新工科背景下三维激光扫描技术在数字化测图实践教学中的应用研究

新工科背景下三维激光扫描技术在数字化测图实践教学中的应用研究

党晓斌,常乐,刘金生,邢欢

沈阳城市建设学院 辽宁沈阳 110167

摘要：在新工科背景下，采用先进的全息虚拟仿真系统和三维激光扫描系统相结合，实现激发学生的想象力，调动学生的学习兴趣和热情，让学生自主学习，突破单纯的学科壁垒，以与融合教学，提升实际操作能力，提高综合素质，是实跨学科交叉培养模式，进行多学科交叉践课程教学中需要不断追求和探索的内容。

关键词：三维激光扫描技术；全息三维虚拟仿真系统；实践教学

一、引言

在新工科背景下，随着互联网通信技术、大数据、物联网、云计算等技术的迅猛发展，互联网技术的成熟和快速发展使虚拟仿真应用于教学成为新趋势。针对测绘行业对智慧城市基础建设的需求和三维数字地图、三维高程模型逐步成为数字城市最主要的基础数据源。传统的数字化测图课程实习教学采用的单点采集（全站仪或GNSS-RTK）、二维显示、单一化分组实习的教学模式，已经不能满足测绘科技革命对多维化、智能化、信息化数字测图的需求。因此凭借我校转型评估的契机，借助全息三维虚拟仿真实验室和校企合作三维激光扫描系统合作项目，在数字化测图实践教学中的应用全息三维虚拟仿真系统和三维激光扫描系统相结合，实现激发学生的想象力，调动学生的学习兴趣和热情，让学生自主学习，突破单纯的学科壁垒，以跨学科交叉培养模式，进行多学科交叉与融合教学，提升实际操作能力，提高综合素质，是实践课程教学中需要不断追求和探索的内容[1]。

二、研究现状

辽宁省三维激光扫描系统（VR+实体）在实践教学中的应用，主要体现在网络虚拟测绘软件操作应用，尤其是疫情期间，广泛应用于网络实践教学和学科比赛中的《二等水准仿真实验软件》和《数字化测图虚拟仿真软件》。其特点是较为逼真的模拟部分测量项目的教学实施，且免费试用，应用范围广。缺点是实验项目少，对个人电脑要求较高，虚拟仿真度低。

2019年7月我校完成全息虚拟仿真实验室的建立，该实验室为辽宁省高校第一座校企合作全息虚拟仿真实验室，该系统为测绘类专业引入三维激光扫描、无人机测量等代表行业发展方向的前沿技术，为学科建设注入新的活力；另一方面通过从企业引入实际的生产应用案例，制作成生动的教学素材和实训案例，承接理论教学与实训教学之间的平滑过渡和有效衔接；学生在通过企业提供的实际生产应用案例作为先导实训内容的基础上，参与到由企业提供的真实生产项目当中，从而让学生在在校阶段提升对理论知识的理解与技能水平，在为正式服务于社会做好充分的准备。

省外，为了解决传统的地下矿山实验教学受环境、仪器设备等多种因素制约带来的《矿山测量学》课程教学效果和人才培养质量较差的瓶颈，中国矿业大学开展了虚拟仿真实验教学与传统课堂教学相结合的探索，构建了《矿山测量学》课程虚拟仿真教学方法，较好地弥补了传统实践教学方法的不足，有效改善了《矿山测量学》课程教学效果、提高了矿山测量人才培养质量 [2]。淮海工学院谢宏全教师利用三维激光扫描仪培养本科生实践创新能力探索，北京农学院牛芗洁教师提出的以虚拟仿真系统为载体，探索了“3+1”实践教学新模式；浙江大学于保华教授提出了基于三维激光扫描虚拟仿真系统的土木工程实践教学改革与研究的思考等。

虽然省内外对利用虚拟仿真系统和三维激光扫描进行实践教学和人才培养方面做了大量研究，但针对全息虚拟仿真系统和校企合作共建三维激光扫描系统数字化测图实习的研究相对较少，尤其是这两种设备造价高昂、应用复杂，利用校企深度合作模式及本科评估阶段实践经费持续投入的契机，将企业新技术优势和教学结合起来，对相关测绘课程的实习教学效果和新型校企合作人才培养模式的形成具有深远的意义[3]。

