虛擬仿真在測量學實踐教學中的模式探討

鄧 標，王 靖，劉 歡，李曉明

（滁州學院 地理信息與旅游學院，安徽 滁州 239000）

《測量學》是測繪類及相關專業的一門基礎課，該課程具有理論難度大、內容相對繁雜、實驗儀器種類多及實踐性強等特點。課程的基礎地位決定了其教學效果將直接影響著相關專業的人才培養質量。因此，近年來部分學者圍繞該課程在教學方法、教學內容及實踐環節等方面作了一定程度的研究，取得了一些有益的經驗和成果。文獻[1]基于工程應用將教學與工程實踐緊密結合的模式對測量學教改進行了初探；文獻[2]基于產學融合的模式對理論教學內容更新及產學融合的實踐教學培養模式進行了探討；文獻[3]根據測量學教改的經驗，豐富了“一中心，三育人”的教學理念；構建了課程發展機制及多元評價機制教學體系；文獻[4]結合農學類專業對測量需求知識點的關注特點，對實踐內容、實踐基地及實踐課時安排等內容進行了論述；文獻[5]提出了一種基于網路環境的透明化實踐教學方法，實現了實踐教學資源的網絡發布與共享；文獻[6]根據礦山測量的特點，結合虛擬仿真技術建設了實驗平臺對礦山測量教改進行了討論。

盡管上述文獻對測量學教學改革與實踐進行了相應的研究，但隨著測繪科技的發展，新技術、新方法及新儀器的不斷涌現，出現部分知識已過時，新的儀器設備無法及時跟進等情況，如無人機傾斜攝影測量、三維激光掃描等。若課程教學內容一直停留在傳統的方法和技術上，而無視行業的發展，培養的學生則難以適應市場對綜合創新人才的需求[7-8]。特別是隨著當前疫情防控工作常態化及教學手段的網路化發展趨勢，線上教學與線下教學相結合的模式，在一定時期內將長期存在。因此，急需對測量學實踐教學方法進行研究和探討，以適應現代技術的發展及當前疫情條件下的教學需要。為更好地將線上、線下相結合的教學模式及理論與實踐更密切地結合，文中結合滁州學院測繪類專業的教學實踐，探討基于虛擬仿真技術[9]的測量學在實踐教學中的應用，分析其優缺點，以達到更好地服務學生和實現教學質量提升的目的。

1 測量學教學現狀

1.1 理論教學

依據教育部測繪專業認證的最新標準知：測量學課程的培養目標是使學生通過該課程的學習，掌握測量學的基本理論與基本技能，具備解決復雜工程問題及一定科學研究能力，培養學生從事測量工作的基本素質和創新能力。現行理論教學的問題是新知識未能及時在教材中得到更新，而傳統的測量手段、方法仍占有大量的篇幅，甚至有部分淘汰的方法仍占有一定的比例。主要原因除教材編寫需要一定周期外，也從側面反映了測繪科技的進步快速，測量學課程教學需要對課程知識點及時更新。此外，在教學過程中，目前大部分院校比較重視理論教學，對實踐教學重視不足或較忽視。這使得學生掌握的知識未能及時跟進社會生產，而脫離生產實際的純理論教育是沒有意義和生命力的[10]。傳統教學模式重課堂、輕課外，教學手段及自學資源不足、往往難以真正實現教學相長[3]。

1.2 實踐教學限制

測量學實踐教學目的是鞏固和加深學生所學的理論知識并促進其掌握與消化，獲得測量工作的初步經驗和基本技能，培養學生獨立思考與解決問題的能力。然而，測量學的課程性質決定了其在實際教學中受多方因素的制約。首先，一般高校實驗室建設資金投入有限，實踐教學僅學習水準儀、經緯儀、全站儀等儀器的基本操作[11]。部分院校即使有更新教學內容與實踐手段的計劃，但限于資金的緊張，而只能作罷；同時由于部分儀器設備在實踐教學過程中可能存在一定的風險，擔心實踐過程中風險難以控制而未開展相關實踐（如無人機操作等）。其次，測量學是工程類專業的基礎課，工程類專業中設置該課程的專業與班級較多[12]。導致了測量實踐教學設備緊張。再次，存在實踐場地小或無專用實踐場地及當前疫情等許多不確定因素的影響。從而限制了測量實踐教學工作的開展。

1.3 實踐考核方面

《測量學》實踐教學考核方式單一，目前大部分院校實踐考核以分組考核為主，個人考核為輔，將本組數據成果質量與個人實踐表現進行加權評分，而個人表現有一定的主觀性，特別是涉及實習實訓時，多個班級同時進行，需要大量的指導教師，除理論課的指導教師外，大部分指導教師不能在短時間內很好地把握每位同學的實習表現。個人項目考核僅以實踐報告為主，評分多采用定性為主導，量化為補充的考核，使得實踐考核評分的客觀性較差[13]。此外，部分院校實踐教學環節的考核方式不健全，或方法難以實施。同時，由于對學生的實踐、實習實訓考核缺乏淘汰機制[14]，極少出現實踐課程掛科等情況，致使部分學生對實踐教學環節不重視，混學分現象明顯，往往不易達到實踐教學的目的。

