基于虛擬仿真技術(shù)的工程測量實驗教學(xué)初探

梁月吉

摘 要 工程測量課程是非測繪工程專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，課程理論抽象、實驗環(huán)節(jié)多。由于課程實驗學(xué)時較少，且實驗設(shè)備操作復(fù)雜，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式不利于提高實驗教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合能力。通過分析傳統(tǒng)工程測量實驗教學(xué)模式存在的一些問題，經(jīng)虛擬仿真重點實驗室，構(gòu)建基于虛擬仿真技術(shù)的工程測量實驗教學(xué)平臺，充分整合課程資源，發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，給學(xué)生提供更為直觀的儀器操作體驗環(huán)境，為進(jìn)入實際測量實踐奠定良好的基礎(chǔ)。該平臺的建立將有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力，培養(yǎng)“理論扎實、動手能力強”的測量技術(shù)人才。

關(guān)鍵詞 工程測量；虛擬仿真技術(shù)；實驗教學(xué)

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）22-0056-03

Research on Experimental Teaching of Engineering Survey based on Virtual Simulation Technology//LIANG Yueji

Abstract Engineering measurement is a basic compulsory course of

non-surveying and mapping engineering， and the course theory is ab-

stract and experiments are complex. Because of the less time of ex-

periment and the complicated operation of experimental equipment， the traditional experimental teaching mode is not conducive to im-

prove the quality of experimental teaching and students comprehen-

sive ability. Analyzing some problems existing in the teaching model of traditional engineering surveying， the experimental teaching platform of engineering measurement based on virtual simulation technology is constructed to fully integrate the curriculum resources，

and play the advantages of virtual simulation technology. The plat-

form can provide students with a more intuitive instrument opera-ting experience environment， and lay a good foundation for entering

the actual measurement practice. The platform will help improve stu-

dents ability of innovation and practical， and train of the measure-ment technology talent with solid theory and stronger practical ability.

Key words engineering survey； virtual simulation technology； expe-

rimental teaching

1 引言

在國務(wù)院印發(fā)《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》后，“雙一流”建設(shè)已成為人們關(guān)注的焦點和談?wù)摰臒狳c。在這個大背景下，如何更好地開展工程測量實驗教學(xué)，也是值得思考的問題。工程測量課程是非測繪工程專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，也是對實踐能力要求較高的一門課，學(xué)生實踐操作能力的高低直接關(guān)系到他們的專業(yè)學(xué)習(xí)和未來就業(yè)。隨著測繪科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，測繪儀器的更新?lián)Q代較為迅速，加上實驗課時減少，使得傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法和手段難以滿足課程教學(xué)的要求，“理論偏重實踐偏少”往往不利于學(xué)生對知識點的理解和消化，以及實踐操作能力的提高，因此需要探索一種更為有效的工程測量實驗教學(xué)方法。

2 課程現(xiàn)狀

工程測量課程是桂林理工大學(xué)部分工程類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，具有較強的實踐性。開設(shè)該課程的專業(yè)主要有風(fēng)景園林工程、資源勘查工程、環(huán)境工程、土木工程等10余個[1]。該課程共設(shè)置32學(xué)時，其中理論課22學(xué)時，實驗課10學(xué)時。課程開設(shè)至今已有50余年，課程的教學(xué)內(nèi)容、實驗環(huán)節(jié)、結(jié)構(gòu)體系等已得到一系列改革[1-2]。其中，實驗課主要分為六大專題：

