拓展現(xiàn)實技術(shù)介入地形學(xué)識圖用圖室內(nèi)模擬訓(xùn)練研究

一、引言

作為一門基礎(chǔ)課程，地形學(xué)兼?zhèn)淅碚撔耘c實踐性[，在信息化、智能化時代背景下[，越發(fā)注重學(xué)員野外實踐技能的培養(yǎng)[3。因此，提升現(xiàn)地識圖用圖能力顯得尤為重要。但受一定條件制約，難以將現(xiàn)地教學(xué)、考核貫穿于授課的全過程。

在虛擬技術(shù)、5G技術(shù)的支持下，借助拓展現(xiàn)實技術(shù)打造的虛擬化場景已經(jīng)應(yīng)用于建筑設(shè)計、航空航天、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、娛樂等領(lǐng)域4，尤其是在教育教學(xué)方面。王芳等5將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于高職院校實訓(xùn)教學(xué)，輔助學(xué)生進(jìn)行實訓(xùn)技能的鞏固訓(xùn)練，以期有效提高實訓(xùn)教學(xué)效果。黃日峰探討了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在體育教學(xué)中理論教學(xué)、實踐教學(xué)的應(yīng)用，以解決當(dāng)前教學(xué)中存在的問題。學(xué)者們在關(guān)注教學(xué)的同時，在思政教育方面也同樣開展了研究。王少等研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)賦能思想政治教育，致力于構(gòu)建教學(xué)、社會、勞動三位一體的思政實踐育人體系。

根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗判斷，多數(shù)學(xué)員專注于理論學(xué)習(xí)，致力筑牢理論基礎(chǔ)。但在陌生環(huán)境下，其識圖、用圖能力的發(fā)揮受限，且缺乏野外實踐經(jīng)驗，這在一定程度上影響了地形學(xué)現(xiàn)地識圖用圖的教學(xué)效果。此外，傳統(tǒng)現(xiàn)地教學(xué)及考核受天氣、交通、場地、設(shè)備等條件限制，很大程度上影響了識圖用圖野外實踐教學(xué)的進(jìn)程與成效。因此，在進(jìn)行現(xiàn)地教學(xué)和考核之前，如何讓學(xué)員在未前往現(xiàn)地的情況下，了解現(xiàn)地識圖用圖的實踐考核方式，并熟悉教學(xué)考核流程，已經(jīng)成為當(dāng)前院校必須思考的問題。

基于此，本研究深入剖析基于XR技術(shù)的室內(nèi)識圖用圖模擬訓(xùn)練中的應(yīng)用策略和方法，以期為虛擬化模擬訓(xùn)練和現(xiàn)地教學(xué)、考核實踐提供有益參考和借鑒

二、拓展現(xiàn)實技術(shù)簡介

拓展現(xiàn)實技術(shù)（ExtendedReality，XR）通過計算機(jī)生成虛擬影像和音頻效果，架起了連接虛擬世界和現(xiàn)實世界的“橋梁”，以“沉浸、交互、設(shè)想”的特點(diǎn)，為傳統(tǒng)現(xiàn)地教學(xué)模式注人新的活力。為保證虛擬場景構(gòu)建和交互應(yīng)用的順利實現(xiàn)，XR技術(shù)通過顯示屏、頭戴式顯示器、感應(yīng)器等硬件設(shè)備，與虛擬世界無縫結(jié)合，帶來豐富的視覺和感官體驗。隨著智能技術(shù)的進(jìn)步，虛擬化場景的渲染生成向精細(xì)化靠攏。同時，圍繞XR技術(shù)衍生出更多樣、豐富的交互方式。

