虛擬仿真技術(shù)在土木工程測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

顧展飛 孫慶珍 甘春景

摘 要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種新型的模式，它融合了虛擬現(xiàn)實(shí)-人機(jī)交互-多媒體-網(wǎng)絡(luò)與通信等多種高科技技術(shù)，優(yōu)化和改進(jìn)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足。本文針對(duì)土木工程測(cè)量實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)教學(xué)中的問(wèn)題，基于虛擬仿真技術(shù)，從教學(xué)理念、教學(xué)手段和教學(xué)技巧等方面，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。研究了該技術(shù)在土建類本科生的土木工程測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，以及改進(jìn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)。通過(guò)以上優(yōu)化與改進(jìn)措施，可提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)效率和土木工程測(cè)量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：土木工程測(cè)量;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.09.082

0 引言

土木工程測(cè)量是土建類專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程基于課堂理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)儀器的操作。近幾年，全國(guó)高校推崇新工科教育建設(shè)的新理念，在科技日新月異的時(shí)代優(yōu)化傳統(tǒng)工科教學(xué)方法。土木工程測(cè)量作為一門傳統(tǒng)工科學(xué)科，在“復(fù)旦共識(shí)”，“北京指南”“天大行動(dòng)”等方針的引導(dǎo)下，更應(yīng)該主動(dòng)探索新的出路，利用虛擬仿真技術(shù)優(yōu)化教學(xué)理念、教學(xué)手段和教學(xué)技巧。依托虛擬現(xiàn)實(shí)與多媒體技術(shù)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬仿真，讓繁瑣的實(shí)踐教學(xué)課程變得高效、簡(jiǎn)單，解決實(shí)踐教學(xué)環(huán)境中不具備或者難以完成的教學(xué)功能。同時(shí)解決了一些復(fù)雜案例難以呈現(xiàn)或只能在線學(xué)習(xí)的局限性，以達(dá)到節(jié)約現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源、共享教學(xué)設(shè)施，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。還可以根據(jù)儀器設(shè)備的差異性，制定專屬統(tǒng)一化的交互邏輯，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)各種儀器設(shè)備的認(rèn)知。

目前，國(guó)內(nèi)外土木工程測(cè)量的教學(xué)方式通常是采用課堂講授、課后練習(xí)和課外實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合的模式，課堂講授與課外實(shí)驗(yàn)分開(kāi)進(jìn)行，無(wú)法充分發(fā)揮課堂學(xué)習(xí)中的余熱。因此，如何圍繞專業(yè)工程對(duì)測(cè)繪的要求，虛擬構(gòu)建施工案例及對(duì)應(yīng)的測(cè)繪工作所需的方法，將本專業(yè)和跨專業(yè)的各類知識(shí)連接在一起，提升學(xué)生實(shí)訓(xùn)能力。以及如何在講授過(guò)程中利用虛擬仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)隨堂實(shí)戰(zhàn)演練是一個(gè)值得探究的問(wèn)題。

1 土木工程測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及必要性

1.1 可以節(jié)約資金投入、節(jié)省時(shí)間，提高安全性

實(shí)際的儀器的購(gòu)買需要大筆費(fèi)用，而且試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，在野外實(shí)驗(yàn)更是具有一定危險(xiǎn)性。土木工程測(cè)量實(shí)驗(yàn)所使用的儀器大部分比較昂貴，體積較大，并且需要定期維護(hù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也需要學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)測(cè)繪不同位置，部分位置可能位于樓頂、河邊，對(duì)人身安全具有一定威脅。引入虛擬仿真技術(shù)可解決類似問(wèn)題，教師可利用現(xiàn)有的虛擬仿真軟件在室內(nèi)進(jìn)行講解并讓學(xué)生進(jìn)行操作，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不再抽象化。

