一流课程背景下“三维激光扫描”课程建设路径探索

李峰 刘军 王秋玲 张晓博 刘文龙 王果

摘 要：以一流课程建设为契机，为适应新工科建设的要求，以提升课程教学效果为目的，力图增加“三维激光扫描”课程的高阶性、创新性和挑战度。结合课程的现状和重点问题，瞄准课程建设的知识、能力、素质和育人目标，从教学内容优化、教学模式重构、思政元素融入、全过程考核评价机制等方面探索了“三维激光扫描”一流课程的建设路径，总结了课程建设的成效与经验，提升了学生的创新、实践和协作能力。

关键词：一流课程建设；新工科；“三维激光扫描”课程；课程建设路径

为了应对新一轮科技革命和产业变革的需要，教育部相继出台了多项有关提升高等教育教学质量的文件、意见和政策。2016年6月，我国正式成为《华盛顿协议》的会员，我国工程教育认证的结果将被其他17个正式成员国认可［1］。2017年，以“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”为序曲，揭开了我国新工科建设的帷幕［2］。2018年，教育部首批认定612个新工科研究与实践项目，以互联网和人工智能为核心，通过培养新兴领域工程科技人才，改造升级传统工科专业，探索建立“新工科”建设的新理念、新标准、新模式，开展创新创业教育、创新人才培养模式、构建工程实践教育创新体系［34］。2019年，教育部印发了《关于一流本科课程建设的实施意见》，意见要求树立课程建设新理念，把“立德树人成效”作为检验高校一切工作的根本标准，深入挖掘各类课程中蕴含的思政元素，推进课程改革创新，实施科学课程评价，通过一流本科课程“双万计划”全面开展一流本科课程建设［5］。

课程是人才培养的核心要素，课程建设的质量直接决定人才培养的质量。传统满堂灌式的教学方法属于一种单向知识传递的教学方式，教学形式单一僵化，产出导向不明，忽视了学生能力素质的培养。一流课程建设是全面振兴本科教育，是实现新时代高等教育内涵式发展的重要举措［6］。一流课程建设的实施对于突出课程内容的广度和深度，培养大学生解决复杂问题的高级思维，推进现代信息技术与教学的深度融合，引导学生实施探究式与个性化学习，建立多样化过程考核评价，增强学生学习的满足感和成就感具有重要意义。

1 “三维激光扫描”课程的现状与拟解决的重点问题

“三维激光扫描”课程主要源于1998年的激光扫描技术，该项技术出现仅有25年，该课程也只有10年的发展历史。这种情况间接导致了市面上的教材较少且全面介绍激光扫描技术的教学材料匮乏。该课程的先修课程为“计算机视觉与模式识别”“计算机程序设计”“误差理论与测量平差”“地理信息系统”，测绘地理信息类课程较少，尚无后续衔接课程。由于激光扫描技术在不断发展进步，因此，课程的内容并未完全成形固定，部分内容正在逐步更新和完善。根据课程的现状和一流课程建设的要求，分析总结出以下三点课程建设的重点问题：

1.1 教学目标、内容如何适应新经济对人才培养的需求

随着大数据、人工智能、云计算、5G、物联网等新兴技术的到来，为适应未来新基建、新形势下产业培育的要求，持续推动新工科建设，培养造就多样化、创新型新工科人才，助力实现高水平科技自立自强，从而支撑产业转型升级。在此种背景下，如何改进课程教学方法和教学内容，有机嵌入新工科的内容尚需深入研究。

1.2 如何破解教与学的难题，培养学生的创新实践能力

在“两性一度”教学理念的指引下，如何将教学从教的范式向学的范式进行转变，重视学生在学习过程中的获得感和满足感。适应数字化和智能化时代的发展趋势，通过适当合理的途径融入新科技完成传统知识体系的升级改造，引导培养学生的创新实践能力，将被动学习转变为主动学习和自主学习。

1.3 如何有机融合专业知识与思政元素，实现课程的价值引领作用

从国家新时代战略发展的需求出发，让大学教育回归育人的本质，以价值引领为导向，深入挖掘思政教育中的德育元素和育人功能，在各个教学环节自然地融入“课程思政”要点，将课程知识架构转化为鲜活的思政德育体系，这是进一步落实党和国家立德树人根本任务和思想政治教育方针的重要表现［7］。

2 课程的建设目标

围绕应用型本科院校的办学定位，秉承“专业教育+创新创业教育”双轨融合并进的方式，开展课程的实践创新教育教学，力图培养能在测绘工程、GIS领域从事城市设计、施工、建模、空间分析等工作的应用型专业和管理人才，制订如下课程目标：

