測繪虛擬仿真技術(shù)在采礦工程專業(yè)測量學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

作為信息技術(shù)與教育深度融合的產(chǎn)物，虛擬仿真技術(shù)通過構(gòu)建逼真的虛擬環(huán)境和交互式操作平臺，為傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來了革命性的變革。在采礦工程專業(yè)中，測量學(xué)作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，對培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力和實踐操作技能具有重要作用。然而，傳統(tǒng)的測量學(xué)教學(xué)模式存在諸多局限性，難以滿足現(xiàn)代礦業(yè)人才培養(yǎng)的需求。傳統(tǒng)教學(xué)過于依賴?yán)碚撝v授，導(dǎo)致理論與實踐脫節(jié)，同時傳統(tǒng)教學(xué)模式難以直觀展示復(fù)雜的測量原理和過程，學(xué)生在理解抽象概念時常常遇到困難。面對這些挑戰(zhàn)，教師將虛擬仿真技術(shù)引入測量學(xué)教學(xué)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足，為培養(yǎng)高素質(zhì)礦業(yè)人才提供新的途徑。

一、測繪虛擬仿真技術(shù)概述

測繪虛擬仿真技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在測繪領(lǐng)域的深度應(yīng)用，依托計算機(jī)建模與仿真技術(shù)構(gòu)建高精度三維測繪場景，精準(zhǔn)模擬真實測量操作流程，為用戶提供沉浸式的交互體驗。該技術(shù)具有高度仿真性、強(qiáng)交互性和深度沉浸性三大特征。高度仿真性體現(xiàn)在對測量場景的地形地貌特征、儀器設(shè)備外觀及操作細(xì)節(jié)的精確還原；強(qiáng)交互性表現(xiàn)為支持用戶通過數(shù)據(jù)手套、力反饋設(shè)備等多種輸人裝置與虛擬環(huán)境進(jìn)行實時交互；深度沉浸性則借助頭戴式顯示器、洞穴式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等設(shè)備，為用戶營造身臨其境的感知體驗

在測量學(xué)教學(xué)領(lǐng)域，測繪虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。其突破時空限制的特點(diǎn)使學(xué)生能在虛擬環(huán)境中進(jìn)行全天候、多場景的測量實踐，通過模擬復(fù)雜地形和危險環(huán)境，有效保障了教學(xué)安全性。同時，測量數(shù)據(jù)的實時記錄與回放功能支持過程回溯，有助于學(xué)生深人理解測量原理與方法。

具體到教學(xué)應(yīng)用層面，測繪虛擬仿真技術(shù)主要體現(xiàn)在環(huán)境模擬、協(xié)同操作和故障模擬三個方面。一是可以模擬各種天氣條件和環(huán)境因素對測量的影響，幫助學(xué)生全面理解測量工作的復(fù)雜性；二是可以實現(xiàn)多人協(xié)同操作，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力；三是可以設(shè)置各種故障和異常情況，提高學(xué)生的問題解決能力。這些功能使得測繪虛擬仿真技術(shù)成為測量學(xué)教學(xué)中不可或缺的工具，為培養(yǎng)高素質(zhì)的測繪人才提供了有力支持。

二、采礦工程專業(yè)測量學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

首先，采礦工程專業(yè)測量學(xué)課程教學(xué)主要采用理論講授與實地實習(xí)相結(jié)合的方式。這種傳統(tǒng)教學(xué)模式在貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院（以下簡稱學(xué)院）的實際教學(xué)中暴露出顯著短板。學(xué)院原有全站儀、水準(zhǔn)儀等儀器僅15臺，需供60名學(xué)生輪換使用，學(xué)生平均每人實操時間不足10分鐘，難以達(dá)到熟練掌握的要求。此外，2022年礦山測量實訓(xùn)期間曾因突降暴雨導(dǎo)致3天野外作業(yè)取消，嚴(yán)重影響教學(xué)進(jìn)度。

