新建地方應用型本科院校測繪工程虛擬仿真教學模式探索
——以山西工程技術學院為例

杜曉圓，寧永香，陳勝華

(山西工程技術學院，山西陽泉 045001)

虛擬仿真技術，又稱虛擬現實（virtual reality）技術，簡稱VR[1],以構建全系統統一、完整的虛擬環境為典型特征，并通過虛擬環境集成與控制眾多的實體，實體可以是模擬器，也可以是其他的虛擬仿真系統，也可用一些簡單的數學模型表示。虛擬仿真技術是伴隨多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息科技的迅速發展，將仿真技術與虛擬現實技術相結合的產物，是一種更高級的仿真技術。

2015年，教育部、國家發展改革委、財政部聯合印發《關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》，為地方普通高校的轉型發展打開新的思路，提出了創新應用型技術型人才培養模式、不斷推進深化人才培養方案和課程體系改革，將現代信息技術全面融入教學改革，推動信息化教學、虛擬現實技術、數字仿真實驗等廣泛應用，科學統籌各類實踐教學資源，合理構建功能集約、資源共享、開放充分、運作高效的專業類或跨專業類實驗教學平臺[2]。2018年，教育部印發《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》，提出虛擬仿真實驗室建設是各省市級大專院校適應信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學關系等發生革命性變化的要求，促進信息技術與教育教學深度融合，強化能力為先的人才培養理念，突出應用驅動、資源共享，將實驗教學信息化作為高等教育系統性變革的內在變量，以高質量實驗教學助推高等教育教學質量變軌超車，助力高等教育強國建設目標的順利實現[3]。

山西工程技術學院測繪工程專業作為地方性新型本科院校工科類專業，面對新形勢，務必抓住機遇迎難而上，將新型虛擬仿真信息技術融入教育教學實踐當中，加快虛擬仿真實驗室建設，探索新的教學模式。

1 新建地方應用型本科院校建立測繪工程虛擬仿真實驗室的優勢

1.1 探索適合地方應用型高校的教學模式

從學校的角度講，測繪工程虛擬仿真實驗室的建設探索地方性本科院校的發展出路，積極響應國家號召，向應用型本科轉型，在提高實踐課程比例的同時，探索一種新的實踐教學模式。

從教師的角度講，測繪專業課程如果依照傳統的先大量理論教學后短課時實踐教學的模式，一個方面課時不均衡，另一方面理論和實踐教學間隔教學，既影響學生理解掌握理論知識，又影響學生實踐動手能力的培養，使教學效果大打折扣。虛擬仿真實驗可以在提升實驗教學效果中發揮作用，通過虛擬仿真技術可以將學科理論知識直觀呈現，反復模擬，解決了理論課程缺乏直觀操作效果的問題，真正做到理論聯系實際。

從學生的角度講，改革學生學習模式，傳統的測繪專業的實踐課程基本都是室外實踐動手性很強的課程，虛擬仿真實驗把學生放到一個虛擬的三維環境中，自己面對問題、分析問題、解決問題，更好地提高學生的自主學習性，也大大提升了學習效果。

1.2 加快構建實踐和理論于一體的在線共享課程

近年來全國各高校都在大力建設在線共享課程，但主要集中在理論教學領域，傳統的實踐課程由于其較強的現實操作性，很難實現線上教學，使得線上教學理論與實踐相脫節。虛擬仿真實驗室的建設，把只有在現實環境可操作的實驗項目搬到線上，這種教學模式能夠滿足新形勢下的教學需求，將開放式的虛擬仿真實驗室與課程資源的共享平臺密切結合，進而實現優質資源的實時共享。

1.3 有效促進學生對測繪工程專業知識一體化的理解

測繪工程專業是一門實踐性較強的應用型學科。測繪工程專業培養的人才，涉及房屋建筑、礦產勘查、交通運輸、海洋工程等行業。同時，這也對測繪工程專業學生的知識體系提出了較高的要求，即要求其可以熟悉包括繪學的理論、工程建設、項目管理等在內的各類知識。其中，對學生而言，掌握多元化的知識是有難度的[4]。在教學中，將虛擬仿真技術引入教學中，可以促進學生對較難知識點的理解，使得抽象知識具象化，使學生在相對真實的情境下理解把握專業知識，通過虛擬仿真實踐教學提升學習興趣，一定程度上達到融會貫通的目的，實現對測繪專業知識一體化的理解。

1.4 促進實驗、實習項目融合，使其成為有機統一的整體

為了達到教育部提出的應用型高校實踐課比例30%以上的要求，基本所有的專業課程都開設了實踐課，但這樣必然存在實踐課項目零散不連貫和交叉的情況，學生普遍反映學習效果較差，虛擬仿真實驗室可以較好地整合實驗項目，將多門專業課的實驗、實習項目放到統一的外業環境中，使得控制網選點、布設、無人機航測、地形測量、工程測量等相關實驗、實習項目都可以統一連貫地展開，在提高實驗效率、促進實驗、實習項目融合的同時，加強學生對測繪工程專業項目性和工程性概念的理解。

1.5 解決實踐課程時間、空間、設備、師資不足的問題

隨著測繪技術的迅速發展，儀器更新換代較快，傳統測繪專業實驗教學模式不斷需要大量資金投入購買新的設備，可能造成極大的資金浪費，由于地方院校資金不足，從而使得專業設備更新較慢，很難達到人手一臺儀器。另外，測繪專業的野外實踐性，一直以來對學生、儀器有較高的安全性要求，針對不同實驗項目需要有不同條件的實驗場地；由于野外實踐教學學生較為分散，需要配備多名教師，對師資也是一個極大的挑戰[5]。虛擬仿真實驗教學的出現，使得以上問題迎刃而解。

