虛擬仿真技術(shù)在測(cè)繪工程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

岳祥楠，賀小星，馬飛虎，曾 聰

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2.華東交通大學(xué) 土木工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江西 南昌 330013)

《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》[1]提出堅(jiān)持“以本為本”，加快建設(shè)高水平本科教育，建立線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，大力推進(jìn)慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，從而全面提高人才培養(yǎng)能力。測(cè)繪工程專業(yè)作為一門實(shí)踐性極強(qiáng)的工科類專業(yè)，以培養(yǎng)測(cè)繪專業(yè)技術(shù)人才為目標(biāo)[2]。針對(duì)目前測(cè)繪工程本科培養(yǎng)方案在理論、實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量中存在的短板，教育部提出建設(shè)國(guó)家級(jí)、省級(jí)、校級(jí)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，打造高水平本科實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、基于互聯(lián)網(wǎng)在線共享的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)信息化平臺(tái)等，通過“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)方式，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)促進(jìn)本科教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，助力學(xué)校“高水平本科教育”“雙一流”學(xué)科建設(shè)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)共享技術(shù)等基礎(chǔ)上建立的一種新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絒3]，通過在計(jì)算機(jī)上模擬仿真現(xiàn)實(shí)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，突破了時(shí)間、空間、自然環(huán)境的限制，學(xué)生隨時(shí)可以通過虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作[4]，為學(xué)生提供了充足的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。虛擬仿真技術(shù)因其沉浸性、逼真性、交互性等特點(diǎn)[5]，被廣泛應(yīng)用于高校的實(shí)踐教學(xué)中，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享，同時(shí)可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)驗(yàn)興趣，提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

1 測(cè)繪工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的必要性

實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)是培養(yǎng)信息化測(cè)繪創(chuàng)新型專業(yè)技能人才的重要組成部分，但測(cè)繪工程專業(yè)原有實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)模式還未完全轉(zhuǎn)變[6]，需要結(jié)合目前存在的問題，有針對(duì)性地提出實(shí)踐教學(xué)改革方案。圖1為虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)改革體系。當(dāng)前測(cè)繪工程專業(yè)理論、實(shí)踐教學(xué)中主要存在以下幾點(diǎn)問題：

圖1 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)改革體系

1)原有實(shí)踐教學(xué)方式難以滿足測(cè)繪新技術(shù)快速發(fā)展對(duì)人才的需求。由于傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)主要是學(xué)生操作測(cè)繪儀器，但是儀器較少，很難做到人手一臺(tái)，且一個(gè)教師面對(duì)幾十個(gè)學(xué)生，導(dǎo)致教師很難將實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容全面?zhèn)魇诮o每一個(gè)學(xué)生，學(xué)生在時(shí)間較短、次數(shù)有限的實(shí)習(xí)課程中無法真正掌握實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，難以積累足夠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。盡管當(dāng)前信息化時(shí)代，慕課(MOOC)、微課堂、虛擬實(shí)驗(yàn)室等新型教學(xué)手段不斷發(fā)展，但在測(cè)繪工程實(shí)踐教學(xué)中還未得到很好的應(yīng)用。

2)既有實(shí)踐教學(xué)資源難以滿足專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)模的要求。測(cè)繪儀器價(jià)格較高，類型較多，學(xué)生很難接觸到新款測(cè)繪儀器，并且學(xué)生由于操作不熟練可能導(dǎo)致儀器損壞，更加劇了儀器數(shù)和學(xué)生數(shù)的差距，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)儀器了解少，操作少，因而動(dòng)手能力較差。

3)實(shí)踐教學(xué)效率難以滿足互聯(lián)網(wǎng)一代學(xué)生對(duì)自主學(xué)習(xí)的需求?；ヂ?lián)網(wǎng)一代學(xué)生對(duì)線上學(xué)習(xí)與線下實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的教學(xué)方式更易于理解和掌握，同時(shí)對(duì)學(xué)習(xí)時(shí)間的需求更加靈活，而現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)模式由于教學(xué)時(shí)間和資源的限制，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)需求得不到滿足，教學(xué)效率和學(xué)習(xí)效率都不高。

4)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題能力不足。學(xué)生創(chuàng)新能力未能得到有效培養(yǎng)，綜合利用課堂所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問題的能力有所欠缺[7]，針對(duì)實(shí)際工程問題，不能進(jìn)行深入分析和研究，實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生很難在真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無法全過程參與，更無法創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)流程與操作。

基于虛擬仿真技術(shù)的新實(shí)踐教學(xué)模式可以打破傳統(tǒng)的測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)課堂無法講授的情況，把實(shí)踐教學(xué)搬到課堂上，打破時(shí)間和場(chǎng)地對(duì)實(shí)踐教學(xué)的束縛[8]。新實(shí)踐教學(xué)模式以學(xué)生為核心，激發(fā)學(xué)生的自主性和積極性，提高學(xué)生的操作和實(shí)踐能力，盡量避免“高分低能”現(xiàn)象的出現(xiàn)。許多業(yè)內(nèi)專家和從事一線教學(xué)的專業(yè)教師開展了有關(guān)虛擬仿真技術(shù)與測(cè)繪學(xué)專業(yè)的應(yīng)用研究，并取得了相關(guān)成果，包括虛擬測(cè)繪儀器設(shè)計(jì)[9]、虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)[10]、整個(gè)測(cè)量過程的三維模擬[11]等，在高校師生實(shí)踐教學(xué)中取得了較好的效果。

