教育信息化時(shí)代的數(shù)字測圖智慧教學(xué)實(shí)踐分析

陳允芳 成樞 劉尚國 劉峰 蔣躍龍

摘? 要：教育信息化時(shí)代虛擬仿真技術(shù)是智慧教學(xué)的重要手段，可虛擬仿真儀器設(shè)備、實(shí)習(xí)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)過程等實(shí)踐環(huán)節(jié)，也可模擬仿真理論教學(xué)的原理與計(jì)算，組成完整的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。文章探討了數(shù)字測圖課程理論教學(xué)中的模擬仿真計(jì)算、虛擬仿真測繪實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用，提出了基于在線課程、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室和教研室的智慧教學(xué)構(gòu)想。

關(guān)鍵詞：教育信息化；虛擬仿真；數(shù)字測圖；智慧教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP39；G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）05-0191-05

Analysis on Digital Mapping Intelligent Teaching Practice in Education Informatization Era

CHEN Yunfang， CHENG Shu， LIU Shangguo， LIU Feng， JIANG Yuelong

（College of Geodesy and Geomatics， Shandong University of Science and Technology， Qingdao? 266590， China）

Abstract： Virtual simulation technology is an important means of intelligent teaching in the education informatization era. It can simulate virtually the practical links such as instruments and equipment， internship environment， experimental process， and also simulate analogically the principles and calculations of theory teaching to form a complete virtual simulation teaching system. This paper discusses the simulation calculation in the theoretical teaching of digital mapping course and the practical teaching application of virtual simulation mapping experiment， and puts forward the intelligent teaching concept based on online course， virtual simulation laboratory and teaching and research room.

Keywords： education informatization; virtual simulation; digital mapping; intelligent teaching

0? 引? 言

教育信息化2.0時(shí)代是以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為依托的智慧教育時(shí)代[1，2]，虛擬仿真應(yīng)用于依賴實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)較多且對(duì)操作技能要求較高的測繪類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)?；跀?shù)字測圖技術(shù)的虛擬仿真目前有虛擬仿真測繪儀器設(shè)備、測區(qū)環(huán)境、外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程等。許多公司企業(yè)、科研院所和高?；蜃灾髟O(shè)計(jì)研發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)或引進(jìn)設(shè)備建立虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地、實(shí)驗(yàn)室等[3-6]。教育部國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)也上線了模擬仿真測繪儀器設(shè)備外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程及數(shù)據(jù)處理的相關(guān)實(shí)驗(yàn)以供學(xué)習(xí)選用[7，8]。虛擬環(huán)境的線上實(shí)踐演練能訓(xùn)練學(xué)生掌握數(shù)字測圖基本方法流程，解決測繪儀器昂貴短缺、管理維護(hù)費(fèi)用高、實(shí)驗(yàn)場地或環(huán)境條件不足學(xué)生不能親手操作儀器的非面對(duì)面師生間的教與學(xué)問題，尤其適用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程教學(xué)，在疫情期間網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)中有著迫切的應(yīng)用需求和廣闊的應(yīng)用前景。目前研究多是針對(duì)外業(yè)控制測量和數(shù)據(jù)采集等實(shí)踐過程的虛擬仿真。測繪儀器設(shè)備數(shù)據(jù)采集及處理是數(shù)字測圖教學(xué)中必不可少的實(shí)踐環(huán)節(jié)，其過程和計(jì)算方法源于課程理論教學(xué)，針對(duì)這些原理和計(jì)算的理論教學(xué)模擬仿真也是課程教學(xué)必不可少的一部分，本文主要探討虛擬仿真技術(shù)在數(shù)字測圖理論與實(shí)踐教學(xué)研究中的應(yīng)用情況。

1? 數(shù)字測圖原理與計(jì)算模擬仿真

在課程理論教學(xué)階段，為便于學(xué)生直觀體驗(yàn)動(dòng)態(tài)方法原理及演練數(shù)據(jù)處理過程，可開發(fā)設(shè)計(jì)模擬仿真計(jì)算平臺(tái)來動(dòng)態(tài)模擬和仿真計(jì)算，以動(dòng)畫或計(jì)算小程序形式補(bǔ)充和完善在在線課程資源中用于進(jìn)行算法學(xué)習(xí)實(shí)踐，為實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)做好理論技術(shù)支撐，如圖1所示為課程中的相關(guān)原理和方法所涉及的計(jì)算。

