基于虛擬仿真技術(shù)的土木工程測量實(shí)踐教學(xué)改革

鄧建俊（魯東大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264025）

1 前言

工程測量課程是土木工程專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，其課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握測繪的基本理論和測量儀器的操作，及計(jì)算方法和應(yīng)用技能，以解決實(shí)際工程建設(shè)過程中出現(xiàn)的各類測繪問題的能力。由此可見，工程測量是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，圍繞測量儀器開展的實(shí)踐教學(xué)是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實(shí)際培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力的有效途徑。

近年來，隨著測繪科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，測繪行業(yè)傳統(tǒng)的測量工具更新迭代，外業(yè)數(shù)據(jù)采集手段快速且多樣化，這對工程人才的需求和工程技能素質(zhì)要求，在隨著行業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)同步增長勢態(tài)。在此推動(dòng)下原有傳統(tǒng)的工程測量實(shí)踐教學(xué)方法和手段已不能適應(yīng)測繪學(xué)科的發(fā)展，轉(zhuǎn)變教學(xué)方式，培養(yǎng)“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”的技能型創(chuàng)新人才是開展實(shí)踐教學(xué)改革的當(dāng)務(wù)之急。本文基于南方測繪仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，提出應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)作為一種創(chuàng)新教學(xué)模式，對工程測量的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行較大的教學(xué)改革，有效提高學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力。

2 目前工程測量實(shí)踐教學(xué)存在的問題

2.1 實(shí)踐教學(xué)設(shè)備、經(jīng)費(fèi)不足與教學(xué)經(jīng)費(fèi)的平衡性問題

教學(xué)經(jīng)費(fèi)的總量是一定的，對于測量行業(yè)來說，由于經(jīng)費(fèi)的不足，儀器的更新迭代速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出教學(xué)儀器的更新，嚴(yán)重滯后于生產(chǎn)和科研單位，甚至許多院校常用儀器數(shù)量的配置也有限，課間實(shí)驗(yàn)往往3～4人一組，測量實(shí)習(xí)一般5～6人一組，學(xué)生只能在特定時(shí)間、特定場合接觸和使用儀器設(shè)備，難以實(shí)現(xiàn)對理論原理和實(shí)踐技能熟練掌握的教學(xué)目標(biāo)。

2.2 教材的更新速度落后于新技術(shù)的發(fā)展速度

隨著科技的發(fā)展，新的測量技術(shù)和測量方法層出不窮，測量數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理技術(shù)越來越先進(jìn)，如全站儀、無人機(jī)、數(shù)字測圖技術(shù)等，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容變得滯后，原有的教材已經(jīng)無法滿足對新時(shí)代條件下人才培養(yǎng)的需求，這就需要我們引入更先進(jìn)的教學(xué)手段。

2.3 實(shí)踐操作場地不規(guī)范

工程測量實(shí)習(xí)大多設(shè)在校園或?qū)W校周邊地區(qū)，這樣的實(shí)習(xí)環(huán)境地貌單一，教學(xué)環(huán)境和場地難以構(gòu)建復(fù)雜或極端的大型綜合性場景，學(xué)生得不到更好的鍛煉，難以完全滿足該課程的實(shí)踐需求。

2.4 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容枯燥，教學(xué)手段單一

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法、和手段與時(shí)代脫節(jié)，受傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響，目前仍沒有完全擺脫以教師為中心的教學(xué)模式，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生按老師布置的任務(wù)做 ，通常對單一內(nèi)容進(jìn)行重復(fù)操作，耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，往往學(xué)生是被動(dòng)的，缺乏主動(dòng)性、挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性，讓學(xué)生失去了實(shí)訓(xùn)的興趣與激情。

基于以上原因，這就需要我們改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)手段，通過引入新方法來滿足對人才培養(yǎng)的需求。

3 工程測量虛擬仿真教學(xué)優(yōu)勢

虛擬仿真又稱模擬技術(shù)或虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其本質(zhì)就是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)來模擬另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)[2]。虛擬仿真技術(shù)是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的高度仿真三維信息人工虛擬環(huán)境，可以逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界存在的事物，或創(chuàng)造不存在的事物和環(huán)境[1]?；谔摂M仿真技術(shù)，工程測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是以人物為驅(qū)動(dòng)、問題的解決為教學(xué)活動(dòng)主線，以學(xué)生的學(xué)為中心，倡導(dǎo)探究式、資源型、協(xié)作化的學(xué)習(xí)模式，更加注重學(xué)生信息能力、邏輯思維能力、創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。將虛擬仿真技術(shù)引入工程測量實(shí)踐教學(xué)中，可以有效解決目前傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，完善和提高工程測量教學(xué)質(zhì)量。

3.1 克服設(shè)備落后的技術(shù)難點(diǎn)，提高實(shí)踐教學(xué)深度

通過虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建測繪虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，采用多終端應(yīng)用，擺脫了實(shí)體硬件設(shè)備限制，可提供“即時(shí)可學(xué)、隨處可學(xué)”的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境：理論到實(shí)踐、理解到強(qiáng)化、模仿到獨(dú)立、知識(shí)面由小到大的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)過程，是學(xué)生課堂知識(shí)鞏固、提升實(shí)踐操作技能的實(shí)訓(xùn)工具庫。通過虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)提供的測量設(shè)備的認(rèn)知、操作、架設(shè)等功能，學(xué)生可以任意選擇，自由操作和架設(shè)儀器設(shè)備，學(xué)生在虛擬場景中人機(jī)交互，真實(shí)的體驗(yàn)儀器的應(yīng)用，通過對虛擬設(shè)備的認(rèn)識(shí)、操作，降低了實(shí)際操作過程中因理論或?qū)嵺`知識(shí)掌握不足，造成的設(shè)備損壞和安全事故的發(fā)生，并且擺脫了教學(xué)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，改善了測量設(shè)備有限的狀況，為教學(xué)提供更多的方式，教師可以安排教學(xué)中所需的任何實(shí)踐操作內(nèi)容，大大提高了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

3.2 實(shí)踐教學(xué)虛擬化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用中，對工程測量的場景、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行真實(shí)的模擬仿真，如圖1所示。學(xué)生在逼真三維場景中，通過模擬真實(shí)空間數(shù)據(jù)獲取儀器，并使用儀器模擬真實(shí)測量，完成選點(diǎn)、基準(zhǔn)站建設(shè)，導(dǎo)線測量、碎部點(diǎn)測量、繪圖等。通過工程測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改變了傳統(tǒng)枯燥生硬的教學(xué)方式，將抽象的理論知識(shí)生動(dòng)的直觀地表現(xiàn)出來，提高了學(xué)生的感觀認(rèn)識(shí)，開拓了學(xué)生視野，讓煩瑣的實(shí)踐教學(xué)課程變高效、簡單，讓教學(xué)知識(shí)點(diǎn)深入淺出的被學(xué)生掌握，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情[3、4]。

圖1 虛擬場景測量圖

4 結(jié)語

隨著測繪技術(shù)和測量設(shè)備的快速發(fā)展，工程測量實(shí)踐教學(xué)改革已勢在必行，針對傳統(tǒng)的工程測量的教學(xué)模式的不足，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行課堂教學(xué)改革，通過構(gòu)建虛擬仿真技術(shù)的工程測量實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，輔助教師組織完成在傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境下無法完成的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，為社會(huì)培養(yǎng)更多高素質(zhì)人才。