虛擬仿真技術在測繪工程實踐教學中的應用

岳祥楠，賀小星，馬飛虎，曾 聰

(1.華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013；2.華東交通大學 土木工程國家實驗教學示范中心，江西 南昌 330013)

《教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》[1]提出堅持“以本為本”，加快建設高水平本科教育，建立線上線下相結合的教學模式，大力推進慕課和虛擬仿真實驗室建設，從而全面提高人才培養能力。測繪工程專業作為一門實踐性極強的工科類專業，以培養測繪專業技術人才為目標[2]。針對目前測繪工程本科培養方案在理論、實踐教學質量中存在的短板，教育部提出建設國家級、省級、校級虛擬仿真實踐教學項目，打造高水平本科實踐教學平臺。結合虛擬實驗環境、基于互聯網在線共享的虛擬仿真實踐教學信息化平臺等，通過“虛實結合”的教學方式，利用虛擬仿真實驗促進本科教學，培養學生的實踐能力，助力學校“高水平本科教育”“雙一流”學科建設。

虛擬仿真實驗是一種在虛擬現實技術、互聯網共享技術等基礎上建立的一種新型實驗模式[3]，通過在計算機上模擬仿真現實儀器設備和實驗環境，突破了時間、空間、自然環境的限制，學生隨時可以通過虛擬仿真平臺進行實驗操作[4]，為學生提供了充足的實驗機會。虛擬仿真技術因其沉浸性、逼真性、交互性等特點[5]，被廣泛應用于高校的實踐教學中，有利于實驗教學資源的共享，同時可激發學生的學習積極性和實驗興趣，提升實踐教學質量。

1 測繪工程專業虛擬仿真實踐教學平臺建設的必要性

實踐教學平臺是培養信息化測繪創新型專業技能人才的重要組成部分，但測繪工程專業原有實踐教學培養模式還未完全轉變[6]，需要結合目前存在的問題，有針對性地提出實踐教學改革方案。圖1為虛擬仿真實踐教學改革體系。當前測繪工程專業理論、實踐教學中主要存在以下幾點問題：

圖1 虛擬仿真實踐教學改革體系

1)原有實踐教學方式難以滿足測繪新技術快速發展對人才的需求。由于傳統的實踐教學主要是學生操作測繪儀器，但是儀器較少，很難做到人手一臺，且一個教師面對幾十個學生，導致教師很難將實踐教學內容全面傳授給每一個學生，學生在時間較短、次數有限的實習課程中無法真正掌握實踐教學內容，難以積累足夠的實踐經驗。盡管當前信息化時代，慕課(MOOC)、微課堂、虛擬實驗室等新型教學手段不斷發展，但在測繪工程實踐教學中還未得到很好的應用。

2)既有實踐教學資源難以滿足專業人才培養規模的要求。測繪儀器價格較高，類型較多，學生很難接觸到新款測繪儀器，并且學生由于操作不熟練可能導致儀器損壞，更加劇了儀器數和學生數的差距，導致學生對儀器了解少，操作少，因而動手能力較差。

3)實踐教學效率難以滿足互聯網一代學生對自主學習的需求。互聯網一代學生對線上學習與線下實訓相結合的教學方式更易于理解和掌握，同時對學習時間的需求更加靈活，而現有實踐教學模式由于教學時間和資源的限制，學生的自主學習需求得不到滿足，教學效率和學習效率都不高。

4)學生實踐創新能力和解決復雜工程問題能力不足。學生創新能力未能得到有效培養，綜合利用課堂所學知識解決復雜工程問題的能力有所欠缺[7]，針對實際工程問題，不能進行深入分析和研究，實踐教學中學生很難在真實場景進行實驗，無法全過程參與，更無法創新實驗流程與操作。

