基于虛擬仿真技術(shù)的實踐教學(xué)改革

郭春蕾

摘要：目前各個高校實踐教學(xué)隨著互聯(lián)網(wǎng)及虛擬仿真的飛速發(fā)展正面臨著改革，高校依托虛擬仿真技術(shù)開展實驗實踐教學(xué)已成為必然要求，這對推進(jìn)實驗教學(xué)改革、優(yōu)化實驗教學(xué)資源有著巨大意義。本文以攝影測量基礎(chǔ)實習(xí)課程為例，總結(jié)了當(dāng)前實踐教學(xué)中存在的問題，針對虛擬仿真教學(xué)軟件，提出攝影測量基礎(chǔ)實踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革措施，并結(jié)合教學(xué)過程實施對教學(xué)改革進(jìn)行評價，總結(jié)出虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的優(yōu)勢及特點，旨在更好地強(qiáng)化攝影測量基礎(chǔ)實踐教學(xué)效果，并推進(jìn)虛擬仿真技術(shù)在高校課程實踐教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：攝影測量基礎(chǔ)實習(xí)；虛擬仿真；教學(xué)改革

中圖分類號：G64文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1673-7164（2021）07-0047-03

基金項目院遼寧省教育廳科研經(jīng)費項目“基于無人機(jī)航測的城市三維建模及虛擬仿真研究”（項目編號：LJKX201911）；沈陽城市建設(shè)學(xué)院2019年度校級教育教學(xué)改革研究與實踐項目“新工科視域下《攝影測量基礎(chǔ)》課程虛擬仿真實踐教學(xué)改革研究與實踐”（項目編號：JG201914）。

當(dāng)今高等院校的課程實踐教學(xué)正面臨著時代、技術(shù)的變化，教學(xué)迫切需要轉(zhuǎn)變。攝影測量基礎(chǔ)實習(xí)是測繪工程專業(yè)本科生的一門集中實踐環(huán)節(jié)必修課，也是攝影測量學(xué)基礎(chǔ)理論課程對應(yīng)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的攝影測量實習(xí)偏重于軟件的使用，很難滿足每個學(xué)生獨立學(xué)習(xí)和交互操作的需求[1]。

一、研究背景

依托虛擬仿真技術(shù)開展的實踐教學(xué)項目可以大幅提高學(xué)生科研能力、創(chuàng)新思維能力、綜合表達(dá)能力、運用知識能力和自主學(xué)習(xí)能力，提升當(dāng)前功能單一、模式陳舊、實驗實訓(xùn)成本高、占地大、難開展、受限制和學(xué)生安全性等教學(xué)現(xiàn)狀[2]。虛擬仿真教學(xué)是指通過構(gòu)建虛擬的教學(xué)場景，使學(xué)生通過感知實現(xiàn)與虛擬世界的實時交互，達(dá)到自主學(xué)習(xí)的一種教學(xué)模式[3]。

本文針對攝影測量基礎(chǔ)當(dāng)前實踐教學(xué)中存在的問題，利用無人機(jī)航測虛擬仿真教學(xué)軟件，提出攝影測量基礎(chǔ)實踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革措施，并結(jié)合教學(xué)過程的實施對教學(xué)改革進(jìn)行評價分析。

二、攝影測量基礎(chǔ)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)現(xiàn)狀及存在問題

傳統(tǒng)攝影測量基礎(chǔ)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要由外業(yè)航空相片調(diào)繪和軟件測圖兩部分教學(xué)內(nèi)容構(gòu)成。其中測圖部分通過攝影測量軟件對立體影像進(jìn)行內(nèi)定向、相對定向以及絕對定向等操作處理，目前高校一般多使用VirtuoZo NT軟件，最終生成DOM、DEM等4D產(chǎn)品，目的是使學(xué)生掌握數(shù)字?jǐn)z影測量。目前實習(xí)教學(xué)實踐課程設(shè)置存在以下問題：

