新工科背景下虛擬仿真技術(shù)在測繪工程中的應(yīng)用研究①

徐濤 韓月嬌 馬洋洋 王亞軍 李濤

摘 ? 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各類工程對測繪人才的需求正在不斷擴(kuò)大。在新工科背景下，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加快測繪工程專業(yè)教學(xué)改革，提升測繪工程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)社會(huì)所需的優(yōu)秀測繪工程人才。本文在簡要介紹虛擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述將虛擬仿真技術(shù)引入測繪工程教學(xué)的必要性，側(cè)重探討了新工科背景下虛擬仿真技術(shù)在測繪工程教學(xué)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：新工科 ?虛擬仿真技術(shù) ?測繪工程 ?應(yīng)用

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0028-02

新工科 （Emerging Engineering Education） 是為了適應(yīng)新一輪的科技革命，立足國家戰(zhàn)略發(fā)展需求以及國際競爭新形勢，提出的一種工程類的新的教育改革方向。2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”、“天大行動(dòng)”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》、《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)。新工科理念的提出對實(shí)現(xiàn)我國“中國制造2025”等戰(zhàn)略， 為我國的服務(wù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)升級提供重要的驅(qū)動(dòng)力。本文中以測繪工程專業(yè)為例，提出將虛擬仿真技術(shù)引入測繪工程專業(yè)教學(xué)當(dāng)中，順應(yīng)新工科理念的要求。

1 ?虛擬仿真技術(shù)的簡介

虛擬仿真技術(shù) （virtual reality） 是借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等技術(shù)，通過運(yùn)用先進(jìn)的軟件系統(tǒng)和設(shè)備建立起模仿現(xiàn)實(shí)世界的虛擬的三維環(huán)境，使人們在其中會(huì)形成身臨其境的交互體驗(yàn)。虛擬仿真技術(shù)的特征主要體現(xiàn)在沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性等方面。目前，虛擬仿真技術(shù)被廣泛地運(yùn)用于諸多領(lǐng)域，包括環(huán)境設(shè)計(jì)、商業(yè)地產(chǎn)、工業(yè)等，發(fā)揮著獨(dú)特的作用。近年來，國內(nèi)高校積極引進(jìn)虛擬仿真技術(shù)，推進(jìn)本校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，虛擬仿真實(shí)習(xí)基地建設(shè)等。虛擬仿真技術(shù)的在教學(xué)中的具體應(yīng)用，使學(xué)生如同親臨現(xiàn)場，深化對理論知識(shí)的理解， 且能通過與虛擬系統(tǒng)的互動(dòng)強(qiáng)化對操作技能的掌握。

2 ?新工科背景下虛擬仿真技術(shù)在測繪工程專業(yè)教學(xué)的應(yīng)用的必要性

2.1 增進(jìn)學(xué)生對測繪工程專業(yè)知識(shí)體系的理解

測繪工程專業(yè)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)學(xué)科。測繪工程專業(yè)培養(yǎng)的人才，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括房屋建筑、礦產(chǎn)勘查、交通運(yùn)輸、海洋工程等行業(yè)等。同時(shí)，這也對測繪工程專業(yè)學(xué)生的知識(shí)體系提出了較高的要求，即要求其可以熟悉包括繪學(xué)的理論、工程建設(shè)、項(xiàng)目管理等在內(nèi)的各類知識(shí)。其中，有一些知識(shí)對學(xué)生而言，從理解層面是有難度的。在教學(xué)中，將虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)中，可以促進(jìn)學(xué)生對一些相對較難知識(shí)點(diǎn)的理解，將抽象的知識(shí)具象化， 給學(xué)生制造出逼真的學(xué)習(xí)情境，可以使學(xué)生在相對真實(shí)的情景中理解和把握知識(shí)，降低學(xué)習(xí)的阻礙，增進(jìn)學(xué)習(xí)的效率和質(zhì)量，并可以使學(xué)生保持對知識(shí)獲取的興趣，對學(xué)生完整知識(shí)體系的建構(gòu)大有益處。

2.2 解決學(xué)生的測繪工程專業(yè)實(shí)踐薄弱的問題

測繪工程專業(yè)學(xué)生，在理論知識(shí)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上上，應(yīng)當(dāng)具備地面測量、工程測量、海洋測量、航空測量等方面的實(shí)踐技能與實(shí)操經(jīng)驗(yàn)。因此，可以在測繪工程專業(yè)中引入虛擬仿真技術(shù)，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有課程教學(xué)中存在的實(shí)踐教學(xué)比重較少的問題，借助虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)造出虛擬真實(shí)的情景，增加學(xué)生參與實(shí)踐的機(jī)會(huì)，對增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力有顯著的效果。同時(shí)，包括將一些包括虛擬測繪儀器設(shè)計(jì)、虛擬模型制作、整個(gè)測量過程的三維模擬等一系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)等合理地引入到實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，也在一定程度上增進(jìn)了測繪工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的效果。

