產(chǎn)教融合背景下基于虛實結(jié)合的測量實訓(xùn)平臺構(gòu)建與研究

柴新宇

(廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510510)

0 引言

研究時運(yùn)用產(chǎn)教融合、校企合作提供的培訓(xùn)和虛擬實訓(xùn)平臺，采用能實不虛，虛實結(jié)合的方法進(jìn)行測量實驗教學(xué)改革，學(xué)生可以使用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后的實驗只是鞏固，有效解決理論教學(xué)與實物實訓(xùn)難以有效融合的問題，提升測量實驗相關(guān)知識與實訓(xùn)操作的效率和效果，優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗[1]。

在教學(xué)理念上突出“自主式學(xué)習(xí)”和“以學(xué)生為中心”，在教學(xué)內(nèi)容上既滿足了傳統(tǒng)教學(xué)中對理論教學(xué)中知識的學(xué)習(xí)和掌握，又滿足了實際工作中對施工過程經(jīng)濟(jì)性的要求，更加貼近應(yīng)用實際[2]。在教學(xué)手段上現(xiàn)場設(shè)備采用模擬測量的生產(chǎn)線方式，實現(xiàn)了企業(yè)資源本地化，現(xiàn)場無安全隱患，低成本地開展實驗；遠(yuǎn)程設(shè)備采用虛擬仿真分析工具，通過線上實驗教學(xué)平臺建立了在測量方案過程經(jīng)濟(jì)性仿真實驗內(nèi)容方面學(xué)生和線上教師的交互；實現(xiàn)了泛在化的線上測量虛擬仿真實驗。

傳統(tǒng)的測量實驗教學(xué)是以教師為主導(dǎo)，根據(jù)課堂講授來具體安排實驗內(nèi)容，這個過程中忽視了學(xué)生的主體性和能動性，導(dǎo)致不利于學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。虛擬仿真測量實驗教學(xué)以“沉浸式+體驗性”教學(xué)為主體，采用虛擬方式開展實訓(xùn)內(nèi)容，突破時空場景的限制，是線下實驗教學(xué)方式的有效補(bǔ)充。

1 虛擬仿真實訓(xùn)課程建設(shè)思路與方法

1.1 設(shè)計思路

為了解決外業(yè)實際測量中受天氣影響大，受儀器設(shè)備數(shù)量限制等問題，課程建設(shè)時融合虛擬仿真與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)測量虛擬仿真實驗項目，通過構(gòu)建高度仿真的虛擬實訓(xùn)環(huán)境和實驗對象，有利于學(xué)生直觀形象地理解抽象原理和知識、進(jìn)一步突破儀器設(shè)備在時間和空間上的限制，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，掌握數(shù)字測圖技術(shù)與方法，增進(jìn)學(xué)生的測繪地理創(chuàng)新思維、實踐動手與科學(xué)研究的能力﹔也為教師和學(xué)生提供開放式交流平臺，同時，實現(xiàn)了測繪專業(yè)優(yōu)勢實訓(xùn)教學(xué)資源的共享，進(jìn)—步發(fā)揮工貿(mào)在測繪教育界的引領(lǐng)作用[3]。圖1為“虛實結(jié)合”的測量實驗課程實施技術(shù)路線圖。

(1)項目建設(shè)堅持秉承“能實不虛”“虛實結(jié)合”的原則，將虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)作為培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，并融入實踐教學(xué)體系，確定了“整合資源、聚集優(yōu)勢、注重研發(fā)、突出特色”的建設(shè)思路。

(2)資源開發(fā)在測量學(xué)虛擬仿真實訓(xùn)資源開發(fā)中，結(jié)合虛擬實訓(xùn)平臺和網(wǎng)絡(luò)社交軟件，實現(xiàn)線上的“學(xué)-練-測”與“指導(dǎo)-交流-評價”為一體的完整實訓(xùn)教學(xué)活動，以實現(xiàn)“精細(xì)化指導(dǎo)”和“實時客觀實驗評價”的線上實驗開展模式。

