虛擬訓練平臺在軍隊測繪類課程中的應用探討

康紅霞　王崴　胡俊

摘 ?要：隨著虛擬現實技術在教育訓練中廣泛而深入的應用，探討虛擬訓練平臺輔助軍隊院校測繪類課程教學，符合測繪類課程的特點和軍隊院校訓練需求。文章首先深入分析了測繪類課程體系、實驗教學內容，結合軍隊院校的培養目標，提出了虛擬訓練平臺需求。其次，結合部隊崗位技能要求，對虛擬訓練平臺的構建提出了建設思路，規劃了建設內容，并對軟硬件進行了設計。再次，根據軍隊人才培養方案，提出了“虛擬訓練平臺輔助理論教學模式”“先虛擬訓練后實踐操作訓練模式”兩種教學訓練模式。最后，總結了虛擬訓練平臺輔助軍隊測繪類課程訓練優勢。

關鍵詞：虛擬訓練平臺;測繪類;軍隊院校

中圖分類號：G640 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）10-0001-05

Abstract： With the extensive and in-depth application of virtual reality technology in education training， this paper discusses the virtual training platform to assist the teaching of surveying and mapping courses in military colleges， which conforms to the characteristics of their courses and the training needs of military colleges. Firstly， this paper deeply analyzes the Surveying and Mapping course system， experimental teaching content， combined with the training objectives of military colleges， puts forward the demand of virtual training platform. Secondly， combined with the requirements of military job skills， the construction idea of virtual training platform is proposed， the construction content is planed， and the software and hardware are designed. Then， according to the military talent training programs， two teaching and training modes are put forward， "virtual training platform assisted theory teaching mode" and "virtual training followed by practical operation training mode". Finally， the advantages of virtual training platform to assist military surveying and mapping course training are summarized.

Keywords： virtual training platform; Surveying and Mapping course; military colleges

虛擬現實和仿真技術在各行各業中已經廣泛應用，對于高校測繪類專業教學來說，應用虛擬仿真訓練既是輔助教學的一種手段，也是測繪類專業數字產品的應用和體現。2017-2020年國家教育部共遴選1500個示范性虛擬仿真實驗教學項目。這些仿真實驗教學項目的建設目標是：以現代信息技術為依托，以相關專業急需的實驗教學信息化內容為指向，以完整的實驗項目為基礎，建設示范性虛擬仿真實驗教學項目，推動高校積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系，支撐高等教育教學質量全面提高。面對新的時代與形勢的變化，測繪教育“兩委會”，即教育部高等學校測繪類專業教學指導委員會和中國測繪學會教育委員會一直在積極謀劃和推進高校測繪地理信息類專業教學改革。

一、測繪類課程特點及需求分析

（一）測繪類課程體系

1. 測繪類課程體系

測繪類課程體系主要包括以下幾大類：測量學、衛星導航原理及技術應用、地理信息系統、攝影測量學、遙感原理與應用、工程測量學、大地測量學。主要教學內容和虛擬訓練平臺需求如表1所示。

2. 測繪類課程特點及發展需求

測繪類課程普遍的特點是實踐操作性強、應用范圍廣、儀器種類多且市場化儀器更新速度快，不管是測量儀器操作還是軟件操作都需要更多的實驗課時以增加理論知識的理解和鞏固。同時，由于信息技術的發展，儀器產品種類越來越多，高端儀器應用廣泛，高端全站儀、陀螺儀、無人機、激光掃描儀等儀器的市場化廣泛使用，實驗室應及時購置儀器和相應處理軟件，推動測繪類實驗的建設，規范操作場地，改善教學條件，一定程度滿足了測繪類實驗教學。地理信息系統、遙感技術和衛星定位技術的發展及其廣泛的應用，深化了測繪產品，擴大了測繪的應用面。新技術的教學和應用都需要加強測繪類課程的建設、實驗條件建設，充分利用信息技術提高教學質量，利用信息技術推動傳統教學模式改革一直以來也是教育工作者和管理者探討的永恒話題。

3. 測繪類課程實驗課內容層次

由于測繪類課程實驗課內容占了更多的教學課時，以下主要討論實驗課內容，分析各課程內容實驗內容及知識鏈主線能力層次，如圖1所示，可以將其分為三個層次實驗：基本操作實驗、綜合能力實驗和創新能力實驗。

（1）基本操作實驗。基本實驗主要包括有水準儀、經緯儀、全站儀、GPS接收機的基本操作。在地理信息系統、遙感原理和攝影測量學這類課程中，基本操作實驗都是基于軟件的操作，基本操作實驗是后續綜合能力實驗和創新能力實驗的基礎。

