疫情形勢下的虛擬仿真測繪教學實訓與競賽

齊建國 姜玉峰 韓勇 邱健壯

（1.山東農業大學信息科學與工程學院 山東泰安 271018；2.廈門大學環境與生態學院 福建廈門 361102；3.泰安市城市建設設計院 山東泰安 271000）

新冠疫情以來，全國各地高校教學工作受到沖擊，大規模線上教學模式成為高校選擇的主流應對策略。在國家有序控制下，疫情得以緩解，但全國多地陸續不斷地出現小規模反彈現象，迫使教學工作向線上教學常態化方向發展。為了保證線上教學質量，全國各地高校不斷加強基礎設施建設，調整組織結構的布局，優化教學層面工作，形成體系化監督與管理機制[1]。線上教學能夠保證大部分基礎課程和專業課程有質量地授課，但對于測繪儀器實操等實踐課程，不利于學生具象化地理解和掌握儀器操作流程，難以達到融會貫通的效果。因此，測繪類專業的實操教學課程的工作開展面臨巨大挑戰。在此形勢下，虛擬仿真系統迎來了蓬勃發展的新機遇，在極短的時間內普及到了全國眾多高校的多個專業，其中測繪專業就搭上了新時代教學新形式的快車[2]。疫情時代，測繪專業虛擬仿真教學還處于摸索階段，而在如今的后疫情時代，已經被熟練應用并依此開展了正式的線上虛擬仿真測圖技能大賽。全國眾多測繪強校積極主動加入隊伍，推動新形式測繪技能比賽的發展與創新，并取得佳績連連。打開了虛擬仿真在測繪領域的新局面，證明了虛擬仿真在信息時代的前景廣闊，推動了虛擬仿真技術邁上時代教育的新臺階。

一、教學與實訓需求分析

（一）虛擬仿真技術的發展

虛擬仿真技術自2013 年以來備受教育部重視，重點建設了300個國家虛擬仿真實驗教學中心[3]。2018 年，教育部開始對測繪類、土木類和機械類等23 個學科類別開展虛擬仿真實驗教學項目認定，于2019 年公布了296 個子項目名單。隨著虛擬現實技術專業在2020年獲批落地，國家大力發展虛擬現實技術，推動其與各學科融合發展的方向越來越清晰。

（二）專業招生擴容

據統計，2021 年全國招收測繪類本科專業的普通高校共有220所，其中招收測繪工程本科專業的普通高校有144 所，招收遙感科學與技術本科專業的有53 所，開設工程測量技術專業的高職高專院校有192 所，開設測繪類專業的高職高專院校更是高達328 所之多，且呈現逐年增多的趨勢，統計信息如圖1 所示。在國家鼓勵重點培養學生的職業能力的教育背景下，測繪作為一門對職業技能素質要求過硬的學科門類，各校十分重視其發展，積極響應國家號召，順應趨勢，申報測繪虛擬仿真教學項目，努力搭建虛擬仿真測繪實驗平臺，借此提高學生的專業素質，緊跟國家和強校步伐，意在拓寬學生視野與學習經歷，從而保證畢業生的核心競爭力。

圖1 開設測繪類專業的全國普通高校及高職高專院校統計信息

（三）專業教學需求

測繪類專業學科建設夯實、教學科目眾多，其中能夠較好地應用虛擬仿真技術的傳統測量學課程主要有數字測圖、大地測量、衛星定位測量、工程測量、攝影測量與遙感等，還包括近年新興的無人機低空遙感等課程。無論是傳統測量實踐課程還是無人機操作課程，都面臨著人多儀器少的不均勻分配問題，加之精密測繪儀器和無人機設備價格昂貴、新型儀器更新換代快等原因，學生的課程學習質量不能得到有效保障[2]。日積月累，部分缺乏主動性的同學與其他同學差距逐漸擴大，從而產生消極的厭學心理。

（四）實訓教學需求

虛擬仿真測繪儀器軟件自疫情暴發以后，被各大高校廣泛應用，改善了往日測繪專業實踐教學不公平的現象。虛擬軟件的配額使用，能夠營造良好的團隊合作氛圍，極大避免了組員之間不必要的矛盾和摩擦；虛擬仿真儀器設備和虛擬實驗場地的同質性，還能保證組與組之間的公平問題，有利于積極向上、合作共贏實踐精神的踐行；虛擬仿真教學還能夠激發年輕學生的好奇心，培養樂學興趣，提升主觀能動性和學習效率，成為現階段測繪專業實踐教學不可或缺的技術手段。目前，各高校所具備的虛擬仿真資源存在類型單一等問題，不同學校的虛擬仿真資源仍存在著巨大差距，此類問題亟待解決。正如教育部在印發的關于開展虛擬仿真實驗教學的通知中強調的，在課程得到認定開展后，仍需要持續改進、持續開放服務和持續監管。

