训用一体的实践课程项目化弹性教学模式——以遥感影像三维重建专项训练课程为例

施群山，梁 静，周 杨，蓝朝桢，吕 亮

(1.信息工程大学 地理空间信息学院，郑州 450001；2.河南测绘职业学院 遥感工程系，郑州 451464)

近年来，随着摄影测量技术的发展以及无人机的普及，利用遥感影像进行三维重建已经成为测绘领域的一项新型测绘工作，其提供的三维重建产品可以为数字城市建设、装备制造维修、文物修复重建、虚拟战场构建、无人作战应用、军事医疗救护等多个方面的应用提供支持。特别是自然资源部实景三维中国建设计划的提出[1]，实景三维模型的构建必将成为各测绘部门今后一段时间内的一项重要测绘生产任务，遥感影像三维重建作为实景三维建模的主要手段，军地测绘部门对这方面的人才需求必然大幅增加。因此，信息工程大学紧跟需求，于2019年开始，率先在高职层次遥感测绘专业中开设遥感影像三维重建专项训练课程，用来培养遥感影像三维重建方面的人才。

目前，虽然摄影测量专业有部分课程涉及到了遥感影像三维重建方面的内容，但是专门开设一门课程进行遥感影像三维建模的教学还比较少，因此该课程实施缺少可借鉴的经验，各项教学内容需要不断完善，尤其在教学模式方面。由于该课程具有很强的操作性和应用针对性，不同目标的建模给课程的实施带来不同的要求，因此，为了使课程更加贴近生产需要，让学生掌握的操作技能更快形成生产力，文中提出训用一体的实践课程项目化弹性教学模式，并以遥感影像三维重建专项训练课程为例，将教学过程纳入到一线作业单位的生产环节中，以作业单位下达的任务为牵引，进行教学内容设计，学生通过本课程的学习和实践，最终将实践成果提交到作业单位，供作业单位使用，形成生产闭环，实现学生技能训练和成果得到利用的有效融合，达到“训有所用，用能促训”的目标。

1 遥感影像三维重建专项训练课程教学现状分析

1.1 课程特点

遥感影像三维重建专项训练课程是信息工程大学高职层次遥感测绘专业的一门任职岗位课，要求学生在掌握遥感影像三维重建基本理论基础上，能全面系统地掌握遥感影像三维重建的基本方法和技能。该课程具有以下特点。

1)原理复杂。遥感影像三维重建方式主要有手工建模、半自动建模、全自动建模等，其中手工建模主要是依靠3D Studio Max[2]等建模软件进行三维建模，不涉及较多的原理；半自动建模则主要是基于激光雷达扫描数据，依据一定的算法自动生成建筑轮廓，然后在建筑轮廓基础上进行进一步编辑；全自动建模主要是依据倾斜摄影获取的影像，基于相关的技术进行自动化三维模型构建，其涉及的原理复杂，包括相机标定、影像特征点检测与匹配、空中三角测量、多视稠密点云重建、模型格网构建、纹理映射、人工编辑等多项技术，相关技术的原理需要学生能够了解掌握，以便更好的进行遥感影像三维模型的建模与编辑。

2)实践性强。遥感影像三维重建专项训练课程的最大特点是实践性强，本课程一共安排80学时，其中实践部分安排60学时，可见该课程是一门以实践为主的课程，课程的教学目标就是要求学生掌握遥感影像三维建模的操作技能。本课程在实践教学中涉及的软件众多，比如影像处理软件PhotoShop[3]，手工建模软件3D Studio Max、MicroStation[4]，自动建模软件MetaShape[5]、ContextCapture[6]，模型编辑软件Geomagic Studio[7]，模型发布软件Cesium[8]等；须要教授学生的技能多，比如影像数据采集技能、影像编辑处理技能、基于矢量的三维建模技能、交互式三维建模技能、倾斜摄影自动三维重建技能、倾斜摄影模型编辑技能、三维模型发布等。其中很多软件操作和建模技能复杂，这为实践教学带来了较大难度。