（一）外業(yè)、內(nèi)業(yè)之間相互獨立，內(nèi)容整體連貫性較差

現(xiàn)階段攝影測量學(xué)實習(xí)數(shù)據(jù)多為現(xiàn)有的老版的相片，學(xué)生利用相片進(jìn)行野外實地踏查工作，而這些相片是由教師發(fā)給學(xué)生的，并不是學(xué)生自己通過無人機(jī)獲取的。內(nèi)業(yè)立體測圖所用的立體影像也是由指導(dǎo)教師發(fā)給各學(xué)生。前后兩實習(xí)所用影像數(shù)據(jù)不同，且各自內(nèi)容之間無明顯聯(lián)系[4]。內(nèi)外業(yè)實習(xí)內(nèi)容之間整體性連貫性較差，學(xué)生分別獨立進(jìn)行內(nèi)外業(yè)實習(xí)，不利于理解與掌握攝影測量整體流程。

（二）教學(xué)手段陳舊，學(xué)生對知識鏈掌握不夠透徹

目前攝影測量基礎(chǔ)實習(xí)采用的實習(xí)手段和方法還是以往傳統(tǒng)教學(xué)方法，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣度較低。學(xué)生進(jìn)行野外踏查的航片獲取年代較久遠(yuǎn)，在進(jìn)行調(diào)繪時，由于地物更新，導(dǎo)致與航片地物存在較大差異，致使學(xué)生的工作量增大，并影響成圖效果。另外，目前教學(xué)采用軟件VirtuoZo NT版本較老，且處理的數(shù)據(jù)源于指導(dǎo)教師，學(xué)生不能將外業(yè)內(nèi)業(yè)很好地串聯(lián)在一起，以致難以掌握其原理與意義。

（三）整體偏向理論知識，脫離實際工作中項目生產(chǎn)流程

傳統(tǒng)的攝影測量實習(xí)以理論知識為基礎(chǔ)，通過實踐教學(xué)達(dá)到對相關(guān)理論知識點的深度掌握。而根據(jù)企業(yè)調(diào)研顯示，企業(yè)對應(yīng)屆大學(xué)生的要求更注重實際操作能力，要求人才應(yīng)掌握攝影測量技術(shù)發(fā)展熱點，對相關(guān)熱門軟件熟練操作，了解無人機(jī)航測工程項目的處理流程及方法。因此在新工科背景下，基于項目案例的教學(xué)方法才符合應(yīng)用型高校人才培養(yǎng)目標(biāo)。

三、基于虛擬仿真技術(shù)的實踐教學(xué)改革措施

無人機(jī)航測虛擬現(xiàn)實軟件是針對攝影測量基礎(chǔ)實踐教學(xué)[5]，根據(jù)真實的實訓(xùn)環(huán)境及設(shè)備構(gòu)建的虛擬仿真軟件，該系統(tǒng)作為“理論+實踐+虛擬仿真”一體化的教學(xué)與實訓(xùn)系統(tǒng)，可完成攝影測量基礎(chǔ)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)與實踐任務(wù)。

（一）教學(xué)方案設(shè)計

學(xué)校應(yīng)根據(jù)攝影測量基礎(chǔ)課程教學(xué)目標(biāo)以及培養(yǎng)應(yīng)用型人才的辦學(xué)特點，以項目案例為導(dǎo)向，通過合理的教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生在沉浸式參與中學(xué)習(xí)相關(guān)知識，在調(diào)動學(xué)生積極性的同時優(yōu)化教學(xué)效果。

第一，先建立整個全息虛擬仿真設(shè)備的操作手冊。

第二，構(gòu)造無人機(jī)設(shè)備演示環(huán)節(jié)，讓學(xué)生先對無人機(jī)有充分了解。目前虛擬場景中無人機(jī)型號包括固定翼無人機(jī)、混合翼無人機(jī)和六旋翼無人機(jī)三種，教師選擇3D展示無人機(jī)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對無人機(jī)構(gòu)件關(guān)系和節(jié)點構(gòu)造可以在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)拆解、安裝。無人機(jī)設(shè)備認(rèn)知及學(xué)生交互操作內(nèi)容如表1所示。

第三，在無人機(jī)項目案例中，各項目案例及學(xué)生交互操作內(nèi)容如表2所示，教師可根據(jù)不同選擇3D展示無人機(jī)實際工程項目的整個過程進(jìn)行講解，或考查學(xué)生。