（2）綜合能力實驗。綜合能力實驗要求學生能根據不同測區和不同等級精度需求，合理選擇測量儀器、方法、操作步驟和數據處理，是一種熟練掌握基本操作基礎上，熟悉國家和行業規范，能綜合應用各種測量儀器解決生產生活問題的能力。在攝影測量、遙感和地理信息系統等相應的課程實驗中，綜合能力實驗是結合具體應用案例，熟悉各種數據產品生產的流程、規范，熟練掌握應用相應軟件完成數據產品的操作過程。

（3）創新能力實驗。創新能力實驗是實驗最高端要求，主要體現在遙感和GIS課程中，這兩類課程都需要根據特定應用需求進行數據獲取、轉換、分析提取和應用，有些功能需求甚至需要編寫程序完成，對學生的要求最高。

（二）軍隊院校培養目標及需求

1. 培養目標

習主席強調，軍隊院校“要堅持面向戰場、面向部隊、圍繞實戰搞教學、著眼打贏育人才，使培養的學員符合部隊建設和未來戰爭的需要”。我軍裝備建設發展迅猛，為適應新形勢下對人才培養的需求，文獻[6]指出，需要遵循實戰化教學理念與專業實踐相統一、人才培養需求與實踐性教學條件相適應、突出專業特色與人才培養規律兼顧的原則。深入研究軍隊院校培養的目標能力，加強實驗教學優質資源建設與應用。

2. 虛擬訓練平臺需求

（1）是裝備發展訓練的需求

虛擬現實技術是一門集多種高新技術的交叉學科，以其沉浸性、交互性和想象性三大特征，使虛擬現實技術在軍事領域有著極其廣闊的應用空間。利用虛擬技術輔助教學模式，能進一步推進信息技術與實驗教學的深度融合。文獻[7]指出，西方國家開發使用了大量計算機仿真與模擬訓練器材，有效提升訓練效果，大幅節省了訓練經費。同時指出，美軍利用虛擬現實技術在單兵武器裝備模擬訓練、虛擬戰場環境模擬方面、近戰術協同訓練以及聯合演習方面進行不同層面不同深度的訓練，不但提高了訓練效果，也提高了美軍實戰化水平。

（2）是軍隊院校教學訓練的需求

隨著虛擬現實技術在教育訓練領域的廣泛應用，探討虛擬現實技術支持測繪類課程的教學模式是當下技術發展趨勢，既能滿足當前軍隊院校教學訓練需求，又為學生在部隊任職打下儀器裝備操作基礎。在面向部隊，緊貼實戰搞教學中的需求下，結合部隊任職的第一崗位需求，將虛擬現實技術引入到基礎課、專業課和任職課程的教學中，促進實驗教學資源開放共享、提高實驗教學質量和實踐育人水平、推動測繪類課程理論和實驗教學改革與創新的要求。利用新技術提高學生學習能力、實踐能力、創新能力，建設與新型軍事人才培養相適應的教學模式，推動軍隊教育人才培養質量。降低實驗室建設、維護和改造成本，提高儀器設備使用效率。

二、虛擬訓練平臺構建

（一）總目標及建設思路

1. 總目標

通過系統整體設計、虛擬技術的運用、開放式管理的方式，實現虛擬仿真教學系統項目的建設，以填補軍隊院校信息化教學資源與實踐操作渠道資源的匱乏。通過實戰化訓練環境的構建，為學生提供全時段全方位的理論與實踐學習資源，幫助學生提升部隊任職崗位核心競爭力，為測繪類課程提供新的理論實踐一體化教學模式。按照崗位技能要求，通過虛擬仿真技術實現教學系統的搭建，建設包括虛擬部隊、虛擬場景、虛擬設備以及虛擬實訓項目、訓練場景、部隊儀器管理制度等實踐教學資源，改變以往學員訓練渠道匱乏、實訓器材有限的狀況。虛擬訓練平臺改變傳統枯燥生硬的教學方式，虛擬化、立體化、結構化展示專業器材以及部隊應用，實現學生游走在三維的虛擬空間中，通過趣味性的技能操作，使教學知識點深入淺出地被學生掌握，培養更好的專業技能，增強崗位核心競爭力。

2. 建設思路

“測繪虛擬仿真訓練平臺”以融入學校教學、實訓、實踐的模式為出發點，深入剖析教學過程，以及部隊操作應用，通過虛擬技術緊扣專業特色、直擊教學中難點，實現多維仿真和實戰環境模擬，提高學生學習的主動性;通過信息化網絡技術輔助學生課后練習、及時鞏固知識，實現單人訓練、多人競賽、多人協同和互動交流，提高學生學習的積極性;通過數據庫技術跟蹤學生學習軌跡，實現學生知識點掌握情況的統計與分析，通過教學分析和學情分析，提高教學評價的科學性。