基于虛擬仿真技術的新實踐教學模式可以打破傳統的測繪實踐教學課堂無法講授的情況，把實踐教學搬到課堂上，打破時間和場地對實踐教學的束縛[8]。新實踐教學模式以學生為核心，激發學生的自主性和積極性，提高學生的操作和實踐能力，盡量避免“高分低能”現象的出現。許多業內專家和從事一線教學的專業教師開展了有關虛擬仿真技術與測繪學專業的應用研究，并取得了相關成果，包括虛擬測繪儀器設計[9]、虛擬仿真平臺建設[10]、整個測量過程的三維模擬[11]等，在高校師生實踐教學中取得了較好的效果。

2 測繪工程虛擬仿真實踐教學平臺的建設

2.1 實踐教學平臺建設目標與功能

通過“虛實結合”的方式建立基于互聯網的虛擬仿真實踐教學平臺，使現代測繪信息技術融入實踐教學之中，擴展了實踐教學時間和空間，提升了實踐教學的質量和水平[12]。實踐教學平臺建設的目標是：以培養學生“基礎知識扎實、動手能力強、興趣廣泛、有創新意識”為目標，堅持以“理論與現實、基礎與先進統一”為指導思想，優化教學內容，構建虛擬仿真實踐教學平臺；進一步促進“產-學-研”的深度融合，拓展和深化測繪實踐教學開展的空間，打造一個高水平的以教學、科研、生產培訓為一體的虛實結合人才培養平臺。

首先，為了便于通過互聯網在線開展實驗技能訓練，結合測繪工程專業基本理論、實踐教學需求，設計虛擬仿真實踐教學平臺；構建網頁/客戶端單元(學生、教師)、網絡和服務器單元(資源分發、數據存儲)、虛擬仿真實驗平臺單元(實驗資源、平臺管理)3個實驗單元的虛擬仿真實踐教學平臺框架(見圖2)。

圖2 虛擬仿真實踐教學平臺框架

其次，通過現代信息技術將多個虛擬仿真實驗項目集成于虛擬仿真實踐教學平臺上，構成一套實踐技能在線訓練和實時評價一體化、網絡化的虛擬測繪實踐教學資源。結合專業發展趨勢將前沿的測繪科學技術、理論與“云數據”計算管理技術相結合，構建無人機數字測圖虛擬仿真實驗、衛星導航綜合應用虛擬仿真實驗。

虛擬仿真實踐教學平臺可向學生、教師提供基于網絡的實驗管理功能，學生在系統中選擇實驗項目，保存實驗結果，通過服務器實時記錄進數據庫；教師和學生可以通過平臺進行交流和討論。在實驗中，管理模塊根據記錄的相關信息對學生的實驗操作和過程給予實時評價，得出學生學習能力、學習效果以及教學效果分析數據，反饋給學生和教師，幫助其調整學習側重點、改進教學方法，逐步完善虛擬仿真實踐教學平臺。

2.2 無人機數字測圖虛擬仿真實驗

無人機數字測圖是當前國家基礎地形圖測繪的主要手段之一，該虛擬仿真創新實驗是對無人機攝影測量技術這一受法律法規約束，并具有安全風險的實驗項目[13]，對實驗環境和對象進行仿真模擬，建設基于互聯網在線共享的虛擬仿真實踐教學資源。實驗流程見圖3，無人機數字測圖虛擬仿真實驗通過對無人機數字測圖中“數據采集-數據處理-數據表達”的作業流程各環節進行虛擬仿真，使學生能夠更加準確地理解和掌握各實驗流程中的內容。

圖3 無人機數字測圖虛擬仿真實驗流程

以學生為本，按無人機數字測圖測繪生產作業流程開展虛擬仿真實踐教學，且平臺可對每位學生的虛擬仿真實驗過程進行跟蹤評分、實時反饋，能夠實驗全過程精細化教學。通過“虛實結合”的教學方式有效地提升了實踐教學效果，使學生能夠直觀的體驗無人機數字測圖的全部作業流程，可以加深對無人機數字測圖原理、影像數據處理技術和核心算法的理解，鍛煉學生的綜合能力，培養全面發展的攝影測量專業技術人才。