2 測(cè)繪工程虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)

2.1 實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)與功能

通過“虛實(shí)結(jié)合”的方式建立基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，使現(xiàn)代測(cè)繪信息技術(shù)融入實(shí)踐教學(xué)之中，擴(kuò)展了實(shí)踐教學(xué)時(shí)間和空間，提升了實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量和水平[12]。實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的目標(biāo)是：以培養(yǎng)學(xué)生“基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)、興趣廣泛、有創(chuàng)新意識(shí)”為目標(biāo)，堅(jiān)持以“理論與現(xiàn)實(shí)、基礎(chǔ)與先進(jìn)統(tǒng)一”為指導(dǎo)思想，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)；進(jìn)一步促進(jìn)“產(chǎn)-學(xué)-研”的深度融合，拓展和深化測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)開展的空間，打造一個(gè)高水平的以教學(xué)、科研、生產(chǎn)培訓(xùn)為一體的虛實(shí)結(jié)合人才培養(yǎng)平臺(tái)。

首先，為了便于通過互聯(lián)網(wǎng)在線開展實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，結(jié)合測(cè)繪工程專業(yè)基本理論、實(shí)踐教學(xué)需求，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)；構(gòu)建網(wǎng)頁/客戶端單元(學(xué)生、教師)、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器單元(資源分發(fā)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ))、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)單元(實(shí)驗(yàn)資源、平臺(tái)管理)3個(gè)實(shí)驗(yàn)單元的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)框架(見圖2)。

圖2 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)框架

其次，通過現(xiàn)代信息技術(shù)將多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目集成于虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)上，構(gòu)成一套實(shí)踐技能在線訓(xùn)練和實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)一體化、網(wǎng)絡(luò)化的虛擬測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)資源。結(jié)合專業(yè)發(fā)展趨勢(shì)將前沿的測(cè)繪科學(xué)技術(shù)、理論與“云數(shù)據(jù)”計(jì)算管理技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建無人機(jī)數(shù)字測(cè)圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、衛(wèi)星導(dǎo)航綜合應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)可向?qū)W生、教師提供基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)管理功能，學(xué)生在系統(tǒng)中選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過服務(wù)器實(shí)時(shí)記錄進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)；教師和學(xué)生可以通過平臺(tái)進(jìn)行交流和討論。在實(shí)驗(yàn)中，管理模塊根據(jù)記錄的相關(guān)信息對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作和過程給予實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，得出學(xué)生學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)效果以及教學(xué)效果分析數(shù)據(jù)，反饋給學(xué)生和教師，幫助其調(diào)整學(xué)習(xí)側(cè)重點(diǎn)、改進(jìn)教學(xué)方法，逐步完善虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

2.2 無人機(jī)數(shù)字測(cè)圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

無人機(jī)數(shù)字測(cè)圖是當(dāng)前國(guó)家基礎(chǔ)地形圖測(cè)繪的主要手段之一，該虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是對(duì)無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)這一受法律法規(guī)約束，并具有安全風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[13]，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和對(duì)象進(jìn)行仿真模擬，建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)在線共享的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源。實(shí)驗(yàn)流程見圖3，無人機(jī)數(shù)字測(cè)圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過對(duì)無人機(jī)數(shù)字測(cè)圖中“數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)處理-數(shù)據(jù)表達(dá)”的作業(yè)流程各環(huán)節(jié)進(jìn)行虛擬仿真，使學(xué)生能夠更加準(zhǔn)確地理解和掌握各實(shí)驗(yàn)流程中的內(nèi)容。

圖3 無人機(jī)數(shù)字測(cè)圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程

以學(xué)生為本，按無人機(jī)數(shù)字測(cè)圖測(cè)繪生產(chǎn)作業(yè)流程開展虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，且平臺(tái)可對(duì)每位學(xué)生的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行跟蹤評(píng)分、實(shí)時(shí)反饋，能夠?qū)嶒?yàn)全過程精細(xì)化教學(xué)。通過“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)方式有效地提升了實(shí)踐教學(xué)效果，使學(xué)生能夠直觀的體驗(yàn)無人機(jī)數(shù)字測(cè)圖的全部作業(yè)流程，可以加深對(duì)無人機(jī)數(shù)字測(cè)圖原理、影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)和核心算法的理解，鍛煉學(xué)生的綜合能力，培養(yǎng)全面發(fā)展的攝影測(cè)量專業(yè)技術(shù)人才。

2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航綜合應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

