虛擬實驗室與虛擬仿真實驗在測繪教學中的應用

摘要：本文順應新時代教育高質量發展的要求，打造新工科背景下測繪專業實踐課程，基于數字化教育轉型，對傳統工科教育進行虛擬實驗室與虛擬仿真實驗教學改革。本文分析了虛擬仿真實驗在測繪教學中的應用方式，對解決當前存在的問題提出了一些改進建議，并對未來與互聯網的結合做出了展望，為學院的發展提供參考，推進區域教育向數字化轉型。

關鍵詞：虛擬實驗室；虛擬仿真；教學改革；測繪工程

引言

國家建設，測繪先行。測繪作為各項工程項目的基礎，為國家經濟建設提供數據支撐、為國土安全提供數據保障、為環境保護和災害防護提供預警信息，在現代社會中發揮著重要的作用[1-2]。隨著科技的高速發展，傳統測繪技術與多個領域技術結合，形成了無人機、激光雷達、遙感等多種新型測量技術手段，使得測繪由原來單一的測量與制圖功能發展成可為自然環境監測、城市實景三維建設、智能安全監測等多種功能服務的高新技術。測繪設備日新月異，發展迅速，在行業內得到了廣泛的應用。然而，現階段的測繪教學內容并不能與現有技術的需求相匹配，教學內容落后、教學方式以課堂講解為主，無法讓學生學習掌握這些測繪新興技術，傳統的測繪手段也讓學生失去對測繪學的興趣與學習欲望[3]。因此，為了培養適應時代的測繪專業人才，本文探討新的教學方式、實行新的教學手段，彌補現有教學的缺點。

1. 測繪類專業教育存在的主要問題

（1）測繪專業的課程教學主要集中在傳統測量設備如水準儀、全站儀和GNSS接收機上[4]。盡管我們提供了一些前沿的專題講座供學生學習，但普通高校仍然面臨難以接觸新型高精度儀器設備、缺少擁有豐富經驗教師傳授新興技術等問題。這意味著學生將缺少機會深入了解這些儀器的具體操作流程，從而影響了他們的綜合能力的培養。雖然大多數開設測繪專業的高校都提供測繪工程實習和必要的儀器設備，但校內的實習通常只滿足學生熟練掌握儀器的基本安裝和使用需求。由于實習場地受限，學生在控制點布設方面難以達到將整個測量區域完全包圍的要求。此外，學生對于實驗的目的、方案設計和工作安排了解不深，這對后期實驗分析和未來的實際測量都帶來了負面影響。因此，我們需要探討如何克服這些問題，以提高測繪教育的質量和實用性。

（2）隨著安徽理工大學空間信息與測繪工程學院實驗室建設規模不斷擴大，儀器設備數量也在不斷增加，儀器設備的管理變得愈發重要。測繪儀器通常具有高度的精密性，不規范使用和存放可能會導致儀器的精度下降，甚至造成設備損壞。此外，設備購買信息無法及時傳達給部分教師和學生，導致他們無法輕松了解可用的儀器數量和設備的借用情況。這種信息滯后導致已有的儀器無法有效地投入到教學和科研中，浪費資源，影響教育質量。考慮到實驗器材價格昂貴且儀器元件的壽命有限，例如無人機的相機鏡頭壽命僅有50萬次快門次數，頻繁使用將導致額外的儀器維護費用，這在實訓過程中會帶來更多的成本和挑戰。教學實踐與理論知識的結合在教育中具有極為重要的意義[5]。然而，通常情況下，教學實踐被安排在學生學習完理論知識之后，這種不合理的時間安排會導致學習效率下降。此外，這也可能影響學生的學習積極性和創新能力，因為他們沒有機會將理論知識直接應用于實踐中。需要重新思考和調整教學模式，以確保學生在學習過程中能夠更好地理解和應用所學知識，提高他們的實踐能力和綜合素養。

2. 虛擬實驗室與仿真實驗的應用分析

針對上述問題，安徽理工大學空間信息與測繪工程學院通過完善實驗室儀器管理制度、建立虛擬實驗室平臺、開發虛擬仿真實驗軟件等進行了實踐教學改革。

（1）為了有效解決儀器設備管理中的問題，我們采取了一系列措施，以提高設備的使用效率和延長設備壽命。首先，通過進行全面調研，分析了各種儀器設備的使用率和損壞率。根據這些數據制定了不同的管理方案，以更好地滿足不同儀器的管理需求。其次，簡化了常用儀器的借用流程，使學生和教師能夠更輕松地借用設備。最后，我們強調了常用儀器的操作注意事項，以降低儀器的使用風險，確保設備得到妥善使用。針對高精度儀器設備，增加了借用條件，實行專人管理，明確了管理責任。制定了相關的規范制度，以確保設備在使用過程中不會受到不必要的損壞。在購買高精度和昂貴的設備之前，要求提供詳細的證明材料，包括設備的使用用途、所屬項目和預期結果等信息。這樣可以確保購入的儀器具有一定的使用價值，并且符合教學和科研的需求。這些措施的實施將有助于提高儀器設備的管理效率，延長設備的使用壽命，降低維護成本，并確保設備在教學和科研中得到充分利用。通過這些改革舉措，我們旨在為未來學院的發展提供更好的設備支持，推動教育質量的提升。

