新建地方應(yīng)用型本科院校測(cè)繪工程虛擬仿真教學(xué)模式探索
——以山西工程技術(shù)學(xué)院為例

杜曉圓，寧永香，陳勝華

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西陽泉 045001)

虛擬仿真技術(shù)，又稱虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality）技術(shù)，簡(jiǎn)稱VR[1],以構(gòu)建全系統(tǒng)統(tǒng)一、完整的虛擬環(huán)境為典型特征，并通過虛擬環(huán)境集成與控制眾多的實(shí)體，實(shí)體可以是模擬器，也可以是其他的虛擬仿真系統(tǒng)，也可用一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型表示。虛擬仿真技術(shù)是伴隨多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技的迅速發(fā)展，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種更高級(jí)的仿真技術(shù)。

2015年，教育部、國家發(fā)展改革委、財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》，為地方普通高校的轉(zhuǎn)型發(fā)展打開新的思路，提出了創(chuàng)新應(yīng)用型技術(shù)型人才培養(yǎng)模式、不斷推進(jìn)深化人才培養(yǎng)方案和課程體系改革，將現(xiàn)代信息技術(shù)全面融入教學(xué)改革，推動(dòng)信息化教學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)等廣泛應(yīng)用，科學(xué)統(tǒng)籌各類實(shí)踐教學(xué)資源，合理構(gòu)建功能集約、資源共享、開放充分、運(yùn)作高效的專業(yè)類或跨專業(yè)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[2]。2018年，教育部印發(fā)《關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》，提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是各省市級(jí)大專院校適應(yīng)信息化條件下知識(shí)獲取方式和傳授方式、教和學(xué)關(guān)系等發(fā)生革命性變化的要求，促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，強(qiáng)化能力為先的人才培養(yǎng)理念，突出應(yīng)用驅(qū)動(dòng)、資源共享，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)在變量，以高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車，助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)[3]。

山西工程技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程專業(yè)作為地方性新型本科院校工科類專業(yè)，面對(duì)新形勢(shì)，務(wù)必抓住機(jī)遇迎難而上，將新型虛擬仿真信息技術(shù)融入教育教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中，加快虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，探索新的教學(xué)模式。

1 新建地方應(yīng)用型本科院校建立測(cè)繪工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)

1.1 探索適合地方應(yīng)用型高校的教學(xué)模式

從學(xué)校的角度講，測(cè)繪工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)探索地方性本科院校的發(fā)展出路，積極響應(yīng)國家號(hào)召，向應(yīng)用型本科轉(zhuǎn)型，在提高實(shí)踐課程比例的同時(shí)，探索一種新的實(shí)踐教學(xué)模式。

從教師的角度講，測(cè)繪專業(yè)課程如果依照傳統(tǒng)的先大量理論教學(xué)后短課時(shí)實(shí)踐教學(xué)的模式，一個(gè)方面課時(shí)不均衡，另一方面理論和實(shí)踐教學(xué)間隔教學(xué)，既影響學(xué)生理解掌握理論知識(shí)，又影響學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，使教學(xué)效果大打折扣。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以在提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果中發(fā)揮作用，通過虛擬仿真技術(shù)可以將學(xué)科理論知識(shí)直觀呈現(xiàn)，反復(fù)模擬，解決了理論課程缺乏直觀操作效果的問題，真正做到理論聯(lián)系實(shí)際。

從學(xué)生的角度講，改革學(xué)生學(xué)習(xí)模式，傳統(tǒng)的測(cè)繪專業(yè)的實(shí)踐課程基本都是室外實(shí)踐動(dòng)手性很強(qiáng)的課程，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)把學(xué)生放到一個(gè)虛擬的三維環(huán)境中，自己面對(duì)問題、分析問題、解決問題，更好地提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性，也大大提升了學(xué)習(xí)效果。

1.2 加快構(gòu)建實(shí)踐和理論于一體的在線共享課程

近年來全國各高校都在大力建設(shè)在線共享課程，但主要集中在理論教學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的實(shí)踐課程由于其較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)操作性，很難實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)，使得線上教學(xué)理論與實(shí)踐相脫節(jié)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，把只有在現(xiàn)實(shí)環(huán)境可操作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目搬到線上，這種教學(xué)模式能夠滿足新形勢(shì)下的教學(xué)需求，將開放式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室與課程資源的共享平臺(tái)密切結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的實(shí)時(shí)共享。

1.3 有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)測(cè)繪工程專業(yè)知識(shí)一體化的理解