衛(wèi)星導(dǎo)航綜合應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、進(jìn)階型實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)三大類(見表1)?；A(chǔ)型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位的基本原理進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，著力培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)，夯實(shí)基本操作技能[14]；進(jìn)階型實(shí)驗(yàn)在基礎(chǔ)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用方式及數(shù)據(jù)處理進(jìn)行解析，加深學(xué)生對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)及其應(yīng)用的深入理解[15]；創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)以衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)為基礎(chǔ)，融合地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、山洪災(zāi)害預(yù)警、無人機(jī)應(yīng)用、GIS分析等工程應(yīng)用，營(yíng)造科技創(chuàng)新的實(shí)踐教學(xué)氛圍，積極打造學(xué)生參與科學(xué)研究與科技活動(dòng)的平臺(tái)(挑戰(zhàn)杯、互聯(lián)網(wǎng)+、創(chuàng)青春、測(cè)繪技能大賽等)。

表1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)框架

變形監(jiān)測(cè)是測(cè)繪工程專業(yè)學(xué)生的核心課程內(nèi)容，也是土木工程類、交通運(yùn)輸類等眾多工程專業(yè)的必修內(nèi)容[16]。但是由于變形監(jiān)測(cè)工作“風(fēng)險(xiǎn)高、難度大、周期長(zhǎng)、單次觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)”等特性，導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生很難在真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無法全過程參與，擬構(gòu)建變形監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過利用計(jì)算機(jī)控制橋梁、高層建筑、邊坡等模型，模擬產(chǎn)生形變，有利于學(xué)生了解開展變形監(jiān)測(cè)的重要意義，學(xué)生可利用實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)學(xué)習(xí)變形監(jiān)測(cè)的原理與方法，對(duì)變形的規(guī)律和原因進(jìn)行分析研究，掌握安全評(píng)估和預(yù)測(cè)的方法及手段。圖4為北斗/GPS橋梁變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)框架，學(xué)生可應(yīng)用智能全站儀、北斗/GPS監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)傳感器、激光三維掃描儀等虛擬儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，為日后開展類似實(shí)訓(xùn)和畢業(yè)后工作提前儲(chǔ)備知識(shí)和能力。

圖4 北斗/GPS橋梁變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)框架

構(gòu)建“虛實(shí)一體、虛實(shí)交叉融合”的衛(wèi)星導(dǎo)航綜合應(yīng)用虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)、傳統(tǒng)實(shí)操實(shí)踐教學(xué)和課堂理論教學(xué)的深度融合，引導(dǎo)學(xué)生在數(shù)字環(huán)境下自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。此外，構(gòu)建了線上線下協(xié)同教學(xué)方式方法，線上虛擬交互實(shí)驗(yàn)與線下實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)雙向互動(dòng)，突破了教與學(xué)的時(shí)空限制，豐富了學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式的選擇，強(qiáng)化了學(xué)生的個(gè)性化和自主學(xué)習(xí)。

3 結(jié)束語

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)具有節(jié)省資金、更新快、全天候、應(yīng)用廣等特點(diǎn)，在很大程度上克服了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式的缺陷，利用高新技術(shù)補(bǔ)齊高校傳統(tǒng)教學(xué)模式在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)上的短板，具有很好的發(fā)展前景。本文結(jié)合測(cè)繪工程專業(yè)的需求和發(fā)展，構(gòu)建無人機(jī)數(shù)字測(cè)圖、衛(wèi)星導(dǎo)航綜合應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真技術(shù)在測(cè)繪工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮了獨(dú)特的作用，主要有以下幾個(gè)方面：

1)有助于建設(shè)線上線下協(xié)同教學(xué)方式方法，引導(dǎo)學(xué)生在數(shù)字環(huán)境下自主學(xué)習(xí)和自主實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮和挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛能，全面培養(yǎng)學(xué)生的各項(xiàng)能力。

2)通過在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)驗(yàn)信息的跟蹤、統(tǒng)計(jì)和分析等智能化管理功能，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)信息進(jìn)行評(píng)價(jià)和反饋，捕捉每一個(gè)學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)掌握程度，并可對(duì)學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)的整體情況進(jìn)行全局分析和掌控，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)過程中無法進(jìn)行的精細(xì)化教學(xué)質(zhì)量控制。

3)實(shí)現(xiàn)了多種實(shí)驗(yàn)組合的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，通過與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)結(jié)合，可在一定程度上改善綜合實(shí)習(xí)的效果，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)信息化測(cè)繪創(chuàng)新型人才。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用和探索是一項(xiàng)長(zhǎng)期工程，需要不斷進(jìn)行改革和研究。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)可以增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和交流學(xué)習(xí)的能力，有助于實(shí)現(xiàn)本科教育寬口徑、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)。同時(shí)對(duì)高等院校測(cè)繪工程專業(yè)本科教學(xué)建設(shè)具有較為廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值，為開展示范性虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)提供理論與實(shí)踐支撐，有助于培育省級(jí)、國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目，為高校測(cè)繪工程專業(yè)人才培養(yǎng)能力的提升助力。