基于在线教学背景下测量学课程虚拟仿真教学初探

李小龙 李冰洁

[摘 要] 网络信息化新手段结合是去传统教学单一化的有效方法。测量学课程不仅包含理论教学环节，还包含实验教学、课程设计和课程实习环节，理论和实践结合性强;将测量活动通过多媒体技术引入课堂讲解，在实验教学环节引入虚拟仿真教学，能够巩固理论教学成果，进而提高教学整体效果。

[关键词] 测量学;虚拟仿真;高等教育;教学方法

[作者简介] 李小龙（1990—），男（回族），宁夏西吉人，讲师，研究方向为水文学及水资源;李冰洁（1988—），女，新疆石河子人，讲师，研究方向为传染性疾病。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）35-0178-02    [收稿日期] 2019-12-18

一、引言

测量学是一门工科院校主要的实践性很强的技术基础课程[1]。课程的目的和任务主要是让学生通过对测量学教学大纲所规定的全部教学内容的学习，获得工程测量学的最必要的基本理论、基本知识和操作技能，为学习后续专业课程和知识以及从事工程技术工作和科学研究打下可靠的基础。随着网络技术的发展，传统理论教学环节和实验教学环节相结合的教学模式对于教师面授的依赖性比较强，学生自学资源不足。而现代化虚拟仿真实验技术在培养学生的实践能力、研究能力、创新能力和综合素质等方面有着其他教学环节所不能替代的独特作用。依托虚拟现实与多媒体技术，融合多种互动硬件设置，对实验教学的各个环节进行真实的模拟仿真，不仅可以节约现实教学资源，共享教学设施，还能提高学生学习兴趣，促进学生实践操作能力。

二、工科院校测量学教学现状

现有工科院校的测量学大纲、教材内容一般还是沿用1950年代的历史沿袭，其教学内容实质的手工白纸测图教学没有发生改变，而根据现有教学课时严重压缩的现状，实验教学和实习教学环节一般在一些专业中减少或者取消。而测量学是一门专业性非常强的课程，教学改革的基本思路应该是针对不同专业设计教学内容和教学环节[2]。

（一）理论教学

测量些理论教学环节注重知识传授和培养能力，要求学生牢固掌握三项基本测量，即高程测量、角度测量和距离测量的一般方法和仪器操作程序。除此之外还要求掌握小地区控制工程测量的基本知识和导线坐标推求的方法与步骤，使学生获得平面工程测量和高程工程测量的基本理论知识和专业实践技能;掌握大比例尺地形图的测图、绘图、读图专业技能，锻炼学生的动手能力和创新思维[3]。

（二）实验教学

测量学实验室理论教学的一个组成部分，各项实验伴随理论教学有关内容进行。由于各高校实验室建设资金投入和实验队伍质量的不同，一般实验教学只是学习基本的水准仪、经纬仪、全站仪等相关测量过程。

（三）教学实习

测量学教学实习的目的是巩固、扩大和加深学生从课堂上所学的理论知识，获得测量实际工作的初步经验和基本技能，着重培养学生独立工作的能力。进一步熟练掌握测量仪器的操作技能，提高计算和绘图能力，并对测绘小区域大比例尺地形图的全过程有一个全面和系统的认识。

三、虚拟仿真教学在测量学中的改革和探索

（一）虚拟仿真教学的必要性分析

为了提高学生自主创新能力，让在校大学生拥有更多自主学习的时间，测量学课程在各类工程类专业培养方案中的课时都被严重压缩，造成实践教学环节课时严重不足。另外，测量学在工科院校中一般属于专业基础课，授课量一般较为巨大，碍于实验条件和实验场地的限制，很难在统一时间内完成所有班级的实验教学和实习内容。而近年来，随着计算机技术的飞速发展，虚拟仿真技术得到了迅速发展。虚拟仿真技术在测量学教学方面已有应用，针对测绘实习受天气、环境和设备限制较大的不足，设计并实现虚拟测绘实习平台，可满足学生测绘实习预习、模拟实习、实习数据管理等功能[4]。

