虛擬仿真融合翻轉(zhuǎn)課堂的測(cè)量學(xué)教學(xué)方法研究

郝明 張華 范洪冬 楊敏

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院 江蘇徐州 221116)

測(cè)量學(xué)主要講述測(cè)繪的基本原理和方法，主要任務(wù)為測(cè)定和測(cè)設(shè)，即將地物繪制成地形圖或按設(shè)計(jì)好的圖紙將設(shè)計(jì)地物在實(shí)地進(jìn)行標(biāo)定。課程的主要目標(biāo)是使學(xué)生掌握常用的測(cè)量方法、能夠操作測(cè)量?jī)x器、測(cè)繪地形圖、進(jìn)行施工放樣，為工程建設(shè)、形圖測(cè)繪、施工放樣、資源調(diào)查、煤礦測(cè)量等提供測(cè)量學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)[1]。測(cè)量學(xué)要求學(xué)生進(jìn)行大量的實(shí)踐操作，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際，才能深入地了解測(cè)量的原理、流程以及具體步驟。

近幾年，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，從而推動(dòng)了虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展。虛擬仿真技術(shù)是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的人工三維信息虛擬環(huán)境，可以逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界存在的事物，或創(chuàng)造不存在的事物和環(huán)境[2]。趙強(qiáng)[3]研究者基于測(cè)繪專業(yè)實(shí)習(xí)的內(nèi)容，利用虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套測(cè)繪專業(yè)虛擬仿真實(shí)習(xí)系統(tǒng)，對(duì)虛擬仿真下的測(cè)繪實(shí)習(xí)進(jìn)行了探討。汪云甲等研究者[4]將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與測(cè)繪工程專業(yè)教學(xué)相結(jié)合，構(gòu)建了礦山測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，研究了礦山測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、框架、主要模塊、功能及應(yīng)用效果。楊敏等研究者[5]面向礦業(yè)特色測(cè)繪和地礦類測(cè)繪課程，探討并提出了礦山測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的構(gòu)建模式。郝明等研究者[6]基于虛擬仿真技術(shù)提出了測(cè)量學(xué)課堂虛擬仿真的教學(xué)方法。目前，南方測(cè)繪公司開發(fā)了較完善的測(cè)繪地理信息虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。虛擬仿真技術(shù)在測(cè)量學(xué)的教學(xué)中得到了較好的應(yīng)用，增強(qiáng)了理論與實(shí)踐的結(jié)合程度。

翻轉(zhuǎn)課堂是對(duì)傳統(tǒng)的“先教后學(xué)”方式進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，將課堂內(nèi)外的時(shí)間進(jìn)行重新調(diào)整和分配，改變傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的局面，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，實(shí)現(xiàn)“先學(xué)后教”[7]。翻轉(zhuǎn)課堂旨在通過(guò)對(duì)課堂教學(xué)時(shí)間的調(diào)整，將學(xué)習(xí)過(guò)程中“信息傳遞”這一過(guò)程從課堂轉(zhuǎn)移到課前，通過(guò)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和接受能力。課前，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，通過(guò)預(yù)習(xí)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容、查詢資料、提出問(wèn)題等方式，實(shí)現(xiàn)課程信息傳遞；課中，通過(guò)學(xué)生報(bào)告、小組討論、師生交流等形式，實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的理解與內(nèi)化；課后，再通過(guò)知識(shí)點(diǎn)復(fù)習(xí)、總結(jié)、知識(shí)拓展，使教學(xué)效果得到鞏固與升華[8-10]。因此，很有必要將翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式引入到測(cè)量學(xué)教學(xué)中。

虛擬仿真教學(xué)可通過(guò)搭建虛擬操作環(huán)境提高理論與實(shí)踐的結(jié)合程度[11]，翻轉(zhuǎn)課堂可將傳統(tǒng)的被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效果[12]。該文將虛擬仿真技術(shù)與翻轉(zhuǎn)課堂在測(cè)量學(xué)中進(jìn)行綜合應(yīng)用的研究，旨在提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，拓展自主學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間，提升測(cè)量學(xué)教學(xué)的質(zhì)量和水平。

1 測(cè)量學(xué)課程虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂融合的必要性

1.1 課堂圖文講解，可理解性不強(qiáng)