(3)教學(xué)開展在測量學(xué)實驗的數(shù)字測圖教學(xué)中，通過對“外業(yè)數(shù)據(jù)采集”和“數(shù)據(jù)處理、成果表達(dá)一內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程”的虛擬仿真，將其線上實驗和“數(shù)據(jù)處理、成果表達(dá)”的實際操作實驗相結(jié)合，課堂理論講解輔以生動的虛擬仿真場景演示，強(qiáng)調(diào)虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實操實驗和課堂理論教學(xué)深度融合，構(gòu)建“虛實一體、虛實交叉融合”的測量數(shù)字測圖虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)模式。

在教學(xué)設(shè)計方面，借鑒了“情景教學(xué)模式”，圍繞一個實踐主題，建立“學(xué)、練、測”相結(jié)合的認(rèn)知情境。

在“學(xué)”的階段，軟件重點關(guān)注儀器操作方法、測量工法流程，將重點和難點問題、科學(xué)劃分為實際操作中的若干步驟和環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)的圖像化呈現(xiàn)；學(xué)生可以在不同步驟環(huán)節(jié)中自由跳轉(zhuǎn)，針對薄弱環(huán)節(jié)重復(fù)學(xué)習(xí)，促進(jìn)關(guān)鍵知識點的“形象化認(rèn)知過程”實現(xiàn)。

圖1 “虛實結(jié)合”的測量實驗課程實施技術(shù)路線

在“練”的階段，數(shù)字測圖軟件提供了浸入式操作環(huán)境，學(xué)生按照軟件提供的分步驟提示、在交互場景中跟進(jìn)操作；目的是培養(yǎng)學(xué)生在儀器操作和工法實現(xiàn)過程的“點”和“度”，促進(jìn)關(guān)鍵知識點的有效建構(gòu)和內(nèi)化。

在“測”的階段，軟件提供了開放式練習(xí)環(huán)境和測試環(huán)境；系統(tǒng)根據(jù)制定好的評分標(biāo)準(zhǔn)自動對實際操作過程進(jìn)行評分，并提供錯誤操作提示；教師在進(jìn)行檢查學(xué)生操作實訓(xùn)時可以隨時復(fù)制學(xué)生的實際操作過程，幫助教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生在操作過程中存在的問題。常見問題可以一起引導(dǎo)，個別問題可以單獨引導(dǎo)，為知識向技能的順利轉(zhuǎn)化奠定了堅實的基礎(chǔ)[4]。

1.2 “虛實結(jié)合”教學(xué)方法

所建立的仿真系統(tǒng)采用“虛實結(jié)合、線上線下協(xié)同、即時量化評價”等實訓(xùn)教學(xué)方法，建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)在線共享的測量技術(shù)基礎(chǔ)實訓(xùn)項目。實訓(xùn)項目采用虛擬仿真技術(shù)模擬測量技術(shù)基礎(chǔ)儀器認(rèn)知、學(xué)習(xí)、實訓(xùn)及項目實施過程。將《測量技術(shù)基礎(chǔ)仿真教學(xué)課程體系》的具體實訓(xùn)內(nèi)容拆分成若干知識點融到虛擬仿真場景，采用交互式操作手段，幫助學(xué)生掌握測量技術(shù)操作過程，完成相關(guān)儀器軟件操作的演練，促進(jìn)理論知識向?qū)嵅偌寄艿霓D(zhuǎn)化。系統(tǒng)自動記錄用戶在虛擬實踐過程的各類操作行為，完成自動打分，并提供錯誤操作提示，幫助教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生在操作過程存在的問題。用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問本系統(tǒng)，基于系統(tǒng)提供的線上學(xué)習(xí)、虛擬仿真交互學(xué)習(xí)環(huán)境，完成各實驗項目的學(xué)習(xí)，符合現(xiàn)今的互聯(lián)網(wǎng)+時代碎片化、在線即時學(xué)習(xí)的特征。項目堅持以學(xué)生為本，充分利用互聯(lián)網(wǎng)和虛擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)教學(xué)方式方法的多樣性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)“虛實結(jié)合”教學(xué)方式方法。生動了教師理論教學(xué)、實驗演示的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，極大地提升教學(xué)效果﹔使得實訓(xùn)教學(xué)和理論教學(xué)中的“學(xué)-練-測”與“課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)”的整個教學(xué)活動落到實處，踐行了以“實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量為本”的過程教學(xué)。

