疫情背景下基于仿真实训平台的“测量学”实验教学改革

卢立果，胡伟建，鲁铁定，许冬来，吴汤婷

(1.东华理工大学 江西省数字国土重点实验室，江西 南昌 330013；2.东华理工大学 测绘工程学院，江西 南昌 330013；3.广州南方测绘科技股份有限公司南昌分公司，江西 南昌 330200)

“测量学”是测绘专业的基础核心课程，在测绘工程课程体系中占举足轻重的地位[1-2]。实验教学是巩固理论教学、强化动手能力、培养实践创新能力的重要环节[3]。传统实验教学是以教师为主导，根据课堂讲授，安排实验内容，却忽视了学生的主体性和能动性，不利于学生实践创新能力的培养。同时，传统实验教学面临实习条件易受天气、疫情等外界环境影响；仪器操作以组为单位，难以保证组内成员全部掌握；学生实习分布范围广，难以有效跟踪定位指导等问题[4-5]。这些原因都让实验教学受到较大的影响，但目前推广的虚拟仿真实验教学则可以很好地解决这些问题[6]。虚拟仿真实验教学以沉浸式+体验性教学为主体，采用虚拟方式开展实训内容，突破时空场景的限制，是线下实验教学方式的有效补充[7-8]。《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范化虚拟仿真实验教学项目建设的通知》指明了虚拟仿真实验可以作为线上实验教学的新途径。

此外，受新冠疫情的影响，今年上半年线下实验教学无法大规模聚集性开展。虚拟仿真实验教学为疫情期间的实验教学提供可能性。鉴于虚拟仿真实验教学的优势及线上实验教学的迫切性，南方测绘适时提供虚拟仿真实验教学系统，为一般院校虚拟仿真实验教学的开展提供了平台。

因此，本文基于南方测绘虚拟仿真实验教学系统，针对东华理工大学测绘工程专业“测量学”课程实验，探讨虚实融合的混合式实验教学新模式。

1 南方测绘虚拟仿真实训平台

南方测绘仿真实训平台是由南方测绘开发的智能化实验教学系统。目前面向用户开放二等水准测量和数字测图仿真系统，满足“测量学”实验教学的需求。

1.1 水准测量虚拟仿真实训系统

水准测量是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差，精确测定地面点高程[9-10]。依据水准测量的原理、仪器操作、测量方法等内容，水准测量虚拟仿真实训系统具备以下功能模块：

1)设备认知：外观高度逼真，并且外形尺寸与真实南方DL-2003A水准仪相同，用户可点击仪器设备的不同部位，显示仪器的部件信息；

2)仪器架设：安放脚架、安装仪器等仪器架设操作步骤与方法；

3)线路测量：使用水准仪完成线路测量的步骤与方法；

4)二等水准测量：使用水准仪完成二等水准测量的步骤与方法；

5)数据输出：导出数据格式兼容COSA软件；

6)智能考核：具备闯关功能，对学生的每步操作的正确性、规范性进行自动记录、评估、计分，并输出和提交详细的考核记录单。

通过上述功能，该套软件系统可对学生水准测量操作技能进行全面考核、提升学生专业技能。此外类似于游戏的闯关模式设计极具趣味性，能够提高学生实验兴趣，增强自主学习能力。图1为水准测量虚拟实训场景。

图1 南方测绘仿真实训平台水准测量

1.2 数字测图仿真实训软件演示

数字测图是以计算机及其软件为核心在外接输入输出设备的支持下，对地形空间数据进行采集、输入、成图、绘图、输出、管理的测绘系统[11-13]。依据数字测图的基本原理、仪器操作和测量方式，数字测图仿真实训软件具备以下功能模块：

1)设备认知：外观高度逼真，并且外形尺寸与南方NTS340系列全站仪相同，当鼠标移动到零部件时，自动高亮显示部件和名称；

2)仪器架设：安放脚架、安装仪器、锁紧仪器、调节对中、整平、照准、镜头调节等仪器架设操作步骤与方法；

3)坐标放样：安放脚架、安装仪器、锁紧仪器、调节对中、整平、照准、镜头调节等仪器架设操作步骤与方法；

4)碎部测量：使用全站仪完成碎部测量的步骤与方法；

5)数据输出：导出数据格式兼容CASS软件；

6)智能考核：具备闯关功能，对学生的每步操作的正确性、规范性进行自动记录、评估、计分，并输出和提交详细的考核记录单。

此外，软件中还加入GPS RTK图根点测量功能，可以让学生根据数字测图场景需要灵活布设图根控制点。图2为数字测图虚拟实训场景。

图2 南方测绘仿真实训平台数字测图

2 虚实融合实验教学改革

本文基于南方测绘仿真实训平台，以东华理工大学测绘工程专业核心基础课程-“测量学”为对象，从虚实融合的混合式实验教学模式和课程考核模式两个方面对疫情背景下“测量学”实验教学进行改革。

2.1 虚实融合实验教学模式

在新冠疫情导致无法开展大规模线下教学的情形下，虚拟实验教学可以让教师实现实验教学演示，学生虚拟操练的目的，为后续实际测量奠定理论与实践基础。因此，笔者首先基于南方测绘虚拟教学系统开展线上实验教学，然后进行实习分组(4～5人/组)开展线下实际测量教学，实现虚拟和实际的有效衔接和相互补充。下面依次对这两种教学方式简要介绍。

