“互聯(lián)網(wǎng)+”及“虛擬仿真”模式下的《工程測量學》教學模式探索

張騰旭，赫 林，申子宇，陳江龍

(湖北科技學院 資源環(huán)境科學與工程學院，湖北 咸寧 437100)

2019年2月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《加快推進教育現(xiàn)代化實施方案(2018-2022年)》，方案提出了今后5年加快推進教育現(xiàn)代化的指導(dǎo)思想，著力構(gòu)建基于信息技術(shù)的新型教育教學模式，推動以互聯(lián)網(wǎng)等信息化手段服務(wù)教育教學全過程，逐步實現(xiàn)信息化教學改革。在這個大背景下，如何更好地提升工程測量學教學效果，也是值得認真思考的問題。在“互聯(lián)網(wǎng)+”“虛擬仿真”等信息技術(shù)的迅速發(fā)展下，催生了MOOC、SPOC、釘釘?shù)纫慌€上教學平臺，這對傳統(tǒng)教學模式造成了一定的沖擊，同時也給高校實現(xiàn)信息化教學模式指明了方向?！豆こ虦y量學》這門課程理論抽象，知識結(jié)構(gòu)體系繁雜，長期面臨教學模式落后，教師教學困難，學生學習積極性不高，課時偏少等問題。為了利用有限的課堂時間提升教學質(zhì)量和學生課堂積極性，本文以《工程測量學》課程為例，設(shè)計“互聯(lián)網(wǎng)+”及“虛擬仿真”混合模式下的教學方法，借助優(yōu)質(zhì)互聯(lián)網(wǎng)教學資源及高效虛擬仿真平臺，打破傳統(tǒng)教學模式的束縛，滿足學生多元化學習需求[1-7]。

一、工程測量學課程現(xiàn)狀與問題

目前，許多高校都有開設(shè)《工程測量學》這門實踐性強的課程。通過這門課程可以提高和加強學生對測繪工程專業(yè)基礎(chǔ)知識的掌握以及對重難點知識的認識，并為學生未來實際投入工程項目建設(shè)提供相關(guān)職業(yè)技能的學習?！豆こ虦y量學》是研究各種工程建設(shè)在勘測設(shè)計、施工建設(shè)和運營管理階段所進行的各種測量工作的一門課程，主要是提供地形圖等為設(shè)計服務(wù)的測繪資料；在施工建設(shè)階段，主要是為施工服務(wù)，確保工程施工按設(shè)計管理要求的進度和質(zhì)量完成；在運營管理階段，要做工程安全或健康監(jiān)測，為工程的安全運營服務(wù)，是測繪學在國家經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)中的一門應(yīng)用性學科。

工程測量學著重培養(yǎng)學生對各類工程建設(shè)過程中涉及的理論知識的掌握和儀器操作方法的實踐能力，理論與實踐緊密結(jié)合。主要教學內(nèi)容包括工程建設(shè)各階段的測量及信息管理、工程測量學的理論技術(shù)和方法等內(nèi)容。本科生對于復(fù)雜理論知識和工程項目理解存在一定的困難，同時受限于有限的實踐課時和實踐項目，工程測量的實際教學往往難以達到預(yù)期效果[8-10]。

理論教學方面多采取講授為主的方式，學生積極性不高。教學模式方面，理論課主要是采取PPT講解模式，教師控制課程教學進度，大部分學生被動接受知識。由于需要掌握的知識要點較多，部分知識點比較抽象，同時為了按照規(guī)定課時要求完成教學任務(wù)，教師往往采取“填鴨式教學”，機械式講解簡單的PPT文本，不能照顧到所有學生的理解能力，學生也不能充分發(fā)揮學習主觀能動性。對于課程中較抽象的知識點以及一些重點和難點，學生難以在有限的時間內(nèi)有效吸收，長此以往會導(dǎo)致學生對學習產(chǎn)生畏難和抵觸情緒，降低學生學習的積極性和能動性。如果能夠借助虛擬仿真實驗，以互動動畫的形式，生動有趣地展示在學生面前，就有助于學生理解和接受。枯燥的知識變得生動有趣，不僅加深了學生對于此類抽象知識點的理解，而且激發(fā)學生學習該課程的積極性。

