虚拟仿真在测量学实践教学中的模式探讨

邓 标，王 靖，刘 欢，李晓明

（滁州学院 地理信息与旅游学院，安徽 滁州 239000）

《测量学》是测绘类及相关专业的一门基础课，该课程具有理论难度大、内容相对繁杂、实验仪器种类多及实践性强等特点。课程的基础地位决定了其教学效果将直接影响着相关专业的人才培养质量。因此，近年来部分学者围绕该课程在教学方法、教学内容及实践环节等方面作了一定程度的研究，取得了一些有益的经验和成果。文献[1]基于工程应用将教学与工程实践紧密结合的模式对测量学教改进行了初探；文献[2]基于产学融合的模式对理论教学内容更新及产学融合的实践教学培养模式进行了探讨；文献[3]根据测量学教改的经验，丰富了“一中心，三育人”的教学理念；构建了课程发展机制及多元评价机制教学体系；文献[4]结合农学类专业对测量需求知识点的关注特点，对实践内容、实践基地及实践课时安排等内容进行了论述；文献[5]提出了一种基于网路环境的透明化实践教学方法，实现了实践教学资源的网络发布与共享；文献[6]根据矿山测量的特点，结合虚拟仿真技术建设了实验平台对矿山测量教改进行了讨论。

尽管上述文献对测量学教学改革与实践进行了相应的研究，但随着测绘科技的发展，新技术、新方法及新仪器的不断涌现，出现部分知识已过时，新的仪器设备无法及时跟进等情况，如无人机倾斜摄影测量、三维激光扫描等。若课程教学内容一直停留在传统的方法和技术上，而无视行业的发展，培养的学生则难以适应市场对综合创新人才的需求[7-8]。特别是随着当前疫情防控工作常态化及教学手段的网路化发展趋势，线上教学与线下教学相结合的模式，在一定时期内将长期存在。因此，急需对测量学实践教学方法进行研究和探讨，以适应现代技术的发展及当前疫情条件下的教学需要。为更好地将线上、线下相结合的教学模式及理论与实践更密切地结合，文中结合滁州学院测绘类专业的教学实践，探讨基于虚拟仿真技术[9]的测量学在实践教学中的应用，分析其优缺点，以达到更好地服务学生和实现教学质量提升的目的。

1 测量学教学现状

1.1 理论教学

依据教育部测绘专业认证的最新标准知：测量学课程的培养目标是使学生通过该课程的学习，掌握测量学的基本理论与基本技能，具备解决复杂工程问题及一定科学研究能力，培养学生从事测量工作的基本素质和创新能力。现行理论教学的问题是新知识未能及时在教材中得到更新，而传统的测量手段、方法仍占有大量的篇幅，甚至有部分淘汰的方法仍占有一定的比例。主要原因除教材编写需要一定周期外，也从侧面反映了测绘科技的进步快速，测量学课程教学需要对课程知识点及时更新。此外，在教学过程中，目前大部分院校比较重视理论教学，对实践教学重视不足或较忽视。这使得学生掌握的知识未能及时跟进社会生产，而脱离生产实际的纯理论教育是没有意义和生命力的[10]。传统教学模式重课堂、轻课外，教学手段及自学资源不足、往往难以真正实现教学相长[3]。

1.2 实践教学限制

测量学实践教学目的是巩固和加深学生所学的理论知识并促进其掌握与消化，获得测量工作的初步经验和基本技能，培养学生独立思考与解决问题的能力。然而，测量学的课程性质决定了其在实际教学中受多方因素的制约。首先，一般高校实验室建设资金投入有限，实践教学仅学习水准仪、经纬仪、全站仪等仪器的基本操作[11]。部分院校即使有更新教学内容与实践手段的计划，但限于资金的紧张，而只能作罢；同时由于部分仪器设备在实践教学过程中可能存在一定的风险，担心实践过程中风险难以控制而未开展相关实践（如无人机操作等）。其次，测量学是工程类专业的基础课，工程类专业中设置该课程的专业与班级较多[12]。导致了测量实践教学设备紧张。再次，存在实践场地小或无专用实践场地及当前疫情等许多不确定因素的影响。从而限制了测量实践教学工作的开展。

1.3 实践考核方面

《测量学》实践教学考核方式单一，目前大部分院校实践考核以分组考核为主，个人考核为辅，将本组数据成果质量与个人实践表现进行加权评分，而个人表现有一定的主观性，特别是涉及实习实训时，多个班级同时进行，需要大量的指导教师，除理论课的指导教师外，大部分指导教师不能在短时间内很好地把握每位同学的实习表现。个人项目考核仅以实践报告为主，评分多采用定性为主导，量化为补充的考核，使得实践考核评分的客观性较差[13]。此外，部分院校实践教学环节的考核方式不健全，或方法难以实施。同时，由于对学生的实践、实习实训考核缺乏淘汰机制[14]，极少出现实践课程挂科等情况，致使部分学生对实践教学环节不重视，混学分现象明显，往往不易达到实践教学的目的。

