孔令奇

摘 要：土木工程測量是土木工程類專業(yè)必修的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)核心課。本文針對傳統(tǒng)工程測量實踐教學(xué)存在的問題，對混合式教學(xué)手段的內(nèi)容和虛擬仿真技術(shù)進行了分析總結(jié)，提出了將虛擬仿真技術(shù)和混合式教學(xué)相結(jié)合的實踐教學(xué)新模式，并討論了其在教學(xué)中需要注意的問題。新模式有效地解決了課程實驗課時不足及實驗條件落后等現(xiàn)實問題，為工程測量實踐教學(xué)的改革和發(fā)展提供了一條新路徑。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)混合式教學(xué)工程測量實踐教學(xué)

中圖分類號：TU43文獻標識碼：A

Application of Hybrid Teaching Combined with Virtual Simulation Technology in Engineering Survey Practice Teaching

KONG Lingqi

（1.School of Materials and Environmental Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu， Sichuan Province， 610031China）

Abstract： Civil engineering survey is an important basic core course for civil engineering majors. In view of the problems existing in traditional engineering survey practice teaching， this paper analyzes and summarizes the content of hybrid teaching methods and virtual simulation technology.A new practical teaching mode combining virtual simulation technology with hybrid teaching is proposed， and the problems needing attention in teaching are discussed. The new model effectively solves the practical problems such as insufficient experimental hours and backward experimental conditions， and provides a new path for the reform and development of engineering surveying practice teaching.

Key Words：Virtual simulation technology; Hybrid teaching; Engineering survey; Practice teaching

土木工程測量這門課程是土木工程專業(yè)必修的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。這門課程重點要求學(xué)生掌握測量的基礎(chǔ)理論知識，進行簡單的儀器操作，獨立讀圖并能根據(jù)所學(xué)知識用圖，最終具有將所學(xué)知識應(yīng)用于工程實際的能力。土木類專業(yè)畢業(yè)生主要就業(yè)去向是與土建相關(guān)的施工或者設(shè)計單位，實際工作中最早接觸的工作一般就是建筑施工測量工作或線路工程放樣等。因此，高校土木工程測量課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)過程，直接影響高校學(xué)生就業(yè)和未來個人的發(fā)展[2]。

隨著現(xiàn)代測繪技術(shù)迅猛發(fā)展，國內(nèi)外不斷涌現(xiàn)出衛(wèi)星定位技術(shù)、無人機測繪技術(shù)和全息虛擬信息化仿真技術(shù)等[3]，高等院校土木工程測量課程如果不及時更新，培養(yǎng)的學(xué)生將難以滿足用人單位的實際需要。由此可見，高校實踐教學(xué)內(nèi)容與工程實際脫節(jié)，造成學(xué)生未來無法適應(yīng)實際工作中的工程需求[2]。

1“工程測量”傳統(tǒng)實踐教學(xué)存在的問題

1.1課程學(xué)時不足

目前很多高校將土木類學(xué)科的“工程測量”課程設(shè)為32+16個學(xué)時，其中32個理論學(xué)時講授基本理論知識，并介紹新技術(shù)理論，授課嚴重不夠[4，5]，不可能再拿出課時講授實驗部分的內(nèi)容。而在工程測量實驗教學(xué)中，一次2個學(xué)時中既要講實驗又要做實驗，教師先在實驗室講授實驗過程和實驗要點，然后是分發(fā)儀器，學(xué)生現(xiàn)場實驗。由于測量實驗的復(fù)雜性，很多實驗要點是做過實驗后學(xué)生才能夠真正領(lǐng)會的，在短時間內(nèi)學(xué)生因為不熟悉儀器和實驗過程，經(jīng)常出現(xiàn)實驗做完了才發(fā)現(xiàn)自己沒有按照實驗要求做，出現(xiàn)錯誤也沒有時間重做的情況，實踐教學(xué)效果難以保證。

1.2受場地限制

高校實驗教學(xué)場地一般都設(shè)置在教學(xué)樓和實驗樓附近，優(yōu)點是能夠節(jié)省實驗室到實訓(xùn)場地的路上消耗的時間成本，這樣的場地一般地形平坦，建筑物規(guī)則，易于多組同時測量，且不容易出現(xiàn)安全問題。但實際工程建設(shè)的地形多變，典型的山區(qū)地形、地貌無法模擬[2]，學(xué)生得不到更好的鍛煉，難以完全滿足課程的實踐需求。但若實訓(xùn)場地設(shè)置在較遠的地方甚至校外，那么來回路上的時間成本增加，會反過來壓縮本來就少的上課時間，學(xué)生測量時的安全問題也很難得到保證。