（二）建設內容

虛擬訓練平臺能為軍校院校中測繪類的專業提供了良好的虛擬訓練教學環境，克服真實環境中的諸多限制，結合軍隊院校儀器操作規范和部隊裝備的操作條令要求，運用高效的訓練室運轉管理體系，滿足基礎理論學習、專業技術實踐和實戰環境應用技能等方面培養的要求。具體建設內容為：儀器庫建設、虛擬測區建設、案例庫建設。

1. 儀器庫建設

建設一個測繪設備專業器材庫，涵蓋測繪行業的各類儀器，尤其是應用廣泛的中高端儀器，如：水準儀、經緯儀、全站儀、RTK、陀螺儀、無人機系統，系統提供儀器設備的展示、操作、拼接安裝功能，學生可以任意選擇所操作的儀器，進行組裝儀器設備。通過儀器拼裝操作，使學生熟練掌握儀器結構、組成，為儀器的使用維護打下良好基礎，培養學員勤學思考的能力。

2. 多樣化虛擬測區建設

根據實戰化需求，結合部隊訓練場地，建設多樣化的三維可視化測區，讓學生從全局性上把握測量區域的概況。根據測繪目的、踏勘情況，自主性地選擇測繪方法、儀器設備、手段，克服了傳統二維平面圖單調的展現方式，讓測量前的踏勘選點工作靈活呈現，實戰化虛擬三維場景的呈現，增強了操作訓練的體驗感和豐富的媒體表現形式。

3. 案例庫建設

根據不同實戰場景，不同裝備對測繪、GIS、遙感的需求，形成案例庫。圍繞專業工程對測繪的要求，虛擬構建測繪過程以及對測繪工作所需要的應對方法，應用案例法，將本專業的跨專業的各類知識連接在一起，提升學生實訓能力。

（三）軟硬件設計

1. 設計原則

建議采用成熟的、代表主流發展的、高可靠性的計算機網絡體系結構和產品，確保設計方案在未來幾年內具有先進水平。系統具有一定開放性和結構化特征，能提供明確和廣泛的系統升級渠道，確保系統在比較長時間內可以不斷適應教學和行業發展而引起的更新需求。系統采用符合國內外標準規范的結構和產品，確保有良好的維護能力。

2. 網絡拓撲結構設計

系統可采用的拓撲結構如圖2所示。

3. 數據庫和操作系統

可采用的服務器操作系統有：兼容Windows2000、Windows2003、Windows2008的Server版或AdvanceServer版。客戶端操作系統推薦WindowsXP或者Win7或以上版本。服務器數據庫可采用SQLServer2000及以上。

三、虛擬訓練平臺教育訓練模式

利用虛擬實訓平臺實現教學信息化，完善信息化教學在各階段的應用。傳統教學模式的基礎上增加校內互動教學平臺和任職前頂崗實習平臺的建設，在信息化時代下為教學手段做出新的嘗試，進一步完善教育信息化模式。立足教學需求，提高教學深度，結合實際的教學內容，虛擬仿真實訓室面向實踐教學活動的設計、組織、實施、評價過程，提供的專業工具軟件和基礎支撐平臺。對于課程腳本的設計深度，完全根據學校教學需要進行調整。以學校專業化的教學力量為依托，以虛擬軟件成熟技術與先進技術應用為基礎，通過項目的頂層設計、需求調研、規范專業教學基本要求、制訂專業教學標準，開發核心課程，不斷提高教學深度。

根據人才培養方案明確培養目標，按照教學計劃分析教學內容和學時分配，結合教學對象進行學情分析，探討虛擬訓練平臺教學訓練模式，如圖3所示，構建了兩種主要模式：虛擬輔助理論教學模式和先虛擬后實踐實習模式。其中，先虛擬后實踐的訓練模式分為單兵訓練模式和協同訓練模式兩種。對于兩種教學訓練模式采用合理的教學方法、手段和教學訓練步驟，以達到教學期望。

