泛在测绘背景下GIS专业虚拟现实课程教学改革与实践_窦世卿.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：基金项目：广西壮族自治区区级一般 类教改项目 智能泛在测绘背景下测绘类专业人才培养模式优化探索（）资助作者简介：窦世卿（），女，河北定州人，教授，博士，年毕业于中国矿业大学（北京）地图制图学与地理信息工程专业，主要从事与测绘地理信息相关的教学与科研工作。泛在测绘背景下 专业虚拟现实课程教学改革与实践窦世卿，范冬林，徐 勇，靖娟利，李景文（桂林理工大学 测绘地理信息学院，广西 桂林）摘要：当前，智能泛在测绘时代虚拟现实（）技术成为三维 实现真实感知虚拟空间的良好载体，很多高校的地理信息科学（）专业都开设了与虚拟现实技术相关的选修课程。本文针对目前课程中存在的技术新、资源少且对教师的专业技术更新要求高等客观现实，首先，以桂林理工大学课程为例，对课程现状及存在的问题进行了总结分析；其次对教学实践中采取的多种改善并提升教学效果的方式和手段进行了总结；最后对进一步提升课程教学效果提出了几点建议，希望能对高校同类专业相近课程的教学改革提供有益的借鉴。关键词：虚拟现实技术；三维；教学改革；赛教融合；精准分层教学中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，（），：；引 言在当前人工智能与大数据发展潮流下，位置服务、虚拟现实、数字孪生城市、元宇宙等新的学科内涵大大拓展了测绘地理信息工作的内容，产生了广泛的测绘地理信息需求。泛在测绘时代测绘地理信息学科的内涵与外延得到了极大的拓展，智能化特征凸显，多学科交叉融合成为主流。虚拟现实（）技术作为一个将显著影响互联网发展和人们生活方式的新技术正在飞速崛起。在三维地理信息系统（）领域，技术使人们与三维场景的交互方式增加了新的可能，成为三维 实现真实感知虚拟空间的良好载体，这让专注于 的专业技术人员怦然心动。在这种行业发展背景下，很多高校的地理信息科学专业都专门增设了与虚拟现实技术相关的选修课程，旨在拓展培养 专业人才的知识面和视野，以适应行业发展的最新趋势及要求。由于 课程定位着力于新技术的交叉融合，因此桂林理工大学的地理信息科学专业在 版人才培养方案修订中将其设定为创新创业教育类课程。但由于 虚拟现实方向作为新技术，存在资源少、涉及学科多、对教师专业技术更新要求高等各种客观因素，使得课程教学中还存在一些问题，造成课程教学效果不突出，创新创业教育体现不足。如何优化课程知识体系和教学方法等使其更加满足企业需求和符合行业发展趋势，提高人才培养质量就显得至关重要。课程现状及目前存在的问题分析 专业 版人才培养方案中开设的“虚拟现实与三维建模”课程是一门多学科交叉融合、综合性极强的选修课。其在大三下学期开设，共 学时，其中理论 学时，实验 学时，共计 学分。结合课程学时以及专业特色需求，目前设置主要知识教学目标是理解并掌握虚拟现实的概念、技术体系、硬件设备和软件开发平台、数学基础等，培养学生能够利用 建模，运用 设置虚拟场景环境，实现动画和交互功能，初步具备运用开发工具制作三维交互的、效果逼真的虚拟现实场景的能力。但由于 技术新、涉及学科多、资源少、对教师专业技术更新要求高等各种客观原因，目前在课程教学中还存在一些问题，具体总结分析如下：课程涉及交叉学科多，课程知识体系与专业结合度有待提升“虚拟现实与三维建模”课程目前主要的学习内容定位涉及虚拟现实技术和三维建模技术，现有课程知识体系虽然呈现得较多，但从学科和技术归属上仍属于信息学科范畴，课程内容上与 专业和技术的结合度仍需要加强，比如，目前在测绘地理信息领域迅速发展的实景三维建模技术是三维 与 技术的新契合点，为了紧跟行业发展前沿，应该在三维建模技术的知识与实践版块中体现实景三维建模技术；另外，国内的 产业龙头企业 超图集团已经专门开发了能够在 和 游戏引擎中应用的三维 插件（超图三维 游戏引擎开发包，），开发包于 年 月 日在 虚幻商城一上线，下载量就达到了 万多，这都是极好的尚没有被引入课程中的能够体现虚拟现实与 技术结合度的实践教学素材。