實踐教學方面多采用教師主導(dǎo)、學生圍觀模式，學習效果較差。由于學生人數(shù)眾多，每個測量小組由4～5人組成，教師講解時僅少數(shù)靠前的學生能夠看清楚操作過程，多數(shù)學生離得較遠，難以學習具體的操作要領(lǐng)，實踐時學生無從下手，處于不知所措的狀態(tài)，導(dǎo)致多次實驗后他們的興趣明顯降低。同時，由于每次實習安排僅僅針對特定的實習內(nèi)容，有限的實習期間內(nèi)只能讓學生掌握對某種儀器特定功能的操作過程，難以對儀器的全部功能做到面面俱到的講解，教學資源和實踐時間的不足可能導(dǎo)致學生的學習質(zhì)量嚴重下降。因此，傳統(tǒng)的教學模式從課堂授課至課外實踐均存在諸多弊端，在一定程度上制約了學生對理論知識獲取和實踐操作能力培養(yǎng)的主觀能動性。

因此，為了培養(yǎng)能夠從事各種工程項目所需要的從項目策劃、評估設(shè)計、施工驗收等高技能復(fù)合型人才，工程測量學課程需要緊緊圍繞基本理論的掌握以及基本測繪技能的提高兩方面。將理論講解以及實習實踐相結(jié)合，以提高學生的測量工作技能和擴展能力，同時也要充分考慮到部分學生畢業(yè)后從事科研工作的需要。綜上，傳統(tǒng)的教學模式明顯存在不足，不僅課程內(nèi)容應(yīng)該與時俱進，教學模式也應(yīng)該與時俱進。

二、工程測量學“互聯(lián)網(wǎng)+”及“虛擬仿真”教學模式設(shè)計

1.工程測量學混合教學模式設(shè)計理念

在互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的大背景下，網(wǎng)絡(luò)上的知識日新月異，社會的發(fā)展對多元化、創(chuàng)新型、復(fù)合型人才的需求也愈加迫切。教育的目的、老師在教學中所扮演的角色、學生的學習環(huán)境、學習內(nèi)容、學習新知識的方式都正在發(fā)生著重大的轉(zhuǎn)變。從網(wǎng)絡(luò)上存在的大量的教育資源到各種線上直播教學，互聯(lián)網(wǎng)也只是作為一個輔助教學的工具，“互聯(lián)網(wǎng)+”教學模式不應(yīng)該局限于知識在網(wǎng)絡(luò)上的共享和線下的教育資源的分享，而是需要有互聯(lián)網(wǎng)的思維、途徑、互聯(lián)網(wǎng)平臺等，改變傳統(tǒng)教育以老師傳授知識為主的教育模式，進入一個由學生自己可以學習網(wǎng)絡(luò)上的知識、原創(chuàng)學習的內(nèi)容，自主地去學習、自助地學習的新的教育模式中。

虛擬仿真實驗教學是一種全新的教學模式，融合了虛擬現(xiàn)實、人機交互、多媒體等多種技術(shù)，利用虛擬仿真技術(shù)可以高效地實現(xiàn)人與學科知識、工程實踐的圖形場景相互信息交流，也就是計算機系統(tǒng)提供信息交流與反饋機制。這可以讓學生充分發(fā)動思維能力，提高操作水平，讓學生沉浸在計算機的三維場景中，充分高效的多感覺交互能力為教學實踐提供了極大的便利。在《工程測量學》教學中，通過互聯(lián)網(wǎng)等多媒體資源及課后實踐讓學生熟練掌握水準儀、全站儀、GNSS接收機、無人機等儀器使用方法，掌握控制網(wǎng)布設(shè)、大比例尺測圖、工程建(構(gòu))筑物施工放樣、工程建筑物變形監(jiān)測這些常用測量技能 。此外，對于設(shè)備安裝檢校測量和工業(yè)測量、工業(yè)與民用建筑測量、高速鐵路測量、橋梁工程測量、水利和港口工程測量、隧道和地下工程測量及城市地下管線探測這些在校內(nèi)難以開展的測量實踐項目可以通過虛擬仿真平臺實現(xiàn)整個項目全生命周期施工過程，讓學生身臨其境，切身感受施工測量的實施過程，彌補目前教學過程中面臨的困境。

與傳統(tǒng)的教育模式不同，本課程“互聯(lián)網(wǎng)+”及“虛擬仿真”教學模式以學生為中心，以知識獲取、能力和素養(yǎng)培養(yǎng)為教學目標，圍繞“課前準備”“課中實施”和“課后強化”“多方面考核”等全過程、多階段、不同場景開展虛擬仿真教學，強化學生對相同的知識點多視角的自我實踐認知，實現(xiàn)“教師為主體，學生為主導(dǎo)”的教學理念。

