虛擬仿真技術在土木工程測量教學中的應用

王婷 齊慶會 岳川云

摘? 要：文章結合目前推進虛擬仿真技術發展的新形勢，通過我校虛擬仿真實驗室，構建基于虛擬仿真技術的土木工程測量教學平臺，該平臺提供更為直觀、便捷的儀器操作模擬環境，更好的突出理論結合實踐的課程特點及要求，為進行實際實踐環節奠定良好的學習基礎。同時本研究對于該教學平臺助力高技術、具有創新精神的高學歷應用型人才培養具有推廣意義。

關鍵詞：土木工程測量;虛擬仿真技術;課程教學

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）27-0112-04

Abstract： This paper combines new situation in advancing the development of virtualreality technology， and through our virtual reality laboratory， we build a teaching platform of civil engineering measurement based on virtual reality technology. This platform provides a more intuitive and convenient simulation environment of instrument operation and it can better highlight the characteristics and requirements of the theory combined with practical courses， it lays a good learning foundation for the actual practice. At the same time， this research has a promotion significance for the teaching platform to assisted high-education and applied personnel training of high-tech and innovative spirit.

Keywords： civil engineering survey; virtual reality technology; course teaching

一、傳統土木工程測量教學現狀

土木工程測量是土木工程專業所學課程中的一門必修課，在專業人才培養方案中始終占據重要的地位。土木工程專業的大部分學生畢業后將要到建設工程單位、企業從事技術和管理工作，承接的工程項目施工需要經過工程測量階段，因此土木工測量的教學是保障學生就業與發展的關鍵內容，目前我校土木工程專業工程測量課程根據最新人才培養方案規定，設置總學時為40學時，2.5學分，總學時按照理論課時32學時，實踐課時8學時分配，課程的教學方式、內容、體系等結構依據社會需求、人才發展經歷了一系列改革。

通過課程的教學及師生的反饋，在已有的教學模式上存在一些較難克服的問題：

1. 教學內容與社會發展、科學進步不適應，教學手段與現代教育模式、理念不適應，課程學時壓縮與知識量增長不適應等。

2. 實驗課相對不足，實踐環節流程較多，內容復雜，在有限的學時內，難以保證人均實操，不能真正實現實踐環節的根本意義。

3. 測量儀器設備價格昂貴，且屬于精密設備，數量有限，難以滿足學生使用學習，而且師生對于貴重的儀器設備的使用操作，心存擔憂，自主選擇放棄實操環節。

4. 儀器類型品牌較多，可批量參與實踐的儀器設備較為陳舊，現有教學方式往往只能讓學生甚至教師掌握幾種儀器的認識和操作，對儀器的運用了解片面，以至對測量工作及專業發展局限于理論基礎，難以實現理論與實踐相結合的教學理念，在一定程度上影響創新能力的培養。

5. 課程實踐教學環節與實際工程測量存在一定的差異性，模擬施工整體場地和進展的想法難以實現。

6. 人才培養方案規劃中設置了認識實習等觀摩性實踐課程，盡量完善實踐環節的內容。但仍存在一系列問題：第一，學生安全難以保障，在路程、測區等各方面均存在安全問題;第二，觀摩過程難以達到細致、全面;第三，學生到達工作區，基本無實踐操作能力。

工學知識的熟練掌握關鍵在于理論與實踐結合，土木工程測量的教學模式必須包含實踐操作環節，該環節具有很強的實踐性和應用性。土木工程專業的學生在該課程學習的過程中，課堂上的理論知識是基礎內容，必須加以實操動手能力，綜合提升專業技能、開發創新能力。因此，為了保障理論結合實踐的學科理念，虛擬仿真技術在課程授課方面的應用指引了一個新的發展方向，具有一定現實意義。

