虚拟仿真技术在土木工程测量教学中的应用

王婷 齐庆会 岳川云

摘  要：文章结合目前推进虚拟仿真技術发展的新形势，通过我校虚拟仿真实验室，构建基于虚拟仿真技术的土木工程测量教学平台，该平台提供更为直观、便捷的仪器操作模拟环境，更好的突出理论结合实践的课程特点及要求，为进行实际实践环节奠定良好的学习基础。同时本研究对于该教学平台助力高技术、具有创新精神的高学历应用型人才培养具有推广意义。

关键词：土木工程测量;虚拟仿真技术;课程教学

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）27-0112-04

Abstract： This paper combines new situation in advancing the development of virtualreality technology， and through our virtual reality laboratory， we build a teaching platform of civil engineering measurement based on virtual reality technology. This platform provides a more intuitive and convenient simulation environment of instrument operation and it can better highlight the characteristics and requirements of the theory combined with practical courses， it lays a good learning foundation for the actual practice. At the same time， this research has a promotion significance for the teaching platform to assisted high-education and applied personnel training of high-tech and innovative spirit.

Keywords： civil engineering survey; virtual reality technology; course teaching

一、传统土木工程测量教学现状

土木工程测量是土木工程专业所学课程中的一门必修课，在专业人才培养方案中始终占据重要的地位。土木工程专业的大部分学生毕业后将要到建设工程单位、企业从事技术和管理工作，承接的工程项目施工需要经过工程测量阶段，因此土木工测量的教学是保障学生就业与发展的关键内容，目前我校土木工程专业工程测量课程根据最新人才培养方案规定，设置总学时为40学时，2.5学分，总学时按照理论课时32学时，实践课时8学时分配，课程的教学方式、内容、体系等结构依据社会需求、人才发展经历了一系列改革。

通过课程的教学及师生的反馈，在已有的教学模式上存在一些较难克服的问题：

1. 教学内容与社会发展、科学进步不适应，教学手段与现代教育模式、理念不适应，课程学时压缩与知识量增长不适应等。

2. 实验课相对不足，实践环节流程较多，内容复杂，在有限的学时内，难以保证人均实操，不能真正实现实践环节的根本意义。

3. 测量仪器设备价格昂贵，且属于精密设备，数量有限，难以满足学生使用学习，而且师生对于贵重的仪器设备的使用操作，心存担忧，自主选择放弃实操环节。

4. 仪器类型品牌较多，可批量参与实践的仪器设备较为陈旧，现有教学方式往往只能让学生甚至教师掌握几种仪器的认识和操作，对仪器的运用了解片面，以至对测量工作及专业发展局限于理论基础，难以实现理论与实践相结合的教学理念，在一定程度上影响创新能力的培养。

5. 课程实践教学环节与实际工程测量存在一定的差异性，模拟施工整体场地和进展的想法难以实现。

6. 人才培养方案规划中设置了认识实习等观摩性实践课程，尽量完善实践环节的内容。但仍存在一系列问题：第一，学生安全难以保障，在路程、测区等各方面均存在安全问题;第二，观摩过程难以达到细致、全面;第三，学生到达工作区，基本无实践操作能力。

工学知识的熟练掌握关键在于理论与实践结合，土木工程测量的教学模式必须包含实践操作环节，该环节具有很强的实践性和应用性。土木工程专业的学生在该课程学习的过程中，课堂上的理论知识是基础内容，必须加以实操动手能力，综合提升专业技能、开发创新能力。因此，为了保障理论结合实践的学科理念，虚拟仿真技术在课程授课方面的应用指引了一个新的发展方向，具有一定现实意义。

