基于虚拟仿真技术的测绘工程实践教学研究

  关键词：虚拟仿真；测绘工程；实践教学；虚实结合

　《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》［１］提出坚持“以本为本”，加快建设高水平本科教育，建立线上线下相结合的教学模式，大力推进慕课和虚拟仿真实验室建设，从而全面提高人才培养能力。测绘工程专业作为一门实践性极强的工科类专业，以培养测绘专业技术人才为目标［２］。针对目前测绘工程本科培养方案在理论、实践教学质量中存在的短板，教育部提出建设国家级、省级、校级虚拟仿真实践教学项目，打造高水平本科实践教学平台。结合虚拟实验环境、基于互联网在线共享的虚拟仿真实践教学信息化平台等，通过“虚实结合”的教学方式，利用虚拟仿真实验促进本科教学，培养学生的实践能力，助力学校“高水平本科教育”“双一流”学科建设。虚拟仿真实验是一种在虚拟现实技术、互联网共享技术等基础上建立的一种新型实验模式［３］，通过在计算机上模拟仿真现实仪器设备和实验环境，突破了时间、空间、自然环境的限制，学生随时可以通过虚拟仿真平台进行实验操作［４］，为学生提供了充足的实验机会。虚拟仿真技术因其沉浸性、逼真性、交互性等特点［５］，被广泛应用于高校的实践教学中，有利于实验教学资源的共享，同时可激发学生的学习积极性和实验兴趣，提升实践教学质量。

１测绘工程专业虚拟仿真实践教学平台建设的必要性　　
 实践教学平台是培养信息化测绘创新型专业技能人才的重要组成部分，但测绘工程专业原有实践教学培养模式还未完全转变［６］，需要结合目前存在的问题，有针对性地提出实践教学改革方案。图１为虚拟仿真实践教学改革体系。当前测绘工程专业理论、实践教学中主要存在以下几点问题：

１）原有实践教学方式难以满足测绘新技术快速发展对人才的需求。由于传统的实践教学主要是学生操作测绘仪器，但是仪器较少，很难做到人手一台，且一个教师面对几十个学生，导致教师很难将实践教学内容全面传授给每一个学生，学生在时间较短、次数有限的实习课程中无法真正掌握实践教学内容，难以积累足够的实践经验。尽管当前信息化时代，慕课（ＭＯＯＣ）、微课堂、虚拟实验室等新型教学手段不断发展，但在测绘工程实践教学中还未得到很好的应用。

２）既有实践教学资源难以满足专业人才培养规模的要求。测绘仪器价格较高，类型较多，学生很难接触到新款测绘仪器，并且学生由于操作不熟练可能导致仪器损坏，更加剧了仪器数和学生数的差距，导致学生对仪器了解少，操作少，因而动手能力较差。

３）实践教学效率难以满足互联网一代学生对自主学习的需求。互联网一代学生对线上学习与线下实训相结合的教学方式更易于理解和掌握，同时对学习时间的需求更加灵活，而现有实践教学模式由于教学时间和资源的限制，学生的自主学习需求得不到满足，教学效率和学习效率都不高。
４）学生实践创新能力和解决复杂工程问题能力不足。学生创新能力未能得到有效培养，综合利用课堂所学知识解决复杂工程问题的能力有所欠缺［７］，针对实际工程问题，不能进行深入分析和研究，实践教学中学生很难在真实场景进行实验，无法全过程参与，更无法创新实验流程与操作。

基于虚拟仿真技术的新实践教学模式可以打破传统的测绘实践教学课堂无法讲授的情况，把实践教学搬到课堂上，打破时间和场地对实践教学的束缚［８］。新实践教学模式以学生为核心，激发学生的自主性和积极性，提高学生的操作和实践能力，尽量避免“高分低能”现象的出现。许多业内专家和从事一线教学的专业教师开展了有关虚拟仿真技术与测绘学专业的应用研究，并取得了相关成果，包括虚拟测绘仪器设计［９］、虚拟仿真平台建设［１０］、整个测量过程的三维模拟［１１］等，在高校师生实践教学中取得了较好的效果。