2.工程測量混合教學模式設(shè)計

(1)課前準備

上課前，教師提前為學生整理好章節(jié)難點及重點，并發(fā)布教學計劃、網(wǎng)絡(luò)MOOC等輔助預(yù)習資料，學生根據(jù)觀看教學視頻并閱讀相關(guān)參考資料。學習過程中，學生可以有針對性地進行學習，對于存在疑惑的知識點可以反復(fù)進行觀看學習，并記錄難以理解的知識點，以便上課期間提問和討論。同時登陸虛擬仿真平臺，預(yù)習與本章節(jié)相關(guān)的工程施工和儀器操作方法。通過虛擬仿真技術(shù)對抽象的工程項目進行仿真處理，還原真實工程的施工過程，化抽象為生動，能在較大程度上為學生減輕學習負擔，增強理解和記憶。

(2)課中實施

教師以課前為學生整理的本節(jié)課程的難點和重點為引線，進行針對性講解。同時設(shè)計學生認為較難理解的知識點，配合MOOC簡短教學微視頻進行重點講解，針對該難點提出一些具有探索性的問題引導(dǎo)學生思考，以小組為單位進行分組討論并讓學生自己進行解答，其他小組同學參與點評。通過這種學生模式讓學生變被動為主動，切實提高其學習主動性和興趣。

(3)課后強化

首先，教師對每堂課的教學情況和學生學習情況進行總結(jié)分析，并結(jié)合課堂重難點，布置相應(yīng)的課后練習題，檢驗學生是否牢固掌握了課程知識。其次，每堂課結(jié)束后布置對應(yīng)的工程實踐案例進行虛擬仿真作業(yè)，再次對各工程項目的施工過程進行鞏固加深?；谝延械慕處焾F隊，組建興趣小組，引導(dǎo)學生課后學習相關(guān)領(lǐng)域最新數(shù)據(jù)處理理論和方法，并提交報告，作為平時成績進行考核。最后，教師根據(jù)各個課程階段的教學效果和學生反饋的學習情況，對之前的教學模式不斷加以改進，更深層次地研究符合工程測量學這門課程的教學體系和教學方式，同時也進一步完善虛擬仿真教學平臺相關(guān)項目場景和功能模塊的設(shè)計，并通過實驗教學進行改進和完善。

(4)多方面考核

考核一直是實踐環(huán)節(jié)中的難題，采用傳統(tǒng)實習報告的形式已經(jīng)不適合這種新的教學模式。課前準備階段，在沒有老師監(jiān)督情況下，少部分學生依然存在“摸魚”的情況，這也是自主學習，通過上網(wǎng)課學習的弊端，因此新考核體系也是不可或缺的一部分。在整個學習過程中，包含理論知識的學習以及實操過程，同樣每個階段都需要進行考核，算入學生的平時成績。通過課前準備，組織學生在虛擬仿真平臺上仿真處理，并將時間長度作為標準，為學生評分并計入平時成績。在課中實施階段過程中，除了老師的講解，學生們可以自己制作PPT匯報，考慮課時的問題，不對每位同學作要求，算入額外加分。最后，課后的強化，由實習老師根據(jù)實習內(nèi)容隨機提問，內(nèi)容包括但不限于對實習原理、實習作業(yè)情況、實習標準、實習收獲等，并對學生的回答進行評價。

三、混合式教學效果及意義

前期進行了為期一學年的混合教學模式實驗，并從工程測量基礎(chǔ)知識的掌握、重難點接受程度、學生自主學習能力、學生與教師互動、實踐操作技能、虛擬仿真操作技能、團隊協(xié)作能力這幾個方面進行了調(diào)查和分析，調(diào)研對象為19級測繪工程學生，共30人，結(jié)果如表1所示。

