虛擬實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在測(cè)繪教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：本文順應(yīng)新時(shí)代教育高質(zhì)量發(fā)展的要求，打造新工科背景下測(cè)繪專業(yè)實(shí)踐課程，基于數(shù)字化教育轉(zhuǎn)型，對(duì)傳統(tǒng)工科教育進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。本文分析了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在測(cè)繪教學(xué)中的應(yīng)用方式，對(duì)解決當(dāng)前存在的問(wèn)題提出了一些改進(jìn)建議，并對(duì)未來(lái)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合做出了展望，為學(xué)院的發(fā)展提供參考，推進(jìn)區(qū)域教育向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室；虛擬仿真；教學(xué)改革；測(cè)繪工程

引言

國(guó)家建設(shè)，測(cè)繪先行。測(cè)繪作為各項(xiàng)工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐、為國(guó)土安全提供數(shù)據(jù)保障、為環(huán)境保護(hù)和災(zāi)害防護(hù)提供預(yù)警信息，在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮著重要的作用[1-2]。隨著科技的高速發(fā)展，傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)與多個(gè)領(lǐng)域技術(shù)結(jié)合，形成了無(wú)人機(jī)、激光雷達(dá)、遙感等多種新型測(cè)量技術(shù)手段，使得測(cè)繪由原來(lái)單一的測(cè)量與制圖功能發(fā)展成可為自然環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市實(shí)景三維建設(shè)、智能安全監(jiān)測(cè)等多種功能服務(wù)的高新技術(shù)。測(cè)繪設(shè)備日新月異，發(fā)展迅速，在行業(yè)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，現(xiàn)階段的測(cè)繪教學(xué)內(nèi)容并不能與現(xiàn)有技術(shù)的需求相匹配，教學(xué)內(nèi)容落后、教學(xué)方式以課堂講解為主，無(wú)法讓學(xué)生學(xué)習(xí)掌握這些測(cè)繪新興技術(shù)，傳統(tǒng)的測(cè)繪手段也讓學(xué)生失去對(duì)測(cè)繪學(xué)的興趣與學(xué)習(xí)欲望[3]。因此，為了培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代的測(cè)繪專業(yè)人才，本文探討新的教學(xué)方式、實(shí)行新的教學(xué)手段，彌補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)的缺點(diǎn)。

1. 測(cè)繪類專業(yè)教育存在的主要問(wèn)題

（1）測(cè)繪專業(yè)的課程教學(xué)主要集中在傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備如水準(zhǔn)儀、全站儀和GNSS接收機(jī)上[4]。盡管我們提供了一些前沿的專題講座供學(xué)生學(xué)習(xí)，但普通高校仍然面臨難以接觸新型高精度儀器設(shè)備、缺少擁有豐富經(jīng)驗(yàn)教師傳授新興技術(shù)等問(wèn)題。這意味著學(xué)生將缺少機(jī)會(huì)深入了解這些儀器的具體操作流程，從而影響了他們的綜合能力的培養(yǎng)。雖然大多數(shù)開設(shè)測(cè)繪專業(yè)的高校都提供測(cè)繪工程實(shí)習(xí)和必要的儀器設(shè)備，但校內(nèi)的實(shí)習(xí)通常只滿足學(xué)生熟練掌握儀器的基本安裝和使用需求。由于實(shí)習(xí)場(chǎng)地受限，學(xué)生在控制點(diǎn)布設(shè)方面難以達(dá)到將整個(gè)測(cè)量區(qū)域完全包圍的要求。此外，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)的目的、方案設(shè)計(jì)和工作安排了解不深，這對(duì)后期實(shí)驗(yàn)分析和未來(lái)的實(shí)際測(cè)量都帶來(lái)了負(fù)面影響。因此，我們需要探討如何克服這些問(wèn)題，以提高測(cè)繪教育的質(zhì)量和實(shí)用性。

（2）隨著安徽理工大學(xué)空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，儀器設(shè)備數(shù)量也在不斷增加，儀器設(shè)備的管理變得愈發(fā)重要。測(cè)繪儀器通常具有高度的精密性，不規(guī)范使用和存放可能會(huì)導(dǎo)致儀器的精度下降，甚至造成設(shè)備損壞。此外，設(shè)備購(gòu)買信息無(wú)法及時(shí)傳達(dá)給部分教師和學(xué)生，導(dǎo)致他們無(wú)法輕松了解可用的儀器數(shù)量和設(shè)備的借用情況。這種信息滯后導(dǎo)致已有的儀器無(wú)法有效地投入到教學(xué)和科研中，浪費(fèi)資源，影響教育質(zhì)量?？紤]到實(shí)驗(yàn)器材價(jià)格昂貴且儀器元件的壽命有限，例如無(wú)人機(jī)的相機(jī)鏡頭壽命僅有50萬(wàn)次快門次數(shù)，頻繁使用將導(dǎo)致額外的儀器維護(hù)費(fèi)用，這在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中會(huì)帶來(lái)更多的成本和挑戰(zhàn)。教學(xué)實(shí)踐與理論知識(shí)的結(jié)合在教育中具有極為重要的意義[5]。然而，通常情況下，教學(xué)實(shí)踐被安排在學(xué)生學(xué)習(xí)完理論知識(shí)之后，這種不合理的時(shí)間安排會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率下降。此外，這也可能影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新能力，因?yàn)樗麄儧](méi)有機(jī)會(huì)將理論知識(shí)直接應(yīng)用于實(shí)踐中。需要重新思考和調(diào)整教學(xué)模式，以確保學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠更好地理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，提高他們的實(shí)踐能力和綜合素養(yǎng)。

