教育信息化時代的數字測圖智慧教學實踐分析

陳允芳 成樞 劉尚國 劉峰 蔣躍龍

摘? 要：教育信息化時代虛擬仿真技術是智慧教學的重要手段，可虛擬仿真儀器設備、實習環境、實驗過程等實踐環節，也可模擬仿真理論教學的原理與計算，組成完整的虛擬仿真教學系統。文章探討了數字測圖課程理論教學中的模擬仿真計算、虛擬仿真測繪實驗的實踐教學應用，提出了基于在線課程、虛擬仿真實驗室和教研室的智慧教學構想。

關鍵詞：教育信息化；虛擬仿真；數字測圖；智慧教學

中圖分類號：TP39；G434? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）05-0191-05

Analysis on Digital Mapping Intelligent Teaching Practice in Education Informatization Era

CHEN Yunfang， CHENG Shu， LIU Shangguo， LIU Feng， JIANG Yuelong

（College of Geodesy and Geomatics， Shandong University of Science and Technology， Qingdao? 266590， China）

Abstract： Virtual simulation technology is an important means of intelligent teaching in the education informatization era. It can simulate virtually the practical links such as instruments and equipment， internship environment， experimental process， and also simulate analogically the principles and calculations of theory teaching to form a complete virtual simulation teaching system. This paper discusses the simulation calculation in the theoretical teaching of digital mapping course and the practical teaching application of virtual simulation mapping experiment， and puts forward the intelligent teaching concept based on online course， virtual simulation laboratory and teaching and research room.

Keywords： education informatization; virtual simulation; digital mapping; intelligent teaching

0? 引? 言

教育信息化2.0時代是以互聯網、大數據、人工智能和虛擬現實技術為依托的智慧教育時代[1，2]，虛擬仿真應用于依賴實驗儀器、實驗和實習等實踐教學較多且對操作技能要求較高的測繪類專業的實踐教學，是當前的研究熱點。基于數字測圖技術的虛擬仿真目前有虛擬仿真測繪儀器設備、測區環境、外業數據采集過程等。許多公司企業、科研院所和高校或自主設計研發虛擬仿真系統或引進設備建立虛擬仿真實訓基地、實驗室等[3-6]。教育部國家虛擬仿真實驗教學平臺也上線了模擬仿真測繪儀器設備外業數據采集過程及數據處理的相關實驗以供學習選用[7，8]。虛擬環境的線上實踐演練能訓練學生掌握數字測圖基本方法流程，解決測繪儀器昂貴短缺、管理維護費用高、實驗場地或環境條件不足學生不能親手操作儀器的非面對面師生間的教與學問題，尤其適用互聯網遠程教學，在疫情期間網絡在線教學中有著迫切的應用需求和廣闊的應用前景。目前研究多是針對外業控制測量和數據采集等實踐過程的虛擬仿真。測繪儀器設備數據采集及處理是數字測圖教學中必不可少的實踐環節，其過程和計算方法源于課程理論教學，針對這些原理和計算的理論教學模擬仿真也是課程教學必不可少的一部分，本文主要探討虛擬仿真技術在數字測圖理論與實踐教學研究中的應用情況。

1? 數字測圖原理與計算模擬仿真

在課程理論教學階段，為便于學生直觀體驗動態方法原理及演練數據處理過程，可開發設計模擬仿真計算平臺來動態模擬和仿真計算，以動畫或計算小程序形式補充和完善在在線課程資源中用于進行算法學習實踐，為實驗實習等實踐教學做好理論技術支撐，如圖1所示為課程中的相關原理和方法所涉及的計算。

1.1? 數字測圖概念及原理模擬

通過制作動態圖或動畫模式展示基本概念和原理。如從地球自然表面到大地水準面、地球橢球面近似抽象簡化過程的動態展示，大地高、正高、正常高三高之關系及高斯投影過程、國家統一坐標、等高線、水準測量、角度測量等原理講解，可制作成動畫或小視頻形式演示，如數字地形圖應用的要素提取和計算過程，可動畫模擬展示其原理，如圖2所示等高線原理可和利用等高線間臺體計算土石方量相結合講解。

1.2? 外業觀測數據模擬仿真

內業計算所用外業觀測數據可直接通過模擬仿真獲得。仿真數據要嚴格依據測量規范中相應等級外業觀測的各項技術指標和限差要求、經過容許誤差計算公式逆推生成，即生成數據須滿足各等級觀測的測站限差和高差和角度閉合差、導線全長相對閉合差等路線閉合差等的精度要求，如圖3所示。