1）經(jīng)緯儀的檢視與使用，主要包括經(jīng)緯儀的構(gòu)造與作用及對中、整平、瞄準(zhǔn)與讀數(shù)等內(nèi)容；

2）測回法水平角觀測，主要包括經(jīng)緯儀安置，水平角觀測、記錄與計算等內(nèi)容；

3）水準(zhǔn)儀的檢視與使用，主要包括水準(zhǔn)儀的構(gòu)造與作用及安置、整平、瞄準(zhǔn)與讀數(shù)等內(nèi)容；

4）普通水準(zhǔn)測量，主要包括水準(zhǔn)測量外業(yè)觀測、記錄與計算；

5）全站儀的使用，主要包括全站儀安置、測站點和后視點設(shè)置、測點坐標(biāo)測量；

6）豎直角觀測，主要包括經(jīng)緯儀安置，豎直角觀測、記錄與計算。

3 傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的不足endprint

現(xiàn)實教學(xué)中往往體現(xiàn)出[3]：教學(xué)內(nèi)容與測繪科技發(fā)展之間的不適應(yīng)，教學(xué)手段與現(xiàn)代教育理念之間的不適應(yīng)，學(xué)時壓縮與知識量增長之間的不適應(yīng)。對于非測繪工程專業(yè)學(xué)生來說，實驗內(nèi)容、儀器操作成為主要難題，有限的實驗課程學(xué)習(xí)往往難以達(dá)到教學(xué)的預(yù)期效果，存在以下主要問題。

1）實驗人數(shù)較多，實驗設(shè)備不足或型號老舊。測量實驗課往往3～4人/小組，不同專業(yè)人數(shù)不同；實驗小組少則10個小組，多則20多個小組。然而，實驗課指導(dǎo)教師往往只有1～2人，給教學(xué)增加了困難。

2）實驗課時相對不足，實驗內(nèi)容相對較多。由于實驗學(xué)時的限制，難以保證學(xué)生學(xué)習(xí)效率的提高以及實驗操作規(guī)范的統(tǒng)一。

3）昂貴儀器，學(xué)生使用較少。有些貴重儀器，由于數(shù)量極少，難以滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)；且學(xué)生對于貴重儀器在使用過程往往會產(chǎn)生怕弄壞儀器的心理現(xiàn)象。

4）儀器類型多，不易實現(xiàn)全部操作。如水準(zhǔn)測量實驗，涉及儀器類型較多，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)一般只能讓學(xué)生掌握對某種儀器的認(rèn)識和操作，難以達(dá)到對其他儀器的融會貫通。

可見，傳統(tǒng)實驗教學(xué)難以保證學(xué)生更好地鞏固理論知識，缺乏實踐導(dǎo)致動手能力不足，在一定程度上影響了創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4 基于虛擬仿真技術(shù)的實驗教學(xué)探討

虛擬仿真（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)誕生于美國，是一種由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的人工三維信息虛擬環(huán)境，能夠較為逼真地模擬現(xiàn)實世界存在的事物，涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等多個領(lǐng)域[4]。隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)大規(guī)模進(jìn)入實驗教學(xué)是必然的趨勢，將會改變傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式[5]。

桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院已建立區(qū)級虛擬仿真重點實驗室，由于處于建設(shè)初級階段，大量實質(zhì)性工作有待努力開展?；谔摂M仿真技術(shù)，工程測量實驗教學(xué)主要是通過以無人機航拍得到的雁山校區(qū)3D全景圖為基礎(chǔ)，逐步實現(xiàn)各項工程測量實驗的虛擬仿真和數(shù)據(jù)分析處理平臺，使得理論知識和實踐操作得到有效結(jié)合。學(xué)生只需要登錄該平臺，即可快速、便捷、直觀地體驗學(xué)習(xí)環(huán)境，更加自主地理解和掌握課程知識點，達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。

建立工程測量課程虛擬仿真平臺時主要采用的技術(shù)手段包括：通過Web技術(shù)[6]構(gòu)建開放式虛擬仿真平臺；采用VRML編程語言進(jìn)行場景建模[7]，以3ds Max輔助建模；通過Unity3D進(jìn)行交互式測量仿真操作；利用NET技術(shù)[8]結(jié)合工程測量虛擬仿真實驗，構(gòu)建集教學(xué)、操作、成果評價等為一體的線上實驗教學(xué)平臺。