二、虚拟仿真（VR）技术与传统课程教学结合

虚拟仿真（仿真技术），也被称作为模拟技术，即以一个虚拟的系统模仿、构建另一个真实的系统的技术。虚拟仿真的实质是一类可以创建，又能体验的模仿真实世界的计算机系统。该技术的特点是依托仿真的形式给用户创造出一种即时反馈实物实际变化与相互作用的立体虚构世界，并以头盔显示器和数据手套等辅助传输传感设备，为使用者提供出一个观察与该虚化世界交互感受的三维模拟环境。通过该项技术使用者可直面体验仿真模拟对象所处的环境，研究其产生的相互作用与有关变化，直观感受真切。虚拟仿真技术集成了多种专业技术，具体涵盖视觉生理学、计算机图形学、视觉心理学、仿真技术、人工智能技术语音识别与合成技术、软件工程、人机接口技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、传感与测量技术、计算机视觉、计算机技术、立体显示技术及网络技术等多种高新技术形成的结晶。[1]

虚拟仿真系统与教学结合，目前其系统主要划分为四类：即桌面式、沉浸式、分布式和增强式虚拟仿真系统。桌面式虚拟仿真系统是依托普通计算机和低级工作站实现仿真功能，用户了解虚拟环境是通过计算机屏幕，计算机的键盘和鼠标等相关设备，通过这些设备与虚拟环境互动。该种系统应用比较广泛，相对成本较低，容易实现，但是缺乏真实感。沉浸式虚拟仿真系统，是用户通过使用头盔和手柄等电子设备在虚拟环境中互动，用户参与到虚拟环境中，沉浸在系统环境中，目前较广泛的应用于游戏环境。分布式虚拟仿真系统是多个用户在不同地理位置通过网络相互连接，共同分享信息，用户不是作为虚拟环境的参与者。增强式虚拟仿真系统是在真实环境基础上，与虚拟环境相结合，共同模拟真实环境和系统。[2]

结合虚拟仿真技术和实际应用，提升、改变课程的教学体系设计、实践环节和教学方式等问题，着力培养与时俱进，兼具科研和创新能力的综合型人才。推动产教融合，推进多方协同合作，致力构建和实施教学平台，更加完善虚拟仿真软件的研发和相关课件内容的设计。

計算机、网络信息等科技技术广泛应用于各个领域，并且发展迅猛，虚拟仿真技术的开发使用逐步渗透到教学应用中，规模性应用将成为一种趋势，会影响、提升、改变传统的实验教学模式。

三、虚拟仿真（VR）技术在工科课程教学中建立的意义

（一）理论教材与虚拟仿真技术结合

近年来虚拟现实技术在高校中各个专业实践应用、理念推广、多方向开发发展迅速，但在理论教学中应用较少。传统的课堂教学一直以书本、教材为主要知识传授方式，这种教学方式将知识平铺直叙的呈现给学生，讲解方法扁平化，工科课程的理论性知识比较普遍，往往令学生难以理解抽象、系统化的知识要点，学生学习动力不足，缺乏兴趣，学生的学习中质量难以保障，采用虚拟仿真技术与教学相结合的方式授课在一定程度上能够激发学生学习热情，活跃课堂气氛。应用虚拟仿真技术结合理论，将需要传递的内容进行三维可视化塑造，使包含的知识点立体化、层次化呈现，实现知识点关联性讲解，以此基本能够解决根本性问题，易化、剖析疑难点。

可以根据现有的教学方式、手段、模式，将虚拟仿真技术结合辅助教材与多媒体教学方式中，实现教学方式的改革。将虚拟仿真技术与教材结合，将理论、原理的要点、重点等内容虚拟化，生成虚拟模型或动画模式，再通过虚拟仿真设备呈现给学生。

运用虚拟仿真技术结合理论制作3D虚拟模型、动画改造传统的PPT等多媒体内容，打造虚拟仿真教学资源。

虚拟仿真技术教学资源实现了从文字转化为图形图像、平面模式转化为立体模型、静态转化为动态、单一独立转化为结合交融，从一定程度上能够提高学生学习的兴趣，同时教学质量也能够得以更好的保障。[3]