這是早期外業觀測數據模擬仿真的形式，目前測繪儀器設備觸手可及、可直接測得觀測數據，也可由仿真儀器設備在虛擬場景模擬觀測所得。

1.3? 數字測圖基礎計算與路線平差

數字測圖基礎計算是后續路線平差計算基礎，涉及坐標方位角推算、坐標正反算、交會計算等，可編制成小程序，課堂課件講解使用或作為在線課程資源演示計算過程。路線平差計算包括導線、水準路線及網平差計算。可以一種計算方式講解為主，通過變換不同的起算條件，通過舉一反三、比較異同來突出強調其計算差異，如附合導線計算從雙連接角到單連接角、再到無連接角，已知條件依此遞減而計算難度依此遞增的對比計算，循序漸進講解不同起算條件的計算、理解聯測邊的作用及控制測量的約束意義，不會因一步到無連接角導線旋轉和縮放問題而難以理解。水準路線平差計算亦如此。

1.4? 測量誤差及數據處理

測量誤差部分中誤差這一概念，實際是數學中無限次觀測下的標準差，在測繪中有限次觀測下的計算的簡化符號，是以已知觀測量真值下求得的真誤差來定義計算，但真值未知時要以算術平均值作為擬真值來計算改正值，再依據白塞爾公式來計算中誤差，這里從無限次到有限次，從真知已知到真知未知是一個從理想數學條件到實際觀測工作應用簡化的過程，可通過證明當觀測次數無限增多時，算術平均值趨近于其真值來佐證。另外還有改正值之和恒等于零等，都可以設計成動畫形式展示。

這些原理過程動態展示、原始數據仿真生成和計算過程模擬或許并非嚴格意義上的虛擬仿真，而僅是模擬仿真計算，但可作為測量程序設計課程作業布置給學生，在練習編程技能的同時也兼顧數字測圖方法原理學習，圖4為所開發部分計算程序。

這些計算本身較為簡單，但若將這些計算分解成單一的小程序，依照授課計劃嵌入在線課程對應章節，供學生自主練習選用，有助于增強理論教學學習效果。

2? 虛擬仿真技術應用于數字測圖實踐教學

數字測圖外業數據采集過程虛擬仿真包含了仿真測繪儀器設備、虛擬測區環境及利用這些模擬儀器設備在虛擬測區進行控制測量、碎部測量等整個外業地形數據采集過程的模擬實現。這是依賴于測繪儀器設備和實驗場景的傳統實踐環節上的很大突破，也是數字化測圖時代智慧測繪手段的體現，從而成為當前的研究熱點。虛擬測圖設備系統和配套軟件是現代虛擬仿真實驗室建設中的主角，通過這種虛擬環境中沉浸式游戲般的實驗操作，數字測圖基本流程步驟得到了栩栩如生的直觀體驗，寓學于練、寓教于樂，以實踐推動和提升理論教學效果。

國家虛擬仿真實驗教學平臺測繪類相關15個實驗涉及了全站儀、GPS-RTK、激光掃描儀、無人機傾斜攝影測量、車載移動測量等設備或技術在數字地形圖測繪方面的虛擬仿真應用[7，8]，可供高校師生在線教學或學習選用。南方測繪公司研發的虛擬仿真水準儀、全站儀、GNSS和無人機航測等測繪儀器設備，已廣泛應用于多次省、國家級虛擬仿真比賽，配合其航測空三解算軟件和數字成圖軟件，可脫離于儀器設備實體和測區實景完成全虛擬仿真環境下外業數據采集及內業數據處理一體化全過程實踐。線上體驗全虛擬仿真環境下外業數據采集及內業數據處理一體化全過程[9，10]，這對于打怪升級游戲長大的一代具有很強的吸引力，引起了較高的關注度和參與度，圖5為南方測繪虛擬仿真導線測量、水準測量、地面數字測圖和無人機航測系統等測繪虛擬仿真教學軟件。在疫情期間的在線實踐教學中起到了很好的替代作用。

3? 虛擬仿真技術在智慧教學中的應用

人工智能、大數據、物聯網等信息技術構建智能化實體空間和數字化理論空間，借助智能具身的實踐空間實現聯結、融合與超越，使學生在更為智慧和多維空間中完成對知識、能力和德性的聚合和升華以增進個體智慧生成，實現了教育信息化下的智慧教育[1]。

遠程在線學習是現代教育智慧化和數字化促成的必然趨勢。在線課程建設和虛擬仿真實踐教學系統開發是開展智慧教育的重要平臺和手段。教育部國家高等教育智慧教育平臺首批上線覆蓋14個學科92個專業類2.7萬門優質在線課程，測繪類相關課程50余門，我校16門。

