基于虛擬仿真技術的工程測量實驗教學初探

梁月吉

摘 要 工程測量課程是非測繪工程專業的基礎必修課，課程理論抽象、實驗環節多。由于課程實驗學時較少，且實驗設備操作復雜，傳統的實驗教學模式不利于提高實驗教學質量和學生綜合能力。通過分析傳統工程測量實驗教學模式存在的一些問題，經虛擬仿真重點實驗室，構建基于虛擬仿真技術的工程測量實驗教學平臺，充分整合課程資源，發揮虛擬仿真技術的優勢，給學生提供更為直觀的儀器操作體驗環境，為進入實際測量實踐奠定良好的基礎。該平臺的建立將有利于提高學生的創新能力和實踐能力，培養“理論扎實、動手能力強”的測量技術人才。

關鍵詞 工程測量；虛擬仿真技術；實驗教學

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）22-0056-03

Research on Experimental Teaching of Engineering Survey based on Virtual Simulation Technology//LIANG Yueji

Abstract Engineering measurement is a basic compulsory course of

non-surveying and mapping engineering， and the course theory is ab-

stract and experiments are complex. Because of the less time of ex-

periment and the complicated operation of experimental equipment， the traditional experimental teaching mode is not conducive to im-

prove the quality of experimental teaching and students comprehen-

sive ability. Analyzing some problems existing in the teaching model of traditional engineering surveying， the experimental teaching platform of engineering measurement based on virtual simulation technology is constructed to fully integrate the curriculum resources，

and play the advantages of virtual simulation technology. The plat-

form can provide students with a more intuitive instrument opera-ting experience environment， and lay a good foundation for entering

the actual measurement practice. The platform will help improve stu-

dents ability of innovation and practical， and train of the measure-ment technology talent with solid theory and stronger practical ability.

Key words engineering survey； virtual simulation technology； expe-

rimental teaching

1 引言

在國務院印發《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》后，“雙一流”建設已成為人們關注的焦點和談論的熱點。在這個大背景下，如何更好地開展工程測量實驗教學，也是值得思考的問題。工程測量課程是非測繪工程專業的基礎必修課，也是對實踐能力要求較高的一門課，學生實踐操作能力的高低直接關系到他們的專業學習和未來就業。隨著測繪科學技術的快速發展，測繪儀器的更新換代較為迅速，加上實驗課時減少，使得傳統的實驗教學方法和手段難以滿足課程教學的要求，“理論偏重實踐偏少”往往不利于學生對知識點的理解和消化，以及實踐操作能力的提高，因此需要探索一種更為有效的工程測量實驗教學方法。

2 課程現狀

工程測量課程是桂林理工大學部分工程類專業的技術基礎課，具有較強的實踐性。開設該課程的專業主要有風景園林工程、資源勘查工程、環境工程、土木工程等10余個[1]。該課程共設置32學時，其中理論課22學時，實驗課10學時。課程開設至今已有50余年，課程的教學內容、實驗環節、結構體系等已得到一系列改革[1-2]。其中，實驗課主要分為六大專題：

1）經緯儀的檢視與使用，主要包括經緯儀的構造與作用及對中、整平、瞄準與讀數等內容；

2）測回法水平角觀測，主要包括經緯儀安置，水平角觀測、記錄與計算等內容；

3）水準儀的檢視與使用，主要包括水準儀的構造與作用及安置、整平、瞄準與讀數等內容；

4）普通水準測量，主要包括水準測量外業觀測、記錄與計算；

5）全站儀的使用，主要包括全站儀安置、測站點和后視點設置、測點坐標測量；

6）豎直角觀測，主要包括經緯儀安置，豎直角觀測、記錄與計算。

3 傳統實驗教學存在的不足endprint

現實教學中往往體現出[3]：教學內容與測繪科技發展之間的不適應，教學手段與現代教育理念之間的不適應，學時壓縮與知識量增長之間的不適應。對于非測繪工程專業學生來說，實驗內容、儀器操作成為主要難題，有限的實驗課程學習往往難以達到教學的預期效果，存在以下主要問題。

