虛擬仿真技術在測繪教學中的應用與實踐

余學祥，馬 浩

（1.安徽理工大學空間信息與測繪工程學院 安徽 淮南 232001；2.礦山采動災害空天地協同監測與預警安徽普通高校重點實驗室 安徽 淮南 232001；3.礦區環境與災害協同監測煤炭行業工程研究中心 安徽 準南 232001）

虛擬仿真技術又稱虛擬現實技術，涉及人機交互技術、人工智能技術、傳感技術等[1]。虛擬仿真技術具有交互性、虛擬性、逼真性的特點，已經被應用于多個專業領域，且在某些專業的教學與實踐中發揮了很的大作用。測繪專業是一門實踐性很強的學科，特別重視學生理論與實踐相結合的能力[2]。因此在測繪專業的教學過程中，不僅要重視理論知識的教學，還要重視學生自主動手操作的能力，由于教師在課堂上基本通過教材講解專業知識，無法直接培養學生的動手操作能力。因此，在課堂上引入虛擬仿真技術可以讓學生在仿真軟件上觀察測繪儀器的操作方式，從而更好地掌握專業知識并提高實踐能力，提高學生的學習興趣和學習效率[3]。

1 測繪教學中存在的問題

①實訓設備昂貴。測繪儀器是測繪工程專業實踐訓練的關鍵。隨著科學技術的不斷發展，測繪專業的儀器越來越高端，越來越精密，同時也存在很多問題，如三維激光掃描設備，設備昂貴，單價高達上百萬元，且數量少，因此進行這些設備的教學培訓時教師需要承擔不小的風險。還有無人機的教學，無人機攝影測量已經成為攝影測量的主要方式[4]，無人機攝影測量的實踐訓練需要學生控制無人機，然而無人機在飛行過程中有墜機的風險，還會威脅人民生命和財產安全。通過虛擬仿真軟件，將測繪儀器的認識過程，組裝過程以及操作的方法全部進行虛擬仿真，學生在虛擬仿真平臺中掌握了無人機的操作方法后，再進行真機訓練，可以更好地上手無人機操作，降低訓練成本和風險[5]。

②實驗場地限制，一般測繪專業的實驗場地都在校內，而校內場地可用面積不足，以安徽理工大學為例，校內車輛較多，并且有樹木遮擋，場地面積不夠大從而對測量工作造成影響。無法高效地進行測繪工程教學與實踐，從而影響學生的學習效果。

③實驗方法有待改善，由于無人機的教學實踐一般由教師傳授操作方法之后，再由學生自主進行操作訓練，這個過程中就無法評判每個學生的掌握程度，無法了解到每個學生對無人機操作的掌握情況，難以獲得準確的評價。

④實驗時間限制，在傳統的實踐教學中，一般一節課為兩個課時90 分鐘，在這90 分鐘的時間內教師要進行設備操作的演示，然后再由學生自己動手操作，留給學生操作的時間很少，很多學生無法熟練地掌握儀器的操作方法。

2 虛擬仿真技術在課程教學中的應用

虛擬仿真技術又稱虛擬現實技術或仿真技術，是利用虛擬系統進行真實系統模擬的新型技術[6]。目前虛擬仿真技術越來越多地應用到課堂學習中，尤其是在金課建設中，有的學校已經做出了虛實結合的課程。對于虛擬仿真技術而言，其優點是節省成本，它可以真實模擬大型專業的儀器設備或者是困難的外界環境，還可以不受時間、地點以及天氣的影響，輕松完成我們想要進行的實踐，學生可隨時在虛擬仿真系統里實現各種實驗操作，而且對于在現實過程中需要幾個人才能完成的實驗操作，在虛擬仿真系統中僅僅一個人就能全部完成，還能大大減少完成實踐耗費的時間。在虛擬仿真世界中，由于其場景與大型3D 游戲中的場景相似，具有很好的交互性，這樣可以大大提高學生的積極性和探索性[7]，提高學生的學習效率和教師的教學效果。安徽理工大學引入了南方測繪的虛擬仿真教學系統，形成了虛擬仿真實驗室，為開展實踐教學提供一個全新的教學平臺。

3 虛擬仿真教學實踐

本文將以“無人機航空攝影測量”為例，將虛擬仿真技術應用于測繪專業課程教學。

3.1 教學準備

在理論課上，學生學習課程無人機航空攝影的理論知識，并且自主完成課堂上發布的相關測試，教師根據測試的完成情況進行講解，同時注重對學生的問題進行答疑，課下讓學生進行實訓和討論，虛擬仿真實踐可以分為線上或線下進行。