實驗教學與理論教學相輔相成共同構成高等教育教學體系，其水平高低直接影響著人才培養質量。虛擬仿真實驗室是虛擬仿真教學系統的重要平臺和載體，目前許多高校自主設計研發或引進虛擬仿真系統及設備建立虛擬仿真實訓基地和實驗室。

基于虛擬仿真技術開展遠程在線教研活動的虛擬教研室是教育信息化時代智慧教學的新型教學組織，可將在線課程與虛擬仿真實踐教學系統建設成果結合，實現虛擬與實際結合、線上與線下結合、課內與課外結合、校內與校外結合的遠程在線多元化展示、推廣、融合、交流等教學研討活動，以推動智慧教學的開展，提升教學質量和推進智能化測繪人才培養。教育部首批建設試點四百余個虛擬教研室，測繪相關的有武漢大學空間定位與導航課程虛擬教研室、中國礦業大學測繪工程專業虛擬教研室等。

在線課程是網絡遠程教育的全面基礎，而實驗教學一直是網絡遠程教育的瓶頸，在線課程建設、虛擬教研室及虛擬仿真實驗平臺建設和仿真實驗項目共享為遠程網絡教育提供了豐富的課程資源、教研師資和實驗條件[11]。如圖6所示。

4? 基于虛擬仿真技術的理論與實踐教學設計

數字測圖在線課程包含了授課視頻、課件、測驗和習題庫、模擬計算小程序、教學大綱、授課計劃表、實驗大綱、測繪規范、儀器說明書、測繪工程案例、課程思政案例和業界人物、動態報道等豐富的教學資源，除了講解原理、演示計算方法和操作流程的課程理論學習本身，還要拓寬學生知識面，了解學科發展歷程、業界動態和當前學科前沿。

實踐教學方面，為使虛擬仿真軟件更好地應用于實踐教學和比賽訓練，還建了虛擬仿真數字測圖實踐教學實訓、技能比賽實訓等外業實際操作和虛擬仿真軟件學習的在線課程平臺，用以指導學生用于實驗、實習及參加各類別線下實操比賽或線上虛擬仿真比賽，如圖7所示。

這些在線課程平臺從數字測圖課程教學理論學習、實驗實習到比賽實訓，涵蓋了從理論到實驗再到創新實踐全過程。實驗與實訓是從理論學習到實踐操作的演練，考查的是學生對數字測圖基礎理論和方法的實踐應用能力，如控制點的布測和外業數據采集基本流程，也是發現和解決問題能力的培養，如無人機航測中空三精度、刺點精度為何低、何為重投影誤差等，書到用時方恨少，實踐達不到要求就需要返回理論查找答案，實踐來源于理論又回歸理論反芻學習，能督促和激勵學生查缺補漏、夯實基礎并拓展學習，達到促教、促學、促練、促改、促建的目的，如圖8所示。

這里僅探討用于線上學習的在線課程和線上演練的虛擬仿真實踐部分。傳統數字測圖實踐教學離不開儀器設備實物、測區實景和師生親臨現場面對面、手把手教授，虛擬仿真技術支撐下的線上演練擺脫了這種束縛，可以和在線課程學習一起實現從理論到實踐一體化的線上學習體驗，可作為線下實物實驗很好的輔助或不便時的替代。在線課程平臺承載了是上述測量原理、方法和計算的理論教學，而虛擬仿真實驗平臺則是脫離了儀器實體的虛擬環境下利用仿真儀器所開展的數據采集過程的在線模擬與演練，二者結合兩位一體可很好的實現理論學習到實踐創新的在線一體化學習。

5? 結? 論

數字測圖是理論與實踐學習并重的學科，在線課程是承載理論學習的重要平臺，虛擬仿真技術是促成線上實踐演練的重要手段。智慧地球時代，基于虛擬仿真技術的數字測圖在線教學也步入智慧教學階段，這是教育信息化時代對傳統教學的挑戰和考驗，高校教育工作者要順應時代潮流勇于接受挑戰，不斷學習和探索以積極態度應對考驗。

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作者簡介：陳允芳（1977.04—），女，漢族，山東新泰人，講師，博士，研究方向：數字測圖與信息化測繪。

收稿日期：2022-10-12

基金項目：2020年山東科技大學教育教學研究“群星計劃”項目（QX2020M11）；2021年山東科技大學教育教學研究“群星計劃”項目（QX2021M11）