1.3儀器限制

“工程測量”課程教學(xué)中所使用的教材內(nèi)容無法得到及時的更新，如前文所述，隨著測繪技術(shù)的迅猛發(fā)展，新的測繪技術(shù)和測繪儀器應(yīng)運而生，高校內(nèi)較多經(jīng)典教材中仍在介紹如光學(xué)經(jīng)緯儀等較老型號的儀器，而現(xiàn)在工程中廣泛應(yīng)用的GPS、全站儀等智能儀器鮮有介紹[4]。

1.4實驗教師不足

一次測量實驗課實驗小組少則10組，多則20組，通常只配有一名實驗指導(dǎo)教師。與室內(nèi)實驗不同，測量實驗過程中各小組分散在一個大的測量實訓(xùn)場地上。學(xué)生實驗過程中出現(xiàn)問題很難得到及時解答，而實驗教師在場地上來回奔波解決問題，對于一次實驗的把控最終只能落在實驗結(jié)果是否正確上，根本沒有時間去關(guān)注學(xué)生的具體操作是否規(guī)范。

1.5實踐教學(xué)考核方法不夠合理。

高校工程測量實驗需要由多名學(xué)生分組合作完成，一組同學(xué)測繪一組數(shù)據(jù)，完成一份報告。這就造成教師無法判定學(xué)生個人在實驗過程中的參與度和貢獻度，無法評定學(xué)生個人的實踐效果，考核方法不夠合理、全面[2]。

混合式教學(xué)近年來越來越被師生所接受。教師除了課堂授課外，可以借助一些網(wǎng)絡(luò)資源平臺（如微信、QQ等），這些平臺不受時空限制，輔助線下教學(xué)，能有效地促進課程的教學(xué)質(zhì)量，大大提高學(xué)生的綜合素質(zhì)[6，7]。但目前，混合式教學(xué)方式在國內(nèi)主要應(yīng)用于理論課，鮮有將混合式教學(xué)方法應(yīng)用于實踐性較強的課程，所以，對于像工程測量這樣實踐性強的專業(yè)課程，開展混合式教學(xué)方式研究具有重要的實際意義。

2“混合式教學(xué)”的手段

“混合式教學(xué)”即線下課堂講授與網(wǎng)絡(luò)線上教學(xué)相結(jié)合的一種教學(xué)方式。這種教學(xué)方式不是簡單意義上通過網(wǎng)絡(luò)平臺講授課程內(nèi)容，而是將線上借助網(wǎng)絡(luò)平臺的教學(xué)模式融入傳統(tǒng)的線下課堂授課之中，甚至應(yīng)用到課堂之外。最大限度地發(fā)揮出網(wǎng)絡(luò)教學(xué)不受時空限制的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的課堂授課方式相互融合，從而提升學(xué)生的學(xué)習興趣與學(xué)習效果[8-10]。

2.1線上教學(xué)

傳統(tǒng)的線下教學(xué)教師只有在固定的時間和固定的地點給學(xué)生授課，而且教師的講解內(nèi)容不具有回放性，不管學(xué)生接受多少，教師只有按照教學(xué)大綱定時定量“灌輸”給學(xué)生，課后學(xué)生也只能根據(jù)課堂筆記回憶教師所講內(nèi)容。

借助網(wǎng)絡(luò)平臺，開展線上教學(xué)資源的建設(shè)，有力地彌補線下教學(xué)的不足[8-10]。教師可為學(xué)生選擇一些優(yōu)秀的微課和慕課課程，將提前選擇好的課件分重點、難點內(nèi)容，借助一些教學(xué)平臺如超星、易智云課堂等推送給班級學(xué)生，學(xué)生可自主選擇時間、地點反復(fù)進行學(xué)習。為了學(xué)生更好地掌握學(xué)習內(nèi)容，教師還可對相關(guān)內(nèi)容設(shè)置習題，學(xué)生在觀看微視頻后，可通過回答相關(guān)問題來判斷個人對相關(guān)知識的掌握程度。借助網(wǎng)絡(luò)平臺的線上教學(xué)，具有較強的靈活性，不受時間和地點的限制，彌補了線下課堂教學(xué)課時不足的局限性，優(yōu)化了教師課堂講授內(nèi)容[7-9]。

2.2任務(wù)驅(qū)動法教學(xué)