2.3 衛星導航綜合應用虛擬仿真實驗

衛星導航綜合應用虛擬仿真實驗包括基礎型實驗、進階型實驗、創新型實驗三大類(見表1)。基礎型實驗系統地對衛星導航定位的基本原理進行實踐教學，著力培養學生基礎知識，夯實基本操作技能[14]；進階型實驗在基礎訓練的基礎上，進一步對衛星導航定位應用方式及數據處理進行解析，加深學生對衛星導航定位技術及其應用的深入理解[15]；創新型實驗以衛星導航定位技術為基礎，融合地質災害監測、山洪災害預警、無人機應用、GIS分析等工程應用，營造科技創新的實踐教學氛圍，積極打造學生參與科學研究與科技活動的平臺(挑戰杯、互聯網+、創青春、測繪技能大賽等)。

表1 虛擬仿真實驗室實驗框架

變形監測是測繪工程專業學生的核心課程內容，也是土木工程類、交通運輸類等眾多工程專業的必修內容[16]。但是由于變形監測工作“風險高、難度大、周期長、單次觀測時間長”等特性，導致現實實踐教學中學生很難在真實場景進行實驗，無法全過程參與，擬構建變形監測虛擬仿真實驗。通過利用計算機控制橋梁、高層建筑、邊坡等模型，模擬產生形變，有利于學生了解開展變形監測的重要意義，學生可利用實踐教學平臺學習變形監測的原理與方法，對變形的規律和原因進行分析研究，掌握安全評估和預測的方法及手段。圖4為北斗/GPS橋梁變形監測實驗框架，學生可應用智能全站儀、北斗/GPS監測、監測傳感器、激光三維掃描儀等虛擬儀器進行監測，并對監測數據進行處理和分析，為日后開展類似實訓和畢業后工作提前儲備知識和能力。

圖4 北斗/GPS橋梁變形監測實驗框架

構建“虛實一體、虛實交叉融合”的衛星導航綜合應用虛擬仿真實踐教學模式，實現了虛擬仿真實踐教學、傳統實操實踐教學和課堂理論教學的深度融合，引導學生在數字環境下自主學習和實驗，全面培養學生的綜合實踐能力。此外，構建了線上線下協同教學方式方法，線上虛擬交互實驗與線下實訓相結合，實現教與學雙向互動，突破了教與學的時空限制，豐富了學生學習內容和學習方式的選擇，強化了學生的個性化和自主學習。

3 結束語

虛擬仿真實踐教學平臺具有節省資金、更新快、全天候、應用廣等特點，在很大程度上克服了傳統實踐教學模式的缺陷，利用高新技術補齊高校傳統教學模式在實踐教學環節上的短板，具有很好的發展前景。本文結合測繪工程專業的需求和發展，構建無人機數字測圖、衛星導航綜合應用虛擬仿真實驗，虛擬仿真技術在測繪工程專業實踐教學中發揮了獨特的作用，主要有以下幾個方面：

1)有助于建設線上線下協同教學方式方法，引導學生在數字環境下自主學習和自主實驗，發揮和挖掘學生的學習潛能，全面培養學生的各項能力。

2)通過在虛擬仿真實驗平臺上實驗信息的跟蹤、統計和分析等智能化管理功能，能夠實時對學生的實驗信息進行評價和反饋，捕捉每一個學生的知識點掌握程度，并可對學生開展實驗的整體情況進行全局分析和掌控，實現了傳統測繪實踐教學過程中無法進行的精細化教學質量控制。

3)實現了多種實驗組合的虛擬仿真實踐教學平臺，通過與網絡教學結合，可在一定程度上改善綜合實習的效果，有助于培養學生的創新意識，培養信息化測繪創新型人才。

虛擬仿真實驗的應用和探索是一項長期工程，需要不斷進行改革和研究。虛擬仿真實踐教學平臺可以增強學生自主學習和交流學習的能力，有助于實現本科教育寬口徑、厚基礎、強能力、高素質的創新型人才培養目標。同時對高等院校測繪工程專業本科教學建設具有較為廣泛的推廣應用價值，為開展示范性虛擬仿真實踐教學平臺建設提供理論與實踐支撐，有助于培育省級、國家級虛擬仿真實踐教學建設項目，為高校測繪工程專業人才培養能力的提升助力。