2 测量学虚拟仿真教学必要性分析与内容设计

2.1 虚拟仿真教学的必要性分析

为了培养学生自学习惯及创新能力，测量学课程在工程类专业培养方案中的课时被一定程度地压缩，造成实践教学环节课时不足。近年来，随着计算机技术的进步，虚拟仿真技术得到了迅速发展，为虚拟仿真技术在测绘工程专业教学提供了可能性。目前，该技术已经在测绘教学工作中得到应用，因此，设计并运用虚拟测绘实习平台，可解决测绘实践教学受诸多因素影响的问题，满足学生模拟实习、实习数据管理等功能[12]。此外，线下实践教学活动受疫情等外界不可控因素的影响，多数高校倡导线上、线下相结合的方法开展课程教学。因此，急需开展虚拟仿真实践教学，使理论教学与实践教学达到有效结合，知识与应用相辅相成。

2.2 虚拟仿真课程内容

测量学内容复杂，涵盖知识面广，若将所有涵盖的知识点都纳入到虚拟仿真平台中，则易造成课程开发成本过高问题。因此，虚拟仿真教学平台设计过程中，应根据实际教学需要进行。平台设计应以实践教学为主导，理论教学为补充，达到有的放矢的教学目的。滁州学院开展的测量学虚拟仿真教学平台，实践内容涵盖仪器认识、四等水准测量、水平角测量、导线测量、GPSRTK地形测量、无人机虚拟仿真操控等项目。在设计实践教学时，应将虚拟仿真与现场实践相结合。虚拟仿真应以课外自学为主，以考核为驱动，达到巩固理论与实际操作的目的。为更好地解决实践中学生自学遇到的问题，虚拟仿真平台构建过程中应设置更多的交互功能，并提供在线帮助、正确方法提示、数据及成果验证等功能，便于学生更好的掌握。以四等水准测量与数据处理为例，该过程包括：仪器架设、整平、瞄准、读数等（四等水准测量及数据处理仿真实验分别见图1与图2）。

图1 仿真水准测量

图2 模拟水准成果计算

虚拟仿真教学平台中，在进行各项仪器操作前，需提供各实践项目的操作指导与注意要点。如水准测量中通过调整三脚架架腿的高度进行仪器的粗略整平；调整脚螺旋实现仪器的精平；调节微动螺旋瞄准目标等。此外，需注意虚性仿真平台的交互性设计，通过设置不同按键实现仪器脚架、微动螺旋、脚螺旋等部件的移动或转动。在读数环节，模拟不同设备的读数情况，采用交互方式验证学生是否正确地掌握读数方法。利用互操作验证学生掌握仪器操作及数据处理的情况，达到弥补实践教学环节中课时不足、疫情影响及其它缺陷的目的，并利用学生爱用电子设备的习惯，实现教学资源的共享。

3 教学效果分析

为了确切地分析虚拟仿真平台的教学效果，以滁州学院测绘工程专业和地理信息科学专业理论与实践教学效果对标分析。两专业《测量学》理论课时及实践教学课时均为32课时，合计64课时。理论课时因疫情影响均采用线上教学的模式，授课教师为相同人员。实践课程方面，地理信息科学专业采用复课后及时进行线下实践，教学方式为传统模式。测绘工程专业采用线上4个课时虚拟仿真平台使用指导，学生业余时间采用虚拟仿真技术独立完成随堂实践练习，正式开学后结合线下进行实践操作的教学模式。

3.1 理论考核分析

为全面分析虚拟仿真的实际教学效果，依授课班级110名学生为调查对象，分别对《测量学》期末考试、实践考核情况进行了统计。《测量学》期末试卷总分为100分，其中涉及的计算题在理论教学、实践教学及虚拟仿真平台中均进行了详细讲解和练习。期末考试题型中，虚拟仿真训练涉及的题型及分值见表1。传统教学模式与基于虚拟仿真相结合的教学模式，期末成绩对比如图3所示。