任務(wù)驅(qū)動法教學(xué)是以“任務(wù)”驅(qū)動教學(xué)?！肮こ虦y量”課程是一門典型的理論與實踐相結(jié)合的課程，為使得學(xué)生更好地掌握課堂理論知識，掌握基本的測量技能，教師可將實驗教學(xué)內(nèi)容在課堂講授的相關(guān)知識基礎(chǔ)上，分解若干實驗任務(wù)，采用任務(wù)驅(qū)動法教學(xué)。

學(xué)生在下發(fā)的實驗任務(wù)的基礎(chǔ)上，以教師課堂講授的基本知識為基礎(chǔ)，通過自己分析問題、解決問題，獨立完成每個實驗任務(wù)，脫離教師管控。這種任務(wù)驅(qū)動法不僅能調(diào)動學(xué)生探索問題、解決問題的求知欲望，更能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習的熱情。

任務(wù)驅(qū)動法需要首先建立學(xué)習情境，布置相關(guān)任務(wù);然后分析具體任務(wù)，并動手實施;最后完成各項任務(wù)，并進行評價[7，10]。

2.3移動教學(xué)平臺助力師生互動，提高學(xué)生課堂參與度

人們處在信息化時代，高校教學(xué)模式也應(yīng)與時俱進，順應(yīng)時代的改變。智能手機、平板電腦已經(jīng)成為人人具有、隨身攜帶的必備品。應(yīng)充分利用移動設(shè)備的移動化、便利化，在學(xué)生的學(xué)習中發(fā)揮作用。在課程實踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生可借助智能手機，下載APP軟件學(xué)習和輔助計算?！皽y量員”APP軟件是一款可在智能手機運行的應(yīng)用程序，學(xué)生可在實踐環(huán)節(jié)借助該款軟件核算實驗結(jié)果、協(xié)助學(xué)習，提高實驗的效率和準確性[7，11]。

目前，微信、QQ是每個智能手機必備程序，教師可借助智能手機，隨時、隨地靈活地參與學(xué)生的實踐指導(dǎo)，學(xué)生在實驗過程遇到的任何難題和疑問均可通過微信或QQ與教師交流討論，教師實時指導(dǎo)。學(xué)生測量任務(wù)完成后，也可以及時發(fā)送測量結(jié)果給教師批閱，一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時更改，真正做到“教”與“學(xué)”的零延時互動[11]。

事實證明，混合式教學(xué)也能夠有效地解決實踐類課程實驗課時不足的問題，采用任務(wù)驅(qū)動法教學(xué)，課前發(fā)布任務(wù)，可以調(diào)動學(xué)生的積極性和創(chuàng)造力，利用線上教學(xué)的方式把實驗步驟和實驗內(nèi)容在課前讓學(xué)生學(xué)習并測試學(xué)習效果，而使線下授課變得更有針對性，把更多的時間拿來讓學(xué)生操作。而移動教學(xué)平臺可以加強學(xué)生和教師的互動，提高學(xué)生的學(xué)習興趣。但對于工程測量傳統(tǒng)教學(xué)中反映出的場地、儀器等問題并沒有改善的作用。

3虛擬仿真教學(xué)技術(shù)在測繪領(lǐng)域的發(fā)展

工程測量實踐課程所采用的測量儀器個體笨重、昂貴，學(xué)生只能在指定時間和地點按時使用、按時歸還。虛擬仿真技術(shù)不受時間、地點、使用次數(shù)、設(shè)備維護等方面的限制，學(xué)生可借助手機、電腦等移動設(shè)備，在虛擬環(huán)境中真實地無次數(shù)限制地操作儀器，模擬各種測量方法和測量方案，這不僅可以加強學(xué)生對測量課程理論、實踐內(nèi)容的理解和掌握，還極大地提高了學(xué)生學(xué)習的熱情和效率[12]。

目前，虛擬仿真教學(xué)主要指虛擬仿真技術(shù)教學(xué)課件和虛擬仿真技術(shù)教學(xué)平臺。課件是針對課堂理論教學(xué)中涉及的知識點而開發(fā)獨立的相關(guān)的教學(xué)動畫或者教學(xué)軟件，一般只提供與課堂相關(guān)理論知識對應(yīng)的實驗儀器，學(xué)生可以借助課件完成模擬操作實驗，視覺觀察實驗現(xiàn)象，得出相關(guān)結(jié)論。平臺是針對相關(guān)課程某一系統(tǒng)實驗開發(fā)的相關(guān)仿真軟件，軟件真實模擬現(xiàn)場環(huán)境和儀器，學(xué)生在軟件里可以像真實生活中一樣取出實驗儀器，搭建不同的實驗?zāi)Ｐ?，完全擺脫了實際硬件設(shè)備限制[12，13]。