1.1? 數(shù)字測圖概念及原理模擬

通過制作動(dòng)態(tài)圖或動(dòng)畫模式展示基本概念和原理。如從地球自然表面到大地水準(zhǔn)面、地球橢球面近似抽象簡化過程的動(dòng)態(tài)展示，大地高、正高、正常高三高之關(guān)系及高斯投影過程、國家統(tǒng)一坐標(biāo)、等高線、水準(zhǔn)測量、角度測量等原理講解，可制作成動(dòng)畫或小視頻形式演示，如數(shù)字地形圖應(yīng)用的要素提取和計(jì)算過程，可動(dòng)畫模擬展示其原理，如圖2所示等高線原理可和利用等高線間臺(tái)體計(jì)算土石方量相結(jié)合講解。

1.2? 外業(yè)觀測數(shù)據(jù)模擬仿真

內(nèi)業(yè)計(jì)算所用外業(yè)觀測數(shù)據(jù)可直接通過模擬仿真獲得。仿真數(shù)據(jù)要嚴(yán)格依據(jù)測量規(guī)范中相應(yīng)等級(jí)外業(yè)觀測的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和限差要求、經(jīng)過容許誤差計(jì)算公式逆推生成，即生成數(shù)據(jù)須滿足各等級(jí)觀測的測站限差和高差和角度閉合差、導(dǎo)線全長相對(duì)閉合差等路線閉合差等的精度要求，如圖3所示。

這是早期外業(yè)觀測數(shù)據(jù)模擬仿真的形式，目前測繪儀器設(shè)備觸手可及、可直接測得觀測數(shù)據(jù)，也可由仿真儀器設(shè)備在虛擬場景模擬觀測所得。

1.3? 數(shù)字測圖基礎(chǔ)計(jì)算與路線平差

數(shù)字測圖基礎(chǔ)計(jì)算是后續(xù)路線平差計(jì)算基礎(chǔ)，涉及坐標(biāo)方位角推算、坐標(biāo)正反算、交會(huì)計(jì)算等，可編制成小程序，課堂課件講解使用或作為在線課程資源演示計(jì)算過程。路線平差計(jì)算包括導(dǎo)線、水準(zhǔn)路線及網(wǎng)平差計(jì)算?？梢砸环N計(jì)算方式講解為主，通過變換不同的起算條件，通過舉一反三、比較異同來突出強(qiáng)調(diào)其計(jì)算差異，如附合導(dǎo)線計(jì)算從雙連接角到單連接角、再到無連接角，已知條件依此遞減而計(jì)算難度依此遞增的對(duì)比計(jì)算，循序漸進(jìn)講解不同起算條件的計(jì)算、理解聯(lián)測邊的作用及控制測量的約束意義，不會(huì)因一步到無連接角導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)和縮放問題而難以理解。水準(zhǔn)路線平差計(jì)算亦如此。

1.4? 測量誤差及數(shù)據(jù)處理

測量誤差部分中誤差這一概念，實(shí)際是數(shù)學(xué)中無限次觀測下的標(biāo)準(zhǔn)差，在測繪中有限次觀測下的計(jì)算的簡化符號(hào)，是以已知觀測量真值下求得的真誤差來定義計(jì)算，但真值未知時(shí)要以算術(shù)平均值作為擬真值來計(jì)算改正值，再依據(jù)白塞爾公式來計(jì)算中誤差，這里從無限次到有限次，從真知已知到真知未知是一個(gè)從理想數(shù)學(xué)條件到實(shí)際觀測工作應(yīng)用簡化的過程，可通過證明當(dāng)觀測次數(shù)無限增多時(shí)，算術(shù)平均值趨近于其真值來佐證。另外還有改正值之和恒等于零等，都可以設(shè)計(jì)成動(dòng)畫形式展示。

這些原理過程動(dòng)態(tài)展示、原始數(shù)據(jù)仿真生成和計(jì)算過程模擬或許并非嚴(yán)格意義上的虛擬仿真，而僅是模擬仿真計(jì)算，但可作為測量程序設(shè)計(jì)課程作業(yè)布置給學(xué)生，在練習(xí)編程技能的同時(shí)也兼顧數(shù)字測圖方法原理學(xué)習(xí)，圖4為所開發(fā)部分計(jì)算程序。

這些計(jì)算本身較為簡單，但若將這些計(jì)算分解成單一的小程序，依照授課計(jì)劃嵌入在線課程對(duì)應(yīng)章節(jié)，供學(xué)生自主練習(xí)選用，有助于增強(qiáng)理論教學(xué)學(xué)習(xí)效果。

2? 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字測圖實(shí)踐教學(xué)