2. 虛擬實(shí)驗(yàn)室與仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用分析

針對(duì)上述問(wèn)題，安徽理工大學(xué)空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院通過(guò)完善實(shí)驗(yàn)室儀器管理制度、建立虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)、開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件等進(jìn)行了實(shí)踐教學(xué)改革。

（1）為了有效解決儀器設(shè)備管理中的問(wèn)題，我們采取了一系列措施，以提高設(shè)備的使用效率和延長(zhǎng)設(shè)備壽命。首先，通過(guò)進(jìn)行全面調(diào)研，分析了各種儀器設(shè)備的使用率和損壞率。根據(jù)這些數(shù)據(jù)制定了不同的管理方案，以更好地滿足不同儀器的管理需求。其次，簡(jiǎn)化了常用儀器的借用流程，使學(xué)生和教師能夠更輕松地借用設(shè)備。最后，我們強(qiáng)調(diào)了常用儀器的操作注意事項(xiàng)，以降低儀器的使用風(fēng)險(xiǎn)，確保設(shè)備得到妥善使用。針對(duì)高精度儀器設(shè)備，增加了借用條件，實(shí)行專人管理，明確了管理責(zé)任。制定了相關(guān)的規(guī)范制度，以確保設(shè)備在使用過(guò)程中不會(huì)受到不必要的損壞。在購(gòu)買高精度和昂貴的設(shè)備之前，要求提供詳細(xì)的證明材料，包括設(shè)備的使用用途、所屬項(xiàng)目和預(yù)期結(jié)果等信息。這樣可以確保購(gòu)入的儀器具有一定的使用價(jià)值，并且符合教學(xué)和科研的需求。這些措施的實(shí)施將有助于提高儀器設(shè)備的管理效率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低維護(hù)成本，并確保設(shè)備在教學(xué)和科研中得到充分利用。通過(guò)這些改革舉措，我們旨在為未來(lái)學(xué)院的發(fā)展提供更好的設(shè)備支持，推動(dòng)教育質(zhì)量的提升。

（2）積極充分發(fā)掘校園網(wǎng)絡(luò)的潛力，建立起一套高效的校園虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理平臺(tái)，以更好地管理和利用校內(nèi)設(shè)備資源。這一平臺(tái)的核心目標(biāo)是提供便捷的設(shè)備管理和共享機(jī)制，為學(xué)生和教師創(chuàng)造更好的教學(xué)和研究環(huán)境。通過(guò)平臺(tái)及時(shí)公開學(xué)校已有的設(shè)備資源信息，使學(xué)生和教師能夠隨時(shí)在線查詢?cè)O(shè)備的詳細(xì)信息，包括設(shè)備規(guī)格、數(shù)量、可用狀態(tài)等，以便更好地滿足各自的需求。同時(shí)將設(shè)備的借記流程和手續(xù)整合到在線平臺(tái)中，學(xué)生可以方便地提交儀器使用權(quán)限申請(qǐng)。教師則可以通過(guò)手機(jī)端一鍵批準(zhǔn)申請(qǐng)，從而避免因公務(wù)出差而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室無(wú)人值守的情況發(fā)生。這一便捷的系統(tǒng)有助于提高設(shè)備的利用率和管理效率。