3)应用广泛。在遥感影像三维重建专项训练课程中，所涉及的软件和操作技能使用十分广泛，比如课程中用到的PhotoShop图像处理软件，除在本课程中用到外，也可广泛的应用到我们工作和学习生活中，如照片的处理、多媒体课件制作、海报设计等都会用到，这为学生将来的工作做了一个很好的技能储备。另外三维建模成果在城市规划设计、交通路网建设、城市招商引资等领域应用也十分广泛，可以为政府决策部门提供技术支撑。因此，学生熟练掌握遥感影像三维重建的方法和技能，是十分必要的。

4)成果可测。遥感影像三维重建专项训练课程的另一个特点是三维建模成果具有可量测性。三维模型可以直观真实反映城市结构布局，具有平面精度和高程精度，可以直接在三维模型成果上量测获取建筑物高度、道路宽度、河流宽度等地物要素信息。因此，在实践教学过程中，要向学生着重强调精度问题，三维模型成果质量要满足项目精度的要求。教师在教学中要时刻要求学生牢记“真实、准确、细致、及时” 八字测绘方针，养成爱岗敬业、精益求精的良好职业素养。

1.2 教学现状与问题分析

遥感影像三维重建专项训练课程作为一门正处于建设起步阶段的课程，很多地方亟待完善，教学团队在教学中发现以下3个比较突出的问题。

1)教学脱离生产，教学设计难以有效制定。由于本课程属于新开设课程，并且遥感影像三维建模技术也属于一项新技术，生产单位具体作业流程、生产中的规范要求是什么，这一系列的问题教学团队并不是完全掌握，虽然前期教学团队也开展了广泛的调研，但是由于测绘生产部门对该新技术也没有形成统一的认识，因此教学中存在一定的教学脱离生产实际的问题，具体表现在：一是教师不清楚生产单位真正需要建什么样的模型，无法针对性设计教学内容；二是学生在学习过程中不能充分认识到遥感影像三维重建的重要意义，导致学习的积极性不高，制作的成果质量参差不齐。

2)学生基础不一，教学进度难以有效控制。我校高职层次的学生学习基础不一，有已经上过高职院校的，也有高中毕业并且学习成绩较差的，学生不同的基础，给教学进度的控制带来了难度。基础较好的同学对理论知识和实训技能的掌握相对较快，如同样一个训练科目，部分学生利用4个学时可以完成，部分学生必须8个学时才能完成，因此需要创新教学方法，针对不同基础的学生，采用弹性教学安排进度，因材施教。

3)考核不易量化，教学效果难以有效评价。遥感影像三维重建专项训练课程是一门实践性强的课程，最终考核主要是依据学生平时表现和最终的成果,但是平时表现考核具有很强的主观性，没有量化标准。另外三维模型成果的质量评价，也会因为建模的应用场景不同，有不同的评价标准。学生制作的成果是否满足实际需要也得不到检验。

2 训用一体的项目化弹性教学模式

针对遥感影像三维重建专项训练课程上述教学现状，文中提出了训用一体的项目化弹性教学模式。

2.1 基本思路

针对教学脱离生产的问题，目前国内外高校都进行了有益的探索和尝试，在一些国家中有很多比较成功的职业教育典型模式，例如德国的“双元制”[9]、加拿大的“合作教育”[10]、日本的“产学合作”模式[11]、澳大利亚以行业为主导的“TAFE”模式[12]等。这些培养模式都有一个共同的特点，就是将技能人才的培养与企业生产结合起来，在生产实践中打造真正的技能人才，推进工学结合。我国地方院校则主要通过“产教结合、校企合作”办学模式，在企业建立实训基地，实行顶岗实习制度，这种培养方式以就业为导向，以市场需求为基础，以培养技能型人才为目的，实现学校和企业的双向共赢。采用“在学中做，做中学”，理论联系实际，借用企业生产的大环境，将课堂教学和实践教学融为一体，取得了较好的效果。但是由于信息工程大学的特殊性，高职层次学生在校时间较短，只有2年，安排的课程比较多，将学生送到一线单位顶岗实习的方式操作起来难度较大，不具有可行性，因此需要采用新的教学模式，既能使教学贴合实际生产，又能有效提高学生的实践能力。文中提出训用一体的课程教学模式来解决这个问题，具体来说就是将整个课程的教学环节，无缝的融入到一线单位的生产链中，将每个学生都当成实际生产中的作业人员，这样虽然学生没有到单位，但是作业流程上，和在单位顶岗实习一样，从而实现时空异位、环节相同的虚拟“顶岗实习”。