(2)“線上線下協(xié)同”教學(xué)方式方法。突破了教與學(xué)的時空限制，不僅豐富了學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式的選擇，強(qiáng)化了學(xué)生個性化和自主學(xué)習(xí)，而且使得教與學(xué)實現(xiàn)了雙向互動，密切了師生關(guān)系。

(3)通過“虛實結(jié)合”和“線上線下協(xié)作”的教學(xué)方法更有利于教師進(jìn)行有針對性的實踐教學(xué)指導(dǎo)和講解，突出學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，實現(xiàn)傳統(tǒng)實踐教學(xué)無法實現(xiàn)的過程精細(xì)化教學(xué)，有效提高測繪實訓(xùn)的教學(xué)效果。

2 建設(shè)內(nèi)容

2.1 實驗教學(xué)的融合

(1)理論與實踐相結(jié)合。將測繪相關(guān)知識、生產(chǎn)過程和具體操作技術(shù)相結(jié)合，用理論知識指導(dǎo)實踐，理論與實踐結(jié)合，在實踐中加強(qiáng)對理論知識的掌握。

(2)虛擬與現(xiàn)實的融合。虛擬仿真教學(xué)特別注重“虛實結(jié)合，相輔相成，以虛助實”，學(xué)生的線上測量數(shù)字化測圖中虛擬仿真實驗操作與實際工程生產(chǎn)過程緊密結(jié)合，實現(xiàn)高度工程化的仿真。

圖2 虛實結(jié)合的混合式教學(xué)實驗研究內(nèi)容

(3)室內(nèi)與現(xiàn)場相融合。學(xué)校的地域優(yōu)勢給學(xué)生現(xiàn)場實訓(xùn)教學(xué)創(chuàng)造了良好條件，更加有利于室內(nèi)的虛擬仿真操作與現(xiàn)場生產(chǎn)實際相統(tǒng)一，實現(xiàn)零距離對接。

(4)教學(xué)與科研相融合。實訓(xùn)實驗室的大部分科研項目都是基于教學(xué)實際情況，實訓(xùn)室中的相關(guān)仿真教學(xué)設(shè)備和軟件很好地適應(yīng)了教學(xué)需要，真正實現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合。

(5)校內(nèi)與校外相融合。通過共建實訓(xùn)室、聯(lián)合培養(yǎng)人才、技術(shù)合作與發(fā)展等方式，與校內(nèi)校外相關(guān)單位密切溝通合作，實現(xiàn)實訓(xùn)中心、企業(yè)、社會的共贏。

2.2 實訓(xùn)教學(xué)的層次

(1)工程基礎(chǔ)認(rèn)知。進(jìn)行測繪數(shù)字測圖的基本知識及相關(guān)設(shè)備、原理等的講解，培養(yǎng)學(xué)生對工程的基本認(rèn)知，為后續(xù)學(xué)習(xí)和畢業(yè)后工作打牢基礎(chǔ)。

(2)室內(nèi)模擬仿真。借助線上仿真教學(xué)裝備和軟件App，在室內(nèi)進(jìn)行測繪流程的各種仿真操作訓(xùn)練，掌握測繪基本的實踐操作技能和數(shù)據(jù)處理過程。

(3)現(xiàn)場仿真實訓(xùn)。在現(xiàn)場實訓(xùn)基地，利用仿真的場景和真實的生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備，配套相關(guān)仿真教學(xué)軟件，仿真與實際操作相結(jié)合，完成實習(xí)實訓(xùn)操作流程及操作技能實訓(xùn)。

(4)工程現(xiàn)場實操。在完成虛擬仿真訓(xùn)練基礎(chǔ)上，利用真實實訓(xùn)場地和實訓(xùn)儀器設(shè)備、軟件、數(shù)據(jù)等，在現(xiàn)場工程師教師的指導(dǎo)下，進(jìn)行實操訓(xùn)練，實現(xiàn)與工程現(xiàn)場的零距離接觸和真實反演。

