結合虛擬仿真技術的混合式教學在工程測量實踐教學中的應用

孔令奇

摘 要：土木工程測量是土木工程類專業必修的一門重要專業基礎核心課。本文針對傳統工程測量實踐教學存在的問題，對混合式教學手段的內容和虛擬仿真技術進行了分析總結，提出了將虛擬仿真技術和混合式教學相結合的實踐教學新模式，并討論了其在教學中需要注意的問題。新模式有效地解決了課程實驗課時不足及實驗條件落后等現實問題，為工程測量實踐教學的改革和發展提供了一條新路徑。

關鍵詞：虛擬仿真技術混合式教學工程測量實踐教學

中圖分類號：TU43文獻標識碼：A

Application of Hybrid Teaching Combined with Virtual Simulation Technology in Engineering Survey Practice Teaching

KONG Lingqi

（1.School of Materials and Environmental Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu， Sichuan Province， 610031China）

Abstract： Civil engineering survey is an important basic core course for civil engineering majors. In view of the problems existing in traditional engineering survey practice teaching， this paper analyzes and summarizes the content of hybrid teaching methods and virtual simulation technology.A new practical teaching mode combining virtual simulation technology with hybrid teaching is proposed， and the problems needing attention in teaching are discussed. The new model effectively solves the practical problems such as insufficient experimental hours and backward experimental conditions， and provides a new path for the reform and development of engineering surveying practice teaching.

Key Words：Virtual simulation technology; Hybrid teaching; Engineering survey; Practice teaching

土木工程測量這門課程是土木工程專業必修的一門核心專業基礎課[1]。這門課程重點要求學生掌握測量的基礎理論知識，進行簡單的儀器操作，獨立讀圖并能根據所學知識用圖，最終具有將所學知識應用于工程實際的能力。土木類專業畢業生主要就業去向是與土建相關的施工或者設計單位，實際工作中最早接觸的工作一般就是建筑施工測量工作或線路工程放樣等。因此，高校土木工程測量課程的實踐教學環節的教學過程，直接影響高校學生就業和未來個人的發展[2]。

隨著現代測繪技術迅猛發展，國內外不斷涌現出衛星定位技術、無人機測繪技術和全息虛擬信息化仿真技術等[3]，高等院校土木工程測量課程如果不及時更新，培養的學生將難以滿足用人單位的實際需要。由此可見，高校實踐教學內容與工程實際脫節，造成學生未來無法適應實際工作中的工程需求[2]。

1“工程測量”傳統實踐教學存在的問題

1.1課程學時不足

目前很多高校將土木類學科的“工程測量”課程設為32+16個學時，其中32個理論學時講授基本理論知識，并介紹新技術理論，授課嚴重不夠[4，5]，不可能再拿出課時講授實驗部分的內容。而在工程測量實驗教學中，一次2個學時中既要講實驗又要做實驗，教師先在實驗室講授實驗過程和實驗要點，然后是分發儀器，學生現場實驗。由于測量實驗的復雜性，很多實驗要點是做過實驗后學生才能夠真正領會的，在短時間內學生因為不熟悉儀器和實驗過程，經常出現實驗做完了才發現自己沒有按照實驗要求做，出現錯誤也沒有時間重做的情況，實踐教學效果難以保證。

1.2受場地限制

高校實驗教學場地一般都設置在教學樓和實驗樓附近，優點是能夠節省實驗室到實訓場地的路上消耗的時間成本，這樣的場地一般地形平坦，建筑物規則，易于多組同時測量，且不容易出現安全問題。但實際工程建設的地形多變，典型的山區地形、地貌無法模擬[2]，學生得不到更好的鍛煉，難以完全滿足課程的實踐需求。但若實訓場地設置在較遠的地方甚至校外，那么來回路上的時間成本增加，會反過來壓縮本來就少的上課時間，學生測量時的安全問題也很難得到保證。

1.3儀器限制

“工程測量”課程教學中所使用的教材內容無法得到及時的更新，如前文所述，隨著測繪技術的迅猛發展，新的測繪技術和測繪儀器應運而生，高校內較多經典教材中仍在介紹如光學經緯儀等較老型號的儀器，而現在工程中廣泛應用的GPS、全站儀等智能儀器鮮有介紹[4]。