3 ? 虛擬仿真技術(shù)在測繪工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用探討

3.1 注重先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)的引入

高校應(yīng)高度重視虛擬仿真技術(shù)的引入以及包括虛擬測繪儀器設(shè)計(jì)、虛擬模型制作、整個(gè)測量過程的三維模擬等一系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)，為測繪工程專業(yè)教學(xué)的開展奠定良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，也可以利用現(xiàn)代的各類技術(shù)和硬件，構(gòu)建起教與學(xué)為一體的測繪工程專業(yè)線上實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

3.2 開發(fā)虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

契合測繪工程專業(yè)特色，開發(fā)虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在測繪工程專業(yè)教學(xué)中，高校應(yīng)當(dāng)在引進(jìn)虛擬仿真技術(shù)，開發(fā)相關(guān)的教學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，合理地從測繪工程專業(yè)特色出發(fā)，上線一批涵蓋鉆探、航空、建筑、礦藏等領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中涉及的技術(shù)應(yīng)當(dāng)全面地包括測繪應(yīng)用領(lǐng)域可能涉及到的各類技術(shù)，例如三維視景技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)、虛擬儀表技術(shù)、激光測量技術(shù)等等。通過參與這些項(xiàng)目，使學(xué)生可以地融合更多的知識(shí)和技能，成為一專多能的應(yīng)用型人才。

3.3 運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)開展測繪工程教學(xué)

在測繪工程專業(yè)教學(xué)中，通過虛擬仿真技術(shù)的在測繪工程專業(yè)的運(yùn)用，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為載體開展測繪類專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為學(xué)生進(jìn)行實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)和實(shí)踐操作的學(xué)習(xí)提供重要平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對測繪工程專業(yè)課堂教學(xué)的有效補(bǔ)充。對學(xué)生而言，一方面可以在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中結(jié)合老師布置的實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行自主實(shí)踐，增進(jìn)對項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)的理解和掌握。另一方面，學(xué)生也可以不用走出室外，通過基于過Web技術(shù)來實(shí)現(xiàn)開放式虛擬仿真平臺(tái)，完成一些測量仿真操作。例如，可以通過VRML編程語言以及3ds Max來實(shí)現(xiàn)場景建模等。此外，基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)踐平臺(tái)可以為測繪工程專業(yè)提供可視化、形象的虛擬環(huán)境。在這樣的情景中，無論教師，還是學(xué)生，都可以直觀、清晰、具象化地了解測繪工程專業(yè)的涉及到的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，高度還原實(shí)驗(yàn)場景和步驟，形成較好的實(shí)踐教學(xué)效果。

3.4 注重測繪工程課程的延伸和拓展

在測繪工程專業(yè)中，教師及科研人員應(yīng)充分以虛擬仿真技術(shù)的引入和推廣應(yīng)用為契機(jī)，充分發(fā)揮自身在專業(yè)性層面的優(yōu)勢，將最新的測繪工程學(xué)科最新的前言技術(shù)合理地借助虛擬仿真技術(shù)融入到課程教學(xué)當(dāng)中，并通過行業(yè)前言知識(shí)與教學(xué)內(nèi)容有效結(jié)合，開發(fā)和制作一批契合測繪工程專業(yè)人才培養(yǎng)需求的線上課程，例如包括工程測量學(xué)等。同時(shí)，也可以制作洞穴激光測量、航空測繪、雷達(dá)仿真實(shí)驗(yàn)等微課程視頻，既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可以實(shí)現(xiàn)對課程教學(xué)內(nèi)容的有效延伸。同時(shí)，在對測繪工程課程予以進(jìn)一步延伸和拓展時(shí)，應(yīng)當(dāng)突出重點(diǎn)，明確關(guān)鍵點(diǎn)，重視難點(diǎn)，以增進(jìn)學(xué)生理解，拓展學(xué)生思路為目的，借助虛擬仿真技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等，為培養(yǎng)卓越工程人才創(chuàng)造有利條件。

4 ?結(jié)語

總之，虛擬仿真技術(shù)目前已經(jīng)在高校眾多專業(yè)的教學(xué)領(lǐng)域得到了實(shí)踐應(yīng)用和推廣，在推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。虛擬仿真技術(shù)在測繪工程專業(yè)教學(xué)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)部分的運(yùn)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的不足，以其高效率、低成本、內(nèi)容豐富的特點(diǎn)，更為直觀、形象的展現(xiàn)了課堂內(nèi)容，輔助學(xué)生進(jìn)行有效地學(xué)習(xí)，在一定程度上突破了設(shè)備或場地限制，可以促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，符合到新工科視野下測繪工程專業(yè)人才培養(yǎng)的要求。

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