數(shù)字測圖外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程虛擬仿真包含了仿真測繪儀器設(shè)備、虛擬測區(qū)環(huán)境及利用這些模擬儀器設(shè)備在虛擬測區(qū)進(jìn)行控制測量、碎部測量等整個(gè)外業(yè)地形數(shù)據(jù)采集過程的模擬實(shí)現(xiàn)。這是依賴于測繪儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場景的傳統(tǒng)實(shí)踐環(huán)節(jié)上的很大突破，也是數(shù)字化測圖時(shí)代智慧測繪手段的體現(xiàn)，從而成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。虛擬測圖設(shè)備系統(tǒng)和配套軟件是現(xiàn)代虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的主角，通過這種虛擬環(huán)境中沉浸式游戲般的實(shí)驗(yàn)操作，數(shù)字測圖基本流程步驟得到了栩栩如生的直觀體驗(yàn)，寓學(xué)于練、寓教于樂，以實(shí)踐推動(dòng)和提升理論教學(xué)效果。

國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)測繪類相關(guān)15個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及了全站儀、GPS-RTK、激光掃描儀、無人機(jī)傾斜攝影測量、車載移動(dòng)測量等設(shè)備或技術(shù)在數(shù)字地形圖測繪方面的虛擬仿真應(yīng)用[7，8]，可供高校師生在線教學(xué)或?qū)W習(xí)選用。南方測繪公司研發(fā)的虛擬仿真水準(zhǔn)儀、全站儀、GNSS和無人機(jī)航測等測繪儀器設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于多次省、國家級(jí)虛擬仿真比賽，配合其航測空三解算軟件和數(shù)字成圖軟件，可脫離于儀器設(shè)備實(shí)體和測區(qū)實(shí)景完成全虛擬仿真環(huán)境下外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理一體化全過程實(shí)踐。線上體驗(yàn)全虛擬仿真環(huán)境下外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理一體化全過程[9，10]，這對(duì)于打怪升級(jí)游戲長大的一代具有很強(qiáng)的吸引力，引起了較高的關(guān)注度和參與度，圖5為南方測繪虛擬仿真導(dǎo)線測量、水準(zhǔn)測量、地面數(shù)字測圖和無人機(jī)航測系統(tǒng)等測繪虛擬仿真教學(xué)軟件。在疫情期間的在線實(shí)踐教學(xué)中起到了很好的替代作用。

3? 虛擬仿真技術(shù)在智慧教學(xué)中的應(yīng)用

人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)構(gòu)建智能化實(shí)體空間和數(shù)字化理論空間，借助智能具身的實(shí)踐空間實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)、融合與超越，使學(xué)生在更為智慧和多維空間中完成對(duì)知識(shí)、能力和德性的聚合和升華以增進(jìn)個(gè)體智慧生成，實(shí)現(xiàn)了教育信息化下的智慧教育[1]。

遠(yuǎn)程在線學(xué)習(xí)是現(xiàn)代教育智慧化和數(shù)字化促成的必然趨勢。在線課程建設(shè)和虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)是開展智慧教育的重要平臺(tái)和手段。教育部國家高等教育智慧教育平臺(tái)首批上線覆蓋14個(gè)學(xué)科92個(gè)專業(yè)類2.7萬門優(yōu)質(zhì)在線課程，測繪類相關(guān)課程50余門，我校16門。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成共同構(gòu)成高等教育教學(xué)體系，其水平高低直接影響著人才培養(yǎng)質(zhì)量。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的重要平臺(tái)和載體，目前許多高校自主設(shè)計(jì)研發(fā)或引進(jìn)虛擬仿真系統(tǒng)及設(shè)備建立虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地和實(shí)驗(yàn)室。

基于虛擬仿真技術(shù)開展遠(yuǎn)程在線教研活動(dòng)的虛擬教研室是教育信息化時(shí)代智慧教學(xué)的新型教學(xué)組織，可將在線課程與虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)成果結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛擬與實(shí)際結(jié)合、線上與線下結(jié)合、課內(nèi)與課外結(jié)合、校內(nèi)與校外結(jié)合的遠(yuǎn)程在線多元化展示、推廣、融合、交流等教學(xué)研討活動(dòng)，以推動(dòng)智慧教學(xué)的開展，提升教學(xué)質(zhì)量和推進(jìn)智能化測繪人才培養(yǎng)。教育部首批建設(shè)試點(diǎn)四百余個(gè)虛擬教研室，測繪相關(guān)的有武漢大學(xué)空間定位與導(dǎo)航課程虛擬教研室、中國礦業(yè)大學(xué)測繪工程專業(yè)虛擬教研室等。

在線課程是網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育的全面基礎(chǔ)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育的瓶頸，在線課程建設(shè)、虛擬教研室及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)和仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共享為遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育提供了豐富的課程資源、教研師資和實(shí)驗(yàn)條件[11]。如圖6所示。