２测绘工程虚拟仿真实践教学平台的建设

２．１实践教学平台建设目标与功能

 通过“虚实结合”的方式建立基于互联网的虚拟仿真实践教学平台，使现代测绘信息技术融入实践教学之中，扩展了实践教学时间和空间，提升了实践教学的质量和水平［１２］。实践教学平台建设的目标是：以培养学生“基础知识扎实、动手能力强、兴趣广泛、有创新意识”为目标，坚持以“理论与现实、基础与先进统一”为指导思想，优化教学内容，构建虚拟仿真实践教学平台；进一步促进“产－学－研”的深度融合，拓展和深化测绘实践教学开展的空间，打造一个高水平的以教学、科研、生产培训为一体的虚实结合人才培养平台。首先，为了便于通过互联网在线开展实验技能训练，结合测绘工程专业基本理论、实践教学需求，设计虚拟仿真实践教学平台；构建网页／客户端单元（学生、教师）、网络和服务器单元（资源分发、数据存储）、虚拟仿真实验平台单元（实验资源、平台管理）３个实验单元的虚拟仿真实践教学平台框架（见图２）。

其次，通过现代信息技术将多个虚拟仿真实验项目集成于虚拟仿真实践教学平台上，构成一套实践技能在线训练和实时评价一体化、网络化的虚拟测绘实践教学资源。结合专业发展趋势将前沿的测绘科学技术、理论与“云数据”计算管理技术相结合，构建无人机数字测图虚拟仿真实验、卫星导航综合应用虚拟仿真实验。虚拟仿真实践教学平台可向学生、教师提供基于网络的实验管理功能，学生在系统中选择实验项目，保存实验结果，通过服务器实时记录进数据库；教师和学生可以通过平台进行交流和讨论。在实验中，管理模块根据记录的相关信息对学生的实验操作和过程给予实时评价，得出学生学习能力、学习效果以及教学效果分析数据，反馈给学生和教师，帮助其调整学习侧重点、改进教学方法，逐步完善虚拟仿真实践教学平台。

２．２无人机数字测图虚拟仿真实验

 无人机数字测图是当前国家基础地形图测绘的主要手段之一，该虚拟仿真创新实验是对无人机摄影测量技术这一受法律法规约束，并具有安全风险的实验项目［１３］，对实验环境和对象进行仿真模拟，建设基于互联网在线共享的虚拟仿真实践教学资源。实验流程见图３，无人机数字测图虚拟仿真实验通过对无人机数字测图中“数据采集－数据处理－数据表达”的作业流程各环节进行虚拟仿真，使学生能够更加准确地理解和掌握各实验流程中的内容。以学生为本，按无人机数字测图测绘生产作业流程开展虚拟仿真实践教学，且平台可对每位学生的虚拟仿真实验过程进行跟踪评分、实时反馈，能够实验全过程精细化教学。通过“虚实结合”的教学方式有效地提升了实践教学效果，使学生能够直观的体验无人机数字测图的全部作业流程，可以加深对无人机数字测图原理、影像数据处理技术和核心算法的理解，锻炼学生的综合能力，培养全面发展的摄影测量专业技术人才。