1.4實驗教師不足

一次測量實驗課實驗小組少則10組，多則20組，通常只配有一名實驗指導教師。與室內實驗不同，測量實驗過程中各小組分散在一個大的測量實訓場地上。學生實驗過程中出現問題很難得到及時解答，而實驗教師在場地上來回奔波解決問題，對于一次實驗的把控最終只能落在實驗結果是否正確上，根本沒有時間去關注學生的具體操作是否規范。

1.5實踐教學考核方法不夠合理。

高校工程測量實驗需要由多名學生分組合作完成，一組同學測繪一組數據，完成一份報告。這就造成教師無法判定學生個人在實驗過程中的參與度和貢獻度，無法評定學生個人的實踐效果，考核方法不夠合理、全面[2]。

混合式教學近年來越來越被師生所接受。教師除了課堂授課外，可以借助一些網絡資源平臺（如微信、QQ等），這些平臺不受時空限制，輔助線下教學，能有效地促進課程的教學質量，大大提高學生的綜合素質[6，7]。但目前，混合式教學方式在國內主要應用于理論課，鮮有將混合式教學方法應用于實踐性較強的課程，所以，對于像工程測量這樣實踐性強的專業課程，開展混合式教學方式研究具有重要的實際意義。

2“混合式教學”的手段

“混合式教學”即線下課堂講授與網絡線上教學相結合的一種教學方式。這種教學方式不是簡單意義上通過網絡平臺講授課程內容，而是將線上借助網絡平臺的教學模式融入傳統的線下課堂授課之中，甚至應用到課堂之外。最大限度地發揮出網絡教學不受時空限制的優勢，與傳統的課堂授課方式相互融合，從而提升學生的學習興趣與學習效果[8-10]。

2.1線上教學

傳統的線下教學教師只有在固定的時間和固定的地點給學生授課，而且教師的講解內容不具有回放性，不管學生接受多少，教師只有按照教學大綱定時定量“灌輸”給學生，課后學生也只能根據課堂筆記回憶教師所講內容。

借助網絡平臺，開展線上教學資源的建設，有力地彌補線下教學的不足[8-10]。教師可為學生選擇一些優秀的微課和慕課課程，將提前選擇好的課件分重點、難點內容，借助一些教學平臺如超星、易智云課堂等推送給班級學生，學生可自主選擇時間、地點反復進行學習。為了學生更好地掌握學習內容，教師還可對相關內容設置習題，學生在觀看微視頻后，可通過回答相關問題來判斷個人對相關知識的掌握程度。借助網絡平臺的線上教學，具有較強的靈活性，不受時間和地點的限制，彌補了線下課堂教學課時不足的局限性，優化了教師課堂講授內容[7-9]。

2.2任務驅動法教學

任務驅動法教學是以“任務”驅動教學。“工程測量”課程是一門典型的理論與實踐相結合的課程，為使得學生更好地掌握課堂理論知識，掌握基本的測量技能，教師可將實驗教學內容在課堂講授的相關知識基礎上，分解若干實驗任務，采用任務驅動法教學。

學生在下發的實驗任務的基礎上，以教師課堂講授的基本知識為基礎，通過自己分析問題、解決問題，獨立完成每個實驗任務，脫離教師管控。這種任務驅動法不僅能調動學生探索問題、解決問題的求知欲望，更能激發學生自主學習的熱情。

任務驅動法需要首先建立學習情境，布置相關任務;然后分析具體任務，并動手實施;最后完成各項任務，并進行評價[7，10]。

2.3移動教學平臺助力師生互動，提高學生課堂參與度

人們處在信息化時代，高校教學模式也應與時俱進，順應時代的改變。智能手機、平板電腦已經成為人人具有、隨身攜帶的必備品。應充分利用移動設備的移動化、便利化，在學生的學習中發揮作用。在課程實踐環節中，學生可借助智能手機，下載APP軟件學習和輔助計算。“測量員”APP軟件是一款可在智能手機運行的應用程序，學生可在實踐環節借助該款軟件核算實驗結果、協助學習，提高實驗的效率和準確性[7，11]。

目前，微信、QQ是每個智能手機必備程序，教師可借助智能手機，隨時、隨地靈活地參與學生的實踐指導，學生在實驗過程遇到的任何難題和疑問均可通過微信或QQ與教師交流討論，教師實時指導。學生測量任務完成后，也可以及時發送測量結果給教師批閱，一旦發現問題，及時更改，真正做到“教”與“學”的零延時互動[11]。