（一）無人機(jī)遙感

地形學(xué)傳統(tǒng)的現(xiàn)地教學(xué)、考核過程往往在小尺度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，對虛擬場景影像分辨率要求較高。常規(guī)地形圖比例尺小、更新周期長，導(dǎo)致其具有一定的概略性和滯后性，因此，現(xiàn)有資料難以滿足室內(nèi)識圖用圖模擬訓(xùn)練對高精度虛擬場景的需求。隨著低空遙感技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)（UnmannedAerialVehicle，UAV）航拍影像地面分辨率可達(dá)厘米級，為地形學(xué)室內(nèi)模擬訓(xùn)練的高精度虛擬場景生成提供了可能。大疆（DJI）在無人機(jī)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性，生產(chǎn)的精靈4多光譜版（Phantom4Multispectral，P4M）和精靈4RTK版（Phantom4RealTimeKinematic，P4RTK）無人機(jī)，憑借卓越的空間和時間分辨率，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、測繪、生態(tài)監(jiān)測及城市規(guī)劃等領(lǐng)域。使用P4M與P4RTK無人機(jī)采集小尺度目標(biāo)區(qū)域的影像，通過內(nèi)業(yè)處理，可以獲得現(xiàn)地地形高程信息。利用XR技術(shù)，無人機(jī)航拍的現(xiàn)地高分辨率影像被虛擬化，為學(xué)員提供精細(xì)且多樣化的視覺體驗。

（二）虛擬現(xiàn)實跑步機(jī)

傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)局限于“視、聽”，往往會忽略“動”這一重要因素。隨著智能化發(fā)展，對行走、跑步、跳躍等動作的技術(shù)壁壘已逐漸被打破[o]。XR 技術(shù)整合視覺、聽覺、動作，讓學(xué)員在虛擬環(huán)境中體驗高度逼真的現(xiàn)實感，模糊了虛擬與現(xiàn)實的界限。

市場現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實跑步機(jī)種類繁多，如KATVR公司的KATWalkminiS、Virtuix公司的VirtuixOmin等跑步機(jī)均可以實現(xiàn)虛擬場景下的動作同步。虛擬現(xiàn)實跑步機(jī)主要由兩部分組成：底盤的表面為凹陷圓形曲面，并附有細(xì)小凹槽的光滑跑道；上方是一個可調(diào)節(jié)支架，通過支撐綁帶來保證學(xué)員平衡。學(xué)員可以在虛擬現(xiàn)實跑步機(jī)上自如地進(jìn)行全方位步行、跑步及跳躍，輕松沉浸于虛擬環(huán)境中的識圖用圖模擬訓(xùn)練，享受其中的樂趣。

三、拓展現(xiàn)實技術(shù)嵌入識圖用圖室內(nèi)模擬訓(xùn)練的應(yīng)用優(yōu)勢

（一）識圖用圖現(xiàn)地考核

目前，現(xiàn)地教學(xué)、訓(xùn)練考核內(nèi)容更加具體化，考查學(xué)員的識圖用圖能力，表現(xiàn)出一定難度。面對復(fù)雜地形，學(xué)員需獨(dú)立運(yùn)用常規(guī)地形圖規(guī)劃行進(jìn)路線，并在限定時間內(nèi)，逐一判定布設(shè)點(diǎn)。教員則根據(jù)學(xué)員的實際表現(xiàn)，遵循既定評分標(biāo)準(zhǔn)，給出最終考核成績。

基于傳統(tǒng)現(xiàn)地教學(xué)和考核方法，在缺乏多次適應(yīng)性訓(xùn)練的前提下，學(xué)員可能會遇到自我迷茫、天氣、交通、設(shè)備等主客觀問題。因此，在進(jìn)行現(xiàn)地教學(xué)和考核之前，學(xué)員有必要在室內(nèi)進(jìn)行識圖用圖的適應(yīng)性模擬訓(xùn)練，以便更快地適應(yīng)野外實踐和考核。

（二）室內(nèi)識圖用圖適應(yīng)性模擬訓(xùn)練的優(yōu)勢

利用XR技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)識圖用圖適應(yīng)性模擬訓(xùn)練，能夠發(fā)揮其顯著的優(yōu)勢和巨大潛力。在虛擬環(huán)境中，學(xué)員可以沉浸式地體驗和互動，為現(xiàn)地教學(xué)和考核前的室內(nèi)識圖用圖模擬訓(xùn)練帶來全新的視角和可能性。具體來說，XR技術(shù)在室內(nèi)識圖用圖模擬訓(xùn)練中的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下三個方面。