3.1儀器

在仿真環(huán)境中，所有的儀器和部件都是高度智能化的，幾乎和真實儀器一樣。比如全站儀安置過程的對中、粗平、精密等操作都有智能提示，設(shè)站檢查時有錯誤提醒;其他主要操作步驟都有成功提醒和進一步調(diào)整提示。同時提供了一個測繪設(shè)備專業(yè)器材庫，涵蓋測繪行業(yè)的中高端儀器設(shè)備，如全站儀、RTK、無人機等系統(tǒng)可以全視角展示設(shè)備的操作和拼裝，學(xué)習者可以自由選擇設(shè)備進行操作和組裝[13]。

3.2虛擬測區(qū)

在仿真環(huán)境中，所有實體模型基本滿足測繪工作的地物、地貌測繪的要求，所呈現(xiàn)的場景不僅是三維虛擬環(huán)境，更是滿足測繪要求的實體空間。

三維可視化的測區(qū)，讓測前踏勘工作靈活呈現(xiàn)。根據(jù)測繪目的、踏勘情況，自主性地選擇測繪方法、手段及設(shè)備，克服了傳統(tǒng)實訓(xùn)中無法呈現(xiàn)“理想”的測區(qū)環(huán)境、“測繪方法得靠想、設(shè)備選擇得靠背”等弊端。

3.3施工情境

圍繞相關(guān)專業(yè)工程對具體測繪的要求，采用仿真技術(shù)虛擬施工過程，采用案例法，將測量專業(yè)和其他專業(yè)連接起來，拓寬學(xué)生實訓(xùn)視野[14]。

3.4虛擬實訓(xùn)與考核

根據(jù)教、學(xué)、練的主動學(xué)習能力，自主完成綜合性的虛擬實訓(xùn)操作，實現(xiàn)學(xué)生由課堂到課外實訓(xùn)的順利過渡，完成對學(xué)生的課上考核。

3.5評價反饋

實現(xiàn)讀數(shù)仿真、精準，全過程記錄實訓(xùn)操作，通過記錄和計算，反饋追蹤測繪過程的正確性、測繪成果的質(zhì)量性。

虛擬仿真軟件甚至可以定制場景，讓學(xué)生的練習不再只是簡單的重復(fù)實驗。虛擬環(huán)境中的仿真儀器，能夠解決真實的小組實驗中無法全員輪換的問題，能夠使每個學(xué)生都熟悉儀器的界面和操作。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中熟悉使用各種品牌型號的儀器。虛擬仿真軟件能夠保存后臺操作日志，可以對操作的合理性和規(guī)范性進行細致評價，最終作為成績考核的一項依據(jù)。最主要的是，虛擬仿真軟件的基本操作非常簡單易學(xué)，學(xué)生很容易上手。虛擬環(huán)境中個人操作的自由度非常高，很容易實現(xiàn)多次重復(fù)實驗練習。

4結(jié)合了虛擬仿真技術(shù)的混合式教學(xué)實踐

4.1結(jié)合了虛擬仿真技術(shù)的混合式教學(xué)過程

現(xiàn)有的“虛擬仿真教學(xué)”和“混合式教學(xué)”的學(xué)習效果各有不同，虛擬仿真針對實驗環(huán)節(jié)，混合式教學(xué)針對理論學(xué)習，但“實驗”和“理論”實際是相輔相成，不可分割的。將虛擬仿真技術(shù)和混合式教學(xué)結(jié)合起來，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢，是解決工程測量實踐教學(xué)現(xiàn)存問題的一把鑰匙。

混合式教學(xué)應(yīng)用于實驗教學(xué)中，能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺資源[15]，將90min的課堂時間延展到課前、課中、課后，將多種教學(xué)手段靈活應(yīng)用課程教學(xué)，令學(xué)生隨時隨地可以學(xué)習。而虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中應(yīng)用，可以減少學(xué)生和儀器之間的陌生感，促進實驗內(nèi)容的多樣化和提升實驗效果，并可以彌補實驗條件的不足。將二者有機結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，將大大提升工程測量實驗教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

結(jié)合了虛擬仿真技術(shù)的混合式教學(xué)的工程測量實驗教學(xué)設(shè)計，如表1所示，包括課前任務(wù)發(fā)布、課中學(xué)習（實驗要點講解+虛擬仿真實驗+現(xiàn)場實驗）、課后總結(jié)拓展和考核評價環(huán)節(jié)。