（二）教學(xué)方法改革

無人機(jī)航測虛擬仿真實驗教學(xué)中，教師可采用不同的教學(xué)方式方法，通過案例結(jié)合互動進(jìn)行教學(xué)。學(xué)生可根據(jù)實驗內(nèi)容進(jìn)行沉浸式體驗，并完成一系列交互式操作，進(jìn)入實驗教學(xué)環(huán)節(jié)后，學(xué)生可選擇不同的工程案例完成該工程的所有流程，期間隨時對基礎(chǔ)知識點考核，達(dá)到寓教于樂的教學(xué)效果。同時，在教師演示環(huán)節(jié)，通過多種不同的教學(xué)手段對學(xué)生進(jìn)行展示，讓學(xué)生掌握多樣化的知識。

（三）教學(xué)評價改革

無人機(jī)航測虛擬仿真教學(xué)軟件要求學(xué)生能夠掌握無人機(jī)設(shè)備的認(rèn)知，能夠獨立完成項目的操作流程，交互過程正確，能夠?qū)o人機(jī)航測虛擬仿真與實際工程結(jié)合。系統(tǒng)將對學(xué)生的操作痕跡（如是否按照實驗步驟操作、是否正確完成對知識點的考核）等進(jìn)行形成性評價，綜合虛擬仿真操作結(jié)果、學(xué)生操作流程及技能等因素，形成綜合性考核成績。

四、教學(xué)實施與評價

（一）實施過程

首先，教師進(jìn)行相關(guān)理論教學(xué)。

其次，學(xué)生分組到虛擬仿真實訓(xùn)室體驗無人機(jī)航測虛擬仿真教學(xué)軟件，通過操作了解并掌握無人機(jī)設(shè)備的構(gòu)造及操作，掌握無人機(jī)構(gòu)造。此項虛擬仿真教學(xué)環(huán)節(jié)將為后期學(xué)生到實踐基地進(jìn)行無人機(jī)飛行培訓(xùn)奠定基礎(chǔ)。

然后，學(xué)生利用全息影像模擬無人機(jī)航空攝影測量項目，通過交互式操作，參與完整工程項目，教師可根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評估。

（二）實施效果評價

通過引入無人機(jī)航測虛擬仿真軟件系統(tǒng)，理論教學(xué)和實踐教學(xué)之間搭建起了過渡“橋梁”，有效解決了理論教學(xué)和實踐教學(xué)難以有效融合的問題，提高了攝影測量基礎(chǔ)知識和實踐操作的效率和效果，優(yōu)化學(xué)生實踐體驗。

虛擬仿真實踐教學(xué)在為學(xué)生提供更好的沉浸感的同時，為學(xué)生從感官上提供認(rèn)知作業(yè)環(huán)境和教學(xué)內(nèi)容，實踐證明通過“虛擬現(xiàn)實+實踐”方式，可大幅提高實踐教學(xué)效果。通過無人機(jī)組裝及項目案例中的交互設(shè)備模擬現(xiàn)實項目工程中的操作，學(xué)生實際操作水平得到提高，并能滿足今后工作需求。

同時，教學(xué)資源生動且豐富，軟件結(jié)合了教、學(xué)、練、考等教學(xué)功能，可以對學(xué)生操作進(jìn)行精準(zhǔn)評估，充分體現(xiàn)了教育信息化發(fā)展方向。

五、結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)不僅可以解決學(xué)生多而實驗設(shè)備少的難題，除此之外，它獨有的實驗耗能低、實踐效率高、數(shù)據(jù)時效性強(qiáng)、教學(xué)開放度高等特點，為學(xué)生課程實踐環(huán)節(jié)提供了新的教學(xué)模式?；谔摂M仿真技術(shù)的攝影測量基礎(chǔ)實踐教學(xué)，堅持以項目為導(dǎo)向，調(diào)動學(xué)生參與實踐教學(xué)的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)生的興趣和潛力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

參考文獻(xiàn)：

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（薦稿人：王井利，沈陽建筑大學(xué)教授）（責(zé)任編輯：鄒宇銘）