趙江濤 盧修元 漆力健 瞿銘見(jiàn) 毛熹 霍苗

摘 ?要：文章就工程測(cè)量課程教學(xué)的相關(guān)問(wèn)題給出改革的落實(shí)建議，根據(jù)實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)給出科學(xué)的教學(xué)方式。將虛擬仿真技術(shù)使用至課堂教學(xué)與活動(dòng)步驟中，達(dá)成實(shí)踐教學(xué)的高等級(jí)目標(biāo);將理論和實(shí)踐加以結(jié)合，使學(xué)生能較好地習(xí)得教學(xué)內(nèi)容，了解技能的客觀使用需求，提升學(xué)生的職位競(jìng)爭(zhēng)力，為職業(yè)成長(zhǎng)提供優(yōu)良的條件，高效地提升教學(xué)品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：工程測(cè)量;實(shí)踐;課程改革;虛擬仿真系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2022）18-0138-04

Abstract： The article puts forward suggestions on the reform of the teaching of engineering measurement courses， and puts forward effective teaching methods based on practical teaching experience. It applies virtual simulation technology to classroom teaching and practice to achieve the high-level goal of practical teaching， integrates theory with practice to enable students to better master the teaching content， familiarizes themselves with the practical application requirements of skills， and improves the core competitiveness of students' posts， laying a good foundation for career development and effectively improving teaching quality.

Keywords： engineering measurement; practice; curriculum reform; virtual simulation system

工程測(cè)量為水利水電工程專業(yè)中不可或缺的專業(yè)基礎(chǔ)課，重點(diǎn)在于培育學(xué)生的實(shí)際作業(yè)能力與處理客觀問(wèn)題的水平，所以，活靈活現(xiàn)的課堂教學(xué)與系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)機(jī)制對(duì)教學(xué)效果與知識(shí)的運(yùn)用能力發(fā)揮著巨大的效果[1]。但是，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室的配置比較匱乏、實(shí)驗(yàn)器材不夠新穎、實(shí)驗(yàn)區(qū)域的約束，實(shí)驗(yàn)率與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的落實(shí)與開(kāi)發(fā)均被影響[2]。為符合現(xiàn)代化教育的發(fā)展形勢(shì)，將現(xiàn)代化技術(shù)方法和理論教學(xué)加以結(jié)合，使用各種教學(xué)方式，將基本知識(shí)與理論生動(dòng)地展現(xiàn)出來(lái)，能促進(jìn)學(xué)生更好地理解。工程測(cè)量的課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠不再囿于之前的教學(xué)方式，均能通過(guò)虛擬仿真技術(shù)（VR）將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際生活加以結(jié)合，且進(jìn)行應(yīng)用，給出了以虛擬VR技術(shù)為前提的水利水電工程測(cè)量課程教學(xué)的新模式。

一、VR技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)，即VR技術(shù)，是指用一個(gè)虛擬的機(jī)制模仿、設(shè)立另一客觀的、全面的技術(shù)，與傳感技術(shù)、AI技術(shù)等眾多方面有關(guān)。虛擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)軟硬件以及各種傳感器構(gòu)成的立體人工場(chǎng)景，它能生動(dòng)地模擬客觀存在或沒(méi)有存在的事物與場(chǎng)景，人只要置于這種場(chǎng)景，便會(huì)產(chǎn)生一種“仿佛進(jìn)入了現(xiàn)場(chǎng)”的體會(huì)，且能親自操作，將實(shí)際生活和虛擬環(huán)境予以交互[3-4]。

虛擬仿真技術(shù)立足于多媒體技術(shù)、VR技術(shù)等科技，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)將仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)高效結(jié)合，屬于一種更為高級(jí)的模擬仿真技術(shù)。該技術(shù)的設(shè)立是將整個(gè)系統(tǒng)一致的、全面的虛擬環(huán)境當(dāng)做特征前提，且使用相關(guān)的虛擬環(huán)境集成和管理各種實(shí)體;實(shí)體的種類十分豐富，它可以是模擬器，也可以是其他的虛擬仿真系統(tǒng)，然而更多的為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在虛擬仿真軟件所營(yíng)造的場(chǎng)景內(nèi)，實(shí)體和其相互影響，進(jìn)而展現(xiàn)真實(shí)世界中具有的形態(tài)，所以，擁有集成化、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)的虛擬仿真技術(shù)，符合現(xiàn)代化教育的發(fā)展需求[1]。