通過以上技術(shù)實現(xiàn)工程測量虛擬環(huán)境和場景的構(gòu)建過程，在注重各項實驗步驟細(xì)化的同時，更要注重中間過程實現(xiàn)的可視化。對于抽象的理論知識，如測量誤差、地圖投影、水準(zhǔn)測量、控制測量、土石方計算等內(nèi)容，采用文本、圖片、音頻、視頻和動畫相結(jié)合方法，化抽象為生動，將會大大加強學(xué)生的理解和記憶能力。對于實驗開展過程，如閉合水準(zhǔn)測量、角度測量、坐標(biāo)放樣等項目，以雁山校區(qū)3D全景圖為基礎(chǔ)，進(jìn)行過虛擬仿真整個實驗，包括實驗方法、儀器操作、讀數(shù)、誤差檢驗等，實現(xiàn)更為貼近實際的操作場景，激發(fā)學(xué)生的興趣和激情，快速適應(yīng)和開展實際的實驗內(nèi)容。

同時，在“雙一流”建設(shè)背景下，結(jié)合新技術(shù)和實際應(yīng)用，更深層次地研究工程測量課程的教學(xué)體系設(shè)計、實踐環(huán)節(jié)、實踐場地建設(shè)和施教方式等問題，提出更為可行的方案，培養(yǎng)出具備科研和實踐創(chuàng)新能力的綜合型人才。工程測量虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建和實施，最終需要完成虛擬仿真軟件的研發(fā)和相關(guān)課件內(nèi)容的設(shè)計，并在教學(xué)實驗中逐步應(yīng)用、改進(jìn)和完善。

5 工程測量虛擬仿真實驗教學(xué)的意義

針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的不足，構(gòu)建基于虛擬仿真技術(shù)的工程測量課程實驗教學(xué)平臺，具有以下重要意義。

變抽象為生動 對于工程測量課程來說，理論知識往往較為復(fù)雜、抽象，僅依靠課堂教學(xué)往往難以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，且由于實驗室設(shè)備、實驗安排、實驗人數(shù)、專業(yè)班級等方面限制，學(xué)生對所學(xué)理論沒有及時通過實驗加以理解和消化，疑惑問題過度積累極易產(chǎn)生排斥、厭學(xué)等現(xiàn)象。通過工程測量虛擬仿真實驗教學(xué)，學(xué)生登錄平臺，結(jié)合自身學(xué)習(xí)情況，能夠通過生動的畫面對抽象的理論知識有最直觀的理解，進(jìn)而激發(fā)自主學(xué)習(xí)的熱情。

化被動為主動 傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式往往是教師在實驗基地對實驗要求、實驗操作、實驗注意事項等進(jìn)行講解和操作，然后讓學(xué)生自行開展實驗。此過程，學(xué)生的學(xué)習(xí)往往是被動式的，且實驗小組人數(shù)往往較多，指導(dǎo)教師有限，難以及時對學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行指導(dǎo)。而且，往往每個實驗項目為兩學(xué)時，不利于學(xué)生對實驗內(nèi)容的掌握和提高實驗效率。通過工程測量虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，學(xué)生完全可以在實驗前或?qū)嶒炛凶灾魅W(xué)習(xí)和研究實驗設(shè)計、實驗操作、實驗環(huán)境等內(nèi)容，不僅充分發(fā)揮了自主學(xué)習(xí)和小組合作學(xué)習(xí)的能力，而且提高了實驗教學(xué)的效率。實驗后，學(xué)生可以通過虛擬仿真實驗教學(xué)平臺對所學(xué)實驗內(nèi)容加以鞏固。此過程實現(xiàn)了學(xué)生自主開展學(xué)習(xí)，將被動式化為主動式，提升了自主學(xué)習(xí)的能力。