表1 混合教學模式效果調(diào)查表

結(jié)果表明，對于工程測量基礎(chǔ)知識的掌握，絕大多數(shù)學生通過整理課前發(fā)布的資料能夠有一個清晰的認識，極少部分自覺性較差的同學沒有課前觀看學習資料，大部分學生都能夠參與到與老師的互動中去，提出在課前準備階段遺留的問題。通過課前的學習和虛擬仿真操作課堂教學，學生相比于之前，積極性大大提高。得益于虛擬仿真實驗，每個學生都能參與其中，避免了之前上實習課，由于設(shè)備不足，部分學生一學期下來都沒有接觸儀器的問題，并且絕大多數(shù)學生更喜歡利用虛擬仿真技術(shù)來學習，個別自主學習能力比較強的學生認為混合式教學模式對于他們來說作用并不是很大，因為這部分學生平時預(yù)習也同樣以提前查找網(wǎng)絡(luò)課程資料為主，但“虛擬仿真”平臺作用較為明顯，能夠充分讓學生自主設(shè)計實驗方法、實驗步驟和實驗場景，不僅提高了實驗教學的效率，同時也提升了學生自主學習能力。整體而言，“互聯(lián)網(wǎng)+及虛擬仿真”教學模式能夠在一定程度上彌補傳統(tǒng)教學模式的部分不足，主要成效如下：

(1)有效提升教學效率

豐富的網(wǎng)絡(luò)教學資源為學生提前預(yù)習和解答疑難問題提供了極大便利，同時學生在瀏覽網(wǎng)絡(luò)教學資源的時候能夠接觸到很多學科前沿的知識，不像書本上的知識存在更新較慢的問題，通過教師課前發(fā)布的章節(jié)重難點以及網(wǎng)絡(luò)視頻資料，學生們根據(jù)自身情況有針對性地開展課前預(yù)習。通過預(yù)習提前掌握部分知識點，對于少部分仍然存在疑惑的知識點可以反復(fù)學習，并記錄難以理解的知識點，然后通過課間提問和討論輕松地解決課前自主學習遇到的各類疑問。相比傳統(tǒng)教學模式，通過這種教學方式不僅能激發(fā)學生的學習興趣，還能夠提升學生的自學能力，從被動的學習專業(yè)知識到主動地去尋找問題并探索學習，而且能在一定程度上提高教師教學效率，教師可以利用大部分課堂時間對學生反饋的重難點知識點進行講解以及對課外的知識進行拓展教學。

(2)提高學生學習積極性和動手操作能力

利用優(yōu)質(zhì)的MOOC等網(wǎng)絡(luò)資源進行理論知識學習，同時利用虛擬仿真教學平臺進行工程項目模擬操作能夠有效提高學生上課的積極性和主動性。相比于傳統(tǒng)教學方法，虛擬仿真技術(shù)能夠合理分配有限教學資源，打破空間和時間的局限性，給學生創(chuàng)造更好的學習氛圍和學習條件。“互聯(lián)網(wǎng)+”及虛擬仿真教學優(yōu)勢在于提高學生的學習自主性、深化知識理解，提高教學效果。

(3)強化技術(shù)規(guī)范認知

工程測量學不僅需要學生牢固掌握各類工程測量基礎(chǔ)知識，同時也需要提高學生在今后測繪生產(chǎn)過程中對標準技術(shù)規(guī)范的認知和重視。傳統(tǒng)實踐教學過程中，學生對實驗項目的具體規(guī)范要求和各項精度指標難以做到全面掌握和融會貫通，工程測量虛擬仿真平臺能夠針對特定的實驗項目按照國家標準設(shè)計一整套完整的實驗流程，學生可以借助該平臺反復(fù)操作，熟悉各類規(guī)范要求，使學生牢固掌握各類技術(shù)規(guī)范和精度指標，培養(yǎng)良好的職業(yè)素養(yǎng)。

四、結(jié)語

在推進教育現(xiàn)代化大背景下，充分利用現(xiàn)代化科技手段，有效聯(lián)合“互聯(lián)網(wǎng)+”及“虛擬仿真”兩種教學模式，可在一定程度上彌補傳統(tǒng)教學模式的不足，滿足學生對各類工程場景和技術(shù)手段的學習需求，提升課程教學質(zhì)量，強化科學知識體系，豐富實踐操作。雖然前期試驗取得了階段性的成效，但是依然面臨著的專業(yè)性較強的網(wǎng)絡(luò)資源不充足，配套的虛擬仿真平臺不夠便利和完善，學生群體難以產(chǎn)生操作興趣等問題，教育教學改革仍然需要不斷摸索和完善?？蛇M一步根據(jù)不同學科的特點對虛擬仿真平臺進行深入改進和完善，從教育工作者角度，以及使用群體的操作能力和需要接受的訓練程度來設(shè)計；二是根據(jù)學生實際反饋情況進一步豐富和完善平臺實驗場景和類型，不斷激發(fā)學生操作興趣，培養(yǎng)具備創(chuàng)新思維和解決實際問題能力，促進相應(yīng)學科的課程教學改革，造就知識、能力、素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展和具有創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。