1.2 有助于提高學(xué)生動(dòng)手操作能力

目前土木工程測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：儀器數(shù)量少、儀器型號(hào)陳舊、儀器老化等。在課外實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一個(gè)小組6名同學(xué)才能分到一臺(tái)儀器，這樣就大大減少了每個(gè)學(xué)生的實(shí)際操作時(shí)間。資源的不足可能導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量下降，使學(xué)生動(dòng)手操作能力得不到鍛煉。虛擬仿真技術(shù)恰能使得資源合理分配，在科技發(fā)達(dá)的今天，高校都設(shè)置有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，而且?guī)缀趺總€(gè)大學(xué)生都會(huì)有一臺(tái)電腦，土木工程測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)打破了空間限制，也消除了實(shí)驗(yàn)周的時(shí)間限制，給學(xué)生創(chuàng)造了更好的學(xué)習(xí)條件和學(xué)習(xí)環(huán)境，與時(shí)俱進(jìn)的科學(xué)技術(shù)激發(fā)了學(xué)生動(dòng)手操作的興趣，讓大家體驗(yàn)一個(gè)更好的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

1.3 有助于直觀呈現(xiàn)老師課程講解的知識(shí)

土木工程測(cè)量課程雖然屬于工科，但是書(shū)本理論知識(shí)較多，內(nèi)容也較為抽象，所以老師要想讓學(xué)生從書(shū)本和課件中聯(lián)想到實(shí)驗(yàn)過(guò)程有一定難度。老師需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作讓學(xué)生牢記理論知識(shí)，而學(xué)生的實(shí)際操作也需要緊密聯(lián)系理論知識(shí)。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，恰恰解決了課堂理論知識(shí)和實(shí)際操作分離的難題，使得老師可以當(dāng)堂講授、學(xué)生當(dāng)堂操作，學(xué)生在虛擬仿真中遇到問(wèn)題可以及時(shí)向老師提出，老師進(jìn)行答疑。老師可將較為典型的問(wèn)題交給學(xué)生討論，可大大提高學(xué)生處理現(xiàn)實(shí)操作中難題的能力。

1.4 有助于提高學(xué)生對(duì)技術(shù)規(guī)范及規(guī)程的認(rèn)識(shí)

技術(shù)規(guī)范及規(guī)程的重要性不僅僅在于土木工程測(cè)量這一門課程中，更突出體現(xiàn)在整個(gè)工程項(xiàng)目建設(shè)中。我們的授課目的不僅是要每一個(gè)學(xué)生掌握工程測(cè)量知識(shí)、完成教學(xué)任務(wù)，而是在這二者的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生在今后工作中對(duì)技術(shù)規(guī)范的認(rèn)識(shí)和重視。虛擬仿真軟件的操作過(guò)程中，有許多細(xì)節(jié)是我們?cè)趦x器操作時(shí)會(huì)忽略的，但虛擬仿真技術(shù)就是給我們反復(fù)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，同學(xué)們?cè)谀M實(shí)驗(yàn)中反復(fù)操作，會(huì)大大增強(qiáng)技術(shù)規(guī)范及規(guī)程的意識(shí)。良好的掌握技術(shù)規(guī)范及規(guī)程是工程的安全保障，也是個(gè)人職業(yè)經(jīng)驗(yàn)的積累。

2 土木工程測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程設(shè)計(jì)

2.1 明確教學(xué)目的

土木工程測(cè)量課程實(shí)驗(yàn)包括水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀等儀器的使用，數(shù)據(jù)的處理，圖紙的繪制這幾項(xiàng)基本內(nèi)容。為了適應(yīng)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)在工程建設(shè)中的應(yīng)用，并且優(yōu)化和改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的不足，于是產(chǎn)生了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合課堂授課的新型教學(xué)方式。土木工程測(cè)量課程作為一門實(shí)驗(yàn)課，與理論課的教學(xué)方式不同，實(shí)驗(yàn)課需要老師講授理論知識(shí)在先，接著是學(xué)生吸收老師講授內(nèi)容，最后是學(xué)生基于課堂所學(xué)內(nèi)容，在老師的指導(dǎo)下操作儀器完成實(shí)驗(yàn)。在傳統(tǒng)的教學(xué)方式加入虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到隨堂講、隨堂練，在很大程度上鞏固了學(xué)生在課堂上所學(xué)的知識(shí)。應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)是為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的運(yùn)用與掌握，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)使用虛擬模型的能力，引導(dǎo)學(xué)生建立專業(yè)的思維模式，提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，養(yǎng)成團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神，為以后走向工作崗位打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 建立案例場(chǎng)景并進(jìn)行展示