1）實驗人數較多，實驗設備不足或型號老舊。測量實驗課往往3～4人/小組，不同專業人數不同；實驗小組少則10個小組，多則20多個小組。然而，實驗課指導教師往往只有1～2人，給教學增加了困難。

2）實驗課時相對不足，實驗內容相對較多。由于實驗學時的限制，難以保證學生學習效率的提高以及實驗操作規范的統一。

3）昂貴儀器，學生使用較少。有些貴重儀器，由于數量極少，難以滿足學生的學習；且學生對于貴重儀器在使用過程往往會產生怕弄壞儀器的心理現象。

4）儀器類型多，不易實現全部操作。如水準測量實驗，涉及儀器類型較多，傳統的實驗教學一般只能讓學生掌握對某種儀器的認識和操作，難以達到對其他儀器的融會貫通。

可見，傳統實驗教學難以保證學生更好地鞏固理論知識，缺乏實踐導致動手能力不足，在一定程度上影響了創新能力的培養。

4 基于虛擬仿真技術的實驗教學探討

虛擬仿真（Virtual Reality，簡稱VR）技術誕生于美國，是一種由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的人工三維信息虛擬環境，能夠較為逼真地模擬現實世界存在的事物，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等多個領域[4]。隨著計算機、網絡、信息技術等相關領域的發展，虛擬仿真技術大規模進入實驗教學是必然的趨勢，將會改變傳統的實驗教學模式[5]。

桂林理工大學測繪地理信息學院已建立區級虛擬仿真重點實驗室，由于處于建設初級階段，大量實質性工作有待努力開展。基于虛擬仿真技術，工程測量實驗教學主要是通過以無人機航拍得到的雁山校區3D全景圖為基礎，逐步實現各項工程測量實驗的虛擬仿真和數據分析處理平臺，使得理論知識和實踐操作得到有效結合。學生只需要登錄該平臺，即可快速、便捷、直觀地體驗學習環境，更加自主地理解和掌握課程知識點，達到更好的學習效果。

建立工程測量課程虛擬仿真平臺時主要采用的技術手段包括：通過Web技術[6]構建開放式虛擬仿真平臺；采用VRML編程語言進行場景建模[7]，以3ds Max輔助建模；通過Unity3D進行交互式測量仿真操作；利用NET技術[8]結合工程測量虛擬仿真實驗，構建集教學、操作、成果評價等為一體的線上實驗教學平臺。

通過以上技術實現工程測量虛擬環境和場景的構建過程，在注重各項實驗步驟細化的同時，更要注重中間過程實現的可視化。對于抽象的理論知識，如測量誤差、地圖投影、水準測量、控制測量、土石方計算等內容，采用文本、圖片、音頻、視頻和動畫相結合方法，化抽象為生動，將會大大加強學生的理解和記憶能力。對于實驗開展過程，如閉合水準測量、角度測量、坐標放樣等項目，以雁山校區3D全景圖為基礎，進行過虛擬仿真整個實驗，包括實驗方法、儀器操作、讀數、誤差檢驗等，實現更為貼近實際的操作場景，激發學生的興趣和激情，快速適應和開展實際的實驗內容。

同時，在“雙一流”建設背景下，結合新技術和實際應用，更深層次地研究工程測量課程的教學體系設計、實踐環節、實踐場地建設和施教方式等問題，提出更為可行的方案，培養出具備科研和實踐創新能力的綜合型人才。工程測量虛擬仿真實驗教學平臺的構建和實施，最終需要完成虛擬仿真軟件的研發和相關課件內容的設計，并在教學實驗中逐步應用、改進和完善。

5 工程測量虛擬仿真實驗教學的意義

針對傳統實驗教學存在的不足，構建基于虛擬仿真技術的工程測量課程實驗教學平臺，具有以下重要意義。

變抽象為生動 對于工程測量課程來說，理論知識往往較為復雜、抽象，僅依靠課堂教學往往難以達到教學目標，且由于實驗室設備、實驗安排、實驗人數、專業班級等方面限制，學生對所學理論沒有及時通過實驗加以理解和消化，疑惑問題過度積累極易產生排斥、厭學等現象。通過工程測量虛擬仿真實驗教學，學生登錄平臺，結合自身學習情況，能夠通過生動的畫面對抽象的理論知識有最直觀的理解，進而激發自主學習的熱情。

