虛擬仿真融合翻轉課堂的測量學教學方法研究

郝明 張華 范洪冬 楊敏

(中國礦業大學環境與測繪學院 江蘇徐州 221116)

測量學主要講述測繪的基本原理和方法，主要任務為測定和測設，即將地物繪制成地形圖或按設計好的圖紙將設計地物在實地進行標定。課程的主要目標是使學生掌握常用的測量方法、能夠操作測量儀器、測繪地形圖、進行施工放樣，為工程建設、形圖測繪、施工放樣、資源調查、煤礦測量等提供測量學方面的基礎知識[1]。測量學要求學生進行大量的實踐操作，通過理論聯系實際，才能深入地了解測量的原理、流程以及具體步驟。

近幾年，計算機技術得到了飛速發展，從而推動了虛擬仿真技術的快速發展。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人工三維信息虛擬環境，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[2]。趙強[3]研究者基于測繪專業實習的內容，利用虛擬仿真技術，設計了一套測繪專業虛擬仿真實習系統，對虛擬仿真下的測繪實習進行了探討。汪云甲等研究者[4]將虛擬仿真實驗與測繪工程專業教學相結合，構建了礦山測量虛擬仿真實驗教學系統，研究了礦山測量虛擬仿真實驗教學系統的設計思路、框架、主要模塊、功能及應用效果。楊敏等研究者[5]面向礦業特色測繪和地礦類測繪課程，探討并提出了礦山測量虛擬仿真實驗教學中心的構建模式。郝明等研究者[6]基于虛擬仿真技術提出了測量學課堂虛擬仿真的教學方法。目前，南方測繪公司開發了較完善的測繪地理信息虛擬仿真教學平臺。虛擬仿真技術在測量學的教學中得到了較好的應用，增強了理論與實踐的結合程度。

翻轉課堂是對傳統的“先教后學”方式進行翻轉，將課堂內外的時間進行重新調整和分配，改變傳統教學中學生被動學習的局面，提高學生自主學習的積極性，實現“先學后教”[7]。翻轉課堂旨在通過對課堂教學時間的調整，將學習過程中“信息傳遞”這一過程從課堂轉移到課前，通過學生的自主學習，提高學生對教學內容的理解和接受能力。課前，學生自主學習，通過預習教學目標和內容、查詢資料、提出問題等方式，實現課程信息傳遞；課中，通過學生報告、小組討論、師生交流等形式，實現知識點的理解與內化；課后，再通過知識點復習、總結、知識拓展，使教學效果得到鞏固與升華[8-10]。因此，很有必要將翻轉課堂的教學模式引入到測量學教學中。

虛擬仿真教學可通過搭建虛擬操作環境提高理論與實踐的結合程度[11]，翻轉課堂可將傳統的被動學習轉變為主動學習，提高學習效果[12]。該文將虛擬仿真技術與翻轉課堂在測量學中進行綜合應用的研究，旨在提高學生自主學習的主動性，拓展自主學習的時間和空間，提升測量學教學的質量和水平。

1 測量學課程虛擬仿真與翻轉課堂融合的必要性

1.1 課堂圖文講解，可理解性不強

傳統的測量學課程主要通過教師課堂講解知識點、結合線下實驗課程，達到教學目標的形式。一方面，課堂講解形式主要為圖文、視頻等形式，而測量學的教學內容對操作和實踐要求較高，限制了教學效果；另一方面，課堂教學與線下實驗分離，雖然線下教學時仍然會講授實驗內容和步驟，但受課程時間和現場條件限制，同學容易遺忘實驗步驟，增大了實踐操作的難度。

1.2 課前缺少預習，學生學習主動性不足

傳統的測量學教學中，主要以教師利用多媒體進行講授、結合課堂提問的方式提高學生課堂參與程度，通過課后作業的形式檢驗教學效果。但多數同學缺少課前預習，無法及時掌握課堂講解的知識，且課堂參與程度有限，不能充分調動學生主動學習的積極性。

虛擬仿真教學可實現理論與實踐相結合，高度真實地模擬儀器的結構、原理和操作，無論是否有儀器，均可進行練習。而翻轉課堂是針對學生在學習中缺少主動性的問題，以拓展學生自學為主，通過學生對課程內容的資料查閱、講解、交流，迫使學生進行預習和準備，從而變被動為主動。針對測量學教學中存在的上述問題，該文設計了一套虛擬仿真與翻轉課堂融合的教學體系，充分發揮虛擬仿真與翻轉課堂的優勢，實現提高教學效率的目的。