2.1 知识目标

了解三维激光扫描的理论前沿和最新发展动态，理解三维激光扫描的基本原理和基本方法，熟悉三维激光扫描建模的原理和激光扫描仪的检定方法，掌握激光点云数据处理的方法和激光点云三维建模的基本方法。

2.2 能力目标

具备较强的激光点云三维建模、三维地理信息空间分析和虚拟现实开发的实践应用技能，为学生今后从事城市建设领域的规划设计、分析计算、立体展示奠定基础。

2.3 素质目标

具备主动学习的习惯和能力，具有高度的社会责任感、沟通表达能力和团队协作的精神［8］。

2.4 育人目标

在课程教学过程中将实验内容与思政内容有机融合，引导学生自觉传承和弘扬中华优秀文化，感悟并传续红色血脉，全面增强学生的人文素养和文化自信。

3 课程建设的路径

3.1 课程内容优化

测绘地理信息与多学科交叉融合已渐成趋势，秉承应用型本科院校的办学定位，聚焦未来新基建、新形势下产业培育的要求，积极推动三维激光扫描、无人机与智慧城市等新技术的深度融合，摒弃一些繁、难、偏、旧的内容，深度挖掘基础性和应用性的教学内容。在实践教学方面，对接行业需求和工程技术的要求，按照“低阶—中阶—高阶”的顺序建立层次递进式的实践教学内容。优化后的课程教学内容主要包括：激光扫描仪的组成和原理；激光点云数据基础；激光点云数据处理方法；主流三维激光扫描仪及建模软件；激光点云的3D建模与纹理映射原理；激光扫描仪的检定；移动式激光扫描技术；激光扫描在地形建模、滑坡监测、震害建筑物识别等领域的应用。

3.2 教学模式重构

为扭转学生被动接受教师单方面的灌输和传授知识的困局，我们设计了本课程基于现代信息技术且面向创新实践能力培养的混合式教学模式，如下图所示。在教学方法方面，通过专题导学设计、课程案例驱动、课堂互动讨论、课下任务布置环节训练学生逻辑思维，促进掌握理论内容，激发学生自主探究问题的学习兴趣。具体组织实施如下：（1）课前通过任务清单、思维导图和慕课视频进行课前专题导学；（2）课中将工程案例贯穿课程当中，讲解课程重点、难点，讲授理论知识和数据处理流程；（3）课下布置作业、思考题和小组报告的形式来强化课上所学。（4）构建理论教学、实践教学和综合素质相结合的“三位一体”的“三维激光扫描”课程体系，采用“知识培养模块”“验证性实验模块”“设计性开放实验模块”“综合性实验训练模块”的教学方法，培养学生分析和解决实际问题的创新实践能力［9］。以知识应用为导向，通过感知性的实验让学生掌握激光扫描仪、无人机的基本操作方法；利用验证性实验能让学生掌握三维建模和虚拟现实制作技术；通过设计性实验进一步强化学生的三维建模基础和三维空间分析能力；通过综合性实验培养学生的工程实践能力；通过学科竞赛和产学研合作模块培养学生的创新能力。

面向创新实践能力培养的混合式教学模式图

3.3 思政元素与专业知识的融合

深挖思政案例，融入课程教学的过程中，突出测绘工程师责任担当、家国情怀和大国工匠精神，推动思想政治和专业教育的紧密结合：（1）将国产激光扫描仪、无人机和测绘原理方法的发展历史作为课程思政的现实素材；（2）充分展示激光扫描和无人机技术构建美丽中国中取得的巨大成就；（3）选择革命遗址、历史文物制作虚拟现实场景，让学生在三维沉浸式体验中，感悟红色历史和传统文化，传续红色血脉，坚定文化自信。

3.4 过程性综合评价方法

通过自评、互评、教师评价和企业专家评价的方式实现4个维度的过程性评价，从基础知识、实践能力、创新意识3个层次完成学习内容的过程考核，构建多层次多维度的教学评价模式。从基础知识、实践能力和创新思维3个方面综合评定课程成绩，其中课堂表现占5%，期中测验占10%、仪器操作占10%、小组讨论占5%、实验能力占20%、期末测验占40%、综合实践占10%（开放实验或学科竞赛或大创项目或校企合作获奖、工作表现等）。