（2）積極充分發掘校園網絡的潛力，建立起一套高效的校園虛擬實驗室設備管理平臺，以更好地管理和利用校內設備資源。這一平臺的核心目標是提供便捷的設備管理和共享機制，為學生和教師創造更好的教學和研究環境。通過平臺及時公開學校已有的設備資源信息，使學生和教師能夠隨時在線查詢設備的詳細信息，包括設備規格、數量、可用狀態等，以便更好地滿足各自的需求。同時將設備的借記流程和手續整合到在線平臺中，學生可以方便地提交儀器使用權限申請。教師則可以通過手機端一鍵批準申請，從而避免因公務出差而導致實驗室無人值守的情況發生。這一便捷的系統有助于提高設備的利用率和管理效率。

（3）為了解決部分高精度設備不適合用于教學實驗的問題，我們積極研發了一套具有真實性和交互性的仿真實驗軟件，旨在給學生提供一個安全、高效的學習環境。這一仿真實驗軟件利用計算機技術，精確模擬了儀器設備的工作流程，同時在系統中引入了真實工程場景，使學生在掌握了基礎理論知識后，能夠借助虛擬仿真軟件進行實際操作，達到1+1＞2的效果。這不僅為學生提供了更多的動手實踐機會，還激發了他們更深的學習興趣，使他們更好地理解和掌握測繪技術。值得注意的是，這項技術還將徹底改變測繪實習野外教學的傳統模式。通過將實習環境從高風險的野外轉移到安全的室內，學生不再受時間和環境的限制。這不僅增加了學生的教學任務安排的靈活性，還大大降低了潛在的風險。這一仿真實驗軟件的開發不僅填補了傳統教育中高精度設備難以應用于實驗的空白，還為學生提供了更多的學習機會和更安全的實踐環境，有望為測繪教育的未來發展注入新的活力。

3. 教學實踐改革

（1）對授課老師進行專業培訓，學習掌握虛擬仿真平臺的各項功能，設立虛擬仿真平臺辦公室，設立辦公室值班教師解決軟件相關問題。在學校機房安裝虛擬仿真平臺軟件供教學使用。將原有實習教學穿插在日常理論教學當中，根據理論教學進度安排虛擬仿真平臺的實習。同時將平臺通過校園網上傳至網絡，讓學生在課后也可以學習。在指導方法上以學生實訓為主，以教師指導為輔，學生在理論學習中了解各類儀器的使用方法后自主學習操作方法。用實習計劃書代替課本，逐步完成實習任務，得到最后的實習成果。教師還可以設計真實的工程場景，供學生設計安排實驗計劃，讓學生擁有解決工程難題的能力，如圖1所示。

（2）對教學效果進行評價，可以了解教學各方面的情況，從而判斷其質量和水平、成效和缺陷[6-7]。通過全面客觀的評價，可以找出學生成績較差的原因，并分析出主要原因，同時可以看出學生完成了多少教學目標。教學評價如同體檢，是對教學過程進行嚴謹的、科學的診斷，具有激勵、調節教學的作用。評價對教師和學生具有監督和強化作用。通過評價，可以體現教學效果的好壞和學習成績的優劣。過去的大量經驗和研究表明，一定的測驗與成績記錄可以有效激發學生的學習動機，增強學生的學習興趣，同時推動課堂學習高效開展。評價蘊含的信息可以讓老師了解自己的教學情況，讓學生了解自己的學習進度。教師基于這些信息修訂教學計劃，調整教學內容，從而有效地開展教學進程，達到教學任務規定的目標，這就是評價所發揮的調節作用。評價本身也是種教學活動。這種活動可以促進學生培養自身的智力和品德，增長知識，培養技能。教學評價的方法可以是測驗、征答、觀察提問、作業檢查等。