其次，在安全方面，學(xué)生過去在井下控制網(wǎng)布設(shè)實訓(xùn)中，因部分學(xué)生未規(guī)范操作，接近采空區(qū)邊緣，曾發(fā)生過輕微安全事故。這類高風(fēng)險場景的實踐受限制，使得學(xué)生對復(fù)雜工況的應(yīng)對能力培養(yǎng)不足。

最后，傳統(tǒng)教學(xué)模式還存在理論與實踐脫節(jié)的問題。學(xué)院2021年課程考核數(shù)據(jù)顯示， 72% 的學(xué)生表示課堂所學(xué)的“數(shù)字高程模型構(gòu)建”原理難以通過有限的實地采樣驗證。同時，由于實訓(xùn)場地有限，約 40% 的個性化學(xué)習(xí)需求（如不同測量誤差修正方法的探索）無法得到充分滿足，學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)受限。

面對這些挑戰(zhàn)，測量學(xué)課程教學(xué)改革勢在必行。將測繪虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)模式的不足。學(xué)院于2023年引入南方測繪虛擬仿真平臺后，通過“虛實結(jié)合”的教學(xué)模式，儀器操作失誤率從 43% 降至 12% 。這種技術(shù)不僅突破時空限制，還能通過模擬塌方、滑坡等危險場景提升實踐安全性。

三、測繪虛擬仿真技術(shù)在采礦工程專業(yè)測量學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

（一）虛擬測量儀器操作

在虛擬測量儀器操作方面，學(xué)院自2022年起引入廣州南方測繪股份有限公司開發(fā)的測繪虛擬仿真教學(xué)平臺，實現(xiàn)了全站儀、水準(zhǔn)儀等12類儀器的1：1建模。學(xué)生在計算機(jī)端可完成儀器拆裝、角度測量等36項標(biāo)準(zhǔn)化操作，系統(tǒng)通過力反饋裝置模擬儀器真實重量，光斑定位精度達(dá)0.1毫米。2023年教學(xué)數(shù)據(jù)顯示，實驗課平均操作失誤率從傳統(tǒng)實訓(xùn)的 43% 降至 12% ，儀器損壞率同比下降 78% 。特別在“全站儀軸線校正”專項訓(xùn)練中，學(xué)生通過虛擬平臺的3D動態(tài)演示，相關(guān)知識點(diǎn)的考核優(yōu)秀率由61% 提升至 89% 。

（二）三維場景模擬

在三維場景模擬方面，虛擬仿真技術(shù)可以構(gòu)建礦山、隧道等復(fù)雜的三維測量場景。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行控制測量、地形測量等實踐操作，體驗真實的測量過程。這種沉浸式的學(xué)習(xí)體驗有助于學(xué)生理解抽象的測量概念，提高空間思維能力。

學(xué)院聯(lián)合南方測繪技術(shù)團(tuán)隊構(gòu)建了包含11類典型礦井的三維實景數(shù)據(jù)庫，其中“復(fù)雜巖層隧道測量'虛擬項目已應(yīng)用于2023級測繪工程專業(yè)教學(xué)。該場景包含87處地質(zhì)構(gòu)造突變點(diǎn)，支持動態(tài)調(diào)整地表沉降速率和能見度等參數(shù)。學(xué)生在完成3次虛擬實訓(xùn)后，現(xiàn)場實操時的斷面測量效率提升 40% ，數(shù)據(jù)處理錯誤率降低 55% 。

（三）虛擬實習(xí)實訓(xùn)