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)源于真實(shí)工程，結(jié)合實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的大部分場(chǎng)景。例如與全站儀有關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，軟件通過(guò)動(dòng)畫模擬儀器內(nèi)部構(gòu)造、光線傳播、信號(hào)傳播、映射等，說(shuō)明全站儀的構(gòu)造和測(cè)量原理，讓課本上抽象的二維畫面轉(zhuǎn)化為三維動(dòng)畫，使學(xué)生對(duì)全站儀構(gòu)造和原理的印象根深蒂固。如圖1所示為全站儀認(rèn)知實(shí)驗(yàn)界面，學(xué)生可在課堂通過(guò)講解和交互實(shí)現(xiàn)全站儀各部分的認(rèn)知，使教學(xué)內(nèi)容更易接。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)儀器操作及測(cè)量方法

儀器操作模塊可實(shí)現(xiàn)虛擬的測(cè)量?jī)x器操作環(huán)境，讓學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)測(cè)量過(guò)程，完成儀器操作模擬訓(xùn)練。主要包含儀器的對(duì)中、整平以及其虛擬仿真模擬教學(xué)，涵蓋了教學(xué)過(guò)程中各類測(cè)量?jī)x器的基本功能練習(xí)。圖1所示的全站儀虛擬操作面板，學(xué)生可利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行全站儀的虛擬操作，儀器安置以動(dòng)畫和用戶交互的操作方式，實(shí)現(xiàn)全站儀從開(kāi)箱到架設(shè)好儀器的全部過(guò)程。另外系統(tǒng)設(shè)置了圓水準(zhǔn)器和管水準(zhǔn)器的氣泡移動(dòng)窗口，便于學(xué)生了解全站儀粗略整平和精確整平的情況。

在土木工程測(cè)量虛擬仿真軟件中，全站儀的測(cè)量方法與現(xiàn)實(shí)中的測(cè)量方法別無(wú)二致（針對(duì)測(cè)量學(xué)的測(cè)角、測(cè)距、側(cè)高差的基本內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)測(cè)量、距離測(cè)量、坐標(biāo)測(cè)量和三角高程測(cè)量。水準(zhǔn)測(cè)量包括利用雙面尺法和變換儀器高法進(jìn)行四等水準(zhǔn)測(cè)量）。在建立的逼真三維場(chǎng)景中，通過(guò)模擬真實(shí)空間數(shù)據(jù)獲取儀器，并使用儀器模擬真實(shí)測(cè)量，完成一系列如選點(diǎn)、基準(zhǔn)站建設(shè)、圖根點(diǎn)采集、數(shù)據(jù)導(dǎo)出傳輸、棱鏡架設(shè)、垂直微動(dòng)、建站設(shè)置、碎部測(cè)量、數(shù)據(jù)導(dǎo)出繪圖等操作（如圖2至圖7所示）。

2.4 完善和優(yōu)化測(cè)量方案并實(shí)地測(cè)量驗(yàn)證

完整的工程測(cè)量和地形測(cè)繪實(shí)驗(yàn)包含多個(gè)步驟，首先采用虛擬仿真技術(shù)，以學(xué)生所在的校園場(chǎng)景為基礎(chǔ)，收集并修正校園正射數(shù)據(jù)影像、建筑紋理貼圖、基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維虛擬校園系統(tǒng)。學(xué)生可瀏覽整個(gè)測(cè)區(qū)概況，進(jìn)行勘測(cè)選點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)量規(guī)范，進(jìn)行導(dǎo)線和水準(zhǔn)控制測(cè)量、虛擬仿真測(cè)量，并對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。之后模擬全站儀測(cè)量進(jìn)行地形圖測(cè)繪，并基于所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖繪制。