二、競賽形式與發展策略分析

（一）高校學科競賽

教學是培養學生能力的基礎，競賽是提升學生素質的動力。大學生學科競賽是高校人才培養的重要環節，是培養學生科研興趣和能力、引導大學生理論聯系實際和自主創新的重要途徑。其目的就是培養大學生獨立思考、善于學習、樂于合作、勇于創新、敢于挑戰的精神品質和創新實踐能力，加強全國相關高校之間的交流與合作。

隨著人工智能技術的發展，測繪技術出現了革命性變化，測繪類專業人才培養也面臨新的機遇和挑戰。為加強測繪類創新人才隊伍建設，培養測繪人的團隊合作意識，展現測繪人熟練的技能操作風采，教育部高等學校測繪學科教學指導委員會、國家測繪地理信息局職業鑒定指導中心和中國測繪學會測繪教育委員會積極推動測繪技能競賽的舉辦，并不斷完善體系建設，增添新形式和新項目。如大學生測繪技能競賽、大學生測繪科技論文競賽、大學生創新開發大賽，已經連續舉辦多屆，參賽高校數目逐年增多，幾乎覆蓋了全部的測繪類專業開辦院校，其影響力和公信力也逐步擴大。測繪系列大賽面向國家測繪行業人才培養需求，不斷創新理念，成為創新創業教育的重要平臺，是推進新工科建設、建立多元化人才培養模式的重要探索，也是產教融合、產學合作的良好示范。參賽院校和師生能夠以大賽為契機，以賽促學，以賽促創，不斷強化專業實踐技能，深刻理解專業內涵，培養創新意識，提升創新創業能力，探索多元化人才培養新模式。

如今全國高等學校大學生測繪技能大賽，已經成功舉辦五屆，舉辦時間和承辦單位如表1所示。本該在2020 年舉辦的第六屆大賽，因新冠疫情，推遲到2021 年線上舉行。共有來自武漢大學、山東農業大學等196 所高校1500 多位學生參加，參賽人數和作品數量超過以往任何一屆，堪稱測繪學科大學生的“奧運會”。2021 年第六屆全國高等學校大學生測繪技能大賽虛擬仿真數字測圖競賽和2021年首屆全國測繪地信職校大學生虛擬仿真測圖大賽的舉辦，開辟了虛擬仿真測繪的新篇章，豐富了測繪技能大賽形式，同樣也揭示了虛擬仿真技術與測繪技術已經得到了很好融合。

表1 全國高等學校大學生測繪技能大賽

（二）競賽發展趨勢

大型的具有公信力的測繪競賽是對學生專業技能的檢驗，無論是具有研究生招生資格的高校面試還是測繪類公司企業招聘中，擁有測繪技能競賽證書都是絕對的加分項。隨著社會對學生學歷水平和專業素質要求的不斷提高，測繪技能競賽成為高校和職業院校學生踴躍參與的活動之一[4]。測繪技能競賽的火熱，促使高校和職校教師主動投入其中，幫助學生理解與掌握。另外，衍生校外培訓機構也會成為市場需求的必然趨勢。

測繪技能競賽與教學主要面向校方、企業和學生三方主體，在進行統籌規劃整合和架構布局的過程中應明確每個環節的引導者和反饋者[5]。以學生目標為導向，立足教學實踐奠定競賽水平進而貼合企業需求的實際，在傳授學生基礎知識的同時，探求教學與競賽、競賽與崗位需求之間的平衡。通過整合教學與競賽，層層遞進，交叉融合，既有利于夯實學生實踐操作能力，培養創新思維，建立新的教育反饋機制，也有利于校方及時掌握學科水平，調整教學方案，還有利于企業準確把握應聘者實力，進而激勵學生主動提高硬實力，形成閉環式的良性刺激。

三、虛擬仿真測繪平臺的功能與應用評價

（一）虛擬仿真測繪平臺

本文以南方測繪虛擬仿真系統為例。測繪地信虛擬仿真實訓平臺是南方測繪開發的線上實訓平臺，該軟件平臺不受天氣、環境、地理位置等因素影響，可方便教師實訓教學和學生專業核心技能的訓練，實現教學的智能化、信息化，并具有多感知、沉浸式、交互性、構想性等特點。目前，該平臺已經搭載了數字測圖、衛星定位測量、水準測量、無人機攝影測量、智能安卓全站儀等多個虛擬仿真實訓系統，可供教師和學生線上使用。