二、虛擬仿真（VR）技術與傳統課程教學結合

虛擬仿真（仿真技術），也被稱作為模擬技術，即以一個虛擬的系統模仿、構建另一個真實的系統的技術。虛擬仿真的實質是一類可以創建，又能體驗的模仿真實世界的計算機系統。該技術的特點是依托仿真的形式給用戶創造出一種即時反饋實物實際變化與相互作用的立體虛構世界，并以頭盔顯示器和數據手套等輔助傳輸傳感設備，為使用者提供出一個觀察與該虛化世界交互感受的三維模擬環境。通過該項技術使用者可直面體驗仿真模擬對象所處的環境，研究其產生的相互作用與有關變化，直觀感受真切。虛擬仿真技術集成了多種專業技術，具體涵蓋視覺生理學、計算機圖形學、視覺心理學、仿真技術、人工智能技術語音識別與合成技術、軟件工程、人機接口技術、微電子技術、多媒體技術、信息技術、傳感與測量技術、計算機視覺、計算機技術、立體顯示技術及網絡技術等多種高新技術形成的結晶。[1]

虛擬仿真系統與教學結合，目前其系統主要劃分為四類：即桌面式、沉浸式、分布式和增強式虛擬仿真系統。桌面式虛擬仿真系統是依托普通計算機和低級工作站實現仿真功能，用戶了解虛擬環境是通過計算機屏幕，計算機的鍵盤和鼠標等相關設備，通過這些設備與虛擬環境互動。該種系統應用比較廣泛，相對成本較低，容易實現，但是缺乏真實感。沉浸式虛擬仿真系統，是用戶通過使用頭盔和手柄等電子設備在虛擬環境中互動，用戶參與到虛擬環境中，沉浸在系統環境中，目前較廣泛的應用于游戲環境。分布式虛擬仿真系統是多個用戶在不同地理位置通過網絡相互連接，共同分享信息，用戶不是作為虛擬環境的參與者。增強式虛擬仿真系統是在真實環境基礎上，與虛擬環境相結合，共同模擬真實環境和系統。[2]

結合虛擬仿真技術和實際應用，提升、改變課程的教學體系設計、實踐環節和教學方式等問題，著力培養與時俱進，兼具科研和創新能力的綜合型人才。推動產教融合，推進多方協同合作，致力構建和實施教學平臺，更加完善虛擬仿真軟件的研發和相關課件內容的設計。

計算機、網絡信息等科技技術廣泛應用于各個領域，并且發展迅猛，虛擬仿真技術的開發使用逐步滲透到教學應用中，規模性應用將成為一種趨勢，會影響、提升、改變傳統的實驗教學模式。

三、虛擬仿真（VR）技術在工科課程教學中建立的意義

（一）理論教材與虛擬仿真技術結合

近年來虛擬現實技術在高校中各個專業實踐應用、理念推廣、多方向開發發展迅速，但在理論教學中應用較少。傳統的課堂教學一直以書本、教材為主要知識傳授方式，這種教學方式將知識平鋪直敘的呈現給學生，講解方法扁平化，工科課程的理論性知識比較普遍，往往令學生難以理解抽象、系統化的知識要點，學生學習動力不足，缺乏興趣，學生的學習中質量難以保障，采用虛擬仿真技術與教學相結合的方式授課在一定程度上能夠激發學生學習熱情，活躍課堂氣氛。應用虛擬仿真技術結合理論，將需要傳遞的內容進行三維可視化塑造，使包含的知識點立體化、層次化呈現，實現知識點關聯性講解，以此基本能夠解決根本性問題，易化、剖析疑難點。

可以根據現有的教學方式、手段、模式，將虛擬仿真技術結合輔助教材與多媒體教學方式中，實現教學方式的改革。將虛擬仿真技術與教材結合，將理論、原理的要點、重點等內容虛擬化，生成虛擬模型或動畫模式，再通過虛擬仿真設備呈現給學生。

運用虛擬仿真技術結合理論制作3D虛擬模型、動畫改造傳統的PPT等多媒體內容，打造虛擬仿真教學資源。

虛擬仿真技術教學資源實現了從文字轉化為圖形圖像、平面模式轉化為立體模型、靜態轉化為動態、單一獨立轉化為結合交融，從一定程度上能夠提高學生學習的興趣，同時教學質量也能夠得以更好的保障。[3]