傳統(tǒng)的測(cè)量學(xué)課程主要通過(guò)教師課堂講解知識(shí)點(diǎn)、結(jié)合線下實(shí)驗(yàn)課程，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的形式。一方面，課堂講解形式主要為圖文、視頻等形式，而測(cè)量學(xué)的教學(xué)內(nèi)容對(duì)操作和實(shí)踐要求較高，限制了教學(xué)效果；另一方面，課堂教學(xué)與線下實(shí)驗(yàn)分離，雖然線下教學(xué)時(shí)仍然會(huì)講授實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟，但受課程時(shí)間和現(xiàn)場(chǎng)條件限制，同學(xué)容易遺忘實(shí)驗(yàn)步驟，增大了實(shí)踐操作的難度。

1.2 課前缺少預(yù)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不足

傳統(tǒng)的測(cè)量學(xué)教學(xué)中，主要以教師利用多媒體進(jìn)行講授、結(jié)合課堂提問(wèn)的方式提高學(xué)生課堂參與程度，通過(guò)課后作業(yè)的形式檢驗(yàn)教學(xué)效果。但多數(shù)同學(xué)缺少課前預(yù)習(xí)，無(wú)法及時(shí)掌握課堂講解的知識(shí)，且課堂參與程度有限，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

虛擬仿真教學(xué)可實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合，高度真實(shí)地模擬儀器的結(jié)構(gòu)、原理和操作，無(wú)論是否有儀器，均可進(jìn)行練習(xí)。而翻轉(zhuǎn)課堂是針對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)中缺少主動(dòng)性的問(wèn)題，以拓展學(xué)生自學(xué)為主，通過(guò)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的資料查閱、講解、交流，迫使學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備，從而變被動(dòng)為主動(dòng)。針對(duì)測(cè)量學(xué)教學(xué)中存在的上述問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了一套虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂融合的教學(xué)體系，充分發(fā)揮虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)提高教學(xué)效率的目的。

2 虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂融合的測(cè)量學(xué)教學(xué)體系構(gòu)建與實(shí)施

針對(duì)目前測(cè)量學(xué)教學(xué)中存在問(wèn)題，結(jié)合課題組近幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂融合的混合式教學(xué)模式，教學(xué)模式框架如圖1 所示。在教學(xué)過(guò)程中，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與線下實(shí)踐結(jié)合、虛擬仿真教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂融合，形成以“教師引導(dǎo)，學(xué)生主動(dòng)，虛實(shí)結(jié)合，學(xué)思互補(bǔ)”的高效課堂，具體可分為課前、課中和課后這3 個(gè)環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題到解決問(wèn)題和教學(xué)效果提升的教學(xué)目的。

圖1 虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂融合的教學(xué)模式流程圖

2.1 課前準(zhǔn)備

在課前準(zhǔn)備中，該研究以南方測(cè)繪數(shù)字測(cè)圖仿真實(shí)驗(yàn)軟件為基礎(chǔ)，并將測(cè)量學(xué)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)與分配，部分仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如圖2 所示。可用于融合教學(xué)的具體知識(shí)點(diǎn)可以分為水準(zhǔn)測(cè)量、角度測(cè)量、控制測(cè)量、碎部測(cè)量、測(cè)設(shè)等，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)可分為教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、儀器、原理、操作和視頻等知識(shí)點(diǎn)。

圖2 南方測(cè)繪數(shù)字測(cè)圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)部分界面

基于翻轉(zhuǎn)課堂的角色翻轉(zhuǎn)理念，學(xué)生課前登錄虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，對(duì)教學(xué)目標(biāo)等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，并完成相關(guān)的課前預(yù)習(xí)作業(yè)，提出預(yù)習(xí)存在的問(wèn)題。教師在課前，登錄虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行解惑答疑，并總結(jié)共性問(wèn)題，便于課中進(jìn)行有針對(duì)性的講解。在課前虛擬仿真和翻轉(zhuǎn)課堂的結(jié)合中，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，以促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情；在理論與虛擬仿真的結(jié)合中，使學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)有更直觀的理解。同時(shí)，課前預(yù)習(xí)可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的疑惑，達(dá)到發(fā)現(xiàn)共性問(wèn)題的目的。

2.2 課中實(shí)施

2.2.1 課堂教學(xué)