2 測量學虛擬仿真教學必要性分析與內容設計

2.1 虛擬仿真教學的必要性分析

為了培養學生自學習慣及創新能力，測量學課程在工程類專業培養方案中的課時被一定程度地壓縮，造成實踐教學環節課時不足。近年來，隨著計算機技術的進步，虛擬仿真技術得到了迅速發展，為虛擬仿真技術在測繪工程專業教學提供了可能性。目前，該技術已經在測繪教學工作中得到應用，因此，設計并運用虛擬測繪實習平臺，可解決測繪實踐教學受諸多因素影響的問題，滿足學生模擬實習、實習數據管理等功能[12]。此外，線下實踐教學活動受疫情等外界不可控因素的影響，多數高校倡導線上、線下相結合的方法開展課程教學。因此，急需開展虛擬仿真實踐教學，使理論教學與實踐教學達到有效結合，知識與應用相輔相成。

2.2 虛擬仿真課程內容

測量學內容復雜，涵蓋知識面廣，若將所有涵蓋的知識點都納入到虛擬仿真平臺中，則易造成課程開發成本過高問題。因此，虛擬仿真教學平臺設計過程中，應根據實際教學需要進行。平臺設計應以實踐教學為主導，理論教學為補充，達到有的放矢的教學目的。滁州學院開展的測量學虛擬仿真教學平臺，實踐內容涵蓋儀器認識、四等水準測量、水平角測量、導線測量、GPSRTK地形測量、無人機虛擬仿真操控等項目。在設計實踐教學時，應將虛擬仿真與現場實踐相結合。虛擬仿真應以課外自學為主，以考核為驅動，達到鞏固理論與實際操作的目的。為更好地解決實踐中學生自學遇到的問題，虛擬仿真平臺構建過程中應設置更多的交互功能，并提供在線幫助、正確方法提示、數據及成果驗證等功能，便于學生更好的掌握。以四等水準測量與數據處理為例，該過程包括：儀器架設、整平、瞄準、讀數等（四等水準測量及數據處理仿真實驗分別見圖1與圖2）。

圖1 仿真水準測量

圖2 模擬水準成果計算

虛擬仿真教學平臺中，在進行各項儀器操作前，需提供各實踐項目的操作指導與注意要點。如水準測量中通過調整三腳架架腿的高度進行儀器的粗略整平；調整腳螺旋實現儀器的精平；調節微動螺旋瞄準目標等。此外，需注意虛性仿真平臺的交互性設計，通過設置不同按鍵實現儀器腳架、微動螺旋、腳螺旋等部件的移動或轉動。在讀數環節，模擬不同設備的讀數情況，采用交互方式驗證學生是否正確地掌握讀數方法。利用互操作驗證學生掌握儀器操作及數據處理的情況，達到彌補實踐教學環節中課時不足、疫情影響及其它缺陷的目的，并利用學生愛用電子設備的習慣，實現教學資源的共享。

3 教學效果分析

為了確切地分析虛擬仿真平臺的教學效果，以滁州學院測繪工程專業和地理信息科學專業理論與實踐教學效果對標分析。兩專業《測量學》理論課時及實踐教學課時均為32課時，合計64課時。理論課時因疫情影響均采用線上教學的模式，授課教師為相同人員。實踐課程方面，地理信息科學專業采用復課后及時進行線下實踐，教學方式為傳統模式。測繪工程專業采用線上4個課時虛擬仿真平臺使用指導，學生業余時間采用虛擬仿真技術獨立完成隨堂實踐練習，正式開學后結合線下進行實踐操作的教學模式。

3.1 理論考核分析

為全面分析虛擬仿真的實際教學效果，依授課班級110名學生為調查對象，分別對《測量學》期末考試、實踐考核情況進行了統計?！稖y量學》期末試卷總分為100分，其中涉及的計算題在理論教學、實踐教學及虛擬仿真平臺中均進行了詳細講解和練習。期末考試題型中，虛擬仿真訓練涉及的題型及分值見表1。傳統教學模式與基于虛擬仿真相結合的教學模式，期末成績對比如圖3所示。

圖3 兩種教學模式期末試卷成績統計圖

表1 虛擬仿真涉及期末考試題型及分值

由圖3可知，采用傳統教學模式與基于虛擬仿真的混合教學模式的期末成績均呈現正態分布狀態，試題具有較好的區分度?；谔摂M仿真的混合式實踐教學班級學生成績優秀率20.6%、良好率 30.3%、合格率31.7%、不及格率17.4%。而傳統班的教學期末考試成績學生優秀率為12.3%、良好率 22.9%、合格率38.7%、不及格率26.1%。對比期末試卷成績可知，基于虛擬仿真的混合式實踐教學班級卷面優秀率和良好率均較傳統的教學模式高，傳統教學模式班級的學生成績更多地集中在 60～69 分之間，基于虛擬仿真的混合教學班級學生成績在80～89分與60～69分的人數基本相當；傳統教學班級的學生有26.1%的成績不及格，此項統計在虛擬仿真混合教學班級僅有17.4%；進一步分析可知虛擬仿真混合教學班級的成績與傳統教學成績的差異主要集中在占分值比重較大的計算題和填表題上，而這兩項成績和實踐教學是密不可分的。基于虛擬仿真的班級填表和計算題型中，65%的同學達到滿分，扣分嚴重同學的除部分平時實踐成績不高外，還有部分同學因計算失誤而造成填表失分。傳統班級這兩項的分值滿分率較低，僅為20%左右，甚至部分同學是0分。由此可知，基于虛擬仿真混合實踐教學模式下，學生的成績明顯優于傳統教學模式，且成績波動較小。通過對學生的期末考試成績分析表明，虛擬仿真技術能以較大的幅度提升學生成績，具有十分廣闊的應用前景[15]。

