虚拟仿真技术在土木工程测量实验教学中的应用研究

顾展飞 孙庆珍 甘春景

摘 要：虚拟仿真实验教学是一种新型的模式，它融合了虚拟现实-人机交互-多媒体-网络与通信等多种高科技技术，优化和改进了传统实验教学中的不足。本文针对土木工程测量实验在传统教学中的问题，基于虚拟仿真技术，从教学理念、教学手段和教学技巧等方面，对传统教学模式进行优化和改进。研究了该技术在土建类本科生的土木工程测量实验教学中的优势，以及改进过程中的注意事项。通过以上优化与改进措施，可提高学生课堂学习能力、学习效率和土木工程测量实验的教学质量。

关键词：土木工程测量;虚拟仿真;实验教学;教学方法

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.09.082

0 引言

土木工程测量是土建类专业本科生的专业基础课。该课程基于课堂理论知识的学习，重点在于实验仪器的操作。近几年，全国高校推崇新工科教育建设的新理念，在科技日新月异的时代优化传统工科教学方法。土木工程测量作为一门传统工科学科，在“复旦共识”，“北京指南”“天大行动”等方针的引导下，更应该主动探索新的出路，利用虚拟仿真技术优化教学理念、教学手段和教学技巧。依托虚拟现实与多媒体技术，通过对实验教学的各个环节进行模拟仿真，让繁琐的实践教学课程变得高效、简单，解决实践教学环境中不具备或者难以完成的教学功能。同时解决了一些复杂案例难以呈现或只能在线学习的局限性，以达到节约现实教学资源、共享教学设施，提高学生学习兴趣的目的。还可以根据仪器设备的差异性，制定专属统一化的交互逻辑，实现学生对各种仪器设备的认知。

目前，国内外土木工程测量的教学方式通常是采用课堂讲授、课后练习和课外实验相互结合的模式，课堂讲授与课外实验分开进行，无法充分发挥课堂学习中的余热。因此，如何围绕专业工程对测绘的要求，虚拟构建施工案例及对应的测绘工作所需的方法，将本专业和跨专业的各类知识连接在一起，提升学生实训能力。以及如何在讲授过程中利用虚拟仿真技术来实现随堂实战演练是一个值得探究的问题。

1 土木工程测量实验教学引入虚拟仿真技术的优势及必要性

1.1 可以节约资金投入、节省时间，提高安全性

实际的仪器的购买需要大笔费用，而且试验周期较长，在野外实验更是具有一定危险性。土木工程测量实验所使用的仪器大部分比较昂贵，体积较大，并且需要定期维护，实验过程中也需要学生在较短时间内测绘不同位置，部分位置可能位于楼顶、河边，对人身安全具有一定威胁。引入虚拟仿真技术可解决类似问题，教师可利用现有的虚拟仿真软件在室内进行讲解并让学生进行操作，使整个实验过程不再抽象化。

1.2 有助于提高学生动手操作能力

目前土木工程测量实验教学普遍存在以下几个方面的问题：仪器数量少、仪器型号陈旧、仪器老化等。在课外实验教学中，一个小组6名同学才能分到一台仪器，这样就大大减少了每个学生的实际操作时间。资源的不足可能导致学生的学习质量下降，使学生动手操作能力得不到锻炼。虚拟仿真技术恰能使得资源合理分配，在科技发达的今天，高校都设置有虚拟仿真实验室，而且几乎每个大学生都会有一台电脑，土木工程测量的虚拟仿真实验打破了空间限制，也消除了实验周的时间限制，给学生创造了更好的学习条件和学习环境，与时俱进的科学技术激发了学生动手操作的兴趣，让大家体验一个更好的实验过程。

1.3 有助于直观呈现老师课程讲解的知识

土木工程测量课程虽然属于工科，但是书本理论知识较多，内容也较为抽象，所以老师要想让学生从书本和课件中联想到实验过程有一定难度。老师需要结合实验操作让学生牢记理论知识，而学生的实际操作也需要紧密联系理论知识。虚拟仿真技术的出现，恰恰解决了课堂理论知识和实际操作分离的难题，使得老师可以当堂讲授、学生当堂操作，学生在虚拟仿真中遇到问题可以及时向老师提出，老师进行答疑。老师可将较为典型的问题交给学生讨论，可大大提高学生处理现实操作中难题的能力。

1.4 有助于提高学生对技术规范及规程的认识

技术规范及规程的重要性不仅仅在于土木工程测量这一门课程中，更突出体现在整个工程项目建设中。我们的授课目的不仅是要每一个学生掌握工程测量知识、完成教学任务，而是在这二者的基础上，提高学生在今后工作中对技术规范的认识和重视。虚拟仿真软件的操作过程中，有许多细节是我们在仪器操作时会忽略的，但虚拟仿真技术就是给我们反复实践的机会，同学们在模拟实验中反复操作，会大大增强技术规范及规程的意识。良好的掌握技术规范及规程是工程的安全保障，也是个人职业经验的积累。