（二）實踐環節與虛擬仿真技術結合

實踐環節是工科課程學習的重要部分，但在實踐環節教學中，很多設備、儀器成本較高，設備繁多、體積較大，甚至存在危險等特點，導致專業性實踐課程無法順利、全面開展，無法達到實踐環節課程設置的真正目標。虛擬仿真技術能夠在虛擬的環境下模擬實踐所需的實驗設備及環境，并根據具體的實踐要求、目標完整的設計實踐過程，例如我校建立的虛擬仿真實驗室主要運行沉浸式虛擬仿真技術，在虛擬仿真實驗室可以形象、直觀的教授學生關于設備的原理、結構、操作及開發等相關知識，并且通過實際模擬操作，更便于學生理解和掌握。

另外，虛擬仿真系統在實踐環節中模擬場景應用具有安全保障，學生可以完全置身于虛擬環境中，反復練習、設計方案以及創新試驗等。能夠在系統中實現解決問題、發現問題循環運用，進而提升系統性能、提高專業能力。虛擬仿真技術不僅僅能夠模擬理論、操作等的獨立性模塊，更能夠模擬建設工程項目整體環境、實施流程，實現與實際生產、工作過渡與銜接，幫助學生在真正進入工作崗位前，了解熟悉工作情況，協助學生融入實際工作生產。

通過虛擬仿真技術與課程教學相結合，應用于大部分工科專業，可以建立一套應用新型教學體系。首先利用虛擬仿真技術結合理論教學開發課堂授課資源，在教室內開展理論教學，通過虛擬仿真系統的信息呈現，使學生熟悉、認知理論知識，提升學生進一步學習興趣和熱情，引導學生發現問題，如何在工程項目中解決問題;然后根據實際工作情況以及問題場景設定模擬工程環境，建立實踐教學資源，教授、指導學生在虛擬現實環境下進行一系列操作及創新，增加學生自由實踐空間、時間，逐步提升教學質量和提高模擬工作效率，最終形成以觀察-體驗-思考-操作-實踐的教學體系。

四、虛擬仿真技術（VR）在土木工程測量課程教學中的應用

我校虛擬仿真實驗室現擁有沉浸式虛擬仿真運行平臺，利用已有的虛擬仿真系統能夠研發出供土木工程測量課程教學的工程測量虛擬仿真模式，實現虛擬仿真技術在該課程教學中的應用。根據課程設計及工程實際進程，劃分多個子系統，每個子系統又可根據實踐項目的內容繼續設置不同的模塊。

從構建工程測量仿真實驗系統角度來講，工程測量考驗著學生的嚴謹性。測量工作存在一定的誤差，誤差會對工程項目的進程、工程質量等多個方面產生不可逆轉的影響，學生必須認識到誤差處理的重要性，因此教師在開展教學的過程中需要建立一個工程模擬仿真模塊。為學生呈現測量知識，同時要使用虛擬仿真技術，確保學生掌握測量技巧。

教師授課時只需登錄系統，即可快速、便捷、直觀地呈現學習環境及內容，該方法能夠促進學生理解和掌握課程知識點，實現理論結合實踐的學習方式，有效傳遞知識，提高學習效果。

對于抽象的理論知識，如測量誤差、地圖投影、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，是抽象的信息轉化為生動的呈現，這將有效的提升學生的理解和記憶能力;實踐項目教學的開展中，如水準測量、角度測量、坐標放樣等實操性項目，通過虛擬仿真技術構建的工程測量虛擬環境和場景，在儀器操作、實驗步驟、誤差檢驗等模塊中，模擬還原實際的操作場景，強調工程實踐環節步驟細節的同時，也能注重實踐中間過程實現的可視化。提升整體形象感，提升學生實踐學習的興趣，促進學生更好感受和開展實踐內容。[4]

以工程測量課程特點開發的虛擬仿真實驗教學平臺，對于每一個實踐項目，建立、構造在使用不同的儀器的情況下進行實踐活動，以及模擬在不同的實驗環境中（如平地、山地等）開展項目。首先學生需要在掌握某一類儀器設備和運用的實踐方法，在此基礎上，通過該虛擬仿真教學平臺自主學習、熟練使用及掌握同一類實踐項目的設計思想、操作流程及數據處理等內容，進而達到舉一反三，融會貫通。[5]