二、課程教學(xué)的問(wèn)題及改革研究

對(duì)于理論教學(xué)環(huán)節(jié)，首先是部分教學(xué)內(nèi)容陳舊。目前具有水利水電工程專業(yè)的大中專院校所用的工程測(cè)量教材內(nèi)容不夠新、不夠前沿，缺乏對(duì)最新測(cè)量技術(shù)的介紹與學(xué)習(xí)，即便是最近幾年出版的教材，大多只是內(nèi)容的深淺不同，體系結(jié)構(gòu)大同小異。比如教材中依然會(huì)有經(jīng)緯儀的章節(jié)，而在目前實(shí)際工程應(yīng)用中經(jīng)緯儀基本已經(jīng)被淘汰，反而對(duì)于現(xiàn)今工程中使用較多的全自動(dòng)水準(zhǔn)儀、全站儀、三維激光掃描儀以及無(wú)人機(jī)技術(shù)等鮮有提及。21世紀(jì)的大學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，更加關(guān)注所學(xué)知識(shí)的實(shí)用性，學(xué)以致用是影響學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性的關(guān)鍵因素，因此，在課程教學(xué)中更應(yīng)及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，在講解傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的同時(shí)也需介紹現(xiàn)階段工程中常用的最新的技術(shù)與手段，并根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)程度結(jié)合經(jīng)典案例，使學(xué)生更快進(jìn)入工程師角色，最大程度激發(fā)學(xué)生的興趣[5]。

其次是課堂教學(xué)方法。常用的教學(xué)方法包括：課堂講授+討論、課程實(shí)踐+指導(dǎo)。根據(jù)課程的實(shí)際發(fā)展及特點(diǎn)，針對(duì)教學(xué)的要求不能一味采用一成不變的傳統(tǒng)固有教學(xué)方法，雖然這些方法對(duì)個(gè)別課程效果不錯(cuò)，但是對(duì)工程測(cè)量這種實(shí)操要求較高的課程未必全部適用，因此探究適用于本課程新的教學(xué)方法尤為重要。本文作者在課堂教學(xué)過(guò)程中通常采用的是“課堂講授+討論”的方法，基本上屬于最傳統(tǒng)的教學(xué)方法，由教師口頭敘述基本事實(shí)、原理以及推理過(guò)程，學(xué)生提出疑問(wèn)或者教師拋出問(wèn)題再進(jìn)行討論;經(jīng)典案例法，就是以典型案例說(shuō)明在具體工程中的應(yīng)用，這也是本課程用的較多的方法之一，在工程測(cè)量課程中有較多測(cè)繪儀器及方法的實(shí)際應(yīng)用，這些案例對(duì)于學(xué)生理解和掌握實(shí)踐內(nèi)容非常重要;任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，就是由教師布置一些針對(duì)某些重要且必須掌握知識(shí)點(diǎn)的任務(wù)，要求學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)完成，并校核完成情況，這樣做可使學(xué)生所學(xué)知識(shí)從理論到實(shí)踐有更全方位的認(rèn)識(shí)，并對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握得更透徹，這是近幾年較為流行的教學(xué)方式方法，也是對(duì)于實(shí)踐要求較高的此類課程常用的教學(xué)方法，對(duì)提升教學(xué)效果有顯著作用。

最后是教學(xué)手段，不能單純依靠多媒體課件，而要結(jié)合水利水電工程專業(yè)特點(diǎn)引入現(xiàn)代化教學(xué)方法與技術(shù)手段，許多經(jīng)典案例可用虛擬仿真系統(tǒng)在課堂實(shí)現(xiàn)全過(guò)程，讓學(xué)生更加直觀、形象、具體地了解工程測(cè)量實(shí)際工作情況，從而掌握工程測(cè)量的應(yīng)用。