3.2 實踐考核分析

虛擬仿真混合實踐教學考核，可依據實際需要對每位同學從方案設計、儀器操作及測量數據處理進行獨立考核?？己朔绞胶唵危僮餍詮?，能夠幫助教師更好地進行測量學實踐課程的考核。而傳統方式為團體考核，導致僅有部分同學掌握儀器使用，部分同學缺乏學習主動性，實踐課程結束，甚至有部分同學不清楚儀器的基本功能是什么。當然，純粹的虛擬仿真實踐教學也有一定的劣勢，如虛擬和現實有一定的差異、不利于培養學生的團隊合作等問題。因此，在實踐教學過程中應取其優勢去其劣勢。實踐教學考核的目的不是為了讓學生掛科，而是通過考核掌握學生對知識點的掌握程度，讓學生更進一步的鞏固未掌握的知識，故滁州學院的做法是指導教師對考核項目提出問題后，允許學生對問題進行改正，但是評優僅給首次優秀的學生，而經過修改后達到優秀的，評為良好，不合格的修正后僅評為合格，不合格給指出問題仍不改正或改正后仍達不到合格標準的則評為不合格。表2為前文兩班級實踐教學中傳統教學考核與虛擬仿真+現場實踐的考核項目統計對比表。

表2 不同實踐方式對比表

為更進一步分析上述教學模式的優缺點，將傳統班與虛擬仿真混合實踐班的各項考核成績進行統計對比（僅統計成果第一次上交的實踐成果，不含實踐報告）。因無人機操控項目在傳統實踐教學中未能進行，故僅比較其它考核項目的成績，統計結果見圖4。

圖4 目標達成度統計圖

由圖4統計結果可知：通過虛擬仿真混合實踐的授課方式學習后，混合實踐班級實踐考核結果優秀率高，不及格率低；而傳統實踐教學各項指標較混合班劣勢明顯；圖4導線測量的統計結果說明導線測量在幾個項目中難度大、儀器測量種類多、測量成果易超限等，導致該項實際考核不及格率高，也說明了僅靠虛擬仿真對于難度較大的實踐項目，不是太理想，需要將虛擬仿真與現場實踐結合起來。將實踐考核結果與期末考試成績作進一步分析發現：傳統模式分組團體考核，存在部分同學混實習混學分現象，雖然測量成果及數據處理結果顯示該組同學掌握了相關儀器操作及數據處理方法，往往是組內抄襲所致，僅部分同學掌握了測量方法或數據處理（甚至個別組無人掌握正確的數據處理方法）。統計還發現傳統教學模式實驗報告及數據處理雷同率高。由于虛擬仿真所測數據的差異性，需要自己獨立思考和撰寫實踐報告，能夠更好地鍛煉學生的獨立思考和解決問題的能力，達到較好的教學效果。由上述統計分析也可知：僅僅依靠虛擬仿真技術是不盡完美的，需要和實際操作結合起來，達到優勢互補的目的。

4 結論

測量學知識點雜、儀器種類多，既需要較強的數學基礎又需要較強的動手能力，加之測量學中的部分實驗具有一定風險性，儀器更新難以緊跟生產實際，因此，部分學生難以全面掌握測量學中較新的技術與方法。虛擬仿真技術克服了上述問題的限制，特別是當前疫情防控常態化情況下，虛擬仿真技術可以很好地將理論教學與實踐教學同步結合。課外獨立考核給了學生自主學習的動力。克服傳統實踐團隊考核的不足，培養了學生獨立解決問題和數據處理能力。且虛擬仿真技術緊扣實踐教學大綱，將理論教學中難理解的部分概念與定義可視化，使學生更易掌握測量學中的知識點。

盡管虛擬仿真具有大量的優勢，但虛擬仿真平臺的建設仍然需注意以下問題，以便更好地發揮其優勢：（1）平臺易操作，并設置數據定期自動保存模式，避免學生因誤操作或“死機”導致反復重做實驗而產生排斥心理；（2）教師應及時檢查學生的成果并進行評閱，避免學生出現混學分或不提交成果等問題；（3）虛擬仿真實踐需要編寫詳細的實驗操作指導書，便于學生上手操作；（4）條件允許情況下，應及時與實際操作有效結合，僅靠虛擬仿真難以全面替代真實儀器操作，只有將兩者有效的結合，才能更好地發揮各自優勢，真正實現教學相長的目的。