VR技術(shù)在測(cè)量學(xué)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

左小翠 張學(xué)亮

摘 ? 要：測(cè)量學(xué)實(shí)訓(xùn)是一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。文章在教學(xué)過(guò)程中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)支撐下，可以再現(xiàn)逼真的實(shí)習(xí)場(chǎng)景，通過(guò)教師的引導(dǎo)，學(xué)生進(jìn)行沉浸體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)，有效解決了學(xué)生實(shí)訓(xùn)過(guò)程中安全系數(shù)不高、參與度低、技能學(xué)習(xí)滯后等多方面的難題，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合職業(yè)崗位能力。

關(guān)鍵詞：測(cè)量學(xué)實(shí)訓(xùn); 虛擬現(xiàn)實(shí);沉浸體驗(yàn)

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)、3D渲染、大數(shù)據(jù)分析等核心技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)憑借其帶來(lái)的視覺(jué)沖擊、逼真的感官體驗(yàn)為教育、醫(yī)療、工業(yè)制造等眾多行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了切實(shí)可行的解決方案。用戶借助于頭盔、眼鏡、鼠標(biāo)等終端設(shè)備可實(shí)時(shí)進(jìn)入計(jì)算機(jī)模擬出的各種現(xiàn)實(shí)或非現(xiàn)實(shí)的三維場(chǎng)景，進(jìn)行人機(jī)交互，體驗(yàn)高科技帶來(lái)的前所未有的非凡體驗(yàn)。特別是在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以為學(xué)生定制仿真的實(shí)踐環(huán)境，還可以通過(guò)3D建模再現(xiàn)場(chǎng)景，生動(dòng)、靈活地展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)創(chuàng)了“信息化教學(xué)”的嶄新領(lǐng)域，是高科技與現(xiàn)代教育高度融合的展示和體現(xiàn)，也是教育手段現(xiàn)代化、信息化的標(biāo)志之一，應(yīng)用前景極其廣闊[1]。

1 ? ?測(cè)量學(xué)實(shí)訓(xùn)課程中的應(yīng)用背景

測(cè)量學(xué)實(shí)訓(xùn)是一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)綜合性的實(shí)訓(xùn)練習(xí)，有利于學(xué)生掌握測(cè)量人員作業(yè)的基本要求，全方面提升其測(cè)量應(yīng)用技能水平，為今后從事相關(guān)崗位工作奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。此課程的開(kāi)設(shè)要求配備真實(shí)的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地、先進(jìn)的測(cè)繪設(shè)備以及安全的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，此模塊的教學(xué)存在著如下問(wèn)題。

1.1 ?測(cè)量實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地配套建設(shè)難以保障

施工測(cè)量貫穿于整個(gè)建筑施工的全過(guò)程，從控制點(diǎn)的埋設(shè)、控制網(wǎng)的建立到建筑物的碎部測(cè)量，從基礎(chǔ)測(cè)繪再到數(shù)字制圖、變形觀測(cè)等，內(nèi)容多且復(fù)雜。若在校園范圍內(nèi)將整個(gè)實(shí)訓(xùn)流程全部進(jìn)行實(shí)地模擬，需要投入大量的場(chǎng)地和資金，大部分院校難以實(shí)現(xiàn)。

1.2 ?測(cè)量實(shí)訓(xùn)器材更新?lián)Q代步伐緩慢

測(cè)繪技術(shù)隨著信息技術(shù)的手段注入，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間不斷的發(fā)展和完善，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，逐步朝著數(shù)字化的方向創(chuàng)新和發(fā)展。許多具有突破性的測(cè)繪技術(shù)和設(shè)備不斷涌現(xiàn)，如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位技術(shù)、無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)等[2]。院校實(shí)訓(xùn)室需要緊跟時(shí)代步伐，對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代，意味著需要大量的資金投入和支持，很多院校往往受困于此，不能順應(yīng)技術(shù)發(fā)展潮流與要求而更新實(shí)訓(xùn)室環(huán)境和設(shè)備，學(xué)生難以學(xué)習(xí)和應(yīng)用到新儀器和新技術(shù)，造成技能培養(yǎng)和崗位需求脫節(jié)的問(wèn)題。