以下是一次結(jié)合了虛擬仿真技術(shù)的混合式教學(xué)過程。

第一，課前準備。發(fā)布實驗任務(wù)采用“雨課堂”平臺，主要是使用雨課堂的兩個功能：一是在PPT中可以插入慕課視頻的功能;二是雨課堂的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。發(fā)布試驗任務(wù)包括三部分：實驗任務(wù)本身;實驗內(nèi)容講解及實操教學(xué)視頻;關(guān)于實驗內(nèi)容的測試題。要求學(xué)生在接受實驗任務(wù)，學(xué)習實驗內(nèi)容后獨立完成測試題。教師可在“雨課堂”后臺中查看學(xué)生的完成情況，根據(jù)學(xué)生的預(yù)習掌握情況，及時調(diào)整課堂授課重點內(nèi)容。

第二，線下教學(xué)。根據(jù)雨課堂學(xué)生預(yù)習反饋及往屆學(xué)生統(tǒng)計的共有易錯問題，再次有針對性地講授實驗知識要點及實驗要求。學(xué)生分組進行實驗分工與實驗細節(jié)討論，最后是學(xué)生提問和解答。

第三，進行仿真實驗。學(xué)生利用虛擬仿真軟件進行虛擬實驗。主要包括兩方面：一是針對儀器的操作，如全站儀的對中整平操作，全站儀的基本設(shè)置操作，全站儀的置盤操作;二是針對實驗步驟，例如觀測、遷站等。圖1為仿真界面。

第四，外業(yè)實驗，各組學(xué)生根據(jù)實驗的步驟和要求在實驗場地進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集及外業(yè)計算。

第五，課下的內(nèi)業(yè)計算，各組學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書要求進行內(nèi)業(yè)計算，原始數(shù)據(jù)和計算結(jié)果均上傳至云平臺，作為資料供后續(xù)使用。

第六，拓展與延伸練習，每個小組對其他組的數(shù)據(jù)進行校核計算，多次利用虛擬仿真課件進行虛擬操作練習，都可以達到短時間重復(fù)練習的效果。

第七，考核評價如圖2所示，實驗成績由雨課堂成績、課堂表現(xiàn)、虛擬仿真軟件成績、現(xiàn)場操作打分、實驗報告成績5部分組成。具體教學(xué)模式的設(shè)計如表1所示。

4.2結(jié)合虛擬仿真技術(shù)的混合式教學(xué)需要注意的問題

第一，要注意虛實結(jié)合。不能為了“虛”而“虛”，虛擬的根本目的是實操，實操能力的培養(yǎng)才是實踐教學(xué)的最終目標，不能用虛擬仿真練習代替實操訓(xùn)練，在考核時也應(yīng)把分值權(quán)重更多的放在實操過程考核和實驗成果考核上。

第二，線上發(fā)布任務(wù)和講解內(nèi)容要精煉。內(nèi)容的選取方面注意理論教學(xué)有的內(nèi)容不要重復(fù)出現(xiàn)，視頻也要注意時長，考查學(xué)生的測試題目要貼合實驗，最好能出一些往屆學(xué)生的共有問題，線上部分的測試題目反饋是線下教學(xué)內(nèi)容的重要依據(jù)，教師和學(xué)生都應(yīng)該特別重視。

第三，線下講授內(nèi)容要簡短和突出重點。充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，最好是把給學(xué)生講問題變成幫學(xué)生解決問題。

第四，注意充分利用教學(xué)平臺統(tǒng)計功能，作為過程考查的打分項，既督促了學(xué)生，又完善了考評體系。

5結(jié)語

結(jié)合了虛擬仿真技術(shù)的混合式教學(xué)，最大程度地發(fā)揮信息化教學(xué)手段優(yōu)勢，成功解決了傳統(tǒng)工程測量實踐教學(xué)中出現(xiàn)的多種問題，有望成為未來工程測量實踐教學(xué)的一個發(fā)展趨勢。目前本門課程的教學(xué)改革成果已經(jīng)應(yīng)用到了本校工程造價專業(yè)2018級和2019級學(xué)生測量實驗教學(xué)上，通過對實驗完成的情況統(tǒng)計及學(xué)生的問卷反饋，新的教學(xué)模式受到了大多數(shù)學(xué)生的歡迎，達到了增強實踐教學(xué)效果和提高學(xué)生動手能力的目的。

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