我校虛擬仿真實驗室的初期規模建設已經完成，正在逐步投入教學結合以及校內外實踐基地的使用，積極開展實質性工作。傳統教學中，教師主要通過圖片、視頻的方法，導入知識點，為學生講解。伴隨著虛擬技術發展，可以應用虛擬技術為學生創設良好的工程測量學習環境。

五、發展前景

（一）高校教學方面

在信息化發展背景下，大力提高高等學校的教育教學質量及人才培養水平，從2017年起，教育部啟動示范性虛擬仿真教學工作，旨在推動高校積極創建線上線下結合智能化、個性化一體的虛擬仿真教育教學工作，形成專業突出、布局合理、開放共享的示范性高等信息化教學新體系。

（二）工程項目方面

目前國內外有很多工程測量結合虛擬仿真技術的實例。現在計算機行業領域發展中，虛擬仿真技術逐年發展強大，逐漸形成獨有體系，逐步推廣至各行各業中應用。在工程測量、土木施工等工程項目方面應用日漸加深，在工業工程訓練過程中，也在運用、推廣虛擬仿真技術。因此，在校企交流、協同發展的新形勢下，實際工作中對虛擬仿真技術的使用、系統的建立，虛擬仿真技術及運行開發平臺在高校教學中的應用，成為了新的合作發展熱點。

（三）土木工程專業方面

土木工程測量涉及施工測量、地形測量、控制測量、竣工測量和變形監測等傳統測量技術的學習，該課程是土木工程專業的一門應用型學科。現代化的工程測量技術，如3S技術、無人機等，也逐漸深入到土木工程專業中。例如無人機是攝影測量工作中廣泛應用的搭載平臺，能夠高效獲取中低空航拍影像。但是由于無人機操作技術要求較高、儀器貴重、具有飛行資質等限制，難以實現學生實體操作。虛擬仿真技術建立模擬無人機系統，能夠提供基本的操作功能，可以使每一位學生親身了解、操作。通過虛擬無人機操作平臺教學，為學生提供理論知識與模擬土木工程測量施工現場情況。

（四）教師綜合技能方面

專業教學結合虛擬仿真技術的模式將是系統、長遠的發展。虛擬仿真教學逐年在高等院校工科專業課程中使用，因此，在推進虛擬仿真技術結合課程教學的同時，保障教學效果稱為重點關注方面。虛擬仿真技術在高校應用日益發展，應該注重其應用標準、規范，教學效果、效率和質量同步發展。

虛擬仿真技術的大力建立、開放與發展需要有高素質的人才。打造高素質、高技術、高能力的優秀教師隊伍，是專業技術發展、高標準教育教學的必要條件。教師在教學方法和教學理念的高質量改革創新，能夠高效、合理的利用虛擬仿真系統。虛擬仿真技術涉及多個專業方向，利用該技術的同時，借此打造專業合作，共同發展。

六、結束語

充分了解、利用、開發虛擬仿真技術的優勢，結合工程測量課程的特點，開展土木工程測量課程教學模式的創新性、改革性研究，既要保證教學工作順利推進，更要提升教學整體質量，理論教學與實踐環節教學兼顧發展，增強學生掌握、運用知識的能力，進而全面、綜合的提高學生的創新能力、開發能力。

虛擬仿真技術符合教育深化改革需求。因此，應用型高校需要深入研究虛擬仿真技術，高效掌握虛擬仿真技術應用，提高教育教學水平、改善教學環境、豐富教學資源、優化教學過程，促進培養高技術、具有創新精神的高學歷應用型人才。

參考文獻：

[1]孫金萍.虛擬仿真技術在工程測量實踐教學中的應用初探 [J].決策探索（下），2019（03）：66-67.

[2]鄭卜源.虛擬仿真技術在高校土木工程實驗教學中的應用[J].城市建設理論研究（電子版），2019（05）：179.

[3]葉勤，關澤群，邵永社，等.測繪工程專業攝影測量學實驗教學改革探索[J].測繪通報，2010（6）：74-77.

[4]梁月吉.基于虛擬仿真技術的工程測量實驗教學初探[J].中國教育技術裝備，2017（11）：56-57+60.

[5]黃志劍.虛擬仿真技術在工程測量中的應用[J].科技風，

2018（26）：6.