測繪虛擬仿真技術在采礦工程專業測量學課程教學中的應用

作為信息技術與教育深度融合的產物，虛擬仿真技術通過構建逼真的虛擬環境和交互式操作平臺，為傳統教學模式帶來了革命性的變革。在采礦工程專業中，測量學作為一門重要的專業基礎課程，對培養學生的空間思維能力和實踐操作技能具有重要作用。然而，傳統的測量學教學模式存在諸多局限性，難以滿足現代礦業人才培養的需求。傳統教學過于依賴理論講授，導致理論與實踐脫節，同時傳統教學模式難以直觀展示復雜的測量原理和過程，學生在理解抽象概念時常常遇到困難。面對這些挑戰，教師將虛擬仿真技術引入測量學教學，可以有效彌補傳統教學的不足，為培養高素質礦業人才提供新的途徑。

一、測繪虛擬仿真技術概述

測繪虛擬仿真技術作為虛擬現實技術在測繪領域的深度應用，依托計算機建模與仿真技術構建高精度三維測繪場景，精準模擬真實測量操作流程，為用戶提供沉浸式的交互體驗。該技術具有高度仿真性、強交互性和深度沉浸性三大特征。高度仿真性體現在對測量場景的地形地貌特征、儀器設備外觀及操作細節的精確還原；強交互性表現為支持用戶通過數據手套、力反饋設備等多種輸人裝置與虛擬環境進行實時交互；深度沉浸性則借助頭戴式顯示器、洞穴式虛擬現實系統等設備，為用戶營造身臨其境的感知體驗

在測量學教學領域，測繪虛擬仿真技術的應用展現出獨特優勢。其突破時空限制的特點使學生能在虛擬環境中進行全天候、多場景的測量實踐，通過模擬復雜地形和危險環境，有效保障了教學安全性。同時，測量數據的實時記錄與回放功能支持過程回溯，有助于學生深人理解測量原理與方法。

具體到教學應用層面，測繪虛擬仿真技術主要體現在環境模擬、協同操作和故障模擬三個方面。一是可以模擬各種天氣條件和環境因素對測量的影響，幫助學生全面理解測量工作的復雜性；二是可以實現多人協同操作，培養學生的團隊協作能力；三是可以設置各種故障和異常情況，提高學生的問題解決能力。這些功能使得測繪虛擬仿真技術成為測量學教學中不可或缺的工具，為培養高素質的測繪人才提供了有力支持。

二、采礦工程專業測量學課程教學現狀

首先，采礦工程專業測量學課程教學主要采用理論講授與實地實習相結合的方式。這種傳統教學模式在貴州大學礦業學院（以下簡稱學院）的實際教學中暴露出顯著短板。學院原有全站儀、水準儀等儀器僅15臺，需供60名學生輪換使用，學生平均每人實操時間不足10分鐘，難以達到熟練掌握的要求。此外，2022年礦山測量實訓期間曾因突降暴雨導致3天野外作業取消，嚴重影響教學進度。

其次，在安全方面，學生過去在井下控制網布設實訓中，因部分學生未規范操作，接近采空區邊緣，曾發生過輕微安全事故。這類高風險場景的實踐受限制，使得學生對復雜工況的應對能力培養不足。

最后，傳統教學模式還存在理論與實踐脫節的問題。學院2021年課程考核數據顯示， 72% 的學生表示課堂所學的“數字高程模型構建”原理難以通過有限的實地采樣驗證。同時，由于實訓場地有限，約 40% 的個性化學習需求（如不同測量誤差修正方法的探索）無法得到充分滿足，學生創新能力培養受限。

面對這些挑戰，測量學課程教學改革勢在必行。將測繪虛擬仿真技術引入教學，可以有效彌補傳統模式的不足。學院于2023年引入南方測繪虛擬仿真平臺后，通過“虛實結合”的教學模式，儀器操作失誤率從 43% 降至 12% 。這種技術不僅突破時空限制，還能通過模擬塌方、滑坡等危險場景提升實踐安全性。

三、測繪虛擬仿真技術在采礦工程專業測量學課程教學中的應用

（一）虛擬測量儀器操作

在虛擬測量儀器操作方面，學院自2022年起引入廣州南方測繪股份有限公司開發的測繪虛擬仿真教學平臺，實現了全站儀、水準儀等12類儀器的1：1建模。學生在計算機端可完成儀器拆裝、角度測量等36項標準化操作，系統通過力反饋裝置模擬儀器真實重量，光斑定位精度達0.1毫米。2023年教學數據顯示，實驗課平均操作失誤率從傳統實訓的 43% 降至 12% ，儀器損壞率同比下降 78% 。特別在“全站儀軸線校正”專項訓練中，學生通過虛擬平臺的3D動態演示，相關知識點的考核優秀率由61% 提升至 89% 。

（二）三維場景模擬

在三維場景模擬方面，虛擬仿真技術可以構建礦山、隧道等復雜的三維測量場景。學生可以在虛擬環境中進行控制測量、地形測量等實踐操作，體驗真實的測量過程。這種沉浸式的學習體驗有助于學生理解抽象的測量概念，提高空間思維能力。

學院聯合南方測繪技術團隊構建了包含11類典型礦井的三維實景數據庫，其中“復雜巖層隧道測量'虛擬項目已應用于2023級測繪工程專業教學。該場景包含87處地質構造突變點，支持動態調整地表沉降速率和能見度等參數。學生在完成3次虛擬實訓后，現場實操時的斷面測量效率提升 40% ，數據處理錯誤率降低 55% 。