2 土木工程测量虚拟仿真实验教学内容及过程设计

2.1 明确教学目的

土木工程測量课程实验包括水准仪、经纬仪、全站仪等仪器的使用，数据的处理，图纸的绘制这几项基本内容。为了适应现代测量技术在工程建设中的应用，并且优化和改进传统实验课程教学的不足，于是产生了虚拟仿真实验结合课堂授课的新型教学方式。土木工程测量课程作为一门实验课，与理论课的教学方式不同，实验课需要老师讲授理论知识在先，接着是学生吸收老师讲授内容，最后是学生基于课堂所学内容，在老师的指导下操作仪器完成实验。在传统的教学方式加入虚拟仿真教学内容，达到随堂讲、随堂练，在很大程度上巩固了学生在课堂上所学的知识。应用虚拟仿真教学是为了加强学生对理论知识的运用与掌握，培养学生科学使用虚拟模型的能力，引导学生建立专业的思维模式，提高学生分析和解决问题的能力，使学生形成严谨的工作作风，养成团结协作的精神，为以后走向工作岗位打下扎实的基础。

2.2 建立案例场景并进行展示

虚拟仿真实验来源于真实工程，结合实际工程中可能出现的大部分场景。例如与全站仪有关的虚拟仿真实验，软件通过动画模拟仪器内部构造、光线传播、信号传播、映射等，说明全站仪的构造和测量原理，让课本上抽象的二维画面转化为三维动画，使学生对全站仪构造和原理的印象根深蒂固。如图1所示为全站仪认知实验界面，学生可在课堂通过讲解和交互实现全站仪各部分的认知，使教学内容更易接。

2.3 虚拟仿真实验仪器操作及测量方法

仪器操作模块可实现虚拟的测量仪器操作环境，让学生真实体验测量过程，完成仪器操作模拟训练。主要包含仪器的对中、整平以及其虚拟仿真模拟教学，涵盖了教学过程中各类测量仪器的基本功能练习。图1所示的全站仪虚拟操作面板，学生可利用实验平台进行全站仪的虚拟操作，仪器安置以动画和用户交互的操作方式，实现全站仪从开箱到架设好仪器的全部过程。另外系统设置了圆水准器和管水准器的气泡移动窗口，便于学生了解全站仪粗略整平和精确整平的情况。

在土木工程测量虚拟仿真软件中，全站仪的测量方法与现实中的测量方法别无二致（针对测量学的测角、测距、侧高差的基本内容，实现水准测量、距离测量、坐标测量和三角高程测量。水准测量包括利用双面尺法和变换仪器高法进行四等水准测量）。在建立的逼真三维场景中，通过模拟真实空间数据获取仪器，并使用仪器模拟真实测量，完成一系列如选点、基准站建设、图根点采集、数据导出传输、棱镜架设、垂直微动、建站设置、碎部测量、数据导出绘图等操作（如图2至图7所示）。

2.4 完善和优化测量方案并实地测量验证

完整的工程测量和地形测绘实验包含多个步骤，首先采用虚拟仿真技术，以学生所在的校园场景为基础，收集并修正校园正射数据影像、建筑纹理贴图、基础测绘数据，构建三维虚拟校园系统。学生可浏览整个测区概况，进行勘测选点。在此基础上，根据测量规范，进行导线和水准控制测量、虚拟仿真测量，并对测得的数据进行处理。之后模拟全站仪测量进行地形图测绘，并基于所得的数据进行地图绘制。

土木工程测量领域的虚拟仿真技术虽然简化了传统测量实验的步骤，相比真实实验也较为精确，并可将冗杂的数据和抽象的空间可视化。但在现阶段该技术也只是作为辅助实验的一个较好的工具，因为实地测量中需要考虑阳光与风向等不可抗环境因素的实时变化，以及实地地标、设施等的老化磨损。但我们可以参照虚拟实验所测得的数据与绘制出的电子地图集，对实际测得数据以及手绘地图进行比对，可判断实地测量是否有明显错误，也可以验证虚拟仿真实验的有效性、准确性。（图8图9分别为学生在测量实验中所绘制的地形图与虚拟仿真实验中所得到的地形图）。

由此可见，虚拟仿真技术在土木工程测量实验中起到了良好的辅助作用，极大地提高了老师的教学质量和学生的学习质量，充分体现了科技改变生活的真谛。

3 结语

在新工科建设的理念下，充分利用虚拟仿真技术是改善传统教学方法中不足的一种手段。今后，理工科的学习不再是以往的背概念、做习题，而是动手去做、动脑去想的全新模式。经历过动手和动脑的学习后，学生在走向工作岗位才能发挥所学。通过近几年的初步实践，虚拟仿真技术在提高土木工程测量实验教学效果方面起了良好的作用。一是将实际问题呈现在老师和学生面前，需要大家一起解决，使所有人都融入教学环境中。二是可以使老师进一步整理课程中的重点和难点知识，从课程教学、课外实验活动、本科毕业设计等多方面着手，做好顶层建设，多角度、多方位实施“新工科”理念，确保了教学工作的系统性、有效性。

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