事實證明，混合式教學也能夠有效地解決實踐類課程實驗課時不足的問題，采用任務驅動法教學，課前發布任務，可以調動學生的積極性和創造力，利用線上教學的方式把實驗步驟和實驗內容在課前讓學生學習并測試學習效果，而使線下授課變得更有針對性，把更多的時間拿來讓學生操作。而移動教學平臺可以加強學生和教師的互動，提高學生的學習興趣。但對于工程測量傳統教學中反映出的場地、儀器等問題并沒有改善的作用。

3虛擬仿真教學技術在測繪領域的發展

工程測量實踐課程所采用的測量儀器個體笨重、昂貴，學生只能在指定時間和地點按時使用、按時歸還。虛擬仿真技術不受時間、地點、使用次數、設備維護等方面的限制，學生可借助手機、電腦等移動設備，在虛擬環境中真實地無次數限制地操作儀器，模擬各種測量方法和測量方案，這不僅可以加強學生對測量課程理論、實踐內容的理解和掌握，還極大地提高了學生學習的熱情和效率[12]。

目前，虛擬仿真教學主要指虛擬仿真技術教學課件和虛擬仿真技術教學平臺。課件是針對課堂理論教學中涉及的知識點而開發獨立的相關的教學動畫或者教學軟件，一般只提供與課堂相關理論知識對應的實驗儀器，學生可以借助課件完成模擬操作實驗，視覺觀察實驗現象，得出相關結論。平臺是針對相關課程某一系統實驗開發的相關仿真軟件，軟件真實模擬現場環境和儀器，學生在軟件里可以像真實生活中一樣取出實驗儀器，搭建不同的實驗模型，完全擺脫了實際硬件設備限制[12，13]。

3.1儀器

在仿真環境中，所有的儀器和部件都是高度智能化的，幾乎和真實儀器一樣。比如全站儀安置過程的對中、粗平、精密等操作都有智能提示，設站檢查時有錯誤提醒;其他主要操作步驟都有成功提醒和進一步調整提示。同時提供了一個測繪設備專業器材庫，涵蓋測繪行業的中高端儀器設備，如全站儀、RTK、無人機等系統可以全視角展示設備的操作和拼裝，學習者可以自由選擇設備進行操作和組裝[13]。

3.2虛擬測區

在仿真環境中，所有實體模型基本滿足測繪工作的地物、地貌測繪的要求，所呈現的場景不僅是三維虛擬環境，更是滿足測繪要求的實體空間。

三維可視化的測區，讓測前踏勘工作靈活呈現。根據測繪目的、踏勘情況，自主性地選擇測繪方法、手段及設備，克服了傳統實訓中無法呈現“理想”的測區環境、“測繪方法得靠想、設備選擇得靠背”等弊端。

3.3施工情境

圍繞相關專業工程對具體測繪的要求，采用仿真技術虛擬施工過程，采用案例法，將測量專業和其他專業連接起來，拓寬學生實訓視野[14]。

3.4虛擬實訓與考核

根據教、學、練的主動學習能力，自主完成綜合性的虛擬實訓操作，實現學生由課堂到課外實訓的順利過渡，完成對學生的課上考核。

3.5評價反饋

實現讀數仿真、精準，全過程記錄實訓操作，通過記錄和計算，反饋追蹤測繪過程的正確性、測繪成果的質量性。

虛擬仿真軟件甚至可以定制場景，讓學生的練習不再只是簡單的重復實驗。虛擬環境中的仿真儀器，能夠解決真實的小組實驗中無法全員輪換的問題，能夠使每個學生都熟悉儀器的界面和操作。學生可以在虛擬環境中熟悉使用各種品牌型號的儀器。虛擬仿真軟件能夠保存后臺操作日志，可以對操作的合理性和規范性進行細致評價，最終作為成績考核的一項依據。最主要的是，虛擬仿真軟件的基本操作非常簡單易學，學生很容易上手。虛擬環境中個人操作的自由度非常高，很容易實現多次重復實驗練習。