4? 基于虛擬仿真技術(shù)的理論與實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

數(shù)字測圖在線課程包含了授課視頻、課件、測驗(yàn)和習(xí)題庫、模擬計(jì)算小程序、教學(xué)大綱、授課計(jì)劃表、實(shí)驗(yàn)大綱、測繪規(guī)范、儀器說明書、測繪工程案例、課程思政案例和業(yè)界人物、動(dòng)態(tài)報(bào)道等豐富的教學(xué)資源，除了講解原理、演示計(jì)算方法和操作流程的課程理論學(xué)習(xí)本身，還要拓寬學(xué)生知識(shí)面，了解學(xué)科發(fā)展歷程、業(yè)界動(dòng)態(tài)和當(dāng)前學(xué)科前沿。

實(shí)踐教學(xué)方面，為使虛擬仿真軟件更好地應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)和比賽訓(xùn)練，還建了虛擬仿真數(shù)字測圖實(shí)踐教學(xué)實(shí)訓(xùn)、技能比賽實(shí)訓(xùn)等外業(yè)實(shí)際操作和虛擬仿真軟件學(xué)習(xí)的在線課程平臺(tái)，用以指導(dǎo)學(xué)生用于實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)及參加各類別線下實(shí)操比賽或線上虛擬仿真比賽，如圖7所示。

這些在線課程平臺(tái)從數(shù)字測圖課程教學(xué)理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)到比賽實(shí)訓(xùn)，涵蓋了從理論到實(shí)驗(yàn)再到創(chuàng)新實(shí)踐全過程。實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)是從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐操作的演練，考查的是學(xué)生對(duì)數(shù)字測圖基礎(chǔ)理論和方法的實(shí)踐應(yīng)用能力，如控制點(diǎn)的布測和外業(yè)數(shù)據(jù)采集基本流程，也是發(fā)現(xiàn)和解決問題能力的培養(yǎng)，如無人機(jī)航測中空三精度、刺點(diǎn)精度為何低、何為重投影誤差等，書到用時(shí)方恨少，實(shí)踐達(dá)不到要求就需要返回理論查找答案，實(shí)踐來源于理論又回歸理論反芻學(xué)習(xí)，能督促和激勵(lì)學(xué)生查缺補(bǔ)漏、夯實(shí)基礎(chǔ)并拓展學(xué)習(xí)，達(dá)到促教、促學(xué)、促練、促改、促建的目的，如圖8所示。

這里僅探討用于線上學(xué)習(xí)的在線課程和線上演練的虛擬仿真實(shí)踐部分。傳統(tǒng)數(shù)字測圖實(shí)踐教學(xué)離不開儀器設(shè)備實(shí)物、測區(qū)實(shí)景和師生親臨現(xiàn)場面對(duì)面、手把手教授，虛擬仿真技術(shù)支撐下的線上演練擺脫了這種束縛，可以和在線課程學(xué)習(xí)一起實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐一體化的線上學(xué)習(xí)體驗(yàn)，可作為線下實(shí)物實(shí)驗(yàn)很好的輔助或不便時(shí)的替代。在線課程平臺(tái)承載了是上述測量原理、方法和計(jì)算的理論教學(xué)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則是脫離了儀器實(shí)體的虛擬環(huán)境下利用仿真儀器所開展的數(shù)據(jù)采集過程的在線模擬與演練，二者結(jié)合兩位一體可很好的實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐創(chuàng)新的在線一體化學(xué)習(xí)。

5? 結(jié)? 論

數(shù)字測圖是理論與實(shí)踐學(xué)習(xí)并重的學(xué)科，在線課程是承載理論學(xué)習(xí)的重要平臺(tái)，虛擬仿真技術(shù)是促成線上實(shí)踐演練的重要手段。智慧地球時(shí)代，基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字測圖在線教學(xué)也步入智慧教學(xué)階段，這是教育信息化時(shí)代對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)，高校教育工作者要順應(yīng)時(shí)代潮流勇于接受挑戰(zhàn)，不斷學(xué)習(xí)和探索以積極態(tài)度應(yīng)對(duì)考驗(yàn)。

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作者簡介：陳允芳（1977.04—），女，漢族，山東新泰人，講師，博士，研究方向：數(shù)字測圖與信息化測繪。

收稿日期：2022-10-12

基金項(xiàng)目：2020年山東科技大學(xué)教育教學(xué)研究“群星計(jì)劃”項(xiàng)目（QX2020M11）；2021年山東科技大學(xué)教育教學(xué)研究“群星計(jì)劃”項(xiàng)目（QX2021M11）