針對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，在課堂中基于翻轉(zhuǎn)教學(xué)思想，邀請(qǐng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、儀器和操作等進(jìn)行內(nèi)容講解，并組織學(xué)生分組討論，進(jìn)一步提煉共性問(wèn)題。然后，教師基于學(xué)生的講解和討論，進(jìn)行內(nèi)容回顧，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，結(jié)合相關(guān)的虛擬仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)學(xué)生課前和課中存在的共性問(wèn)題進(jìn)行啟發(fā)式解答。

2.2.2 實(shí)踐操作

在知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課中，需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組然后再進(jìn)行實(shí)際操作。為保證儀器的安全，首先，需要教師結(jié)合虛擬仿真軟件進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的講解，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?nèi)容、儀器和操作。其次，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，進(jìn)行儀器認(rèn)知、實(shí)際操作、指標(biāo)檢核與精度評(píng)價(jià)。最后，教師進(jìn)行操作點(diǎn)評(píng)和要點(diǎn)回顧，解答實(shí)踐中存在的問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)重要的操作步驟，達(dá)到畫龍點(diǎn)睛的目的。

2.3 課后提升

為實(shí)現(xiàn)學(xué)與思結(jié)合的提升，學(xué)生在課后登錄虛擬仿真平臺(tái)，對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行回顧，思考課前、課中自身存在的問(wèn)題，并進(jìn)行自我回答。與此同時(shí)，根據(jù)虛擬仿真系統(tǒng)和實(shí)踐課程的操作，撰寫和提交個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，避免實(shí)驗(yàn)報(bào)告的重復(fù)性問(wèn)題，進(jìn)行全面總結(jié)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)效果的提升。

2.4 教學(xué)評(píng)價(jià)與反饋

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下，測(cè)量學(xué)的考核通過(guò)過(guò)程性評(píng)價(jià)與結(jié)果性評(píng)價(jià)相結(jié)合、虛擬仿真系統(tǒng)操作與翻轉(zhuǎn)課堂表現(xiàn)相結(jié)合的多尺度考核評(píng)價(jià)模式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)表1可知，課程總成績(jī)分為平時(shí)成績(jī)（占40%）與基本考試成績(jī)（占60%），其中平時(shí)成績(jī)由課前預(yù)習(xí)（占30%）、課堂表現(xiàn)（占40%）和課后反饋（占30%）組成，期末成績(jī)由線上虛擬仿真系統(tǒng)操作考核（占40%）和理論考試（占60%）組成。測(cè)量學(xué)課程引入更全面的過(guò)程性評(píng)價(jià)和線上線下結(jié)合的考核模式，避免了期末突擊復(fù)習(xí)、知識(shí)掌握不牢、主要靠期末筆試決定學(xué)習(xí)效果的不足，切實(shí)提高了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和過(guò)程性學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)，利用問(wèn)卷調(diào)查功能收集學(xué)生關(guān)于教學(xué)的反饋和建議，根據(jù)獲得的反饋結(jié)果，進(jìn)行后續(xù)課程教學(xué)過(guò)程的進(jìn)一步改進(jìn)。

表1 融合教學(xué)模式教學(xué)評(píng)價(jià)體系

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前測(cè)量學(xué)教學(xué)中存在的不足，該文對(duì)虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂融合的測(cè)量學(xué)教學(xué)方法開展研究，旨在通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性的同時(shí)，利用虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生提供有效自主學(xué)習(xí)的工具與途徑。提出方法可以克服傳統(tǒng)測(cè)量學(xué)教學(xué)中教師占主導(dǎo)作用、學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)導(dǎo)致的基礎(chǔ)知識(shí)理解、記憶不深的問(wèn)題；可以通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)拓展理論與實(shí)際結(jié)合教學(xué)的時(shí)間與空間，提高教學(xué)內(nèi)容的可理解性；以教學(xué)評(píng)價(jià)作為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，可以提高學(xué)生自學(xué)的主動(dòng)性。提出的融合教學(xué)方法通過(guò)課前虛擬仿真系統(tǒng)預(yù)習(xí)和答題、課堂討論與重難點(diǎn)講解、課后總結(jié)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告等環(huán)節(jié)有效地提高了學(xué)生課堂的參與度與主動(dòng)性，可以有效提高教學(xué)效果。