三、研究内容

1.通过引入三维激光扫描虚拟仿真软件系统，在理论教学和实践教学之间搭建过渡“桥梁”，有效解决理论教学和实践教学难以有效融合的问题，提高了数字化测图原理与方法的知识和实践操作效率和效果，优化学生实习体验。

教学软件结合了教、学、练、考等教学功能，教学资源生动、教学活动丰富、同时可以对学生操作进行精准评估，充分体现出教育信息化发展方向。

2.采用校企合作模式，借助广州南方测绘公司先进测绘仪器和测绘技术供应商优势，以项目引导、任务驱动的教学模式，探索采用校企合作、校外实习的教学模式。通过企业提供三维激光扫描设备和技术，校内实习教师、校外实践技术人员联合指导，内容整合，教学内容按生产一线的作业流程组织，创设的工作任务情景紧贴生产实际，充分发挥教师主导、学生主体的作用，采用理论与实践相结合，以提高学生综合素质为目标，多种教学方法综合运用，体现了学生的主体地位，突出应用能力。

四、项目创新

1.教学方法创新

传统的教学方法以讲授为主，而按照新工科背景下学生的需求特点，在虚拟仿真实验教学中会采用不同的教学方式方法，重点实行基于案例的互动式教学方法，对于学生倡导自主式、探究式学习方法。学生可根据实习内容进行沉浸式体验，并完成一系列交互式操作，进入实习教学环节后，学生可选择不同的工程案例，根据语音及画面提示使用操作手柄完成该工程的所有流程，期间随时伴随对基础知识点的考核，让学生真正实现寓教于乐的教学目标。

虚拟仿真实习完成后，在校内实习指导教师和企业指导教师的共同协助下，实操三维激光扫描设备获取三维点云数据，并构建三维立体模式，将理论、虚拟仿真、实训操作教学有机的结合为一体。

2.评价体系创新

三维激光扫描虚拟仿真教学系统将对学生的操作痕迹（如是否按照实验步骤操作、是否正确完成对知识点的考核）等进行形成性评价。综合实习结果，学生操作流程及技能等因素，形成综合性成绩。

3.构建新型校企合作模式

采用校企深度合作模式，利用学校实习经费支出，租赁企业三维激光扫描系统，聘请校外专业指导教师进行以项目为导向的数字测图三维激光扫描实习，构建型校企合作人才培养模式的形成具有深远的意义。

五、结语

虚拟仿真实验教学和三维激光扫描系统实操教学在实践教学中的应用，以学生为本教学理念，坚持一切从学生的需求出发，注重社会对学生综合素质的要求，注重培养学生的创新能力和实践能力，调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的兴趣和潜力，增强学生的创新创造能力。

目前工程测量教学落后于测绘学科主流技术应用，对于高校而言测绘科技前沿设备和技术，价格高昂、操作复杂，尤其是三维激光扫描系统多用于科研或重要工程，采用校企深度合作模式，利用学校实习经费支出，租赁企业三维激光扫描系统，聘请校外专业指导教师进行以项目为导向的数字测图三维激光扫描实习，有效的解决了校企合作过程中，企业参与积极性不高，高校采用新技术教学难度大的问题，本项目的顺利实施，以此为契机，推广至测绘专业其他新技术的实践教学应用中。

参考文献

[1]郭宝宇,武百超,于坤,张少铖.基于虚拟仿真试验平台的数字测图实践教学改革[J].测绘通报,2021(01):152-156.

[2]张秋昭，张书毕，汪云甲，杨敏，马昌忠.《矿山测量学》课程实践教学的虚拟仿真教学方法 [J].能源技术与管理,2017,42(4):14-16.

[3]岳祥楠,贺小星,马飞虎,曾聪.虚拟仿真技术在测绘工程实践教学中的应用[J].测绘工程,2021,30(01):76-80.

[4]韩丽丽.数字地形测量学课程中的仿真技术教学实践[J].电子技术, 2021, 50(09): 224-225.

基金项目：沈阳城市建设学院2020年度校级教育教学改革研究与实践项目（项目编号：JG202038）