3.2 教學實施

3.2.1 認識無人機

在對學生進行無人機操作培訓之前，首先教師要讓學生了解無人機的組成結構和相關概念，用虛擬仿真系統模擬無人機的組成，通過這個環節來讓學生認識到無人機的結構。學生利用虛擬仿真系統進入無人機的航空飛行實驗操作界面，交互式地學習和認識無人機結構、無人機的飛行原理，無人機的組成，讓學生通過虛擬仿真系統來模擬無人機的拆分和組裝過程，加強理解。通過該環節，學生能夠了解無人機的結構和系統組成，學會組裝無人機并且熟練掌握無人機的控制方法，從而在之后實踐操作無人機的過程中能夠更加熟練，避免發生各種意外導致無人機的損壞。

3.2.2 無人機的控制

在進行無人機飛行之前，教師通過虛擬仿真的方式教學無人機的控制方法，首先學生進入虛擬仿真模擬系統的操作界面。再點起降點，進行控制無人機飛行的訓練，主要包括：起飛、降落、懸停等[8]。通過這種方法來輔助學生掌握無人機控制操作的技巧，增強動手操作能力，提高將來實踐操作飛行訓練的效率，加強操作無人機的安全性，避免由于操作不當造成的飛行事故，避免無人機的各種損壞。

3.2.3 無人機航線設計

架構三維虛擬內業和外業情景，利用無人機獲取地理信息外業數據，主要包括樹木、交通道路、房屋等，還有農村、山林、城市等各種地理場所，并且可以以第一人稱對各種場景進行觀看，且擁有地理空間坐標系統，可以對無人機外業工作的全部流程以第一人稱進行模擬。學生可以根據教師的要求，在虛擬仿真系統中完成攝影測量的全部過程，其中有空域申請、布設控制點、像控點的測量、飛行航線設計、影像數據采集、飛行模擬等操作，了解像控點測量的要求，以及像控點的布設方法。

學生可完成4D 產品的制作與編輯方法的學習。而且無人機虛擬仿真模擬系統還有“實踐反饋”的模塊，能夠對學生實驗操作的各種數據以及操作信息進行記錄并處理，自動進行成績評價。在實驗過程中，這個系統也會對學生進行各種操作的提示，從而幫助學生更好地完成實驗，強化學生對實驗操作的理解。

通過使用模擬仿真系統進行無人機的教學，增強了學生在課堂上掌握無人機操作方法的效率，增強了課堂上學生與教師的互動，使課堂學習變得更有趣味，提高了學生的學習積極性。

3.3 教學評價

教學評價包括線上教學評價和虛擬仿真訓練評價兩個部分。線上教學評價主要是在線上的教學系統實現多方面的成績考核與評價。虛擬仿真訓練評價的依據是學生的自主學習效果，由教師在課堂上進行理論教學，并利用虛擬仿真軟件進行模擬仿真操作輔助教學，再由學生在實踐課上完成無人機的實踐自主操作，最終由系統完成成績評價，教師可以將這一評價結果作為學生課程考核的一個參考依據。2022 年的教學實踐結果如表1 所示，虛擬仿真實訓教學和傳統教學模式對比，學生的最終成績有了明顯的提升。考核分數平均提升32.9%，在課堂實踐過程中，實踐效果提升21.0%，在課后訓練有更明顯的提升，達36.1%。

表1 不同教學方式任務完成情況

4 教學效果

在傳統教學的實踐課堂中，很大的問題是學生的興趣不足，儀器數量不夠，導致學生無法真實感受到儀器的結構和具體操作方法，以至于教學效率低下，無法調動學生自主學習的積極性，而加入虛擬仿真實驗室之后，激發了學生的學習自主性，提高了學生的學習興趣，在虛擬仿真軟件的幫助下，使得學生的學習與教師的教學更加智能化，提高了學生的學習效率，以及對未知事物的探索，大大提高了學生的動手操作能力和自主思考能力。

5 結語

針對安徽理工大學測繪工程專業以往實踐教學中的各種弊端，本文探索了一種新型的以虛擬仿真系統為依托的教學模式，以教師為主導，學生為主體，大大提升了實踐教學的效果。虛擬仿真教學模式不僅能夠有效解決傳統實踐教學所面臨的設備難獲取，場地不豐富，教學不直觀等問題，而且提供了一種新型的教學評價方法。讓教師能更好地對學生成績進行評價。當然實踐教學是一個長期發展的過程，在實踐教學過程中，還需要不斷對教學系統進行完善，不斷提高教學水平和教學質量，從而培養出更優秀的人才。