在虛擬實習(xí)實訓(xùn)方面，虛擬仿真技術(shù)可以模擬各種測量任務(wù)和工程場景，如礦山測量、變形監(jiān)測等。在實際教學(xué)過程中，學(xué)院教師團(tuán)隊開發(fā)設(shè)計了虛擬的礦山變形監(jiān)測項目，包含23個標(biāo)準(zhǔn)化工序節(jié)點(diǎn)，涵蓋從初期勘探到閉坑復(fù)墾的全周期測量任務(wù)。學(xué)生在虛擬環(huán)境中需完成17類傳感器布設(shè)方案設(shè)計，處理200多組多源異構(gòu)數(shù)據(jù)（包括激光雷達(dá)點(diǎn)云和GNSS實時監(jiān)測數(shù)據(jù)）。虛擬實習(xí)不僅可以讓學(xué)生體驗完整的測量工程流程，還可以設(shè)置各種突發(fā)情況和復(fù)雜條件，鍛煉學(xué)生的應(yīng)變能力和問題解決能力。

（四）測量過程的回放和分析

在教學(xué)過程中，基于虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)了測量過程的全要素數(shù)字化記錄。教師可通過三維軌跡回放功能，精確分析學(xué)生操作的12項關(guān)鍵指標(biāo)（如對中偏差、整平耗時等）。在2023級的控制測量實訓(xùn)中，系統(tǒng)自動識別出 38% 的粗差操作，其中“閉合差超限”預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá) 91% ?；谠撓到y(tǒng)的教學(xué)評價改革使過程性考核占比提升至 60% ，學(xué)生課程考核優(yōu)秀率連續(xù)兩年保持 25% 以上的增長。測繪虛擬仿真技術(shù)在測量學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用，不僅解決了傳統(tǒng)教學(xué)中的諸多難題，還為培養(yǎng)高素質(zhì)礦業(yè)人才提供了新途徑。學(xué)院通過構(gòu)建“儀器操作一場景模擬一項目實訓(xùn)－過程分析”四位一體的虛擬仿真實驗體系，近三年學(xué)生實踐創(chuàng)新能力顯著提升，學(xué)科競賽獲獎數(shù)量增長 150% ，用人單位對畢業(yè)生現(xiàn)場操作能力的滿意度達(dá) 94.6% 。這種校企深度協(xié)同的教學(xué)模式，成功實現(xiàn)了三個轉(zhuǎn)變從“實物操作”向“數(shù)字孿生”轉(zhuǎn)變、從“結(jié)果評價”向“過程溯源”轉(zhuǎn)變、從“單一場景”向“多維參數(shù)”轉(zhuǎn)變。未來，隨著‘ 5G+XR ”技術(shù)的深度融合，測繪虛擬仿真教學(xué)將向更高階的智能決策訓(xùn)練方向發(fā)展，為礦業(yè)工程教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供持續(xù)動力。

四、測繪虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于采礦工程專業(yè)測量學(xué)課程教學(xué)中的保障措施

為了確保虛擬仿真技術(shù)在測量學(xué)教學(xué)中的有效應(yīng)用，學(xué)院近年來采取了一系列措施提升軟硬件水平，改進(jìn)教學(xué)方法，加大教學(xué)改革力度。

首先，在硬件設(shè)施方面，學(xué)院需要建設(shè)配備高性能計算機(jī)和虛擬現(xiàn)實設(shè)備的專用實驗室，為學(xué)生提供良好的虛擬仿真學(xué)習(xí)環(huán)境。實驗室應(yīng)配備足夠的計算機(jī)工作站、虛擬現(xiàn)實頭盔、數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，以滿足大規(guī)模教學(xué)需求。同時，學(xué)院還需要建立穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，支持多用戶同時在線操作。

其次，在軟件資源方面，學(xué)院需要開發(fā)或引進(jìn)高質(zhì)量的測繪虛擬仿真教學(xué)軟件，確保虛擬測量場景和操作過程的高度仿真性?？梢耘c企業(yè)合作，開發(fā)針對采礦工程專業(yè)特點(diǎn)的測繪虛擬仿真教學(xué)軟件，或者引進(jìn)成熟的商業(yè)軟件進(jìn)行二次開發(fā)。軟件應(yīng)具備良好的交互性和可擴(kuò)展性，能根據(jù)教學(xué)需求不斷更新和完善。