測(cè)繪工程專業(yè)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的應(yīng)用型學(xué)科。測(cè)繪工程專業(yè)培養(yǎng)的人才，涉及房屋建筑、礦產(chǎn)勘查、交通運(yùn)輸、海洋工程等行業(yè)。同時(shí)，這也對(duì)測(cè)繪工程專業(yè)學(xué)生的知識(shí)體系提出了較高的要求，即要求其可以熟悉包括繪學(xué)的理論、工程建設(shè)、項(xiàng)目管理等在內(nèi)的各類知識(shí)。其中，對(duì)學(xué)生而言，掌握多元化的知識(shí)是有難度的[4]。在教學(xué)中，將虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)中，可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)較難知識(shí)點(diǎn)的理解，使得抽象知識(shí)具象化，使學(xué)生在相對(duì)真實(shí)的情境下理解把握專業(yè)知識(shí)，通過虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)提升學(xué)習(xí)興趣，一定程度上達(dá)到融會(huì)貫通的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)繪專業(yè)知識(shí)一體化的理解。

1.4 促進(jìn)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)項(xiàng)目融合，使其成為有機(jī)統(tǒng)一的整體

為了達(dá)到教育部提出的應(yīng)用型高校實(shí)踐課比例30%以上的要求，基本所有的專業(yè)課程都開設(shè)了實(shí)踐課，但這樣必然存在實(shí)踐課項(xiàng)目零散不連貫和交叉的情況，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)效果較差，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可以較好地整合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將多門專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)項(xiàng)目放到統(tǒng)一的外業(yè)環(huán)境中，使得控制網(wǎng)選點(diǎn)、布設(shè)、無人機(jī)航測(cè)、地形測(cè)量、工程測(cè)量等相關(guān)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)項(xiàng)目都可以統(tǒng)一連貫地展開，在提高實(shí)驗(yàn)效率、促進(jìn)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)項(xiàng)目融合的同時(shí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)測(cè)繪工程專業(yè)項(xiàng)目性和工程性概念的理解。

1.5 解決實(shí)踐課程時(shí)間、空間、設(shè)備、師資不足的問題

隨著測(cè)繪技術(shù)的迅速發(fā)展，儀器更新?lián)Q代較快，傳統(tǒng)測(cè)繪專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不斷需要大量資金投入購買新的設(shè)備，可能造成極大的資金浪費(fèi)，由于地方院校資金不足，從而使得專業(yè)設(shè)備更新較慢，很難達(dá)到人手一臺(tái)儀器。另外，測(cè)繪專業(yè)的野外實(shí)踐性，一直以來對(duì)學(xué)生、儀器有較高的安全性要求，針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要有不同條件的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地；由于野外實(shí)踐教學(xué)學(xué)生較為分散，需要配備多名教師，對(duì)師資也是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)[5]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的出現(xiàn)，使得以上問題迎刃而解。

1.6 增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)新性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)沉浸性的環(huán)境特點(diǎn)，使學(xué)生在一個(gè)封閉獨(dú)立的教學(xué)環(huán)境中，既可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，又可以通過設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件、更改實(shí)驗(yàn)順序、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等手段進(jìn)行具有開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐[6]。在單個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作過程中，學(xué)生需要從始至終綜合運(yùn)用個(gè)人的理論知識(shí)去實(shí)踐每一個(gè)操作步驟，鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考、獨(dú)立動(dòng)手解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐水平，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)探索欲。

1.7 提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率和開放率

由于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程受實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)固定、指導(dǎo)教師人手緊張等問題的影響，不能隨時(shí)隨地地向?qū)W生開放，降低了實(shí)驗(yàn)室的利用率，學(xué)生不能隨時(shí)進(jìn)行實(shí)踐操作練習(xí)，嚴(yán)重影響學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室存在的昂貴儀器學(xué)生不敢操作、不得隨意外借，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不好找，師資緊張等尷尬處境，學(xué)生可以通過申請(qǐng)個(gè)人固定賬戶在線隨時(shí)隨地做實(shí)驗(yàn)，大大提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的利用率和開放率。

2 測(cè)繪工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)存在的現(xiàn)實(shí)問題及建議

2.1 資金投入較大

由于前期虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要購買大量的硬件，開發(fā)實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)信息管理系統(tǒng)，規(guī)劃實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍，一次性需要投入大量的資金。針對(duì)這些投入，對(duì)于學(xué)校某些管理者或?qū)嶒?yàn)教師而言，可能更傾向于開設(shè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但是真實(shí)實(shí)驗(yàn)室隨著儀器更新?lián)Q代需要長(zhǎng)年累月不斷地投入，而虛擬實(shí)驗(yàn)室一次投入后只要做好維護(hù)即可，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看可以大大節(jié)約實(shí)驗(yàn)資金成本。

