基于虛擬仿真技術的土木工程測量實踐教學改革

鄧建俊（魯東大學土木工程學院，山東 煙臺 264025）

1 前言

工程測量課程是土木工程專業的必修基礎課程，其課程目標是培養學生掌握測繪的基本理論和測量儀器的操作，及計算方法和應用技能，以解決實際工程建設過程中出現的各類測繪問題的能力。由此可見，工程測量是一門實踐性很強的課程，圍繞測量儀器開展的實踐教學是教學的重要環節，是理論聯系實際培養學生動手操作能力的有效途徑。

近年來，隨著測繪科學技術的快速發展，測繪行業傳統的測量工具更新迭代，外業數據采集手段快速且多樣化，這對工程人才的需求和工程技能素質要求，在隨著行業的發展出現同步增長勢態。在此推動下原有傳統的工程測量實踐教學方法和手段已不能適應測繪學科的發展，轉變教學方式，培養“厚基礎、寬口徑、強能力、高素質”的技能型創新人才是開展實踐教學改革的當務之急。本文基于南方測繪仿真實訓平臺，提出應用虛擬仿真技術作為一種創新教學模式，對工程測量的實踐教學進行較大的教學改革，有效提高學生的動手和創新能力。

2 目前工程測量實踐教學存在的問題

2.1 實踐教學設備、經費不足與教學經費的平衡性問題

教學經費的總量是一定的，對于測量行業來說，由于經費的不足，儀器的更新迭代速度遠遠超出教學儀器的更新，嚴重滯后于生產和科研單位，甚至許多院校常用儀器數量的配置也有限，課間實驗往往3～4人一組，測量實習一般5～6人一組，學生只能在特定時間、特定場合接觸和使用儀器設備，難以實現對理論原理和實踐技能熟練掌握的教學目標。

2.2 教材的更新速度落后于新技術的發展速度

隨著科技的發展，新的測量技術和測量方法層出不窮，測量數據的數字化處理技術越來越先進，如全站儀、無人機、數字測圖技術等，傳統的教學內容變得滯后，原有的教材已經無法滿足對新時代條件下人才培養的需求，這就需要我們引入更先進的教學手段。

2.3 實踐操作場地不規范

工程測量實習大多設在校園或學校周邊地區，這樣的實習環境地貌單一，教學環境和場地難以構建復雜或極端的大型綜合性場景，學生得不到更好的鍛煉，難以完全滿足該課程的實踐需求。

2.4 實踐教學內容枯燥，教學手段單一

實驗教學內容、方法、和手段與時代脫節，受傳統教學模式的影響，目前仍沒有完全擺脫以教師為中心的教學模式，在實驗中學生按老師布置的任務做 ，通常對單一內容進行重復操作，耗費大量的時間和精力，往往學生是被動的，缺乏主動性、挑戰性、創新性，讓學生失去了實訓的興趣與激情。

基于以上原因，這就需要我們改變傳統的教學方法和教學手段，通過引入新方法來滿足對人才培養的需求。

3 工程測量虛擬仿真教學優勢

虛擬仿真又稱模擬技術或虛擬現實技術，其本質就是用一個虛擬的系統來模擬另一個真實系統的技術[2]。虛擬仿真技術是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的高度仿真三維信息人工虛擬環境，可以逼真地模擬現實世界存在的事物，或創造不存在的事物和環境[1]。基于虛擬仿真技術，工程測量實驗教學模式是以人物為驅動、問題的解決為教學活動主線，以學生的學為中心，倡導探究式、資源型、協作化的學習模式，更加注重學生信息能力、邏輯思維能力、創新意識與創新能力的培養。將虛擬仿真技術引入工程測量實踐教學中，可以有效解決目前傳統教學中存在的問題，完善和提高工程測量教學質量。

3.1 克服設備落后的技術難點，提高實踐教學深度

通過虛擬仿真技術構建測繪虛擬仿真實訓平臺，采用多終端應用，擺脫了實體硬件設備限制，可提供“即時可學、隨處可學”的虛擬學習環境：理論到實踐、理解到強化、模仿到獨立、知識面由小到大的實訓學習過程，是學生課堂知識鞏固、提升實踐操作技能的實訓工具庫。通過虛擬仿真教學系統提供的測量設備的認知、操作、架設等功能，學生可以任意選擇，自由操作和架設儀器設備，學生在虛擬場景中人機交互，真實的體驗儀器的應用，通過對虛擬設備的認識、操作，降低了實際操作過程中因理論或實踐知識掌握不足，造成的設備損壞和安全事故的發生，并且擺脫了教學設備及實驗環境的限制，改善了測量設備有限的狀況，為教學提供更多的方式，教師可以安排教學中所需的任何實踐操作內容，大大提高了實踐教學質量。

3.2 實踐教學虛擬化，激發學生的學習興趣

虛擬仿真技術在實踐教學應用中，對工程測量的場景、設備、實驗項目等各個環節進行真實的模擬仿真，如圖1所示。學生在逼真三維場景中，通過模擬真實空間數據獲取儀器，并使用儀器模擬真實測量，完成選點、基準站建設，導線測量、碎部點測量、繪圖等。通過工程測量虛擬仿真實驗教學，改變了傳統枯燥生硬的教學方式，將抽象的理論知識生動的直觀地表現出來，提高了學生的感觀認識，開拓了學生視野，讓煩瑣的實踐教學課程變高效、簡單，讓教學知識點深入淺出的被學生掌握，激發了學生的學習興趣和熱情[3、4]。

圖1 虛擬場景測量圖

4 結語

隨著測繪技術和測量設備的快速發展，工程測量實踐教學改革已勢在必行，針對傳統的工程測量的教學模式的不足，運用虛擬仿真技術進行課堂教學改革，通過構建虛擬仿真技術的工程測量實踐教學平臺，輔助教師組織完成在傳統教學環境下無法完成的實踐教學活動，激發學生學習興趣，提高教學質量，為社會培養更多高素質人才。