1.3 ?測(cè)量實(shí)訓(xùn)器材更新?lián)Q代步伐緩慢

為接觸真實(shí)的工作項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)崗位能力，職業(yè)院校往往安排學(xué)生去往校企合作的項(xiàng)目工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀摩和實(shí)踐。由于大多數(shù)建筑工地環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，無(wú)法給學(xué)生提供絕對(duì)安全的實(shí)習(xí)場(chǎng)所，而且學(xué)生能力有限，不可能長(zhǎng)時(shí)間操作高級(jí)儀器設(shè)備，也不可能觀摩和學(xué)習(xí)到工程項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)的流程和方法，這些因素都極大地限制了學(xué)生職業(yè)崗位能力的提升[3]。

2 ? ?測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程引入VR技術(shù)發(fā)展歷程

虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)的結(jié)合方式，已經(jīng)由最初的仿真模擬逐漸向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)變，趨向于把真實(shí)環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)的景象疊加起來(lái)，利用虛擬的物體對(duì)真實(shí)的環(huán)境進(jìn)行逼真的補(bǔ)充，虛實(shí)結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的真實(shí)感受，提高認(rèn)知能力。

發(fā)展初期，借助于計(jì)算機(jī)模擬軟件和FLASH動(dòng)畫(huà)演示，將儀器構(gòu)造組成、經(jīng)典案例實(shí)施流程模擬再現(xiàn)，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)知識(shí)的感知和理解，但是學(xué)生參與程度不高，僅限于觀摩或?yàn)g覽，不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。隨著人機(jī)交互技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)生借助VR工具，不僅可以實(shí)現(xiàn)仿真觀摩，還能夠通過(guò)按鈕或者觸摸設(shè)備完成實(shí)踐操作和考核，如儀器的拆分和組裝、基本使用方法等。如今，在虛擬儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上加入真實(shí)的環(huán)境補(bǔ)充，使學(xué)生的仿真體驗(yàn)更加流暢和真實(shí)，擴(kuò)大了學(xué)生實(shí)訓(xùn)的面域，提升了其動(dòng)手實(shí)踐能力。

3 ? ?測(cè)量實(shí)訓(xùn)教學(xué)結(jié)合VR技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基于計(jì)算機(jī)仿真、人機(jī)交互、傳感器等技術(shù)，為用戶提供交互、沉浸的感官體驗(yàn)。學(xué)生可以通過(guò)視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等多維感官通道收集信息，主動(dòng)交互、思考、實(shí)踐。與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比該技術(shù)具有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)。

3.1 ?解決了學(xué)生校外綜合實(shí)訓(xùn)的難題

參加企業(yè)項(xiàng)目頂崗實(shí)踐，有利于學(xué)生了解本專業(yè)所對(duì)應(yīng)的崗位能力需求，培養(yǎng)職業(yè)綜合應(yīng)用能力。頂崗實(shí)踐一般是結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目的生產(chǎn)性實(shí)習(xí)來(lái)進(jìn)行，但由于學(xué)生能力的限制和出于安全因素考慮，無(wú)法在實(shí)際工程中擔(dān)任重要職責(zé)，對(duì)學(xué)生的職業(yè)崗位能力培養(yǎng)較為不利。利用VR技術(shù)，將典型的測(cè)繪工程項(xiàng)目和案例制作成虛擬實(shí)習(xí)場(chǎng)景，再現(xiàn)了與實(shí)際工程相同的工作流程，可以在絕對(duì)安全的環(huán)境中，使學(xué)生擔(dān)任重要崗位角色，履行崗位職責(zé)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的生產(chǎn)實(shí)踐和項(xiàng)目管理能力[4]。

3.2 ?減少校方場(chǎng)地和資金投入

信息技術(shù)和測(cè)繪技術(shù)的飛速發(fā)展，加速了測(cè)繪儀器設(shè)備和測(cè)繪方式更新?lián)Q代的步伐。由最初的水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀到全站儀，由人工布點(diǎn)到GNSS定位、無(wú)人機(jī)航測(cè)，由二維平面測(cè)圖到三維實(shí)景掃描等，由于校方場(chǎng)地和資金的限制，先進(jìn)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備和環(huán)境往往難以保障。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的加入，有效解決了這一難題，在虛擬系統(tǒng)中，可以預(yù)制最先進(jìn)的儀器設(shè)備和典型的工程案例實(shí)景，而且一套實(shí)訓(xùn)設(shè)備可以多人多次重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)了低成本培養(yǎng)高素質(zhì)人才的培養(yǎng)目標(biāo)，在保障先進(jìn)性的同時(shí)節(jié)約了大量的場(chǎng)地和資金投入。