1.直觀性與沉浸感

基于P4M和P4RTK無人機(jī)航拍影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過高精度圖像渲染和三維立體生成顯示，能夠創(chuàng)造出近乎真實的現(xiàn)地地形環(huán)境，讓學(xué)員仿佛置身于真實場景。利用硬件設(shè)備進(jìn)行沉浸式模擬訓(xùn)練，可以加深學(xué)員對現(xiàn)地地形特征的認(rèn)識與理解。

2.靈活性與互動性

基于XR技術(shù)構(gòu)造的識圖用圖模擬訓(xùn)練環(huán)境，允許學(xué)員根據(jù)自身學(xué)習(xí)需求自由探索現(xiàn)地地形，可以通過交互操作調(diào)整視角、縮放比例等，從而實現(xiàn)個性化識圖用圖訓(xùn)練體驗。同時，識圖用圖模擬訓(xùn)練環(huán)境支持多人在線協(xié)作，教員通過顯示屏實時觀察并給予輔導(dǎo)，有效解決師生比例失衡而導(dǎo)致的指導(dǎo)不及時等個性化難題。通過此種識圖用圖訓(xùn)練模式，促進(jìn)教員與學(xué)員之間的互動與交流。

3.教學(xué)資源的豐富性

基于XR技術(shù)，獲取和更新識圖用圖模擬訓(xùn)練資源變得更加便捷，實現(xiàn)資源的共享和優(yōu)化配置。通過改進(jìn)教學(xué)方式，能夠有效提升室內(nèi)識圖用圖模擬訓(xùn)練的效果和質(zhì)量，為在信息化、智能化背景下培養(yǎng)高素質(zhì)的識圖用圖人才提供有力支持。

四、拓展現(xiàn)實技術(shù)在識圖用圖室內(nèi)模擬訓(xùn)練的實踐運(yùn)用

得益于XR技術(shù)開展室內(nèi)識圖用圖適應(yīng)性模擬訓(xùn)練的優(yōu)勢，開展XR技術(shù)嵌人識圖用圖室內(nèi)模擬訓(xùn)練的實踐進(jìn)路，可以高質(zhì)量完成立德樹人、為戰(zhàn)育人的時代使命。

（一）識圖用圖模擬訓(xùn)練應(yīng)用預(yù)設(shè)方案

結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件和教學(xué)安排，對下一步室內(nèi)識圖用圖模擬訓(xùn)練應(yīng)用方案進(jìn)行預(yù)設(shè)。

1.課前準(zhǔn)備與導(dǎo)學(xué)階段

教員下發(fā)模擬訓(xùn)練規(guī)范手冊、設(shè)備使用手冊等學(xué)習(xí)資源，并要求學(xué)員提前熟悉規(guī)章制度和硬件設(shè)備的使用方式。為了確保學(xué)員能夠有效地掌握室內(nèi)識圖用圖技能，教員布置模擬訓(xùn)練任務(wù)，并通過網(wǎng)上問卷、線下交流等方式，定時定量地了解學(xué)員的預(yù)習(xí)情況。

2.課中活動與訓(xùn)練階段

學(xué)員在虛擬環(huán)境中進(jìn)行室內(nèi)模擬訓(xùn)練，完成規(guī)定的路線行進(jìn)和定點(diǎn)打卡任務(wù)；任課教員在學(xué)員訓(xùn)練過程中及時解答疑問，并根據(jù)學(xué)員訓(xùn)練的完成效果情況給予指導(dǎo)和講評；同時，為每位學(xué)員建立學(xué)習(xí)檔案卡，將易混淆、常出錯的知識點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)講解。

3.課后反思與總結(jié)階段

學(xué)員通過室內(nèi)識圖用圖模擬訓(xùn)練，會對現(xiàn)地教學(xué)、考核形成初步認(rèn)識，并通過課后總結(jié)，反思訓(xùn)練過程中遇到的問題，為后續(xù)的識圖用圖現(xiàn)地考核做好準(zhǔn)備。教員則可以通過分析學(xué)習(xí)檔案卡數(shù)據(jù)，結(jié)合學(xué)員在模擬訓(xùn)練中的表現(xiàn)，對學(xué)員進(jìn)行個性化輔導(dǎo)，以提高其識圖用圖能力。