（3）為了解決部分高精度設(shè)備不適合用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題，我們積極研發(fā)了一套具有真實(shí)性和交互性的仿真實(shí)驗(yàn)軟件，旨在給學(xué)生提供一個(gè)安全、高效的學(xué)習(xí)環(huán)境。這一仿真實(shí)驗(yàn)軟件利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，精確模擬了儀器設(shè)備的工作流程，同時(shí)在系統(tǒng)中引入了真實(shí)工程場(chǎng)景，使學(xué)生在掌握了基礎(chǔ)理論知識(shí)后，能夠借助虛擬仿真軟件進(jìn)行實(shí)際操作，達(dá)到1+1＞2的效果。這不僅為學(xué)生提供了更多的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，還激發(fā)了他們更深的學(xué)習(xí)興趣，使他們更好地理解和掌握測(cè)繪技術(shù)。值得注意的是，這項(xiàng)技術(shù)還將徹底改變測(cè)繪實(shí)習(xí)野外教學(xué)的傳統(tǒng)模式。通過(guò)將實(shí)習(xí)環(huán)境從高風(fēng)險(xiǎn)的野外轉(zhuǎn)移到安全的室內(nèi)，學(xué)生不再受時(shí)間和環(huán)境的限制。這不僅增加了學(xué)生的教學(xué)任務(wù)安排的靈活性，還大大降低了潛在的風(fēng)險(xiǎn)。這一仿真實(shí)驗(yàn)軟件的開發(fā)不僅填補(bǔ)了傳統(tǒng)教育中高精度設(shè)備難以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的空白，還為學(xué)生提供了更多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和更安全的實(shí)踐環(huán)境，有望為測(cè)繪教育的未來(lái)發(fā)展注入新的活力。

3. 教學(xué)實(shí)踐改革

（1）對(duì)授課老師進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，學(xué)習(xí)掌握虛擬仿真平臺(tái)的各項(xiàng)功能，設(shè)立虛擬仿真平臺(tái)辦公室，設(shè)立辦公室值班教師解決軟件相關(guān)問(wèn)題。在學(xué)校機(jī)房安裝虛擬仿真平臺(tái)軟件供教學(xué)使用。將原有實(shí)習(xí)教學(xué)穿插在日常理論教學(xué)當(dāng)中，根據(jù)理論教學(xué)進(jìn)度安排虛擬仿真平臺(tái)的實(shí)習(xí)。同時(shí)將平臺(tái)通過(guò)校園網(wǎng)上傳至網(wǎng)絡(luò)，讓學(xué)生在課后也可以學(xué)習(xí)。在指導(dǎo)方法上以學(xué)生實(shí)訓(xùn)為主，以教師指導(dǎo)為輔，學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中了解各類儀器的使用方法后自主學(xué)習(xí)操作方法。用實(shí)習(xí)計(jì)劃書代替課本，逐步完成實(shí)習(xí)任務(wù)，得到最后的實(shí)習(xí)成果。教師還可以設(shè)計(jì)真實(shí)的工程場(chǎng)景，供學(xué)生設(shè)計(jì)安排實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，讓學(xué)生擁有解決工程難題的能力，如圖1所示。

（2）對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以了解教學(xué)各方面的情況，從而判斷其質(zhì)量和水平、成效和缺陷[6-7]。通過(guò)全面客觀的評(píng)價(jià)，可以找出學(xué)生成績(jī)較差的原因，并分析出主要原因，同時(shí)可以看出學(xué)生完成了多少教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)評(píng)價(jià)如同體檢，是對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、科學(xué)的診斷，具有激勵(lì)、調(diào)節(jié)教學(xué)的作用。評(píng)價(jià)對(duì)教師和學(xué)生具有監(jiān)督和強(qiáng)化作用。通過(guò)評(píng)價(jià)，可以體現(xiàn)教學(xué)效果的好壞和學(xué)習(xí)成績(jī)的優(yōu)劣。過(guò)去的大量經(jīng)驗(yàn)和研究表明，一定的測(cè)驗(yàn)與成績(jī)記錄可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)推動(dòng)課堂學(xué)習(xí)高效開展。評(píng)價(jià)蘊(yùn)含的信息可以讓老師了解自己的教學(xué)情況，讓學(xué)生了解自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度。教師基于這些信息修訂教學(xué)計(jì)劃，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，從而有效地開展教學(xué)進(jìn)程，達(dá)到教學(xué)任務(wù)規(guī)定的目標(biāo)，這就是評(píng)價(jià)所發(fā)揮的調(diào)節(jié)作用。評(píng)價(jià)本身也是種教學(xué)活動(dòng)。這種活動(dòng)可以促進(jìn)學(xué)生培養(yǎng)自身的智力和品德，增長(zhǎng)知識(shí)，培養(yǎng)技能。教學(xué)評(píng)價(jià)的方法可以是測(cè)驗(yàn)、征答、觀察提問(wèn)、作業(yè)檢查等。