学生基础不足，教学实践项目偏重基础，与企业行业衔接不足“虚拟现实与三维建模”课程涉及三维建模、计算机图形学、程序设计等课程基础，如运用 软件进行交互制作，需要掌握计算机 编程专业知识，专业的学生通常具备了一些程序设计的基础，但学生在编程基础方面总体上是参差不齐的，具备优秀编程能力的同学较少；在三维建模方面，专业的学生则基本都是零基础。目前课程的实践环节上涉及 建模和 虚拟现实开发平台 款软件，考虑到学生的学习基础，在实践项目设置上比较偏重基础，综合案例设计方面较弱，与企业行业的需求和衔接明显不足，学生面向市场的应用能力非常薄弱。课程尚未有效激发出学生学习的积极性和主动性“虚拟现实与三维建模”课程虽然技术新，但目前的授课方式仍然采用较传统的机房授课模式，课程评价目前采取创新表现 上机实验报告 理论考试 上机考试 的综合考评方式，虽然能够较客观地评价学生的学习成绩，但学生的个体差异、创意思维等因素不能有效的体现，而最根本的问题则是学生自身学习的积极性未得到有效激发。当然这方面的原因也是多方面的，如由于课程本身是选修课，学生从思想上就不太重视；另外，由于在大三下学期开课，很多同学已经将主要精力放在考研或者考公上，很难有相对充足的时间和精力投入学习；再有，学习内容与企业行业衔接不足，学生感受不到学习的必要性和兴趣等。因此，课程急需开拓新的学习途径和方法以激发学生学习的积极性和主动性，进而提升课程学习效果。教学实验设备不能完全满足实验条件，影响课程教学效果 技术的互动操作和实践能力强，课程涉及的 虚拟设备比较昂贵，作为专业选修课，目前不可能配备专门的实验设备，同时三维建模技术的实现对机房电脑配置要求也较高，在建模渲染时经常会卡机，对于新增设的 实景三维建模更是不能满足，导致目前不能提供良好的教学实践条件；另外，课程涉及的专业软件更新换代也比较快，这些都在一定程度上影响了课程的教学效果。“虚拟现实与三维建模”课程教学改革与实践 增加专业契合度，积极进行课程知识体系改革与完善针对现有课程知识体系与 专业结合度不够的问题，为了紧跟行业发展前沿，在原有的 三维建模技术知识版块中增设倾斜摄影测量与实景三维建模技术内容，同时在实践项目中增设 实景三维建模。年依托本课程与上海瞰景科技有限公司建立校企合作，依托公司提供完整的 教育版软件和实验数据及学习资料进行授课，尽管在实验室硬件支撑上还有些不足，但大大激发出了学生的学习兴趣，一定程度上提升了课程的教学效果。根据课程的 技术特色，将目前已经在测绘地理信息领域应用很好的虚拟仿真项目引入课程中，增强学生的体验感；随着 年元宇宙技术的兴起，教学团队及时地在理论知识体系中增设了“元宇宙技术构成与”的相关理论知识，使课程内容紧跟行业发展趋势，扩展了学生的视野和思维。第 期窦世卿等：泛在测绘背景下 专业虚拟现实课程教学改革与实践 设计综合性实践项目，努力提升学生综合能力针对课程实践项目偏重基础，与企业项目衔接不够的问题，根据课程实践学习项目的三大模块，着重设计了 个综合性实验，努力提升学生对所学知识和技能的理解和应用程度。建模：融合几何体建模、布尔建模与样条线建模、多边形建模、材质与贴图建模 个实验内容，整合增设自主设计综合项目案例，如围绕学校（也可自选别墅、景区或任意场景）自主设计并进行场景建模和角色建模，作为结课作业之一。实景三维建模：利用 实景三维建模软件进行场景建模，可以使用老师提供的无人机数据或自行拓展使用无人机采集倾斜摄影测量数据，完成实景三维建模作品，作为结课作业之一。场景设计与互动：针对 建模自主设计场景，利用 完成模型材质音频等素材的导入、地形系统、角色控制、场景交互、程序发布等内容自主完成虚拟场景的设计，鼓励并引导设计和实现过程能够使用超图集团的三维 插件，作为结课作业之一。