基于VR技術(shù)的教學(xué)改革實踐

趙江濤 盧修元 漆力健 瞿銘見 毛熹 霍苗

摘 ?要：文章就工程測量課程教學(xué)的相關(guān)問題給出改革的落實建議，根據(jù)實踐教學(xué)經(jīng)驗給出科學(xué)的教學(xué)方式。將虛擬仿真技術(shù)使用至課堂教學(xué)與活動步驟中，達成實踐教學(xué)的高等級目標;將理論和實踐加以結(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)生的職位競爭力，為職業(yè)成長提供優(yōu)良的條件，高效地提升教學(xué)品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：工程測量;實踐;課程改革;虛擬仿真系統(tǒng)

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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，重點在于培育學(xué)生的實際作業(yè)能力與處理客觀問題的水平，所以，活靈活現(xiàn)的課堂教學(xué)與系統(tǒng)的實驗機制對教學(xué)效果與知識的運用能力發(fā)揮著巨大的效果[1]。但是，因為實驗室的配置比較匱乏、實驗器材不夠新穎、實驗區(qū)域的約束，實驗率與實驗內(nèi)容的落實與開發(fā)均被影響[2]。為符合現(xiàn)代化教育的發(fā)展形勢，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，將基本知識與理論生動地展現(xiàn)出來，能促進學(xué)生更好地理解。工程測量的課堂教學(xué)與實驗教學(xué)能夠不再囿于之前的教學(xué)方式，均能通過虛擬仿真技術(shù)（VR）將所學(xué)知識與實際生活加以結(jié)合，且進行應(yīng)用，給出了以虛擬VR技術(shù)為前提的水利水電工程測量課程教學(xué)的新模式。

一、VR技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)，即VR技術(shù)，是指用一個虛擬的機制模仿、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)境是由計算機軟硬件以及各種傳感器構(gòu)成的立體人工場景，它能生動地模擬客觀存在或沒有存在的事物與場景，人只要置于這種場景，便會產(chǎn)生一種“仿佛進入了現(xiàn)場”的體會，且能親自操作，將實際生活和虛擬環(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，使用計算機技術(shù)將仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)高效結(jié)合，屬于一種更為高級的模擬仿真技術(shù)。該技術(shù)的設(shè)立是將整個系統(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體;實體的種類十分豐富，它可以是模擬器，也可以是其他的虛擬仿真系統(tǒng)，然而更多的為計算機系統(tǒng)。在虛擬仿真軟件所營造的場景內(nèi)，實體和其相互影響，進而展現(xiàn)真實世界中具有的形態(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)的問題及改革研究

對于理論教學(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量教材內(nèi)容不夠新、不夠前沿，缺乏對最新測量技術(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。比如教材中依然會有經(jīng)緯儀的章節(jié)，而在目前實際工程應(yīng)用中經(jīng)緯儀基本已經(jīng)被淘汰，反而對于現(xiàn)今工程中使用較多的全自動水準儀、全站儀、三維激光掃描儀以及無人機技術(shù)等鮮有提及。21世紀的大學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，更加關(guān)注所學(xué)知識的實用性，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)及時更新教學(xué)內(nèi)容，在講解傳統(tǒng)測量技術(shù)的同時也需介紹現(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、課程實踐+指導(dǎo)。根據(jù)課程的實際發(fā)展及特點，針對教學(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，雖然這些方法對個別課程效果不錯，但是對工程測量這種實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、原理以及推理過程，學(xué)生提出疑問或者教師拋出問題再進行討論;經(jīng)典案例法，就是以典型案例說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，在工程測量課程中有較多測繪儀器及方法的實際應(yīng)用，這些案例對于學(xué)生理解和掌握實踐內(nèi)容非常重要;任務(wù)驅(qū)動法，就是由教師布置一些針對某些重要且必須掌握知識點的任務(wù)，要求學(xué)生在有限的時間內(nèi)完成，并校核完成情況，這樣做可使學(xué)生所學(xué)知識從理論到實踐有更全方位的認識，并對知識點掌握得更透徹，這是近幾年較為流行的教學(xué)方式方法，也是對于實踐要求較高的此類課程常用的教學(xué)方法，對提升教學(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)在課堂實現(xiàn)全過程，讓學(xué)生更加直觀、形象、具體地了解工程測量實際工作情況，從而掌握工程測量的應(yīng)用。

針對實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，首先，測量器材相對老舊。很多高校工程測量教學(xué)器材使用的依然是老式水準儀、經(jīng)緯儀甚至是微傾式水準儀，學(xué)生唯有根據(jù)教學(xué)課本中的流程給出固定的步驟，實踐內(nèi)容均是結(jié)合既有器材，并將達成主要實踐操作視為核心，目的是對工程測量器材的基本使用進行實操，但是器材跟不上時代的變化，不能滿足現(xiàn)今工程實際的應(yīng)用，因此學(xué)生把實踐課程當(dāng)完成任務(wù)，實踐環(huán)節(jié)并沒有促進教學(xué)，反而阻礙了教學(xué)，很多新的器材及技術(shù)手段不能認識和實踐，促使實踐教學(xué)方法與實際應(yīng)用的要求嚴重脫節(jié);其次，在實踐教學(xué)中，因為實踐設(shè)施比較陳舊，相關(guān)器材出現(xiàn)損壞或測量效果較差，使得學(xué)生在實踐時，檢測結(jié)果未閉合或誤差極大，難以獲得精準的結(jié)果，需要花費較多的時間去處理問題，讓實踐難以激發(fā)學(xué)生的欲望，反之還將不利于學(xué)生的深入探究。再次，由于實踐場地條件的限制，實踐項目只能停留在驗證性層次，學(xué)生不能根據(jù)實際工程地形的需要進行測繪路線的設(shè)計，綜合應(yīng)用能力得不到提高，利用工程測量的測繪虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可解決這個問題。該系統(tǒng)在達成各種信息化教學(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點進行連接;課后為學(xué)生提供隨時的校內(nèi)實操機會，去除了之前學(xué)生實踐的時空約束，將理論和實踐加以結(jié)合，使學(xué)生進一步把握教學(xué)內(nèi)容，更好地了解技能的真實運用需求，提升學(xué)生的職位競爭力，為職業(yè)進步提供了優(yōu)良的條件。