4. 討論與展望

制作虛擬實驗室平臺與虛擬仿真實驗軟件，需要投入大量資金和精力，包括服務器的搭建、實驗場地的安排、實驗指導老師的培訓以及后期系統的維護更新等。這是一個不可或缺的過程，因為它涉及軟件平臺的順利運行與持續發展。盡管投入大量資金，但是否能夠達到預期效果，是否能夠實現軟件的設計目標，仍需要進行實驗論證與驗證。然而，平臺軟件的開發可以顯著降低實驗室的資金投入。實驗室不再需要購買昂貴的精密儀器，也減少了儀器維護與更新的費用，從長遠來看，這可以有效地節約儀器設備相關的資金投入。人們通常認為，只有通過親自動手實踐，才能真正熟練地掌握一項技能，才能夠在實際應用中應對突發情況。虛擬仿真實驗可能難以模擬這些突發情況。對于教師而言，虛擬仿真實驗也是一種全新的教學方法，需要打破傳統教學模式，重新設計教學方案。對于學生而言，虛擬仿真實驗缺乏實際操作的真實感，與真實實驗相比過于理想化，對于測繪這種需要強大實踐能力的專業而言，可能并不足夠。因此，虛擬仿真實驗與傳統實驗應該相互補充，以解決這些問題。學生可以通過虛擬仿真實驗來熟練掌握儀器操作技能，然后再由教師引導進行實際實驗，以避免因不熟悉操作而導致的安全風險。教師則可以借助虛擬仿真技術的學習經驗，自主設計新的實驗場景和問題，使學生更深入地了解實際應用中的注意事項，從而更好地培養他們的實際操作技能。

綜上所述，虛擬仿真實驗是一種有潛力的教學方式。盡管存在一些局限性，但通過與傳統實驗相結合，可以充分發揮其優勢，提高學生的學習體驗和實踐能力，同時降低實驗室設備的成本和風險，為教育和科研領域帶來更多的機會和便利。互聯網與虛擬實驗室的融合催生了眾多前景廣闊的應用，挖掘了潛在的益處，為科研、教育和工程領域帶來了一系列創新。這種融合將互聯網的信息傳遞和共享能力與虛擬實驗室的模擬和實驗技術相結合，形成了一種強大的聯合力量。通過互聯網，學生和研究人員得以擺脫校園網的限制訪問虛擬實驗室，進行實驗操作和數據收集，這對于學生的遠程學習和科研合作具有巨大的價值。互聯網的便捷性使得來自不同地區的研究團隊能夠協同工作，創造更廣闊的合作機會。虛擬實驗室提供了一致的實驗環境，使得研究人員可以共享實驗數據、模型和結果，促進各組織之間的合作與知識交流。同時，結合互聯網和虛擬實驗室，科研人員可以更輕松地共享和分析大量的實驗數據，從而推動數據驅動的科學研究迅速前進。互聯網與虛擬實驗室的結合還具有廣泛的培訓和演示潛力，可以用于行業培訓和專業演示，提供更生動、互動的學習體驗，為從業人員提供高效的培訓手段和模擬實踐機會。互聯網和虛擬實驗室的結合開辟了廣闊的應用前景，不僅促進了科學研究和知識共享，也為教育和培訓領域帶來了創新。這一趨勢將繼續塑造未來的學習與科研模式，推動各個領域的發展。

結語

數字化教育已成為我國開拓教育發展的重要突破口，推行數字化教育是未來教育發展的必然趨勢。虛擬實驗室與虛擬仿真實驗不僅可以改變傳統測繪教學的模式，提高教學質量，還有利于學院發展為更加科學、規范、合理的現代化學院。同時結合互聯網與數字技術，可以使學生高度參與教學過程，有利于培養高素質人才，鍛煉學生的專業素養和工作能力，為他們將來步入社會奠定扎實基礎。

參考文獻：

[1]黃建.信息化測繪時代工程測繪的發展趨勢分析[J].信息系統工程，2021（3）： 14-16.

[2]張艷.新型測繪在地理國情監測中的應用[J].經緯天地，2020（1）：88-90.

[3]杜曉圓，寧永香，陳勝華.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[J].創新創業理論研究與實踐，2022，5（21）： 137-140.

[4]杜守航.新工科建設下測量學教學改革研究[J].科技風，2023（14）：102-104.

[5]朱廣琴.理論與實踐“同進互補”提升教學質量[N].中國社會科學報，2022-12-29（12）.

[6]蘭天靜.對智慧教育環境下高校課堂教學評價方法創新的思考和探索[J].現代職業教育，2023，（24）：145-148.

[7]鐘思明.基于大數據的陜西省高校排球普修課教學評價模式的構建研究[D].西安：西安體育學院，2023.

作者簡介：呂偉才，博士研究生，教授，研究方向：現代測量數據處理、GNSS測量與數據處理；余學祥，博士研究生，教授，研究方向：衛星定位技術及其應用、變形監測自動化、軟件工程實踐；徐克立，碩士研究生，研究方向：生態遙感研究。

基金項目：礦山變形監測虛擬教研室（編號：2021xnjys007）；導航工程專業教學團隊（編號：2021jxtd083）。