（二）实践环节与虚拟仿真技术结合

实践环节是工科课程学习的重要部分，但在实践环节教学中，很多设备、仪器成本较高，设备繁多、体积较大，甚至存在危险等特点，导致专业性实践课程无法顺利、全面开展，无法达到实践环节课程设置的真正目标。虚拟仿真技术能够在虚拟的环境下模拟实践所需的实验设备及环境，并根据具体的实践要求、目标完整的设计实践过程，例如我校建立的虚拟仿真实验室主要运行沉浸式虚拟仿真技术，在虚拟仿真实验室可以形象、直观的教授学生关于设备的原理、结构、操作及开发等相关知识，并且通过实际模拟操作，更便于学生理解和掌握。

另外，虚拟仿真系统在实践环节中模拟场景应用具有安全保障，学生可以完全置身于虚拟环境中，反复练习、设计方案以及创新试验等。能够在系统中实现解决问题、发现问题循环运用，进而提升系统性能、提高专业能力。虚拟仿真技术不仅仅能够模拟理论、操作等的独立性模块，更能够模拟建设工程项目整体环境、实施流程，实现与实际生产、工作过渡与衔接，帮助学生在真正进入工作岗位前，了解熟悉工作情况，协助学生融入实际工作生产。

通过虚拟仿真技术与课程教学相结合，应用于大部分工科专业，可以建立一套应用新型教学体系。首先利用虚拟仿真技术结合理论教学开发课堂授课资源，在教室内开展理论教学，通过虚拟仿真系统的信息呈现，使学生熟悉、认知理论知识，提升学生进一步学习兴趣和热情，引导学生发现问题，如何在工程项目中解决问题;然后根据实际工作情况以及问题场景设定模拟工程环境，建立实践教学资源，教授、指导学生在虚拟现实环境下进行一系列操作及创新，增加学生自由实践空间、时间，逐步提升教学质量和提高模拟工作效率，最终形成以观察-体验-思考-操作-实践的教学体系。

四、虚拟仿真技术（VR）在土木工程测量课程教学中的应用

我校虚拟仿真实验室现拥有沉浸式虚拟仿真运行平台，利用已有的虚拟仿真系统能够研发出供土木工程测量课程教学的工程测量虚拟仿真模式，实现虚拟仿真技术在该课程教学中的应用。根据课程设计及工程实际进程，划分多个子系统，每个子系统又可根据实践项目的内容继续设置不同的模块。

从构建工程测量仿真实验系统角度来讲，工程测量考验着学生的严谨性。测量工作存在一定的误差，误差会对工程项目的进程、工程质量等多个方面产生不可逆转的影响，学生必须认识到误差处理的重要性，因此教师在开展教学的过程中需要建立一个工程模拟仿真模块。为学生呈现测量知识，同时要使用虚拟仿真技术，确保学生掌握测量技巧。

教师授课时只需登录系统，即可快速、便捷、直观地呈现学习环境及内容，该方法能够促进学生理解和掌握课程知识点，实现理论结合实践的学习方式，有效传递知识，提高学习效果。

对于抽象的理论知识，如测量误差、地图投影、土石方计算等内容，采用文本、图片、音频、视频和动画相结合方法，是抽象的信息转化为生动的呈现，这将有效的提升学生的理解和记忆能力;实践项目教学的开展中，如水准测量、角度测量、坐标放样等实操性项目，通过虚拟仿真技术构建的工程测量虚拟环境和场景，在仪器操作、实验步骤、误差检验等模块中，模拟还原实际的操作场景，强调工程实践环节步骤细节的同时，也能注重实践中间过程实现的可视化。提升整体形象感，提升学生实践学习的兴趣，促进学生更好感受和开展实践内容。[4]

以工程测量课程特点开发的虚拟仿真实验教学平台，对于每一个实践项目，建立、构造在使用不同的仪器的情况下进行实践活动，以及模拟在不同的实验环境中（如平地、山地等）开展项目。首先学生需要在掌握某一类仪器设备和运用的实践方法，在此基础上，通过该虚拟仿真教学平台自主学习、熟练使用及掌握同一类实践项目的设计思想、操作流程及数据处理等内容，进而达到举一反三，融会贯通。[5]