1.數字測圖虛擬仿真實訓系統：虛擬全站儀、RTK 的外形與真實儀器完全相同，高清模擬場景、游戲模式，精準細節，構建真實空間，測量成果數據，真實導出到CASS 軟件并編繪成圖。

2.水準測量虛擬仿真實訓系統：基于虛擬仿真技術，通過三維建模將數字水準儀對各個系統、零部件結構、模擬操作環境進行等比例真實還原，使數字水準儀在虛擬環境中能夠按路線真實測量，從而實現線上基本操作、實驗實習和比賽等。

3.無人機攝影測量仿真實訓系統：基于虛擬現實技術，使學生和相關從業人員在虛擬環境中使用鼠標、鍵盤或者無人機手柄，模擬操控無人機駕駛，獲取虛擬數據并進行后續軟件處理和算法驗證等實習實踐，或自主學習的一款安裝在PC 端上的航測軟件。

4.衛星定位測量虛擬仿真實訓系統：實現室內RTK 測量實習，打通RTK 手簿與虛擬RTK 的鏈接，所測成果可導出進行平差處理或者導入CASS 繪圖。

5.智能安卓全站儀虛擬仿真系統：智能安卓全站儀外形尺寸與儀器完全相同，具有高度逼真的外觀。觸控到零部件時，自動高亮顯示部件和名稱。在仿真機里可進入儀器所有模擬功能界面并能通過輸入數值進行模擬計算，通過觸控方式教學操作過程，漸進式立體展現傳統教學中無法真實描述的效果，而且演示和操作練習可以交互轉換。

南方測繪虛擬仿真平臺通過等比例構建虛擬全站儀、數字水準儀、無人機和RTK 等，精準的零部件結構加上虛擬現實的場景布局營造了沉浸式的測繪工作體驗，使用戶可以自由地在布控場景中設計路線和點位，為教學、實習和比賽提供了基礎環境。學生反饋，虛擬仿真測繪平臺提高了他們的興趣，方便之余還能節省體力，保證了部分身體臨時非健康狀況的學生也能同步實景學習與操作儀器。在無人機攝影測量仿真實訓系統中，可以通過外連無人機手柄，以第一視角來模擬操作無人機進行飛行實驗，獲取的數據可以直接在PC 端專業數據處理軟件中處理和進行算法驗證等工作，極大增加了用戶的交互體驗感。

（二）虛擬仿真測繪平臺應用評價

在使用虛擬仿真測繪平臺時，指導教師可擴大指導輻射范圍，較傳統的實地教學極大提高了教學質量。線上虛擬仿真測繪教學實操及競賽有嚴格的自動打分機制，能有效監督學生實訓過程，評定學生技能水平，有利于任課教師精準指導，相比現場實習，極大提高了每位學生的參與感和測繪儀器操作能力。機械化、規范制的打分方式，還能有效避免部分高校教師因個人技能不熟練而誤導學生的情況，是對學生和任職教師的雙向監督。另外，其平臺提供的數據統計的功能，能夠總結學生操作過程中誤差超限的原因，分析主要因素，與授課實時結合，最大化地幫助學生改正操作不規范和計算錯誤等問題，提高專業能力。當然，目前的測繪虛擬仿真平臺還存在對虛擬技術利用不充分等問題，需要不斷改進和優化，例如增加可穿戴技術、手持式移動交互技術和遙感技術等，實現多樣化。其他公司也有很好的測繪地理類虛擬仿真實訓平臺，在此不再一一介紹。

四、結論與討論

新冠肺炎疫情的發展，使全國乃至世界大中小學校的教學工作受到了極大沖擊，線上教學模式成為高校選擇的主流應對策略。線上教學能夠滿足大部分理論課程的授課，但對于實操實訓等實踐課程，學生無法直觀理解和掌握操作流程，難以達到融會貫通的效果。這幾年，設置測繪類專業的高校和高職高專越來越多，疫情形勢下，測繪類專業的實操教學面臨巨大挑戰。因此，虛擬仿真系統迎來了新機遇，測繪就搭上了新時代教學新形式的快車，測繪虛擬仿真實訓平臺為測繪類課程的教學、實訓提供了強有力的手段，改變了老師的教學模式和學生的實訓模式，也為測繪類學生和測繪行業操作技能比賽提供了新的方式。隨著后疫情時代的到來，虛擬仿真測繪在教學、實訓與競賽中與線下測繪將有機結合、互相補充，為測繪事業做出更大貢獻。