2.3 實訓(xùn)教學(xué)模式

智能探索利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬相關(guān)的工業(yè)過程，用虛擬場景和設(shè)備代替物理對象，將各種訓(xùn)練場景(特別是危險場景)形成三維虛擬場景，實現(xiàn)對作業(yè)功能和過程的可視化模擬，可以在桌面上顯示，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。同時，要有廣闊的想象空間，拓寬認(rèn)知范圍。

虛實結(jié)合的混合式教學(xué)實驗研究內(nèi)容如圖2所示。

2.4 虛擬仿真實訓(xùn)課程體系

依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，按照專業(yè)群整體協(xié)調(diào)發(fā)展的需要，制定土木測繪專業(yè)群人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，重塑專業(yè)群課程體系，將課程劃分為專業(yè)群共享課、專業(yè)技術(shù)平臺課程和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)特色課程，建設(shè)專業(yè)虛擬仿真課程，適應(yīng)學(xué)生的知識學(xué)習(xí)、技能拓展與個性化發(fā)展[5]。

對于土木建筑類專業(yè)群測繪及其他專業(yè)課程體系中，存在看不到、進(jìn)不去、成本高、危險性大等特殊困難，進(jìn)行虛擬仿真建設(shè)。

專業(yè)組群后，工程測量技術(shù)專業(yè)將發(fā)揮帶頭作用，帶動群內(nèi)專業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，發(fā)揮專業(yè)聚集效應(yīng)，打破專業(yè)壁壘，優(yōu)化專業(yè)人才培養(yǎng)模式與課程體系建設(shè)，校企共建測繪地理信息校企命運(yùn)共同體，提升專業(yè)群的人才培養(yǎng)質(zhì)量和核心競爭力。表1為測量學(xué)虛擬仿真課程建設(shè)內(nèi)容。

表1 測量學(xué)虛擬仿真課程建設(shè)內(nèi)容

3 結(jié)語

虛擬仿真測量實訓(xùn)課程的評價體系測量實驗考核主要是對專業(yè)知識、溝通交流、表達(dá)與思辨、團(tuán)隊協(xié)作能力、執(zhí)行能力的考核。虛擬仿真實驗中軟件實現(xiàn)了學(xué)生的實驗信息的跟蹤、統(tǒng)計和分析等智能化管理功能，能夠?qū)崟r對學(xué)生開展的實驗信息進(jìn)行跟蹤、統(tǒng)計、提示，捕捉每個學(xué)生知識點的掌握程度，全面分析學(xué)生實驗的整體情況，實現(xiàn)傳統(tǒng)測繪實踐教學(xué)過程中無法實現(xiàn)的實時、精細(xì)的教學(xué)質(zhì)量控制。虛實結(jié)合實訓(xùn)教學(xué)中，虛仿實驗的實時精細(xì)化實驗過程評價和傳統(tǒng)實驗的結(jié)果評價(實際操作、實驗報告、實操考核)有機(jī)結(jié)合，使得實訓(xùn)教學(xué)評價更加客觀合理，將實訓(xùn)教學(xué)的“過程評價”落在實處，更能客觀真實地反映學(xué)生的實驗技能水平和學(xué)習(xí)效果。以同一專業(yè)不同屆學(xué)生學(xué)習(xí)測量時成績進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)使用虛擬仿真實驗可以有效提高實驗成績和課程成績?nèi)鐖D3所示。平均成績由66.79提高為76.98，優(yōu)秀率由6.9%提高為14.9%，標(biāo)準(zhǔn)差由12.96提高為14.96。

圖3 “虛實結(jié)合”測量實驗教學(xué)成績分布

由此可見將虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)評價融入傳統(tǒng)的實訓(xùn)教學(xué)評價中，形成了多元化實訓(xùn)教學(xué)評價方法，實現(xiàn)了實訓(xùn)教學(xué)過程精細(xì)化質(zhì)量控制和評價。有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。