（二）識圖用圖模擬訓(xùn)練應(yīng)用

1.技術(shù)優(yōu)化與升級

隨著XR技術(shù)的不斷進(jìn)步，持續(xù)優(yōu)化室內(nèi)模擬訓(xùn)練軟硬件功能性能，可以提升學(xué)員的訓(xùn)練體驗和在現(xiàn)地考核中的實際效果，是未來研究的重點(diǎn)。同時，學(xué)校要以創(chuàng)新科技為引領(lǐng)，滿足學(xué)員的訓(xùn)練需求，對室內(nèi)模擬訓(xùn)練軟硬件進(jìn)行周期化迭代升級。

2.訓(xùn)練內(nèi)容與教學(xué)方法的創(chuàng)新

以學(xué)員為中心，如何利用XR技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)一步創(chuàng)新虛擬環(huán)境下的訓(xùn)練內(nèi)容和教學(xué)方法，更好地滿足學(xué)員未來崗位的實際需求和發(fā)展規(guī)律，也是需要深入探索的問題。根據(jù)現(xiàn)實情況，學(xué)校可以制定一套客觀的評價標(biāo)準(zhǔn)，更好地量化學(xué)員訓(xùn)練的目標(biāo)達(dá)成度。

3.教學(xué)效果的長效評估

基于學(xué)員的現(xiàn)地考核表現(xiàn)，學(xué)校應(yīng)構(gòu)建一個更加科學(xué)、全面的室內(nèi)模擬訓(xùn)練效果長效評估體系，實現(xiàn)對學(xué)員訓(xùn)練成果的持續(xù)跟蹤與評估，從而驗證基于XR技術(shù)的室內(nèi)識圖用圖模擬訓(xùn)練的持續(xù)教育價值。

五、總結(jié)與展望

基于XR技術(shù)生成的室內(nèi)識圖用圖模擬訓(xùn)練虛擬環(huán)境，能夠為學(xué)員提供沉浸式、高度仿真的模擬訓(xùn)練環(huán)境。在現(xiàn)地教學(xué)、考核前，學(xué)員可以有針對進(jìn)行適應(yīng)性模擬訓(xùn)練，在室內(nèi)虛擬環(huán)境中完成復(fù)雜多變的任務(wù)，從而顯著提升實踐操作能力和應(yīng)急反應(yīng)速度。

對于要求實踐性強(qiáng)的相似基礎(chǔ)課程，可以嘗試通過XR技術(shù)拓展室內(nèi)教學(xué)訓(xùn)練方式，打破傳統(tǒng)課堂限制，帶來更加豐富多樣的學(xué)習(xí)互動體驗。學(xué)員不再局限于書本知識和課堂講解，而是能夠親身參與模擬訓(xùn)練實踐，通過實際操作深化對知識的理解和應(yīng)用。此學(xué)習(xí)方式能夠激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，并提升信息化、智能化背景下的技能運(yùn)用能力。

六、結(jié)束語

拓展現(xiàn)實技術(shù)在識圖用圖室內(nèi)模擬訓(xùn)練中的應(yīng)用，為教員提供了更多教學(xué)工具和策略，使課堂更加生動、高效且富有成效。通過技術(shù)優(yōu)化與升級、訓(xùn)練內(nèi)容與教學(xué)方法的創(chuàng)新以及教學(xué)效果的長效評估等策略，教員能夠更好地激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)員的識圖用圖能力。未來，隨著XR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，教員應(yīng)積極探索其在教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用，充分發(fā)揮XR技術(shù)的優(yōu)勢，推動教育領(lǐng)域的改革與優(yōu)化。同時，教員也需注意避免過度依賴技術(shù)，始終將學(xué)員的核心素養(yǎng)培養(yǎng)放在首位，實現(xiàn)技術(shù)與教育的深度融合，為學(xué)員的學(xué)習(xí)奠定更加堅實的基礎(chǔ)。

作者單位：王寧金復(fù)鑫王承志 陸軍航空兵學(xué)院

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