土木工程測(cè)量領(lǐng)域的虛擬仿真技術(shù)雖然簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的步驟，相比真實(shí)實(shí)驗(yàn)也較為精確，并可將冗雜的數(shù)據(jù)和抽象的空間可視化。但在現(xiàn)階段該技術(shù)也只是作為輔助實(shí)驗(yàn)的一個(gè)較好的工具，因?yàn)閷?shí)地測(cè)量中需要考慮陽(yáng)光與風(fēng)向等不可抗環(huán)境因素的實(shí)時(shí)變化，以及實(shí)地地標(biāo)、設(shè)施等的老化磨損。但我們可以參照虛擬實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)與繪制出的電子地圖集，對(duì)實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)以及手繪地圖進(jìn)行比對(duì)，可判斷實(shí)地測(cè)量是否有明顯錯(cuò)誤，也可以驗(yàn)證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的有效性、準(zhǔn)確性。（圖8圖9分別為學(xué)生在測(cè)量實(shí)驗(yàn)中所繪制的地形圖與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中所得到的地形圖）。

由此可見(jiàn)，虛擬仿真技術(shù)在土木工程測(cè)量實(shí)驗(yàn)中起到了良好的輔助作用，極大地提高了老師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，充分體現(xiàn)了科技改變生活的真諦。

3 結(jié)語(yǔ)

在新工科建設(shè)的理念下，充分利用虛擬仿真技術(shù)是改善傳統(tǒng)教學(xué)方法中不足的一種手段。今后，理工科的學(xué)習(xí)不再是以往的背概念、做習(xí)題，而是動(dòng)手去做、動(dòng)腦去想的全新模式。經(jīng)歷過(guò)動(dòng)手和動(dòng)腦的學(xué)習(xí)后，學(xué)生在走向工作崗位才能發(fā)揮所學(xué)。通過(guò)近幾年的初步實(shí)踐，虛擬仿真技術(shù)在提高土木工程測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果方面起了良好的作用。一是將實(shí)際問(wèn)題呈現(xiàn)在老師和學(xué)生面前，需要大家一起解決，使所有人都融入教學(xué)環(huán)境中。二是可以使老師進(jìn)一步整理課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)，從課程教學(xué)、課外實(shí)驗(yàn)活動(dòng)、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)等多方面著手，做好頂層建設(shè)，多角度、多方位實(shí)施“新工科”理念，確保了教學(xué)工作的系統(tǒng)性、有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]岳建平，陳偉清.土木工程測(cè)量（第2版）[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010.

[2]齊秀峰.土木工程測(cè)量[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2014.

[3]中華人民共和國(guó)教育部.教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）：教技（2012）5號(hào)[Z].2012.

[4]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究，2017，（5）：1-6.

[5]許濤，嚴(yán)驪，殷俊峰，等.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育視角下的“人工智能+新工科”發(fā)展模式和路徑研究[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2019，（1）：80-88.

[6]章迪，鄒進(jìn)貴，向東，等.測(cè)繪地理信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020，37（10）：121-125.

[7]周英明，藍(lán)聲寧，韋春曉，等.“新工科”教育背景下工程測(cè)量教學(xué)改革研究[J].欽州學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，34（1）：58-61.

[8]肖鸞，陳鳳年，陳海勝，等.工程測(cè)量教學(xué)改革：?jiǎn)栴}與對(duì)策[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，（3）：110-112.

[9]徐濤，韓月嬌，馬洋洋，等.新工科背景下虛擬仿真技術(shù)在測(cè)繪工程中的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，（25）：28-30.

[10]趙強(qiáng).測(cè)繪虛擬實(shí)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2017，40（10）：57-59.

[11]袁德寶，孫文彬，蔣金豹，等.虛擬仿真在測(cè)量學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐和探索[J].北京測(cè)繪，2019，33（5）：604-607.