1.6 增強學生學習自主性和創新性

虛擬仿真實驗沉浸性的環境特點，使學生在一個封閉獨立的教學環境中，既可以通過虛擬仿真實驗環境驗證實驗結果，又可以通過設置實驗條件、更改實驗順序、設計實驗環節等手段進行具有開創性的實驗實踐[6]。在單個實驗項目操作過程中，學生需要從始至終綜合運用個人的理論知識去實踐每一個操作步驟，鍛煉學生獨立思考、獨立動手解決問題的能力，培養學生的創新意識，提高學生的實踐水平，激發學生的學習探索欲。

1.7 提高實驗設備的利用率和開放率

由于傳統的實驗課程受實驗設備維護費用高、實驗地點固定、指導教師人手緊張等問題的影響，不能隨時隨地地向學生開放，降低了實驗室的利用率，學生不能隨時進行實踐操作練習，嚴重影響學生實踐動手能力的培養。虛擬仿真實驗室建設改變了傳統實驗室存在的昂貴儀器學生不敢操作、不得隨意外借，實驗場地不好找，師資緊張等尷尬處境，學生可以通過申請個人固定賬戶在線隨時隨地做實驗，大大提高了實驗設備、實驗項目的利用率和開放率。

2 測繪工程專業虛擬仿真實驗室建設存在的現實問題及建議

2.1 資金投入較大

由于前期虛擬仿真實驗室建設需要購買大量的硬件，開發實驗軟件系統和實驗信息管理系統，規劃實驗場地、培訓實驗教師隊伍，一次性需要投入大量的資金。針對這些投入，對于學校某些管理者或實驗教師而言，可能更傾向于開設真實實驗教學，但是真實實驗室隨著儀器更新換代需要長年累月不斷地投入，而虛擬實驗室一次投入后只要做好維護即可，從長遠來看可以大大節約實驗資金成本。

2.2 較理想化，缺乏實物感

虛擬仿真實驗室無論對于教師還是學生而言，都有很大的方便性，但對于測繪工程這類實踐性很強的專業，部分實驗項目的效果偏理想化，學生在練習過程中缺乏一定的實物感[7]，尤其涉及基本儀器操作、校準等基礎實驗方面和現實還是有一定差距，相較于真實實驗不具備完全替代性，建議采取先虛后實、虛實結合的教學理念。

2.3 學習形式單一化，應變能力較差

由于虛擬仿真實驗項目采取程序預先設計的方式，實驗情景比較固定，大多數情況下學生需按固定操作程序進行實驗，實驗情景變數較小，但對于測繪工程專業等長期室外環境下作業的專業，實驗課程練習形式和環境過于單一化，可變因子較少，這樣培養的學生實際工作中應變能力較差。

2.4 教師傳統實驗觀念的革新和信息技術應用能力的提升

虛擬仿真實驗技術的出現，對于傳統的真實實驗模式造成一定的沖擊。一方面，需要教師革新傳統的實驗觀念，很多教師認為傳統實驗室的教學能讓學生準確熟練地掌握實驗儀器操作技能，有助于培養面對和解決突發事件的能力，在將來的實戰工作中有更好的適應性，這些優勢是虛擬仿真實驗室所不能取代的。但是虛擬仿真實驗室也存在明顯的優勢，首先能最大限度地降低學生室外操作帶來的人身和儀器的安全隱患[8]；其次，虛擬仿真實驗室可以做到隨時開放，學生可以自由選擇時間進行多次重復試驗，直到自己熟練地掌握實驗內容；再次，虛擬仿真實驗室不需要花費大量資金購置昂貴且精密的實驗儀器，大大降低實驗成本，還能較好地鍛煉學生操作能力。所以如何將傳統實驗室和虛擬仿真實驗室的各自優點和長處融合兼并，需要教師在新時代的教育方式下進行積極探索和思考。

另一方面，需要教師不斷改革授課方式，學習新的虛擬仿真技術。新時代背景下的虛擬仿真實驗室是以電子信息技術為主導的新技術，相較測繪工程專業教師以往操作的儀器存在很大差別。虛擬仿真實驗室的建設和使用都需要專業教師既具有扎實的專業知識，還需具備一定的信息技術。這就需要學校采取有效措施，加強對教師虛擬仿真平臺操作技能的培訓；通過政策激勵，支持專業教師積極投入實驗教學改革、實驗模式創新和新技術應用研究。同時，制定相應的考核標準，對教師的信息技術素養和應用能力提出明確要求[6]。

3 結語

虛擬仿真技術以其特有的沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性為實踐教育提供了良好的教學環境[4]。學生可以在掌握一定理論知識的基礎上，借助虛擬仿真實驗不斷反復練習。在練習的過程中進一步強化理論知識，這個過程不受時間、空間以及外部自然環境的影響，增加了學生實踐鍛煉的機會，提升了學生實踐操作技能，為他們將來步入社會順利完成工作奠定了一定基礎。

虛擬仿真技術將有力推進地方本科院校向應用型轉型的速度，改變測繪類專業純野外、高風險、高投入、單一的傳統教學模式，探索新的實踐教學模式。虛擬現實一體化教學方式可以大幅提高理論與實踐教學的效果，幫助學生足不出戶也能體驗到野外的作業環境，使書本知識三維化，不斷激發學生的學習興趣和創新思維。