3.5 课程建设效果

3.5.1 评教结果优良，教学效果增强

课程的评价包括课程组自评和他评。课程组自评是指在整个教学过程中，引入PDCA（计划、执行、检查、处理）管理循环的方法，参照各环节的教学目标标准评价课程的目标达成度，总结教学实施中的优点和缺点，并集体讨论制定改进的措施和方案，监测课程的质量情况。向学生发放课程调查问卷，进行学情分析，汇总分析问题，提出持续改进的教学方案，不断推进课程建设的质量。课程的他评包括学校/学院督导的听课评价、教务处在期末组织的学生问卷调查、学校组织的学生网评、教务处组织的期末学生反馈等。近5年学生评教结果均为良好以上，课程组集体分析各类评教结果，制定改进措施，持续提升教学效果。

3.5.2 一流课程建设成效

创新创业教育成效显著，基于“三维激光扫描”课程的双创教育覆盖面大、参与度高。基于课程思政实践教学的启发，涌现出一大批大学生创新创业的典型。依托本课程的指导，测绘专业学生在各类大学生创新创业、挑战杯、技能比赛中取得获奖 11项；依托本课程服务于地方经济建设，师生共同完成“产学研”项目1项；指导学生第一作者发表论文2篇。教学相长，课程组经过10年的教学实践沉淀，总结教学经验，共同出版《三维激光扫描原理与应用》教材1部，与兄弟院校合作出版《LiDAR原理及应用》教材1部，该教材已在6所高校得到了推广应用；发表6篇教改论文，获1项校级教学成果奖。课题组已经指导本校和省外其他高校本科生毕业论文分别达到45项和2项，培养的专业毕业生在三维激光扫描、无人机和GIS行业正发挥着重要的作用。

结语

教育部大力推进一流本科课程建设，目的是树立课程建设新理念，推进课程改革创新，通过深化课程改革构建更高水平的人才培养体系。基于这样的一个改革背景，在“三维激光扫描”课程建设与实践过程中，课程团队在以“学生为中心”的教育理念指导下，以“新工科”建设为引领，对接行业需求，建立以实践知识为起点的培养模式，教学方法开始由教的范式向学的范式进行转变，引入研讨教学、案例教学和讨论教学等多样化手段，开展翻转课堂、线上线下答疑、作业布置、辅导反馈等教学设计，唤起学生的求知欲，提升人才培养的创新实践能力，落实立德树人的根本任务。

参考文献：

［1］杨金豹，康志强，刘希军，等.国家一流专业建设背景下课程教学目标达成度评价改革与实践——以桂林理工大学资源勘查工程专业为例［J］.高教学刊，2022，8（28）：4245.

［2］贾俊，郭秦，张筌豇.面向新工科的“地理信息系统原理”混合式一流课程建设实践［J］.绵阳师范学院学报，2023，42（8）：126132.

［3］秦静怡，李华，陈秀，等.新工科与创新创业教育融合的模型研究——基于扎根理论的80所高校样本分析［J］.中国高校科技，2022（8）：1016.

［4］彭志伟，李光辉，郭宇峰，等.新工科背景下矿冶类专业工程实践教育改革［J］.高教学刊，2022，8（30）：150158.

［5］中华人民共和国教育部.教育部关于一流本科课程建设的实施意见［EB/OL］.（20191030）［20230910］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t2019 1031_406269.html.

［6］姚正阳，李桂荣，乔丽芳，等.新农科背景下生态景观规划一流课程建设路径探析［J］.高教学刊，2022，8（28）：4653.

［7］李峰，闫方方，张晓博，等.思政教育融入工程测量课程的育人模式研究［J］.山西建筑，2022，48（24）：188191.

［8］常波，尹晓琦，王海燕，等.通信原理线上线下混合式一流课程建设研究与实践［J］.高教学刊，2023，9（25）：3033.

［9］李峰，孙广通，刘文龙，等.适应创新人才培养的三维激光实验教学模式探究［J］.实验室研究与探索，2019，38（4）：188192.

基金项目：2023年度防灾科技学院一流本科课程建设项目（ylkc202309）；2021年度北京市教育科学规划项目重点课题（CBAA21051）；中国职业技术教育学会、新时代中国职业教育研究院2021年职业教育重点课题（SZ21B054）；河南工程学院教育教学改革研究重点项目“基于OBE理念的应用型本科院校应用创新型人才培养模式研究”（2022JYZD002）

作者简介：李峰（1979— ），男，山东泰安人，博士，教授，主要从事测绘工程方面的教学工作。