化被動為主動 傳統的實驗教學模式往往是教師在實驗基地對實驗要求、實驗操作、實驗注意事項等進行講解和操作，然后讓學生自行開展實驗。此過程，學生的學習往往是被動式的，且實驗小組人數往往較多，指導教師有限，難以及時對學生在實驗過程中出現的問題進行指導。而且，往往每個實驗項目為兩學時，不利于學生對實驗內容的掌握和提高實驗效率。通過工程測量虛擬仿真實驗教學平臺，學生完全可以在實驗前或實驗中自主去學習和研究實驗設計、實驗操作、實驗環境等內容，不僅充分發揮了自主學習和小組合作學習的能力，而且提高了實驗教學的效率。實驗后，學生可以通過虛擬仿真實驗教學平臺對所學實驗內容加以鞏固。此過程實現了學生自主開展學習，將被動式化為主動式，提升了自主學習的能力。

系統掌握、標準規范 傳統的工程測量實驗教學模式中，學生對實驗項目的規范要求和儀器設備的規范操作往往掌握較慢。在實驗過程中，學生對各項指標的檢驗不容易理解，且對于操作錯誤和誤差超限難以及時發現；對儀器設備的操作往往脫離規范化要求，甚至存在丟尺墊、儀器摔倒等現象。而且，一個教師往往需要指導十多個小組的實驗，在有限的學時內難以達到教學目的。工程測量虛擬仿真實驗教學平臺能夠讓學生從對實驗的陌生到模仿實驗，再到熟悉實驗，最后掌握實驗。這不僅讓學生系統掌握實驗的過程，熟悉各項規范要求，而且使得學生養成良好的實驗習慣和實驗素養。

舉一反三、融會貫通 工程測量課程的各項實驗所涉及的實驗設備種類較多，如閉合水準測量實驗，可采用DS03微傾水準儀、自動安平水準儀以及電子水準儀等。現代測繪科技的飛速發展及新技術新方法的應用，測繪儀器設備品牌多、種類多。然而，受實驗學時、儀器設備等因素影響，對于每一個實驗項目，學生可以接觸到的儀器設備往往只有一種，傳統實驗教學不利于學生對知識的拓展。隨著測繪儀器逐漸實現一體化、智能化，用人單位對畢業生測量技能方面的要求也在提高，不少單位甚至把能操作某種儀器設備作為基本要求。如果實驗教學儀器跟不上，或學生對實驗設備掌握不夠，不僅達不到預期的教學效果，而且培養出的人才與社會脫節，無法達到人才培養目標。endprint

通過工程測量虛擬仿真實驗教學平臺，針對每一個實驗項目，構建和實現采用不同儀器可達到的實驗效果，以及探索在不同的實驗環境中（如平地、山地等）如何實現項目的開展和檢核。學生只需通過實驗課掌握的某一類儀器設備以及實驗方法，即可通過虛擬仿真實驗教學平臺自主學習和掌握同一類實驗項目如何設計、如何操作、如何進行數據處理等知識，最終達到舉一反三，融會貫通。

充分利用虛擬仿真技術的優勢展開對工程測量課程實驗教學模式的創新研究，有利于提升實驗教學質量，改善空有理論教學而實驗環節不足的缺陷，更好鞏固理論知識，達到更好的教學效果，全面、綜合提高學生的學習創新能力、實踐設計能力、實踐動手能力。

6 結束語

當前社會需要實踐能力強的綜合人才，各招聘單位對畢業生的動手能力放在首位。工程測量實驗教學的改革勢在必行，開展基于虛擬仿真技術的工程測量實驗教學是一個漫長的摸索和不懈努力的過程，需要結合工程測量的特點和各專業實際情況，不斷在教學實驗過程中進行應用、改進和完善。平臺的建立將會不斷激發學生的學習興趣和激情，培養學生的自主學習能力和自主創新能力，使學生掌握的知識更加牢固、有條理和系統化，最終培養出更高質量的測繪工程人才。

參考文獻

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[8]張巖.基于VRML的虛擬仿真儀器分析實驗室的設計與實現[D].南京：南京理工大學，2013.endprint