针对学生基础不一的问题，笔者所在课程组创新教学方法，采用理论联系实践、项目化、弹性教学方法进行教学。由于该课程以实践为主，因此教学实施中，前期安排20学时讲解三维模型重建中涉及的关键理论技术，在后期的实践环节中，教师再次将理论知识融入到实训步骤中，向学生阐述每个过程中所涉及的关键理论知识。对于基础薄弱的同学，通过这种“学中做，做中学”知识贯通的方式，可以帮助他们再次加强理论知识的理解。在整个实训课程中，实训内容为图像处理操作训练、三维建模基本操作训练、基于矢量数据的三维建模训练、交互式三维建模训练、无人机倾斜影像数据采集、倾斜影像自动建模训练、倾斜影像模型编辑训练、倾斜影像模型发布训练等8个项目，对每个项目的学时要求只是给定一个平均学时数，对于不同的学生，可以允许他们所使用的学时有所不同。教师在教学时，采用实操演示加操作视频的方式进行教学。在整个课程开始前，教师提前录制各个教学项目的操作视频，在云课堂中发布，让学生提前进行自主观看学习，在每个项目实施时，教师再次进行实操讲解。这样学得快的学生，可以提前看下一个项目的操作视频，学得慢的可以回看操作视频，教师现场操作讲解则起到加强巩固的作用。另外为了让所有学生之间的学习进度不至差别太大，让学生之间建立帮扶对子，学习进度比较快的同学，一对一帮扶学习进度慢的同学，让学生共同进步，从而保证整个课程结束时，所有学生都能完成教学任务。

针对考核不易量化的问题，课程组参考生产单位的质量验收评价流程，建立成果质量验收标准规范，在教师评价打分的基础上，将学生完成的实习成果交到一线单位，采用单位的标准化流程进行验收。对于平时成绩，则采用教师主评、单位专家辅评、学生互评的方式给定，教师、单位专家、学生分别打分，最后分别按照50%、40%、10%的权重计算出平时成绩，力争对学生的考核评价客观公正。

2.2 实施步骤

训用一体的课程教学模式具体实施时，按照以下几个步骤进行。

1)在课程开始前，首先联系相关生产单位，请该单位结合实际承担的项目，给学生们下达实际的遥感影像三维重建生产任务。

2)授课教师针对下达的遥感影像三维重建生产任务，分析相关建模任务特点，调整教学内容重难点，完成教学安排和教学设计。

3)课程实施主要在校内完成，实施过程中以学生为中心，让学生在“学中做、在做中学”，最终达到掌握相关操作技能的目的。在实施中，适当邀请作业单位专家来校进行授课指导。

4)课程结束后，将学生的成果提交给任务下达单位，由任务下达单位按照标准流程和质量规范检查成果是否满足要求，并给定成果评价分值。对于平时成绩则按照上述介绍的教师、单位专家、学生分别打分的方式加权计算，最终得到每个学生的总成绩。

3 教学实践

3.1 教学实践案例

为了验证提出的教学模式在遥感影像三维重建专项训练课程中的实际效果，笔者所在课程组将该模式应用到高职遥感测绘专业2020年和2021年秋季学期遥感影像三维重建专项训练课程中。在2020年秋季学期，整个教学按照2.2节的实施步骤。课程开始前，联系了南京某测绘业务单位，请该单位结合实际生产任务，给该班的学生下达了三维重建生产任务。任务明确了生产的范围区域、建模的精度、生产的时限要求、提交的成果、依据的规范等。在接到任务后，任课教师首先对照任务书，对教学内容和要求进行了针对性的调整，实施时则以生产时限为依据，将教学内容划分为多个教学项目，各个项目的教学时间，则采取以学生为中心的弹性化设计，只给定平均所有学时，如表1所示，每个学生可以根据自己的学习基础，进行学习训练时长调整。结课后，则将学生的实习成果交给任务下达单位。根据2020年实际的教学实践效果，课程组在2021年的课程中，针对性地又修订了教学计划，使之更加贴近教学和生产目标。