4. 討論與展望

制作虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，需要投入大量資金和精力，包括服務(wù)器的搭建、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的安排、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師的培訓(xùn)以及后期系統(tǒng)的維護(hù)更新等。這是一個(gè)不可或缺的過(guò)程，因?yàn)樗婕败浖脚_(tái)的順利運(yùn)行與持續(xù)發(fā)展。盡管投入大量資金，但是否能夠達(dá)到預(yù)期效果，是否能夠?qū)崿F(xiàn)軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)，仍需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證與驗(yàn)證。然而，平臺(tái)軟件的開發(fā)可以顯著降低實(shí)驗(yàn)室的資金投入。實(shí)驗(yàn)室不再需要購(gòu)買昂貴的精密儀器，也減少了儀器維護(hù)與更新的費(fèi)用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這可以有效地節(jié)約儀器設(shè)備相關(guān)的資金投入。人們通常認(rèn)為，只有通過(guò)親自動(dòng)手實(shí)踐，才能真正熟練地掌握一項(xiàng)技能，才能夠在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可能難以模擬這些突發(fā)情況。對(duì)于教師而言，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也是一種全新的教學(xué)方法，需要打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，重新設(shè)計(jì)教學(xué)方案。對(duì)于學(xué)生而言，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)缺乏實(shí)際操作的真實(shí)感，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比過(guò)于理想化，對(duì)于測(cè)繪這種需要強(qiáng)大實(shí)踐能力的專業(yè)而言，可能并不足夠。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該相互補(bǔ)充，以解決這些問(wèn)題。學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)熟練掌握儀器操作技能，然后再由教師引導(dǎo)進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，以避免因不熟悉操作而導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)。教師則可以借助虛擬仿真技術(shù)的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，自主設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和問(wèn)題，使學(xué)生更深入地了解實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)，從而更好地培養(yǎng)他們的實(shí)際操作技能。

綜上所述，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種有潛力的教學(xué)方式。盡管存在一些局限性，但通過(guò)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和實(shí)踐能力，同時(shí)降低實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的成本和風(fēng)險(xiǎn)，為教育和科研領(lǐng)域帶來(lái)更多的機(jī)會(huì)和便利?；ヂ?lián)網(wǎng)與虛擬實(shí)驗(yàn)室的融合催生了眾多前景廣闊的應(yīng)用，挖掘了潛在的益處，為科研、教育和工程領(lǐng)域帶來(lái)了一系列創(chuàng)新。這種融合將互聯(lián)網(wǎng)的信息傳遞和共享能力與虛擬實(shí)驗(yàn)室的模擬和實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合，形成了一種強(qiáng)大的聯(lián)合力量。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，學(xué)生和研究人員得以擺脫校園網(wǎng)的限制訪問(wèn)虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)收集，這對(duì)于學(xué)生的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和科研合作具有巨大的價(jià)值?；ヂ?lián)網(wǎng)的便捷性使得來(lái)自不同地區(qū)的研究團(tuán)隊(duì)能夠協(xié)同工作，創(chuàng)造更廣闊的合作機(jī)會(huì)。虛擬實(shí)驗(yàn)室提供了一致的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得研究人員可以共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、模型和結(jié)果，促進(jìn)各組織之間的合作與知識(shí)交流。同時(shí)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和虛擬實(shí)驗(yàn)室，科研人員可以更輕松地共享和分析大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而推動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)研究迅速前進(jìn)。互聯(lián)網(wǎng)與虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)合還具有廣泛的培訓(xùn)和演示潛力，可以用于行業(yè)培訓(xùn)和專業(yè)演示，提供更生動(dòng)、互動(dòng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，為從業(yè)人員提供高效的培訓(xùn)手段和模擬實(shí)踐機(jī)會(huì)?；ヂ?lián)網(wǎng)和虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)合開辟了廣闊的應(yīng)用前景，不僅促進(jìn)了科學(xué)研究和知識(shí)共享，也為教育和培訓(xùn)領(lǐng)域帶來(lái)了創(chuàng)新。這一趨勢(shì)將繼續(xù)塑造未來(lái)的學(xué)習(xí)與科研模式，推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化教育已成為我國(guó)開拓教育發(fā)展的重要突破口，推行數(shù)字化教育是未來(lái)教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。虛擬實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以改變傳統(tǒng)測(cè)繪教學(xué)的模式，提高教學(xué)質(zhì)量，還有利于學(xué)院發(fā)展為更加科學(xué)、規(guī)范、合理的現(xiàn)代化學(xué)院。同時(shí)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字技術(shù)，可以使學(xué)生高度參與教學(xué)過(guò)程，有利于培養(yǎng)高素質(zhì)人才，鍛煉學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和工作能力，為他們將來(lái)步入社會(huì)奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：呂偉才，博士研究生，教授，研究方向：現(xiàn)代測(cè)量數(shù)據(jù)處理、GNSS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理；余學(xué)祥，博士研究生，教授，研究方向：衛(wèi)星定位技術(shù)及其應(yīng)用、變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、軟件工程實(shí)踐；徐克立，碩士研究生，研究方向：生態(tài)遙感研究。

基金項(xiàng)目：礦山變形監(jiān)測(cè)虛擬教研室（編號(hào)：2021xnjys007）；導(dǎo)航工程專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)（編號(hào)：2021jxtd083）。