2 虛擬仿真與翻轉課堂融合的測量學教學體系構建與實施

針對目前測量學教學中存在問題，結合課題組近幾年的教學經驗，提出虛擬仿真與翻轉課堂融合的混合式教學模式，教學模式框架如圖1 所示。在教學過程中，將虛擬仿真實驗與線下實踐結合、虛擬仿真教學與翻轉課堂融合，形成以“教師引導，學生主動，虛實結合，學思互補”的高效課堂，具體可分為課前、課中和課后這3 個環節，從而實現從發現問題到解決問題和教學效果提升的教學目的。

圖1 虛擬仿真與翻轉課堂融合的教學模式流程圖

2.1 課前準備

在課前準備中，該研究以南方測繪數字測圖仿真實驗軟件為基礎，并將測量學的教學內容進行總結與分配，部分仿真實驗內容如圖2 所示?？捎糜谌诤辖虒W的具體知識點可以分為水準測量、角度測量、控制測量、碎部測量、測設等，每個知識點可分為教學目標、教學內容、儀器、原理、操作和視頻等知識點。

圖2 南方測繪數字測圖虛擬仿真實驗系統部分界面

基于翻轉課堂的角色翻轉理念，學生課前登錄虛擬仿真教學平臺，對教學目標等知識點進行在線學習，并完成相關的課前預習作業，提出預習存在的問題。教師在課前，登錄虛擬仿真教學平臺，對學生學習過程中存在的問題進行解惑答疑，并總結共性問題，便于課中進行有針對性的講解。在課前虛擬仿真和翻轉課堂的結合中，以任務為驅動，以促進學生自主學習的興趣，激發學生主動學習的熱情；在理論與虛擬仿真的結合中，使學生對知識點有更直觀的理解。同時，課前預習可以發現學生存在的疑惑，達到發現共性問題的目的。

2.2 課中實施

2.2.1 課堂教學

針對相關知識點，在課堂中基于翻轉教學思想，邀請學生對知識點的教學目標、教學內容、儀器和操作等進行內容講解，并組織學生分組討論，進一步提煉共性問題。然后，教師基于學生的講解和討論，進行內容回顧，引導學生進行思考，結合相關的虛擬仿真軟件進行實驗操作，對學生課前和課中存在的共性問題進行啟發式解答。

2.2.2 實踐操作

在知識點對應的實驗課中，需要對學生進行分組然后再進行實際操作。為保證儀器的安全，首先，需要教師結合虛擬仿真軟件進行教學內容的講解，包括實驗目的、內容、儀器和操作。其次，學生在教師的指導下，進行儀器認知、實際操作、指標檢核與精度評價。最后，教師進行操作點評和要點回顧，解答實踐中存在的問題，強調重要的操作步驟，達到畫龍點睛的目的。

2.3 課后提升

為實現學與思結合的提升，學生在課后登錄虛擬仿真平臺，對相關知識點內容進行回顧，思考課前、課中自身存在的問題，并進行自我回答。與此同時，根據虛擬仿真系統和實踐課程的操作，撰寫和提交個性化的實驗報告，避免實驗報告的重復性問題，進行全面總結，實現學習效果的提升。

2.4 教學評價與反饋

翻轉課堂教學模式下，測量學的考核通過過程性評價與結果性評價相結合、虛擬仿真系統操作與翻轉課堂表現相結合的多尺度考核評價模式實現。根據表1可知，課程總成績分為平時成績（占40%）與基本考試成績（占60%），其中平時成績由課前預習（占30%）、課堂表現（占40%）和課后反饋（占30%）組成，期末成績由線上虛擬仿真系統操作考核（占40%）和理論考試（占60%）組成。測量學課程引入更全面的過程性評價和線上線下結合的考核模式，避免了期末突擊復習、知識掌握不牢、主要靠期末筆試決定學習效果的不足，切實提高了學生主動學習和過程性學習的積極性。同時，利用問卷調查功能收集學生關于教學的反饋和建議，根據獲得的反饋結果，進行后續課程教學過程的進一步改進。

表1 融合教學模式教學評價體系

3 結語

針對目前測量學教學中存在的不足，該文對虛擬仿真與翻轉課堂融合的測量學教學方法開展研究，旨在通過翻轉課堂提高學生自主學習積極性的同時，利用虛擬仿真技術為學生提供有效自主學習的工具與途徑。提出方法可以克服傳統測量學教學中教師占主導作用、學生被動學習導致的基礎知識理解、記憶不深的問題；可以通過虛擬仿真系統拓展理論與實際結合教學的時間與空間，提高教學內容的可理解性；以教學評價作為任務驅動，可以提高學生自學的主動性。提出的融合教學方法通過課前虛擬仿真系統預習和答題、課堂討論與重難點講解、課后總結與實驗報告等環節有效地提高了學生課堂的參與度與主動性，可以有效提高教學效果。