最后，學(xué)院還需要建立完善的測繪虛擬仿真教學(xué)評價體系，及時收集學(xué)生反饋，不斷優(yōu)化教學(xué)設(shè)計和實施過程。學(xué)院可以采用問卷調(diào)查、訪談等方式，了解學(xué)生對測繪虛擬仿真教學(xué)的滿意度和改進(jìn)建議。同時，學(xué)院應(yīng)建立科學(xué)的考核機(jī)制，將測繪虛擬仿真操作納人課程考核范圍，激勵學(xué)生積極參與虛擬仿真學(xué)習(xí)。

五、結(jié)語

測繪虛擬仿真技術(shù)在采礦工程專業(yè)測量學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用，為傳統(tǒng)測量學(xué)教學(xué)帶來了革命性的變革。通過虛擬測量儀器操作、三維場景模擬和虛擬實習(xí)實訓(xùn)等方式，虛擬仿真技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)教學(xué)中實踐機(jī)會不足、安全隱患等問題，顯著提高了教學(xué)質(zhì)量和效率。

通過虛擬測量儀器操作和三維場景模擬，學(xué)生能在安全、可控的環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，不僅提高了實踐操作能力，還加深了對測量原理和方法的理解。測繪虛擬仿真技術(shù)的沉浸式體驗和交互性功能，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，顯著提升了教學(xué)效果。

測繪虛擬仿真技術(shù)拓展了實踐教學(xué)的廣度和深度。虛擬仿真技術(shù)能模擬復(fù)雜和危險的測量場景，如礦山測量、高空測量等，突破了傳統(tǒng)實地實習(xí)的局限性。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中完成從測量方案設(shè)計到數(shù)據(jù)處理的完整流程，培養(yǎng)綜合實踐能力和創(chuàng)新思維，為未來從事礦業(yè)工程奠定堅實基礎(chǔ)。

測繪虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用需要持續(xù)投人和優(yōu)化。盡管測繪虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中展現(xiàn)出巨大潛力，但其應(yīng)用仍面臨硬件設(shè)施投入大、軟件資源更新快等挑戰(zhàn)。未來需要加大對測繪虛擬仿真實驗室的建設(shè)力度，開發(fā)更多高質(zhì)量的虛擬仿真教學(xué)資源，同時加強(qiáng)教師培訓(xùn)，提升其運(yùn)用測繪虛擬仿真技術(shù)的能力。此外，還需建立科學(xué)的評價體系，不斷優(yōu)化測繪虛擬仿真教學(xué)的設(shè)計和實施。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳允芳，劉尚國，劉鳳英.數(shù)字賦能與智慧教育下數(shù)字測圖課程教學(xué)探索與實踐[J].測繪工程，2025（1）.

[2]魏東升，鄧曉嘉.面向智能測繪的測繪專業(yè)實踐教學(xué)改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2024（10）.

[3]王偉，劉士偉，陳曉輝.基于“虛實結(jié)合”實驗的測量學(xué)課程互動式學(xué)習(xí)方法研究[J].測繪與空間地理信息，2024（S1）.

[4]劉衛(wèi)軍，張獻(xiàn)偉，李萍萍.新型基礎(chǔ)測繪虛實一體化教學(xué)改革研究[J].地理空間信息，2024（5）.

[5]康永剛，宋嗣仁，肖歡，等.基于數(shù)字孿生的精準(zhǔn)調(diào)裝實驗平臺及教學(xué)項目設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2023（11）

[6]王平，曹元志，周青山.新型基礎(chǔ)測繪體系下數(shù)字地形測量學(xué)的改革[J].中國教育技術(shù)裝備，2024（3）.

基金項目：貴州大學(xué)測繪工程國家級一流本科專業(yè)建設(shè)項目。

（作者單位：貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院）