（一）虛擬訓練平臺輔助理論教學模式

1. 利用技術優勢，直擊教學難點，輔助課堂教學

在教學過程中運用信息化的教學手段，使得教學不再局限于課堂講述的方式，有部分內容通過虛擬場景展示更直觀，教師能夠更靈活生動地幫助學生鞏固和理解課堂知識，為教學模式改革提供新的可能。在測繪類課程講授中，比如，測量學課程教學過程中碰到的講授難點有：儀器的結構組成不直觀，在傳統課堂授課中教師通常會拿儀器設備以及動畫展示，如果在虛擬實驗室進行教學，通過虛擬實訓平臺儀器模型庫展示儀器各組成部分，拆解儀器，不但能讓學生對儀器組成更直觀，也會加深儀器操作，會反思為什么要這么操作儀器。同樣，在講授儀器操作過程中，可以安排在虛擬實驗室，學生對畫面感等有視覺沖擊的記憶會更深刻，配合老師的講解，教學的效果比在傳統教室更好，再配合一定的外業實操，能達到更好的教學效果。

2. 增強興趣，增加互動，直觀性強

虛擬可視環境下可以加深對儀器組成、內部結構直觀認識，一套軟件可以在多個仿真硬件平臺上使用，為多個受訓人員提供培訓，虛擬實訓互動的教學平臺，能有效提升學生動手操作興趣，強化對理論知識的理解和記憶，從主觀上提高學生的學習效率。同樣，在測量的組織實施中教師通常會碰到的一個問題是外業操作場地區域大，學生分組外業測量后無法有效快速實施。利用虛擬軟件模擬外業場景時，可以放大、縮小和漫游場景，通過操作虛擬第一視角，實現在虛擬測區中的人機交互教學和漫游體驗，瞬間消除因環境、設備等條件不足引起無法直觀教學等教學難題。在虛擬平臺上劃分操作場地和人員分工，展示每一小組需要測量的內容，各組之間重疊的區域的處理等，能使學生從整體上確定自己小組的主要任務和測量區域，能快速地進行人員分工，這種虛擬場景輔助外業使組織有力，分工明確，教師指導有序進行，提高了效率，為應用型人才的培養打下堅實的基礎。

（二）先虛擬訓練后實踐操作訓練模式

1. 單兵訓練模式

單兵訓練模式主要是指單個人員通過虛擬訓練平臺的操作完成的操作訓練。主要操作的內容有各種測量儀器的基本操作、儀器組裝、軟件的基本功能使用等科目。儀器的基本操作包括水準儀、經緯儀、全站儀、陀螺儀的安置、調平、瞄準目標、讀數以及鍵盤的操作。有的單位配備無人機測繪，通過單兵訓練也可以完成無人機的操作訓練。通過單兵訓練模式使學生達到熟悉儀器的基本操作方法，為后續實物操作打下基礎。

2. 協同訓練模式

協同訓練模式是指多個操作人員通過虛擬訓練平臺協同操作共同完成一個訓練科目的操作訓練。在測量學、工程測量學和大地測量學課程的實習中，通常實習科目都需要多人協同完成，良好的組織和合理的分工是完成協同科目的基礎，測繪的科目通常由三到四人組成，比如水準測量科目，有負責水準儀器操作人員、立尺人員和數據記錄人員。小組人員可以輪流扮演不同角色，這樣每名人員都可以熟悉所有流程和操作。通過協同訓練模式使學生達到熟練掌握多人協同訓練科目，為外業實踐操作奠定基礎。

四、結束語

借助虛擬訓練平臺，解決真實實驗做不到或難做的，比如高危、高成本、高消耗、操作不可逆、大型設備等實驗項目。虛擬訓練平臺輔助軍隊測繪類課程的優勢有：先虛擬后實操，儀器安全性好，學員掌握了儀器基本操作和規范要求后，再進行實操訓練，避免了操作不規范造成的故障，保證了儀器安全性。可以有效避免天氣影響，教學計劃有序進行，通過虛擬仿真教學系統的搭建，打破現實空間、時間、環境、資金等等客觀因素的限制，教師能夠輕松安排教學中所需的實踐操作課程。結合部隊應用，實現專項化訓練，虛擬仿真教學軟件的搭建實行軍隊院校和部隊共同搭建、共同訓練，實現從教學資源開發、實訓基地建設、資源用上的共建共享，實現院校培養人才與部隊無縫對接，實現真正意義上的“教為戰、學為戰”，以部隊實戰需求促進行業人才技能的提升，滿足部隊人才質量需求，降低部隊培養人才的成本，提升服務部隊能力。

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基金項目：中央軍委訓練管理部軍事職業教育在線虛擬訓練課程建設項目“某型導彈裝填運輸在線虛擬訓練課程”（編號：2019101）

作者簡介：康紅霞（1980-），女，漢族，陜西榆林人，碩士，講師，空軍工程大學防空反導學院任教，獨立主講測量學課程教學十余年，研究方向：測繪、地面導航教學與科研。