3.3 ?操作流程簡(jiǎn)單，易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)終端設(shè)備，其操作流程非常簡(jiǎn)單，用戶只需穿戴好虛擬設(shè)備，通過(guò)點(diǎn)擊、觸摸等方式，即可進(jìn)入實(shí)體三維場(chǎng)景進(jìn)行模式實(shí)訓(xùn)操作，突破傳統(tǒng)測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程易受場(chǎng)地、設(shè)備、時(shí)間等因素的制約，進(jìn)行“多設(shè)備、多場(chǎng)景、多項(xiàng)目”的綜合實(shí)訓(xùn)練習(xí)[5]。在免去儀器設(shè)備損壞的顧慮和思想負(fù)擔(dān)的同時(shí)，輕松地完成設(shè)備的拆解、組裝、工程項(xiàng)目的策劃組織及實(shí)施等操作，學(xué)生沉浸逼真深刻的體驗(yàn)中，學(xué)習(xí)興趣濃厚，學(xué)習(xí)效率大幅提高。

3.4 ?革新了教學(xué)方式，提高了教學(xué)效率

測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式一般為教師講解演示、學(xué)生觀摩實(shí)踐，是以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式。由于場(chǎng)地及儀器的限制，教師往往不能將實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景直觀地展示，學(xué)生對(duì)儀器的操作及測(cè)量技術(shù)方法的掌握較為片面。依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，變教師主導(dǎo)為教師引導(dǎo)，學(xué)生在沉浸式體驗(yàn)中可以反復(fù)操作和積累經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”，使課堂學(xué)習(xí)過(guò)程生動(dòng)、有趣，極大地提高教學(xué)效果。

4 ? ?VR在測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程中的應(yīng)用建議

由于目前計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存取和處理速度還不能很好地滿足用戶實(shí)時(shí)性需求，學(xué)生在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)答速度緩慢、場(chǎng)景畫(huà)面不流暢不逼真等狀況，所以應(yīng)加大虛擬現(xiàn)實(shí)軟、硬件技術(shù)研發(fā)力度，改善軟、硬件設(shè)施，優(yōu)化學(xué)生用戶體驗(yàn)，使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以更好、更廣泛地為教學(xué)服務(wù)。在教學(xué)過(guò)程中，教師不能將教學(xué)完全依賴于虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，應(yīng)合理應(yīng)用問(wèn)題導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、合作探究等多種教學(xué)方法，強(qiáng)化學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的同時(shí)，注重其創(chuàng)造性思維能力、團(tuán)隊(duì)合作等能力的培養(yǎng)。此外，還應(yīng)借助虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)完善實(shí)訓(xùn)類課程技能考核模式，虛實(shí)結(jié)合，提高技能考核的精準(zhǔn)性。

5 ? ?結(jié)語(yǔ)

在測(cè)量學(xué)實(shí)訓(xùn)課程中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以突破實(shí)訓(xùn)條件和時(shí)間的限制，使學(xué)生在絕對(duì)安全的環(huán)境中，沉浸式體驗(yàn)工程項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)與流程，還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)考核與技能短板的反復(fù)練習(xí)，大幅提高學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，有效強(qiáng)化其職業(yè)技能。同時(shí)，教師應(yīng)不斷提高個(gè)人綜合素質(zhì)，充分掌握相關(guān)技術(shù)手段，創(chuàng)新教學(xué)模式，促進(jìn)測(cè)量學(xué)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)質(zhì)量的整體提升。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陳再發(fā).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（17）：64.

[2]黃志劍.虛擬仿真技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2018（9）：6.

[3]孫金萍.虛擬仿真技術(shù)在工程測(cè)量實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用初討[J].科教論壇，2019（3）：66.

[4]王式太，殷敏.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在測(cè)量實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].測(cè)繪與空間地理信息，2012（1）：222.

[5]王愛(ài)民，韓月嬌，唐沖，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中外企業(yè)家，2018（29）：187.

Abstract：Surveying practice is an important practical teaching link， the introduction of virtual reality technology in the teaching process， under the powerful computer hardware and software technical support， can reproduce realistic practice scenario， through teachers guidance， students immersed experiential learning， effectively solve the safety factor in the process of training students is not high， low participation， skill learning various problems， such as to cultivate the students ability of comprehensive professional post.

Key words： practical training in surveying; virtual reality; immersion experience