三、VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

在工程測量教學(xué)中，圍繞高端測量儀器設(shè)備的實踐教學(xué)課程占有相當(dāng)?shù)谋壤?。由于實踐、實訓(xùn)操作場地局限，教學(xué)環(huán)境和場景難以構(gòu)建，涉及高?；驑O端的大型綜合性場景，實訓(xùn)操作設(shè)備數(shù)量、運行成本等原因讓學(xué)生難以達到反復(fù)練習(xí)、提升技能的需求;實訓(xùn)內(nèi)容枯燥，讓學(xué)生失去了實訓(xùn)的興趣與激情;實踐操作考核標準難以規(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)境中人機互動，降低理論或?qū)嵺`知識上的缺陷導(dǎo)致的設(shè)施損壞與安全事故的發(fā)生率，進而從綜合角度提升實訓(xùn)項目工作的學(xué)習(xí)品質(zhì)。學(xué)生按照評分標準流程步驟來完成實訓(xùn)任務(wù)，不同的實訓(xùn)關(guān)卡同時具備關(guān)鍵知識點的考核，有效加強學(xué)生技能熟練程度，提高教學(xué)效率;可以在不同平臺設(shè)備上同時共享展示內(nèi)容，進行解析、控制等一系列操作，達到多屏互動的效果，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，可以現(xiàn)場用智能安卓全站儀仿真系統(tǒng)演示工作過程，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)過程是從原理至實際運用，從簡單至綜合，從抽象至實際，由淺入深地開展對理論知識的學(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，自動高亮顯示部件和名稱。在仿真機里可進入儀器所有模擬功能界面并能通過輸入數(shù)值進行模擬計算，功能數(shù)值通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行模擬計算，通過觸控方式教學(xué)操作過程，漸進式立體展現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)中無法真實描述的效果，在教學(xué)過程中，無需任何切換，就可以和儀器設(shè)備進行交互操作練習(xí)，即演示和操作練習(xí)可以隨時轉(zhuǎn)換。

2. 數(shù)字測圖虛擬仿真系統(tǒng)

虛擬全站儀、RTK的外形要求與真實儀器完全相同，具有高度逼真的外觀，如圖3所示。軟件環(huán)境為逼真的虛擬場景，與現(xiàn)實場景基本一致，場景內(nèi)支持第一人稱全場景瀏覽?？煞抡鍾TK圖根測量、碎部點采集，全站儀碎部點測量，特別是所測成果可導(dǎo)入CASS繪圖輸出。學(xué)生可根據(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，從而克服傳統(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. 衛(wèi)星定位測量虛擬仿真系統(tǒng)

實現(xiàn)室內(nèi)RTK測量實習(xí)，打通RTK手簿與虛擬RTK的連接，所測成果可導(dǎo)出平差處理或者導(dǎo)入CASS繪圖，如圖4所示。

4. 水準測量虛擬仿真系統(tǒng)

二等水準測量仿真實驗軟件是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)、通過三維建模將數(shù)字水準儀從各個系統(tǒng)、零部件結(jié)構(gòu)、模擬操作環(huán)境進行等比例真實還原，學(xué)生可根據(jù)數(shù)字水準儀在虛擬環(huán)境中按路線真實測量，從而實現(xiàn)操作、實習(xí)、比賽等，如圖5所示。

5. 無人機攝影測量仿真系統(tǒng)

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學(xué)生在虛擬環(huán)境中使用鼠標鍵盤或者無人機手柄模擬操控?zé)o人機駕駛、獲取虛擬數(shù)據(jù)并進行后續(xù)軟件處理和算法驗證等實習(xí)實踐或自主學(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

本文對工程測量課程教學(xué)在真實的教學(xué)活動中所帶來的問題加以分析，將虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)相互融合，使用現(xiàn)代化的教育方法開展課程改革，在不用花費較多費用的基礎(chǔ)上，達到實踐教學(xué)的要求，進而設(shè)立了實踐機制?；诒疚模軌?qū)⑻摂M仿真技術(shù)使用至每種工程測量教學(xué)中，使工程測量課程改革上升至新的階段。虛擬仿真實訓(xùn)平臺有益于教師實訓(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。

參考文獻：

[1]李娜.虛擬仿真技術(shù)在數(shù)字電路課程改革實踐中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20（7）：147-150.

[2]侯曉華，張新東.非測繪專業(yè)工程測量教學(xué)中的問題與對策探討[J].建材與裝飾，2018（45）：184-185.

[3]孫金萍.虛擬仿真技術(shù)在工程測量實踐教學(xué)中的應(yīng)用初探[J].決策探索（下），2019（3）：66-67.

[4]王婷，齊慶會，岳川云.虛擬仿真技術(shù)在土木工程測量教學(xué)中的應(yīng)用[J].高教學(xué)刊，2020（27）：112-115.

[5]龔振文，王慶.農(nóng)科院校水利工程測量課程案例教學(xué)法探討[J].山西建筑，2015，41（4）：238-240.