2.2 較理想化，缺乏實(shí)物感

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室無論對(duì)于教師還是學(xué)生而言，都有很大的方便性，但對(duì)于測(cè)繪工程這類實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的效果偏理想化，學(xué)生在練習(xí)過程中缺乏一定的實(shí)物感[7]，尤其涉及基本儀器操作、校準(zhǔn)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方面和現(xiàn)實(shí)還是有一定差距，相較于真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備完全替代性，建議采取先虛后實(shí)、虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)理念。

2.3 學(xué)習(xí)形式單一化，應(yīng)變能力較差

由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采取程序預(yù)先設(shè)計(jì)的方式，實(shí)驗(yàn)情景比較固定，大多數(shù)情況下學(xué)生需按固定操作程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)情景變數(shù)較小，但對(duì)于測(cè)繪工程專業(yè)等長(zhǎng)期室外環(huán)境下作業(yè)的專業(yè)，實(shí)驗(yàn)課程練習(xí)形式和環(huán)境過于單一化，可變因子較少，這樣培養(yǎng)的學(xué)生實(shí)際工作中應(yīng)變能力較差。

2.4 教師傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)觀念的革新和信息技術(shù)應(yīng)用能力的提升

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)于傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆斐梢欢ǖ臎_擊。一方面，需要教師革新傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)觀念，很多教師認(rèn)為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)能讓學(xué)生準(zhǔn)確熟練地掌握實(shí)驗(yàn)儀器操作技能，有助于培養(yǎng)面對(duì)和解決突發(fā)事件的能力，在將來的實(shí)戰(zhàn)工作中有更好的適應(yīng)性，這些優(yōu)勢(shì)是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室所不能取代的。但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室也存在明顯的優(yōu)勢(shì)，首先能最大限度地降低學(xué)生室外操作帶來的人身和儀器的安全隱患[8]；其次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可以做到隨時(shí)開放，學(xué)生可以自由選擇時(shí)間進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，直到自己熟練地掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；再次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室不需要花費(fèi)大量資金購置昂貴且精密的實(shí)驗(yàn)儀器，大大降低實(shí)驗(yàn)成本，還能較好地鍛煉學(xué)生操作能力。所以如何將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的各自優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處融合兼并，需要教師在新時(shí)代的教育方式下進(jìn)行積極探索和思考。

另一方面，需要教師不斷改革授課方式，學(xué)習(xí)新的虛擬仿真技術(shù)。新時(shí)代背景下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是以電子信息技術(shù)為主導(dǎo)的新技術(shù)，相較測(cè)繪工程專業(yè)教師以往操作的儀器存在很大差別。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和使用都需要專業(yè)教師既具有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還需具備一定的信息技術(shù)。這就需要學(xué)校采取有效措施，加強(qiáng)對(duì)教師虛擬仿真平臺(tái)操作技能的培訓(xùn)；通過政策激勵(lì)，支持專業(yè)教師積極投入實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絼?chuàng)新和新技術(shù)應(yīng)用研究。同時(shí)，制定相應(yīng)的考核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)教師的信息技術(shù)素養(yǎng)和應(yīng)用能力提出明確要求[6]。

3 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)以其特有的沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性為實(shí)踐教育提供了良好的教學(xué)環(huán)境[4]。學(xué)生可以在掌握一定理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不斷反復(fù)練習(xí)。在練習(xí)的過程中進(jìn)一步強(qiáng)化理論知識(shí)，這個(gè)過程不受時(shí)間、空間以及外部自然環(huán)境的影響，增加了學(xué)生實(shí)踐鍛煉的機(jī)會(huì)，提升了學(xué)生實(shí)踐操作技能，為他們將來步入社會(huì)順利完成工作奠定了一定基礎(chǔ)。

虛擬仿真技術(shù)將有力推進(jìn)地方本科院校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型的速度，改變測(cè)繪類專業(yè)純野外、高風(fēng)險(xiǎn)、高投入、單一的傳統(tǒng)教學(xué)模式，探索新的實(shí)踐教學(xué)模式。虛擬現(xiàn)實(shí)一體化教學(xué)方式可以大幅提高理論與實(shí)踐教學(xué)的效果，幫助學(xué)生足不出戶也能體驗(yàn)到野外的作業(yè)環(huán)境，使書本知識(shí)三維化，不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。