（三）虛擬實習實訓

在虛擬實習實訓方面，虛擬仿真技術可以模擬各種測量任務和工程場景，如礦山測量、變形監測等。在實際教學過程中，學院教師團隊開發設計了虛擬的礦山變形監測項目，包含23個標準化工序節點，涵蓋從初期勘探到閉坑復墾的全周期測量任務。學生在虛擬環境中需完成17類傳感器布設方案設計，處理200多組多源異構數據（包括激光雷達點云和GNSS實時監測數據）。虛擬實習不僅可以讓學生體驗完整的測量工程流程，還可以設置各種突發情況和復雜條件，鍛煉學生的應變能力和問題解決能力。

（四）測量過程的回放和分析

在教學過程中，基于虛擬仿真教學系統，實現了測量過程的全要素數字化記錄。教師可通過三維軌跡回放功能，精確分析學生操作的12項關鍵指標（如對中偏差、整平耗時等）。在2023級的控制測量實訓中，系統自動識別出 38% 的粗差操作，其中“閉合差超限”預警準確率達 91% 。基于該系統的教學評價改革使過程性考核占比提升至 60% ，學生課程考核優秀率連續兩年保持 25% 以上的增長。測繪虛擬仿真技術在測量學課程教學中的應用，不僅解決了傳統教學中的諸多難題，還為培養高素質礦業人才提供了新途徑。學院通過構建“儀器操作一場景模擬一項目實訓－過程分析”四位一體的虛擬仿真實驗體系，近三年學生實踐創新能力顯著提升，學科競賽獲獎數量增長 150% ，用人單位對畢業生現場操作能力的滿意度達 94.6% 。這種校企深度協同的教學模式，成功實現了三個轉變從“實物操作”向“數字孿生”轉變、從“結果評價”向“過程溯源”轉變、從“單一場景”向“多維參數”轉變。未來，隨著‘ 5G+XR ”技術的深度融合，測繪虛擬仿真教學將向更高階的智能決策訓練方向發展，為礦業工程教育數字化轉型提供持續動力。

四、測繪虛擬仿真技術應用于采礦工程專業測量學課程教學中的保障措施

為了確保虛擬仿真技術在測量學教學中的有效應用，學院近年來采取了一系列措施提升軟硬件水平，改進教學方法，加大教學改革力度。

首先，在硬件設施方面，學院需要建設配備高性能計算機和虛擬現實設備的專用實驗室，為學生提供良好的虛擬仿真學習環境。實驗室應配備足夠的計算機工作站、虛擬現實頭盔、數據手套等設備，以滿足大規模教學需求。同時，學院還需要建立穩定的網絡環境，支持多用戶同時在線操作。

其次，在軟件資源方面，學院需要開發或引進高質量的測繪虛擬仿真教學軟件，確保虛擬測量場景和操作過程的高度仿真性。可以與企業合作，開發針對采礦工程專業特點的測繪虛擬仿真教學軟件，或者引進成熟的商業軟件進行二次開發。軟件應具備良好的交互性和可擴展性，能根據教學需求不斷更新和完善。

最后，學院還需要建立完善的測繪虛擬仿真教學評價體系，及時收集學生反饋，不斷優化教學設計和實施過程。學院可以采用問卷調查、訪談等方式，了解學生對測繪虛擬仿真教學的滿意度和改進建議。同時，學院應建立科學的考核機制，將測繪虛擬仿真操作納人課程考核范圍，激勵學生積極參與虛擬仿真學習。

五、結語

測繪虛擬仿真技術在采礦工程專業測量學課程教學中的應用，為傳統測量學教學帶來了革命性的變革。通過虛擬測量儀器操作、三維場景模擬和虛擬實習實訓等方式，虛擬仿真技術有效解決了傳統教學中實踐機會不足、安全隱患等問題，顯著提高了教學質量和效率。

通過虛擬測量儀器操作和三維場景模擬，學生能在安全、可控的環境中進行反復練習，不僅提高了實踐操作能力，還加深了對測量原理和方法的理解。測繪虛擬仿真技術的沉浸式體驗和交互性功能，有效激發了學生的學習興趣和主動性，顯著提升了教學效果。

測繪虛擬仿真技術拓展了實踐教學的廣度和深度。虛擬仿真技術能模擬復雜和危險的測量場景，如礦山測量、高空測量等，突破了傳統實地實習的局限性。學生可以在虛擬環境中完成從測量方案設計到數據處理的完整流程，培養綜合實踐能力和創新思維，為未來從事礦業工程奠定堅實基礎。

測繪虛擬仿真技術的應用需要持續投人和優化。盡管測繪虛擬仿真技術在教學中展現出巨大潛力，但其應用仍面臨硬件設施投入大、軟件資源更新快等挑戰。未來需要加大對測繪虛擬仿真實驗室的建設力度，開發更多高質量的虛擬仿真教學資源，同時加強教師培訓，提升其運用測繪虛擬仿真技術的能力。此外，還需建立科學的評價體系，不斷優化測繪虛擬仿真教學的設計和實施。

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基金項目：貴州大學測繪工程國家級一流本科專業建設項目。

（作者單位：貴州大學礦業學院）