长,提高学生自主实验的程度、兴趣、满意度及考核成绩,从而增强实验教学效果,提高学生的研究创新和工程实践能力。但虚拟仿真技术和云计算技术应用到无人机摄影测量实验教学,这是一项探索性的系统工程,在实践课程的体系设计、实习实践环节和施教方式等方面还需要进一步改进、完善和优化。

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