針對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，首先，測(cè)量器材相對(duì)老舊。很多高校工程測(cè)量教學(xué)器材使用的依然是老式水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀甚至是微傾式水準(zhǔn)儀，學(xué)生唯有根據(jù)教學(xué)課本中的流程給出固定的步驟，實(shí)踐內(nèi)容均是結(jié)合既有器材，并將達(dá)成主要實(shí)踐操作視為核心，目的是對(duì)工程測(cè)量器材的基本使用進(jìn)行實(shí)操，但是器材跟不上時(shí)代的變化，不能滿足現(xiàn)今工程實(shí)際的應(yīng)用，因此學(xué)生把實(shí)踐課程當(dāng)完成任務(wù)，實(shí)踐環(huán)節(jié)并沒(méi)有促進(jìn)教學(xué)，反而阻礙了教學(xué)，很多新的器材及技術(shù)手段不能認(rèn)識(shí)和實(shí)踐，促使實(shí)踐教學(xué)方法與實(shí)際應(yīng)用的要求嚴(yán)重脫節(jié);其次，在實(shí)踐教學(xué)中，因?yàn)閷?shí)踐設(shè)施比較陳舊，相關(guān)器材出現(xiàn)損壞或測(cè)量效果較差，使得學(xué)生在實(shí)踐時(shí)，檢測(cè)結(jié)果未閉合或誤差極大，難以獲得精準(zhǔn)的結(jié)果，需要花費(fèi)較多的時(shí)間去處理問(wèn)題，讓實(shí)踐難以激發(fā)學(xué)生的欲望，反之還將不利于學(xué)生的深入探究。再次，由于實(shí)踐場(chǎng)地條件的限制，實(shí)踐項(xiàng)目只能停留在驗(yàn)證性層次，學(xué)生不能根據(jù)實(shí)際工程地形的需要進(jìn)行測(cè)繪路線的設(shè)計(jì)，綜合應(yīng)用能力得不到提高，利用工程測(cè)量的測(cè)繪虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可解決這個(gè)問(wèn)題。該系統(tǒng)在達(dá)成各種信息化教學(xué)資源隨意取用的前提下，可以在課堂中為學(xué)生提供各種技能知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行連接;課后為學(xué)生提供隨時(shí)的校內(nèi)實(shí)操機(jī)會(huì)，去除了之前學(xué)生實(shí)踐的時(shí)空約束，將理論和實(shí)踐加以結(jié)合，使學(xué)生進(jìn)一步把握教學(xué)內(nèi)容，更好地了解技能的真實(shí)運(yùn)用需求，提升學(xué)生的職位競(jìng)爭(zhēng)力，為職業(yè)進(jìn)步提供了優(yōu)良的條件。

三、VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

在工程測(cè)量教學(xué)中，圍繞高端測(cè)量?jī)x器設(shè)備的實(shí)踐教學(xué)課程占有相當(dāng)?shù)谋壤?。由于?shí)踐、實(shí)訓(xùn)操作場(chǎng)地局限，教學(xué)環(huán)境和場(chǎng)景難以構(gòu)建，涉及高危或極端的大型綜合性場(chǎng)景，實(shí)訓(xùn)操作設(shè)備數(shù)量、運(yùn)行成本等原因讓學(xué)生難以達(dá)到反復(fù)練習(xí)、提升技能的需求;實(shí)訓(xùn)內(nèi)容枯燥，讓學(xué)生失去了實(shí)訓(xùn)的興趣與激情;實(shí)踐操作考核標(biāo)準(zhǔn)難以規(guī)范化，考核結(jié)果難以有效記錄等。這些原因都讓實(shí)踐教學(xué)受到了不小的影響，但是虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)卻可以很好地解決這些問(wèn)題。

軟件環(huán)境屬于逼真的虛擬環(huán)境（涵蓋了植物、道路等要素，丘陵、平原、城區(qū)等各種類型的環(huán)境），能夠讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中人機(jī)互動(dòng)，降低理論或?qū)嵺`知識(shí)上的缺陷導(dǎo)致的設(shè)施損壞與安全事故的發(fā)生率，進(jìn)而從綜合角度提升實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目工作的學(xué)習(xí)品質(zhì)。學(xué)生按照評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)流程步驟來(lái)完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)，不同的實(shí)訓(xùn)關(guān)卡同時(shí)具備關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的考核，有效加強(qiáng)學(xué)生技能熟練程度，提高教學(xué)效率;可以在不同平臺(tái)設(shè)備上同時(shí)共享展示內(nèi)容，進(jìn)行解析、控制等一系列操作，達(dá)到多屏互動(dòng)的效果，流程如圖1所示。

仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用具體如下：

1. 智能安卓全站儀仿真系統(tǒng)