我校虚拟仿真实验室的初期规模建设已经完成，正在逐步投入教学结合以及校内外实践基地的使用，积极开展实质性工作。传统教学中，教师主要通过图片、视频的方法，导入知识点，为学生讲解。伴随着虚拟技术发展，可以应用虚拟技术为学生创设良好的工程测量学习环境。

五、发展前景

（一）高校教學方面

在信息化发展背景下，大力提高高等学校的教育教学质量及人才培养水平，从2017年起，教育部启动示范性虚拟仿真教学工作，旨在推动高校积极创建线上线下结合智能化、个性化一体的虚拟仿真教育教学工作，形成专业突出、布局合理、开放共享的示范性高等信息化教学新体系。

（二）工程项目方面

目前国内外有很多工程测量结合虚拟仿真技术的实例。现在计算机行业领域发展中，虚拟仿真技术逐年发展强大，逐渐形成独有体系，逐步推广至各行各业中应用。在工程测量、土木施工等工程项目方面应用日渐加深，在工业工程训练过程中，也在运用、推广虚拟仿真技术。因此，在校企交流、协同发展的新形势下，实际工作中对虚拟仿真技术的使用、系统的建立，虚拟仿真技术及运行开发平台在高校教学中的应用，成为了新的合作发展热点。

（三）土木工程专业方面

土木工程测量涉及施工测量、地形测量、控制测量、竣工测量和变形监测等传统测量技术的学习，该课程是土木工程专业的一门应用型学科。现代化的工程测量技术，如3S技术、无人机等，也逐渐深入到土木工程专业中。例如无人机是摄影测量工作中广泛应用的搭载平台，能够高效获取中低空航拍影像。但是由于无人机操作技术要求较高、仪器贵重、具有飞行资质等限制，难以实现学生实体操作。虚拟仿真技术建立模拟无人机系统，能够提供基本的操作功能，可以使每一位学生亲身了解、操作。通过虚拟无人机操作平台教学，为学生提供理论知识与模拟土木工程测量施工现场情况。

（四）教师综合技能方面

专业教学结合虚拟仿真技术的模式将是系统、长远的发展。虚拟仿真教学逐年在高等院校工科专业课程中使用，因此，在推进虚拟仿真技术结合课程教学的同时，保障教学效果称为重点关注方面。虚拟仿真技术在高校应用日益发展，应该注重其应用标准、规范，教学效果、效率和质量同步发展。

虚拟仿真技术的大力建立、开放与发展需要有高素质的人才。打造高素质、高技术、高能力的优秀教师队伍，是专业技术发展、高标准教育教学的必要条件。教师在教学方法和教学理念的高质量改革创新，能够高效、合理的利用虚拟仿真系统。虚拟仿真技术涉及多个专业方向，利用该技术的同时，借此打造专业合作，共同发展。

六、结束语

充分了解、利用、开发虚拟仿真技术的优势，结合工程测量课程的特点，开展土木工程测量课程教学模式的创新性、改革性研究，既要保证教学工作顺利推进，更要提升教学整体质量，理论教学与实践环节教学兼顾发展，增强学生掌握、运用知识的能力，进而全面、综合的提高学生的创新能力、开发能力。

虚拟仿真技术符合教育深化改革需求。因此，应用型高校需要深入研究虚拟仿真技术，高效掌握虚拟仿真技术应用，提高教育教学水平、改善教学环境、丰富教学资源、优化教学过程，促进培养高技术、具有创新精神的高学历应用型人才。

参考文献：

[1]孙金萍.虚拟仿真技术在工程测量实践教学中的应用初探 [J].决策探索（下），2019（03）：66-67.

[2]郑卜源.虚拟仿真技术在高校土木工程实验教学中的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2019（05）：179.

[3]叶勤，关泽群，邵永社，等.测绘工程专业摄影测量学实验教学改革探索[J].测绘通报，2010（6）：74-77.

[4]梁月吉.基于虚拟仿真技术的工程测量实验教学初探[J].中国教育技术装备，2017（11）：56-57+60.

[5]黄志剑.虚拟仿真技术在工程测量中的应用[J].科技风，

2018（26）：6.