通过两个学期的实践，相比于2019年本课程的教学，无论是从教师的感受、学生的反馈，还是学生实习成果的质量都有显著的提高。教师方面，教学目标更加明确，同时也可以明显感受到学生学习更加积极，由之前的等老师教，变成了自己主动学；学生方面，学习目标更加聚焦，学习由之前的漫不经心，到现在的加班加点，甚至主动要求利用晚自习时间到机房加班学习。实习成果质量方面感受最为直观，以前整个课程下来，还有很多同学没有完成既定的建模任务，但是采用这种训用一体的模式后，学生都不想拖后腿，尤其是成果要交回任务下达单位，更增强了学生们做好成果的动力，有效提高了教学质量。

表1 训练项目学时分配表

3.2 教学模式特点分析

通过实际的教学实践，提出的教学模式取得了明显的效果，其是校企合作以及联教联训教学模式，在遥感影像三维重建专项训练课程教学中的创新尝试。课程将教学融入到生产单位的实际作业中，成为生产作业的一环，而不是脱离单位实际，这样一方面可以加强学生对遥感影像三维重建实际意义的认识，另一方面可以以一线生产单位的需求为牵引，进行教学内容的设计，真正做到学有所用，训用一体。具体来说文中提出的教学模式有以下几个特点。

1)训用结合，以需求促建设。本课程结合学生无法到单位进行“顶岗实习”的现实情况，将校企合作模式进行创新，采用训用结合的方式，来促进课程的建设，邀请单位全程参与课程教学中，课前提出任务需求，课中参与指导，课后参加考评，让学生上课的成果直接成为单位生产任务的成果。

2)项目引导，以生产促学习。本课程以专题项目的方式进行教学，按照学生进行建模需要的专业技能，将课程划分为多个项目，各个项目承前启后、环环相扣，各个项目学习时长因人而异，学生学习由浅入深，效果好。

3)质量检查，以验收促质量。在考核评价环节，以生产中的成果质量验收检查，代替一般的学习考评方式。以生产单位的成果质量规范要求为标准，来验收学生提交的实践教学成果，并进行结业成绩评定。对于平时成绩，则采用多方参与、共同评价的方式来进行评定，通过多措并举的方式来提高学生的质量意识，提高学习效率。

4)实践应用，以案例促推广。遥感影像三维重建专项训练课程实用性强、推广应用价值大，为了增强学生学习的兴趣，在学习过程中，除了按照生产单位要求的实习内容外，课后还会布置一些和学生以及生活密切相关的作业，如让学生自己给自己的照片换背景，建一下自己宿舍楼的三维模型等，这些案例可以有效提高学生兴趣，促进教学成果在实际中的应用。

综上所述，文中提出的训用一体项目化弹性教学模式，取得了良好的教学实践效果。该课程自开设以来，已经两次被评为校级优质课，同时该课程也受到学生的普遍欢迎。

4 结束语

以遥感影像三维重建专项训练课程为例，在分析遥感影像三维重建专项训练课程的特点、教学现状和存在主要问题的基础上，提出训用一体的项目化弹性教学模式，在教学过程中，结合学生无法到单位顶岗实习的现状，邀请一线生产单位全程参与到教学过程中，开课前下达任务、上课时参与指导、结课后组织成果验收，让课程教学成为实际生产任务的一部分。教学实践表明，该教学模式可以有效提升学生参与积极性，促进学生实践成果质量的提升，提高遥感影像三维重建专项训练课程的教学效果。