課堂中講到全站儀工作原理或應(yīng)用時(shí)，可以現(xiàn)場(chǎng)用智能安卓全站儀仿真系統(tǒng)演示工作過(guò)程，使學(xué)生更好地理解全站儀的工作原理從而掌握全站儀應(yīng)用，操作示意圖如圖2所示。如此，教學(xué)過(guò)程是從原理至實(shí)際運(yùn)用，從簡(jiǎn)單至綜合，從抽象至實(shí)際，由淺入深地開(kāi)展對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。虛擬仿真南方NTS-552智能安卓全站儀外形尺寸與儀器完全相同，具有高度逼真的外觀。觸控到零部件時(shí)，自動(dòng)高亮顯示部件和名稱。在仿真機(jī)里可進(jìn)入儀器所有模擬功能界面并能通過(guò)輸入數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算，功能數(shù)值通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)觸控方式教學(xué)操作過(guò)程，漸進(jìn)式立體展現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)中無(wú)法真實(shí)描述的效果，在教學(xué)過(guò)程中，無(wú)需任何切換，就可以和儀器設(shè)備進(jìn)行交互操作練習(xí)，即演示和操作練習(xí)可以隨時(shí)轉(zhuǎn)換。

2. 數(shù)字測(cè)圖虛擬仿真系統(tǒng)

虛擬全站儀、RTK的外形要求與真實(shí)儀器完全相同，具有高度逼真的外觀，如圖3所示。軟件環(huán)境為逼真的虛擬場(chǎng)景，與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景基本一致，場(chǎng)景內(nèi)支持第一人稱全場(chǎng)景瀏覽。可仿真RTK圖根測(cè)量、碎部點(diǎn)采集，全站儀碎部點(diǎn)測(cè)量，特別是所測(cè)成果可導(dǎo)入CASS繪圖輸出。學(xué)生可根據(jù)測(cè)繪目的、踏勘情況，自主性地選擇測(cè)繪方法、手段及設(shè)備，從而克服傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)中無(wú)法呈現(xiàn)“理想”的測(cè)區(qū)環(huán)境，“測(cè)繪方法得靠想、設(shè)備選擇得靠背”等弊端。

3. 衛(wèi)星定位測(cè)量虛擬仿真系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)室內(nèi)RTK測(cè)量實(shí)習(xí)，打通RTK手簿與虛擬RTK的連接，所測(cè)成果可導(dǎo)出平差處理或者導(dǎo)入CASS繪圖，如圖4所示。

4. 水準(zhǔn)測(cè)量虛擬仿真系統(tǒng)

二等水準(zhǔn)測(cè)量仿真實(shí)驗(yàn)軟件是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、通過(guò)三維建模將數(shù)字水準(zhǔn)儀從各個(gè)系統(tǒng)、零部件結(jié)構(gòu)、模擬操作環(huán)境進(jìn)行等比例真實(shí)還原，學(xué)生可根據(jù)數(shù)字水準(zhǔn)儀在虛擬環(huán)境中按路線真實(shí)測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)操作、實(shí)習(xí)、比賽等，如圖5所示。

5. 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量仿真系統(tǒng)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生在虛擬環(huán)境中使用鼠標(biāo)鍵盤(pán)或者無(wú)人機(jī)手柄模擬操控?zé)o人機(jī)駕駛、獲取虛擬數(shù)據(jù)并進(jìn)行后續(xù)軟件處理和算法驗(yàn)證等實(shí)習(xí)實(shí)踐或自主學(xué)習(xí)，可避免由于設(shè)備昂貴造成的損失，學(xué)生可反復(fù)操作練習(xí)，如圖6所示。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)工程測(cè)量課程教學(xué)在真實(shí)的教學(xué)活動(dòng)中所帶來(lái)的問(wèn)題加以分析，將虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)相互融合，使用現(xiàn)代化的教育方法開(kāi)展課程改革，在不用花費(fèi)較多費(fèi)用的基礎(chǔ)上，達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的要求，進(jìn)而設(shè)立了實(shí)踐機(jī)制?；诒疚?，能夠?qū)⑻摂M仿真技術(shù)使用至每種工程測(cè)量教學(xué)中，使工程測(cè)量課程改革上升至新的階段。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)有益于教師實(shí)訓(xùn)教學(xué)和學(xué)生專業(yè)核心技能的訓(xùn)練，不再受天氣、環(huán)境、地理位置等因素所困擾。使其在教學(xué)應(yīng)用中更加智能化、信息化，以及多感知、沉浸式、交互性、構(gòu)想性。

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