面向土木类专业测量学的虚拟交互仿真实验教学平台研究

陈晓辉，王 群，潘际帆

(1.吉林建筑科技学院，长春 130000； 2.自然资源部第三地形测量队，哈尔滨 150025)

虚拟仿真教学的应用可实现对传统教学模式的转变，为学生创设动态情境，进而达到学生自主学习、自主创新的目的。因资源、硬件条件等因素的限制，传统测量学课程实验教学的开展受到巨大限制，需通过虚拟仿真实验教学平台提升实验教学效果，降低实验教学成本大、时间长等弊端，确保测量学课程实验教学的开展满足专业应用型人才培养的需求。

1 建设思路与理念

在充分考虑土木类行业发展趋势与人才需求的前提下，总结其专业发展规律及应用型人才教学与培养规律，立足于培养符合社会发展、行业发展的应用型人才，实现借助虚拟仿真实验教学平台培养高技术、高素质、高责任感的专业人才[1]。通过土木类专业测量学实践教学与现代信息技术的融合，依托于高校特色专业、优秀教师队伍、丰富基础设备资源，构建具备开放化、共享化、虚实化等特点的虚拟仿真实验系统，实现对测量学实验教学环境的优化与改善，并通过平台设计与应用达到测量学教学改革的目的。加大对师资队伍的建设力度，侧重对教师队伍水平与结构的优化与调整，以期为虚拟仿真实验平台的应用提供强有力的人才支撑。加大与相关企业的合作力度，通过高校与企业的深度合作，将企业设计、企业技术等引入平台构建中，实现对虚拟仿真实验教学平台的共同构建与研发，确保虚拟仿真实验教学平台的设计与应用顺利进行[2]。

2 虚拟仿真实验教学体系与平台设计

2.1 体系设计

我校通过不断积累与创新，已具备丰富的仿真实验教学基础资源，并通过与相关企业的深度合作，秉持着虚实结合、实践与理论结合的原则，立足于应用型、复合型人才培养的角度，面向土木类专业测量学构建三层次、三结合的实验教学体系[3]。三层次是指我校依托于专业人才培养规律，将测量学实验教学课程划分为三大类型，具体包括综合型、基础型以及专业型。三结合是指：其一，理论与实践教学有机融合。教学体系设计包括专业核心课程知识、基础理论知识等，针对虚拟仿真实验及理论课程教学的开展，统筹安排教学计划。学生依托于平台实践可以进行理论知识的内化，提高对理论知识学习的积极性[4]；其二，实体实验与虚拟仿真实验有机结合。依托于虚拟仿真实验平台的构建，实现将测量学中相关实体实验与虚拟实验的充分结合，通过开展虚拟实验弥补传统实验教学中存在的不足与弊端，并达到优化实验教学形式与内容的目的，转变学生对待测量学课程实验教学的态度，利用虚拟仿真实验平台培养学生综合能力与素质；其三，课外创新实验与虚拟仿真实验有机结合。学生可充分借助虚拟实验平台开展课外创新实验，学生在教师指导下可视自身情况合理选题，借助虚拟仿真实验平台开展课外实验工作。

2.2 平台设计

虚拟仿真实验平台设计思路具体体现为对不同层次学生进行全面培养，涵盖土木类专业测量学的全部知识内容，包含不同实验教学的实施方法。将平台设计与测量学实验教学紧密结合，通过平台模拟实际实验的操作与步骤，构建契合学生发展需求的虚拟仿真实验平台。模拟土木测量学的实际工作环境，采用虚拟仿真的方式训练具有复杂性、综合性、危险性的技能，基于平台实验完成测量学的相关实践环节，为学生综合素质的发展提供支撑[5]。

第一，工程测量模块设计。针对基础实验平台的设计，其主要对象为土木类专业学生，对测量学实验教学进行模拟，其中测量实验模块的设计主要针对工程测量与工程检测环境。依据对学生基础情况的掌握，结合相关实验环节，设置导线控制测量、测量仪器认知、工程施工测量等虚拟仿真实验项目。第二，专业型基础实验平台设计。专业型虚拟实验平台的设计目的在于调动学生学习积极性、拓展学生视野，帮助学生掌握不同行业、环境下的测量技术。依托于土木类行业发展的分析，将虚拟仿真实验平台设计成桥梁工程、建筑工程、岩土与地下工程、道路工程、交通工程、水利水电工程仿真模块。其中针对桥梁工程仿真实验模块的设计，结合对测量学实验教学的考虑，设计桥梁施工测量仿真虚拟模块；建筑工程模块依据测量学实验教学需求，设计建筑架构测量、施工测量等模块；岩土与地下工程模块的设计，结合对测量学实验教学需求的分析，设计边坡测量、桥台测量、基层测量等虚拟实验项目；道路桥梁模块设计路基面测量、挡土墙测量等实验教学项目；交通工程模块依据对测量学教学需求的分析，设计基本路段测量等实验教学环节；水利水电模块依据对测量学教学目标的分析，设计水轮机模型测量等实验环节[6]。第三，综合型仿真实验平台设计。综合型实验平台设计的主要目的在于依据虚拟平台进行相关实体实验项目参数的优化和调整。综合型虚拟实验平台的主要模块包括：A.创新虚拟实验项目。引导大学生根据相关课题进行实验创新，突出学生自主创新的主体地位，强调在实验改革与创新过程中调动学生的主动性与积极性，激发学生创造性思维。B.学科竞赛虚拟实验模块。该模块设计的主要目的在于为大学生学科竞赛项目的开展提供基础支撑。以往学科竞赛的开展存在成本消耗大、不可逆转性等特点，借助虚拟仿真实验平台，可对竞赛项目中相关子项目或环节进行模拟，通过与实体实验的有机融合，为学科竞赛项目的顺利进行保驾护航[7]。C.BIM虚拟仿真实验平台模块。BIM技术在土木类行业中的应用十分广泛，因BIM技术的复杂性，学生对BIM技术的掌握不够深入。BIM虚拟实验平台的构建可帮助学生进行BIM技术的虚拟训练，如在项目设计阶段利用虚拟平台进行项目的BIM测量，加深学生对BIM技术的掌握。

3 虚拟仿真教学实验平台应用成效

我校对土木类专业引入虚拟仿真实验平台后，取得如下成效：A.创新能力提升。学生专业能力、信息技术应用能力等方面均得到显著提升，部分学生依托于虚拟实验仿真平台，参加市级、省级、国家级竞赛项目均获得喜人成绩。B.教学水平提升。在应用虚拟仿真实验平台后，教师专业教学水平得到显著提升。

4 结语

在土木类专业人才培养中充分利用虚拟实验教学平台，可在优化与改革测量学教学模式的同时，实现对人才的综合培养，该平台未来还需在实践应用中不断完善与革新。