（二）测量学虚拟仿真教学设计

国内测量学的教学方式一般分为理论面授，实验和实习面授，理论和实践教学分离，無法实现理论与实践的即时结合[5]。所以在测量学虚拟仿真教学的设计中应更加注重理论与实践的充分结合，做到仪器学习和使用相辅相成，在充分分析专业测量学学习需求的基础上，研究如何采用虚拟仿真技术，实现对测量学仪器认识、仪器操作、测量方法及测量方案设计的模拟，使学生置身于实践测量的“真实”环境中，进一步提高其动手能力和创新思维能力，并且使用设备应该可以利用手机、平板或电脑学习，实现随时随地学习，提高学生学习热情和学习效率。这对加强测量学基础课程建设，深化教育教学改革，提高新型人才培养的教学质量，具有重要的意义。

第一，虚拟仿真技术分类及要求。虚拟仿真教学软件主要分为两类，分别是虚拟仿真教学课件和虚拟仿真教学平台。课件类主要针对理论教学中的某个知识点开发独立的教学动画或者软件，一般是提供与课堂知识相对应的实验仪器，学生可以模拟操作完成实验，观察实验现象，做出实验结论，获取相关知识;平台类主要针对课程某一系统实验开发相应的仿真实验软件，在软件里面学生可以取出实验仪器，改变相应参数搭建实验模型，必要的时候还可以引入纠错机制与解释反馈，引发学生思考和获取教学反馈。

第二，测量学课程虚拟仿真教学框架搭建。针对测量学教学环节，可以利用3ds Max等专业的虚拟现实软件，仿真测量过程，虚拟仿真教学框架结构分为仪器组成与原理、仪器操作、测量方法学习与应用、具体工程测量实施评价和问题解决等5个教学子模块，既包括细节的仪器认识和操作学习，具体测量项目的方案设计与实施，又包括问题解决过程的反向思维学习，使虚拟仿真教学贯穿整个测量学过程。同时，每个子模块分别由多个教学模块组成。仪器组成与原理模块主要包括水准仪、经纬仪、测距仪、全站仪和GNSS接收机等设备的组成结构与原理演示;仪器操作模块包括测量仪器整平、对中、照准、读数、记录等仪器使用步骤等;测量方法模块主要包括测回法测角、方向观测法测角、钢尺量距、视距测量、光电测距、和高差测量等方法和过程进行动画演示与交互操作;具体工程测量实施评价模块主要由测区的勘查选点、控制网设计、施测、处理及地形图测绘等内容;问题解决模块主要包括测量仪器校准问题、不同条件下测量方法选择问题、角度测量和导线测量错误检查问题等。

四、结论

针对测量学教学中课时压缩和缺乏集中实践环节造成的理论与实践教学结合不足问题，文章提出了工科院校测量学教学环节中引入虚拟仿真技术。虚拟仿真技术基本能够克服测量学实践教学环节课时不足、实验条件和实验场地限制等问题，起到节约现实教学资源，提高学生学习兴趣，促进学生实践操作能力的作用。

参考文献

[1]张秋昭，张书毕，汪云甲，等.《矿山测量学》课程实践教学的虚拟仿真教学方法[J].能源技术与管理，2017（4）：14-16.

[2]陈时雨，牛继强，胡月.虚拟仿真技术在“摄影测量学”中的教学实践研究[J].黑龙江生态工程职业学院学报，2020（2）：128-130，142.

[3]邓兴升.虚拟仿真平台下摄影测量实践教学模式探索[J].测绘工程，2015（9）：74-76.

[4]袁德宝，孙文彬，蒋金豹，等.虚拟仿真在测量学教学中的实践和探索[J].北京测绘，2019（5）：604-607.

[5]郝明，杨敏，范洪冬，等.测量学课堂虚拟仿真教学方法[J].测绘科学技术，2019（1）：24-29.