基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛實結(jié)合的測量實習(xí)課程

摘要：為增強學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，本文以道路工程測量實習(xí)課程為例，針對各類學(xué)校的土木工程專業(yè)的測量實習(xí)課程課時有限，實訓(xùn)資源和實訓(xùn)平臺的匱乏，探討采用虛擬實驗和真實實驗相結(jié)合的實驗教學(xué)模式，彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端，更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動性。

關(guān)鍵詞：工程測量;實驗教學(xué);虛擬實驗;教學(xué)模式

在構(gòu)建新工科人才培養(yǎng)體系的大背景下，增強學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力至關(guān)重要。實習(xí)教學(xué)與理論教學(xué)相比在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面具有明顯的優(yōu)勢。隨著市場對于道路工程領(lǐng)域人才的技能素質(zhì)的要求也越來越，這對學(xué)校人才培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)施和條件提出了更高的要求。但是對于很多工程類專業(yè)，實訓(xùn)資源和實訓(xùn)平臺的匱乏，為教學(xué)帶來不小的難題，影響了新工科人才的培養(yǎng)。

一、課程現(xiàn)狀

傳統(tǒng)工程測量實習(xí)教學(xué)模式是學(xué)校需要為學(xué)生提供實習(xí)設(shè)備、實驗材料物質(zhì)條件等，以讓每個學(xué)生都有動手學(xué)習(xí)和練習(xí)的機會，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行現(xiàn)場實際操作，從而提高學(xué)生的動手能力和理論聯(lián)系實際的能力[1，2]。但是當(dāng)前的實習(xí)教學(xué)模式也面臨著一些實際問題：實踐、實訓(xùn)操作場地有局限性，涉及高危或極端的大型綜合性場景難以構(gòu)建;由于運行成本等原因，實訓(xùn)操作設(shè)備數(shù)量也難以滿足要求;學(xué)生只能在特定的時間、特定的場合接觸和使用測量儀器設(shè)備，難以達(dá)到反復(fù)練習(xí)、提升技能的需求;實踐角色定位單一，重復(fù)操作，實訓(xùn)內(nèi)容枯燥;實踐操作考核標(biāo)準(zhǔn)難以規(guī)范化，考核結(jié)果難以有效記錄。探索基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立橋隧三維實體模型，實現(xiàn)工程測量操作與工程進(jìn)度交互的實時效果，解決學(xué)生橋隧施工放樣實訓(xùn)困難的問題，這在同類的課程建設(shè)中是具有創(chuàng)新性的思路。

二、技術(shù)背景

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)是上個世紀(jì)末興起的一種綜合性的信息技術(shù)，該技術(shù)融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個信息技術(shù)分支。它可以在計算機上建立一個部分代替或全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，利用計算機綜合處理圖像、聲音、動畫等素材，構(gòu)建生動逼真的二維和三維場景，具有形象、生動、直觀、高效的特點，用戶可以像在真實環(huán)境中一樣完。

隨著信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)的進(jìn)步，尤其是衛(wèi)星定位和航測技術(shù)的進(jìn)步，讓基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫更加完備，這就使基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)對工程項目實施測量成為可能，協(xié)同技術(shù)的發(fā)展，讓測量工作不必局限在施工現(xiàn)場。針對施工測量工作的實時性，交互性和貫穿項目設(shè)計，施工，竣工和使用監(jiān)測全過程的特點，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的仿真實訓(xùn)平臺可讓學(xué)生在較短時間內(nèi)了解掌握施工測量過程的全部要素。 土木工程項目施工是一個的復(fù)雜時變系統(tǒng)，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于項目施工生產(chǎn)和管理中，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。加強測繪類專業(yè)教學(xué)中的信息化建設(shè)，對于普通高等院校、職業(yè)院校培養(yǎng)高質(zhì)量應(yīng)用型人才具有很大的促進(jìn)作用。

三、實現(xiàn)路徑

針對各高校的土木工程專業(yè)的測量實習(xí)課程課時有限，實訓(xùn)操作不足的情況，工程測量實習(xí)課程探索基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以建立虛擬測繪實習(xí)系統(tǒng)，擺脫了實體硬件設(shè)備限制，可以為師生提供“即時可學(xué)、隨處可學(xué)”的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，輔助教師組織完成在傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境下無法完成的復(fù)雜危險的實踐教學(xué)活動。該系統(tǒng)包含內(nèi)容如下。

（1）虛擬測區(qū)