通过赛教融合和科研立项等方式激发学生学习主动性通过“赛教融合”和科研立项的方式能够将有限的课堂被动学习延伸拓展成课外自主学习，使学生发挥出更大的创新潜力，有效地激发出学生学习的积极性和主动性，同时还可以提升并检验课程的教学效果，及时发现课程知识体系在人才培养中的不足，促进课程知识体系的进一步优化。在本课程的授课过程中，教师团队积极探索将课程综合性实践项目与大学生科研立项和行业比赛需求直接融合和对接，鼓励学生通过参赛和科研立项的方式变被动的“要我学”的课程学习方式转化为“我要创”的学习方式。具体途径和做法包括：）鼓励学生通过自主设计综合项目案例，参加“全国三维数字化创新设计大赛”；）通过课程实践操作和作品遴选优秀学生参加广西区无人机大赛（实景三维建模赛项）的集训和比赛；）针对 虚拟场景创建部分，鼓励学生结合自选发挥性综合实践项目，积极参加商汤科技举办的 应用创作大赛；）鼓励学生撰写创新创业项目计划书进行大学生科研立项，进一步培育和指导；）设立自选的自主设计 小报环节。依托本课程，年 月，教学团队指导学生参加第五届广西区无人机大赛实景三维建模赛项（年新增设赛项），获一等奖 项，二等奖 项，三等奖 项；年指导 名学生参加全国 数字化创新设计大赛，获三等奖 项；商汤科技举办的 应用创作大赛，有 名同学报名参赛，但未获奖；年，教学团队指导授课班级学生报名参加全国 数字化创新设计大赛，目前通过初赛并在复赛中提交作品的同学有 名，参赛覆盖面达到了选修课程学生数量的；年里，依托课程进行大学生科研立项共 项，其中广西区级项目 项，校级项目 项。实践证明，赛教融合和科研立项等方式能够深入考察学生知识技能的掌握情况，提高学生综合素质，能够更好地帮助师生了解行业的最新标准和国内同类院校及学生的专业素养及水平，真正构建产学结合的教学模式，达到“以赛促学、以赛促教、以赛促改”的人才培养目标。积极探索实行精准分层教学的育人理念和教学模式课程教学团队在完成课程大纲要求的课程知识体系之外，还积极探索实行精准分层教学模式和育人理念，针对学生之间的不同能力和不同知识需求，对每次实验项目按照必做内容、选做内容和自主设计 个层次设置教学目标，让学生有充分的知识学习的自主选择权，在实践教学过程中，多层次教学目标的设置使得一部分学习能力和主动性强的同学脱颖而出，整体上提升了课程学习成果的层次。按照不同层次设置的教学目标，同步增加课程考评依据，如每次实验课程内容按照完成层次的不同，自然形成成绩分级；规定凡自主组队报名参加指定比赛，通过初赛进入复赛并提交复赛作品的小组根据作品完成情况，酌情附加 分；学生自主选择设计的 小报按照完成质量酌情加分等，分层教学模式的实施极大地激发出了学生学习的积极性和主动性。课程改革的进一步举措与建议 加强师资队伍建设教师对课程教学设计达到的高度是提升课程教学效果的根本保证，针对“虚拟现实与三维建模”课程内容新、技术多的特点，必须进一步加强教师团队的专业技能和业务训练，鼓励教师多参与或观摩企业实战，加强兄弟院校之间、企业之间的交流合作，同时，积极引入外部行业的资深人士为学生开拓视野，提供创意指导和帮助，给教师和学生创造机会参与企业项目产品的开发和制作，只有教师团队的专业素养和技能达到了行业发展的水平，才能够帮助学生更加接近市场需求。努力创造条件提升实训教学条件课程涉及技术新，对实验条件要求高，还需要加强实训室设备更新和教学平台建设。积极筹备建立“云端实验室”，这样学校不需要重新投入大量的固定资产，只需要购买云端服务供货商所提供的服务满足实验需求即可，能够省掉中间不少费时、费力的环节。进一步深入挖掘“赛教融合”等课外自主延伸学习机制“赛教融合”等课外自主延伸学习机制教学模式是深化教育教学改革的重要手段，以技能大赛为平台，不仅可以提高人才培养质量，提升学生对专业学习的主动性和积极性，增加创业就业实践能力，而且可以推进专业及课 测绘与空间地理信息 年程建设改革和优化。将赛项与岗位需求、实践能力、课程内容等有效结合，进一步缩短学校与企业、社会的距离，为培 养 高 技 能 虚 拟 现 实 方 面 的 人 才 提 供 了帮助。为了更好地实施“赛教融合”，在保证教师团队专业指导