4結合了虛擬仿真技術的混合式教學實踐

4.1結合了虛擬仿真技術的混合式教學過程

現有的“虛擬仿真教學”和“混合式教學”的學習效果各有不同，虛擬仿真針對實驗環節，混合式教學針對理論學習，但“實驗”和“理論”實際是相輔相成，不可分割的。將虛擬仿真技術和混合式教學結合起來，可以發揮各自的優勢，是解決工程測量實踐教學現存問題的一把鑰匙。

混合式教學應用于實驗教學中，能夠充分利用網絡平臺資源[15]，將90min的課堂時間延展到課前、課中、課后，將多種教學手段靈活應用課程教學，令學生隨時隨地可以學習。而虛擬仿真技術在實驗教學中應用，可以減少學生和儀器之間的陌生感，促進實驗內容的多樣化和提升實驗效果，并可以彌補實驗條件的不足。將二者有機結合，發揮各自的優勢，將大大提升工程測量實驗教學的教學質量。

結合了虛擬仿真技術的混合式教學的工程測量實驗教學設計，如表1所示，包括課前任務發布、課中學習（實驗要點講解+虛擬仿真實驗+現場實驗）、課后總結拓展和考核評價環節。

以下是一次結合了虛擬仿真技術的混合式教學過程。

第一，課前準備。發布實驗任務采用“雨課堂”平臺，主要是使用雨課堂的兩個功能：一是在PPT中可以插入慕課視頻的功能;二是雨課堂的數據統計功能。發布試驗任務包括三部分：實驗任務本身;實驗內容講解及實操教學視頻;關于實驗內容的測試題。要求學生在接受實驗任務，學習實驗內容后獨立完成測試題。教師可在“雨課堂”后臺中查看學生的完成情況，根據學生的預習掌握情況，及時調整課堂授課重點內容。

第二，線下教學。根據雨課堂學生預習反饋及往屆學生統計的共有易錯問題，再次有針對性地講授實驗知識要點及實驗要求。學生分組進行實驗分工與實驗細節討論，最后是學生提問和解答。

第三，進行仿真實驗。學生利用虛擬仿真軟件進行虛擬實驗。主要包括兩方面：一是針對儀器的操作，如全站儀的對中整平操作，全站儀的基本設置操作，全站儀的置盤操作;二是針對實驗步驟，例如觀測、遷站等。圖1為仿真界面。

第四，外業實驗，各組學生根據實驗的步驟和要求在實驗場地進行外業數據采集及外業計算。

第五，課下的內業計算，各組學生按照實驗指導書要求進行內業計算，原始數據和計算結果均上傳至云平臺，作為資料供后續使用。

第六，拓展與延伸練習，每個小組對其他組的數據進行校核計算，多次利用虛擬仿真課件進行虛擬操作練習，都可以達到短時間重復練習的效果。

第七，考核評價如圖2所示，實驗成績由雨課堂成績、課堂表現、虛擬仿真軟件成績、現場操作打分、實驗報告成績5部分組成。具體教學模式的設計如表1所示。

4.2結合虛擬仿真技術的混合式教學需要注意的問題

第一，要注意虛實結合。不能為了“虛”而“虛”，虛擬的根本目的是實操，實操能力的培養才是實踐教學的最終目標，不能用虛擬仿真練習代替實操訓練，在考核時也應把分值權重更多的放在實操過程考核和實驗成果考核上。

第二，線上發布任務和講解內容要精煉。內容的選取方面注意理論教學有的內容不要重復出現，視頻也要注意時長，考查學生的測試題目要貼合實驗，最好能出一些往屆學生的共有問題，線上部分的測試題目反饋是線下教學內容的重要依據，教師和學生都應該特別重視。

第三，線下講授內容要簡短和突出重點。充分發揮學生的主動性，最好是把給學生講問題變成幫學生解決問題。

第四，注意充分利用教學平臺統計功能，作為過程考查的打分項，既督促了學生，又完善了考評體系。

5結語

結合了虛擬仿真技術的混合式教學，最大程度地發揮信息化教學手段優勢，成功解決了傳統工程測量實踐教學中出現的多種問題，有望成為未來工程測量實踐教學的一個發展趨勢。目前本門課程的教學改革成果已經應用到了本校工程造價專業2018級和2019級學生測量實驗教學上，通過對實驗完成的情況統計及學生的問卷反饋，新的教學模式受到了大多數學生的歡迎，達到了增強實踐教學效果和提高學生動手能力的目的。

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