虛擬測區(qū)是基于參數(shù)化和三維可視化的測區(qū)，可以對測繪作業(yè)進(jìn)行真實的“再現(xiàn)”。系統(tǒng)內(nèi)的虛擬測區(qū)應(yīng)該包含城區(qū)、道路、山丘、高原等仿真場景，所有特征場景相連組成的超大型沙盒內(nèi)容，場景具備符合測繪地理信息專業(yè)實踐教學(xué)特點的虛擬實驗環(huán)境、從根本上克服了傳統(tǒng)實訓(xùn)中無法呈現(xiàn)“理想”的測區(qū)環(huán)境的弊端。

（2）虛擬操作

在系統(tǒng)內(nèi)可以了解認(rèn)知設(shè)備、掌握從架設(shè)到操作、再到讀數(shù)這樣的流程;可依據(jù)測繪目的、踏勘情況，自主性地選擇測繪設(shè)備和測繪方法;并使用儀器模擬真實測量，完成一系列如選點、基準(zhǔn)站建設(shè)、圖根點采集、數(shù)據(jù)導(dǎo)出傳輸、棱鏡架設(shè)、垂直微動、建站設(shè)置、碎部測量;還輔助數(shù)據(jù)處理，內(nèi)業(yè)計算，圖形繪制等功能模塊。從根本上克服了傳統(tǒng)實訓(xùn)中器材資源的限制。

（3）施工案例

圍繞道路工程對測繪的要求，虛擬構(gòu)建施工案例及對應(yīng)的測繪工作所需的應(yīng)對方法，提升學(xué)生實訓(xùn)能力。依托虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過建立橋隧等三維實體模型，實現(xiàn)工程測量操作與工程進(jìn)度交互的實時效果。將該內(nèi)容納入測量實習(xí)課程教學(xué)大綱，可以解決學(xué)生橋隧施工放樣實訓(xùn)困難的問題，解決一些復(fù)雜案例難以呈現(xiàn)的困難，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（4）評價反饋

系統(tǒng)可以實現(xiàn)反饋追蹤測繪過程的正確性、測繪成果的質(zhì)量性。并對操作結(jié)果生成實訓(xùn)報告，對操作進(jìn)行科學(xué)評價、科學(xué)反饋，依據(jù)學(xué)生完成任務(wù)的情況來評定學(xué)生成績。教師從后臺端還可了解學(xué)生的練習(xí)程度和不足之處，并在實際教學(xué)中加以彌補。

四、課程組織形式的改變

教學(xué)內(nèi)容的改變必然帶來教學(xué)組織形式和教學(xué)方式的相應(yīng)改變。如果采用虛擬仿真實驗和實地實習(xí)教學(xué)相結(jié)合的模式，可以達(dá)到教學(xué)效果最大化的目的。具體優(yōu)點如下：

依托虛擬實習(xí)系統(tǒng)可以實現(xiàn)實習(xí)教學(xué)的開放性。在虛擬實習(xí)系統(tǒng)中，學(xué)生可以自由地在三維場景中任意漫游，通過模擬真實的現(xiàn)實空間數(shù)據(jù)獲取儀器，自主完成綜合性的虛擬實訓(xùn)操作。。

依托虛擬實習(xí)系統(tǒng)可以進(jìn)行自主性學(xué)習(xí)。虛擬實習(xí)系統(tǒng)不計成本，可反復(fù)演練，實際實習(xí)開始前，同學(xué)們還可以通過虛擬實習(xí)系統(tǒng)來準(zhǔn)備現(xiàn)場實習(xí)。同學(xué)們事先經(jīng)過虛擬實習(xí)，實際測試時就是在做實戰(zhàn)演練，實現(xiàn)學(xué)生由課堂到課外實訓(xùn)的順利過渡。

依托虛擬實習(xí)系統(tǒng)可以提高學(xué)生的參與性，在虛擬實習(xí)系統(tǒng)中，學(xué)生可以充當(dāng)實習(xí)過程的各種角色，依據(jù)需要放大操作細(xì)節(jié)或加快項目進(jìn)度，從而提高學(xué)習(xí)效率，增強教學(xué)效果。

結(jié)語

因此采用虛擬實驗和真實實驗相結(jié)合的模式，實驗前同學(xué)們先通過自學(xué)，采用虛擬仿真實驗進(jìn)行實驗?zāi)M，了解實驗過程，掌握實驗誤區(qū)，并在虛擬實驗中得到糾正;然后在真實實驗中真實操作，提高動手能力，加深學(xué)習(xí)興趣;課后再采用虛擬實驗進(jìn)行鞏固，提高學(xué)習(xí)的效率，也為教育數(shù)字化提供了一種新鮮有效的模式。

作者簡介

于哲夫（1975.6.29—），男，遼寧省大連市，博士，副教授，工程圖學(xué)。