２．３卫星导航综合应用虚拟仿真实验

 卫星导航综合应用虚拟仿真实验包括基础型实验、进阶型实验、创新型实验三大类（见表１）。基础型实验系统地对卫星导航定位的基本原理进行实践教学，着力培养学生基础知识，夯实基本操作技能［１４］；进阶型实验在基础训练的基础上，进一步对卫星导航定位应用方式及数据处理进行解析，加深学生对卫星导航定位技术及其应用的深入理解［１５］；创新型实验以卫星导航定位技术为基础，融合地质灾害监测、山洪灾害预警、无人机应用、ＧＩＳ分析等工程应用，营造科技创新的实践教学氛围，积极打造学生参与科学研究与科技活动的平台（挑战杯、互联网＋、创青春、测绘技能大赛等）。变形监测是测绘工程专业学生的核心课程内容，也是土木工程类、交通运输类等众多工程专业的必修内容［１６］。但是由于变形监测工作“风险高、难度大、周期长、单次观测时间长”等特性，导致现实实践教学中学生很难在真实场景进行实验，无法全过程参与，拟构建变形监测虚拟仿真实验。通过利用计算机控制桥梁、高层建筑、边坡等模型，模拟产生形变，有利于学生了解开展变形监测的重要意义，学生可利用实践教学平台学习变形监测的原理与方法，对变形的规律和原因进行分析研究，掌握安全评估和预测的方法及手段。图４为北斗／ＧＰＳ桥梁变形监测实验框架，学生可应用智能全站仪、北斗／ＧＰＳ监测、监测传感器、激光三维扫描仪等虚拟仪器进行监测，并对监测数据进行处理和分析，为日后开展类似实训和毕业后工作提前储备知识和能力构建“虚实一体、虚实交叉融合”的卫星导航综合应用虚拟仿真实践教学模式，实现了虚拟仿真实践教学、传统实操实践教学和课堂理论教学的深度融合，引导学生在数字环境下自主学习和实验，全面培养学生的综合实践能力。此外，构建了线上线下协同教学方式方法，线上虚拟交互实验与线下实训相结合，实现教与学双向互动，突破了教与学的时空限制，丰富了学生学习内容和学习方式的选择，强化了学生的个性化和自主学习。

３结束语

 虚拟仿真实践教学平台具有节省资金、更新快、全天候、应用广等特点，在很大程度上克服了传统实践教学模式的缺陷，利用高新技术补齐高校传统教学模式在实践教学环节上的短板，具有很好的发展前景。本文结合测绘工程专业的需求和发展，构建无人机数字测图、卫星导航综合应用虚拟仿真实验，虚拟仿真技术在测绘工程专业实践教学中发挥了独特的作用，主要有以下几个方面：１）有助于建设线上线下协同教学方式方法，引导学生在数字环境下自主学习和自主实验，发挥和挖掘学生的学习潜能，全面培养学生的各项能力。２）通过在虚拟仿真实验平台上实验信息的跟踪、统计和分析等智能化管理功能，能够实时对学生的实验信息进行评价和反馈，捕捉每一个学生的知识点掌握程度，并可对学生开展实验的整体情况进行全局分析和掌控，实现了传统测绘实践教学过程中无法进行的精细化教学质量控制。３）实现了多种实验组合的虚拟仿真实践教学平台，通过与网络教学结合，可在一定程度上改善综合实习的效果，有助于培养学生的创新意识，培养信息化测绘创新型人才。虚拟仿真实验的应用和探索是一项长期工程，需要不断进行改革和研究。虚拟仿真实践教学平台可以增强学生自主学习和交流学习的能力，有助于实现本科教育宽口径、厚基础、强能力、高素质的创新型人才培养目标。同时对高等院校测绘工程专业本科教学建设具有较为广泛的推广应用价值，为开展示范性虚拟仿真实践教学平台建设提供理论与实践支撑，有助于培育省级、国家级虚拟仿真实践教学建设项目，为高校测绘工程专业人才培养能力的提升助力。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１８－１０－０８］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｏｅ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｓｒｃｓｉｔｅ／Ａ０８／ｓ７０５６／２０１８１０／ｔ２０１８１０１７＿３５１８８７．ｈｔｍｌ

［２］王志勇，于胜文，阳凡林．测绘工程国家级实践教学示范中心建设与实践［Ｊ］．测绘与空间地理信息，２０１８，４１（１０）：１－３．

［３］常雅宁，彭钰珂，魏东芝，等．虚拟仿真技术在酶工程实验教学上的应用［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１９，３８（２）：２３７－２３９，２４４．

［４］吴金栋，任光辉，黄东键，等．基于虚拟仿真技术开展实践教学改革的研究与实践［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１８，３７（５）：２４０－２４４．

［５］刘亚丰，余龙江．虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索［Ｊ］．实验技术与管理，２０１６，３３（４）：１０８－１１０，１１４．

［６］贺小星，鲁铁定，李长春．卓越工程师计划背景下测绘工程专业人才培养模式探索［Ｊ］．测绘工程，２０１８，２７）：７７－８０．