虚拟仿真实验能够带来沉浸式+交互式体验，打破实验教学时间和空间的限制。通过趣味性技能操作，能够让学生深入了解实验原理、仪器部件、操作流程等实验内容，形成立体化、结构化的仪器认知，具备独立完成测量任务的知识能力；通过逼真形象的三维场景，能够让学生更加直观了解控制点的布设、碎部点的选取。虚拟仿真实验教学具体实施流程为：

1)系统演示，介绍系统操作的基本命令键，水准仪、全站仪的基本操作要领及注意事项；

2)上机操练，要求学生完成训练关卡的各种练习，掌握基本操作技能；

3)发布任务，如水准测量仿真实验可以发布闭合水准路线测量、附合水准路线测量、支导线测量三种测量模式，数字测图实验发布指定区域的地形测量等；

4)学生实验开展和教师指导。教师线上回答学生测量过程中出现的技术问题，如水准观测数据的记录、限差要求、地形测量特征点的选取等；

5)提交考核记录单，鼓励学生反复练习，每个人提交最佳的考核结果，达到提升技能的目的。

实际测量实习是对虚拟实验教学效果的具体体现，可强化学生对于仪器设备的真实感受，利于学生对基本实验操作技能的巩固与提升。线下实验教学的基础为真实环境、真实仪器。通过真实的外业测量，可有效锻炼学生的实际动手能力，培养学生的团队合作意识。线下实验具体实施流程：实习分组、仪器操练、发布任务、学生实验开展和教师指导、以组为单位提交成果。

基于上述虚拟实验和实际测量实验教学的阐述，混合式实验教学具体流程如图3所示。

2.2 课程考核模式

课程考核是衡量学生学习水平、评价教学质量、检验教学目标落实的主要手段，对教师的教学设计和学生的学习行动起着重要的导向和激励作用[14-18]。传统线下实验教学主要包括过程考核和实习报告两部分，这种考核方式已不能全面综合地反映混合式实验教学效果。为此，笔者设计了适合本课程实验教学的考核参数表，具体如表1所示。其中，虚拟仿真测量考核参数设置，主要依据发布测量任务后，由系统给出的任务点进行制订(如图4所示)；线下实际测量考核参数设置，依据“测量学”课程实验大纲考核要求和参考测量技能大赛考核标准进行制订。

图3 混合式实验教学流程图

表1 混合式实验教学考核参数表

图4 闭合水准测量虚拟仿真实验任务点得分

3 教学效果

为评价混合式实验教学效果，笔者采用问卷形式对65名18级(改革前)和63名19级(改革后)测绘专业学生“测量学”实习效果进行了调查统计，从设备认知度、仪器操作熟练度、实习参与度、实习达成度和实习效果满意度等五个方面进行综合分析，以评价实习效果。其中实习达成度是指学生通过实习是否具备独立完成测量实验任务的能力。

表2是调查统计的“测量学”实验课程评价反馈表。由表2可知，通过混合式实验教学，实习效果的各项评估指标较单一的传统实验教学均有较大程度提高。据调查反馈，学生通过线上闯关式虚拟实训练习，已达到对整个流程的完全掌握和理解，在线下实际分组测量实习时，已克服了对仪器操作的紧张心理，并熟悉仪器操作规范和观测流程，因此组内每个成员实习情绪高涨，实习不再是组长去了解实习任务和分工，仪器操作也不局限于某个固定组员，而是全员参与、轮流作业的一个合作过程。因此，学生的实习积极性和实践技能得到极大提高，学生对“测量学”实习满意度也得到显著提升。

4 持续改进

本文基于南方测绘仿真实训平台，开展混合式实验教学改革，为疫情背景下“测量学”实习的顺利实施提供了保证，并取得了较显著的实习效果。但是通过混合式实习教学发现，在虚拟仿真教学平台和实际测量方面仍存在需改进之处。

表2 “测量学”实习效果评价反馈表 %

首先，虚拟仿真教学系统方面，需在功能设置、实验细节方面进行适当改进，以提升用户体验度。根据学生实习反馈，建议如下：

1)在GPS基站架设组件安装顺序方面，虚拟仿真系统里测高片直接安装在三脚架上面，实际测量过程中应在三角架上首先安装基座，然后依次安装连接杆、测高片、接收机；

2)在全站仪对中方面，全站仪架设时仪器中心难以对准图根点位中心，当仪器在点位附近时，可加设强制对中功能；

3)在水准尺立尺方面，水准尺前后视距无法估计，难以快速调整前后视距差，可加设前后距显示功能，或设置计步器。

其次，实际测量实习方面，后续拟从仪器操作和成图质量两个方面进行改进：

1)在仪器操作方面，实习结束时增加仪器考核环节，主要考核全站仪碎步测量流程，保证每位学生都能100%熟练操作仪器，并了解观测步骤；

2)在数字成图方面，增加无人机正射影像底图，以便于学生对实习成果的自查，并及时补测和修正。

5 结束语

本文结合南方测绘仿真实训平台，以东华理工大学测绘工程专业核心基础课程-“测量学”为对象，从虚实融合的混合式实验教学模式和课程考核模式两个方面对疫情背景下“测量学”实验教学进行了改革。采用的虚拟仿真测量与实际测量虚实结合的实验教学模式，突破了疫情影响下“测量学”实验教学时间和空间的限制，极大的提高了学生的实习积极性，显著提升了学生的实践技能，为后疫情时代“测量学”实验教学课程改革提供了新模式。