系統(tǒng)掌握、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 傳統(tǒng)的工程測量實驗教學(xué)模式中，學(xué)生對實驗項目的規(guī)范要求和儀器設(shè)備的規(guī)范操作往往掌握較慢。在實驗過程中，學(xué)生對各項指標(biāo)的檢驗不容易理解，且對于操作錯誤和誤差超限難以及時發(fā)現(xiàn)；對儀器設(shè)備的操作往往脫離規(guī)范化要求，甚至存在丟尺墊、儀器摔倒等現(xiàn)象。而且，一個教師往往需要指導(dǎo)十多個小組的實驗，在有限的學(xué)時內(nèi)難以達(dá)到教學(xué)目的。工程測量虛擬仿真實驗教學(xué)平臺能夠讓學(xué)生從對實驗的陌生到模仿實驗，再到熟悉實驗，最后掌握實驗。這不僅讓學(xué)生系統(tǒng)掌握實驗的過程，熟悉各項規(guī)范要求，而且使得學(xué)生養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣和實驗素養(yǎng)。

舉一反三、融會貫通 工程測量課程的各項實驗所涉及的實驗設(shè)備種類較多，如閉合水準(zhǔn)測量實驗，可采用DS03微傾水準(zhǔn)儀、自動安平水準(zhǔn)儀以及電子水準(zhǔn)儀等?，F(xiàn)代測繪科技的飛速發(fā)展及新技術(shù)新方法的應(yīng)用，測繪儀器設(shè)備品牌多、種類多。然而，受實驗學(xué)時、儀器設(shè)備等因素影響，對于每一個實驗項目，學(xué)生可以接觸到的儀器設(shè)備往往只有一種，傳統(tǒng)實驗教學(xué)不利于學(xué)生對知識的拓展。隨著測繪儀器逐漸實現(xiàn)一體化、智能化，用人單位對畢業(yè)生測量技能方面的要求也在提高，不少單位甚至把能操作某種儀器設(shè)備作為基本要求。如果實驗教學(xué)儀器跟不上，或?qū)W生對實驗設(shè)備掌握不夠，不僅達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果，而且培養(yǎng)出的人才與社會脫節(jié)，無法達(dá)到人才培養(yǎng)目標(biāo)。endprint

通過工程測量虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，針對每一個實驗項目，構(gòu)建和實現(xiàn)采用不同儀器可達(dá)到的實驗效果，以及探索在不同的實驗環(huán)境中（如平地、山地等）如何實現(xiàn)項目的開展和檢核。學(xué)生只需通過實驗課掌握的某一類儀器設(shè)備以及實驗方法，即可通過虛擬仿真實驗教學(xué)平臺自主學(xué)習(xí)和掌握同一類實驗項目如何設(shè)計、如何操作、如何進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等知識，最終達(dá)到舉一反三，融會貫通。

充分利用虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢展開對工程測量課程實驗教學(xué)模式的創(chuàng)新研究，有利于提升實驗教學(xué)質(zhì)量，改善空有理論教學(xué)而實驗環(huán)節(jié)不足的缺陷，更好鞏固理論知識，達(dá)到更好的教學(xué)效果，全面、綜合提高學(xué)生的學(xué)習(xí)創(chuàng)新能力、實踐設(shè)計能力、實踐動手能力。

6 結(jié)束語

當(dāng)前社會需要實踐能力強的綜合人才，各招聘單位對畢業(yè)生的動手能力放在首位。工程測量實驗教學(xué)的改革勢在必行，開展基于虛擬仿真技術(shù)的工程測量實驗教學(xué)是一個漫長的摸索和不懈努力的過程，需要結(jié)合工程測量的特點和各專業(yè)實際情況，不斷在教學(xué)實驗過程中進(jìn)行應(yīng)用、改進(jìn)和完善。平臺的建立將會不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和激情，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和自主創(chuàng)新能力，使學(xué)生掌握的知識更加牢固、有條理和系統(tǒng)化，最終培養(yǎng)出更高質(zhì)量的測繪工程人才。

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