图3 两种教学模式期末试卷成绩统计图

表1 虚拟仿真涉及期末考试题型及分值

由图3可知，采用传统教学模式与基于虚拟仿真的混合教学模式的期末成绩均呈现正态分布状态，试题具有较好的区分度。基于虚拟仿真的混合式实践教学班级学生成绩优秀率20.6%、良好率 30.3%、合格率31.7%、不及格率17.4%。而传统班的教学期末考试成绩学生优秀率为12.3%、良好率 22.9%、合格率38.7%、不及格率26.1%。对比期末试卷成绩可知，基于虚拟仿真的混合式实践教学班级卷面优秀率和良好率均较传统的教学模式高，传统教学模式班级的学生成绩更多地集中在 60～69 分之间，基于虚拟仿真的混合教学班级学生成绩在80～89分与60～69分的人数基本相当；传统教学班级的学生有26.1%的成绩不及格，此项统计在虚拟仿真混合教学班级仅有17.4%；进一步分析可知虚拟仿真混合教学班级的成绩与传统教学成绩的差异主要集中在占分值比重较大的计算题和填表题上，而这两项成绩和实践教学是密不可分的。基于虚拟仿真的班级填表和计算题型中，65%的同学达到满分，扣分严重同学的除部分平时实践成绩不高外，还有部分同学因计算失误而造成填表失分。传统班级这两项的分值满分率较低，仅为20%左右，甚至部分同学是0分。由此可知，基于虚拟仿真混合实践教学模式下，学生的成绩明显优于传统教学模式，且成绩波动较小。通过对学生的期末考试成绩分析表明，虚拟仿真技术能以较大的幅度提升学生成绩，具有十分广阔的应用前景[15]。

3.2 实践考核分析

虚拟仿真混合实践教学考核，可依据实际需要对每位同学从方案设计、仪器操作及测量数据处理进行独立考核。考核方式简单，操作性强，能够帮助教师更好地进行测量学实践课程的考核。而传统方式为团体考核，导致仅有部分同学掌握仪器使用，部分同学缺乏学习主动性，实践课程结束，甚至有部分同学不清楚仪器的基本功能是什么。当然，纯粹的虚拟仿真实践教学也有一定的劣势，如虚拟和现实有一定的差异、不利于培养学生的团队合作等问题。因此，在实践教学过程中应取其优势去其劣势。实践教学考核的目的不是为了让学生挂科，而是通过考核掌握学生对知识点的掌握程度，让学生更进一步的巩固未掌握的知识，故滁州学院的做法是指导教师对考核项目提出问题后，允许学生对问题进行改正，但是评优仅给首次优秀的学生，而经过修改后达到优秀的，评为良好，不合格的修正后仅评为合格，不合格给指出问题仍不改正或改正后仍达不到合格标准的则评为不合格。表2为前文两班级实践教学中传统教学考核与虚拟仿真+现场实践的考核项目统计对比表。

表2 不同实践方式对比表

为更进一步分析上述教学模式的优缺点，将传统班与虚拟仿真混合实践班的各项考核成绩进行统计对比（仅统计成果第一次上交的实践成果，不含实践报告）。因无人机操控项目在传统实践教学中未能进行，故仅比较其它考核项目的成绩，统计结果见图4。

图4 目标达成度统计图

由图4统计结果可知：通过虚拟仿真混合实践的授课方式学习后，混合实践班级实践考核结果优秀率高，不及格率低；而传统实践教学各项指标较混合班劣势明显；图4导线测量的统计结果说明导线测量在几个项目中难度大、仪器测量种类多、测量成果易超限等，导致该项实际考核不及格率高，也说明了仅靠虚拟仿真对于难度较大的实践项目，不是太理想，需要将虚拟仿真与现场实践结合起来。将实践考核结果与期末考试成绩作进一步分析发现：传统模式分组团体考核，存在部分同学混实习混学分现象，虽然测量成果及数据处理结果显示该组同学掌握了相关仪器操作及数据处理方法，往往是组内抄袭所致，仅部分同学掌握了测量方法或数据处理（甚至个别组无人掌握正确的数据处理方法）。统计还发现传统教学模式实验报告及数据处理雷同率高。由于虚拟仿真所测数据的差异性，需要自己独立思考和撰写实践报告，能够更好地锻炼学生的独立思考和解决问题的能力，达到较好的教学效果。由上述统计分析也可知：仅仅依靠虚拟仿真技术是不尽完美的，需要和实际操作结合起来，达到优势互补的目的。

4 结论

测量学知识点杂、仪器种类多，既需要较强的数学基础又需要较强的动手能力，加之测量学中的部分实验具有一定风险性，仪器更新难以紧跟生产实际，因此，部分学生难以全面掌握测量学中较新的技术与方法。虚拟仿真技术克服了上述问题的限制，特别是当前疫情防控常态化情况下，虚拟仿真技术可以很好地将理论教学与实践教学同步结合。课外独立考核给了学生自主学习的动力。克服传统实践团队考核的不足，培养了学生独立解决问题和数据处理能力。且虚拟仿真技术紧扣实践教学大纲，将理论教学中难理解的部分概念与定义可视化，使学生更易掌握测量学中的知识点。

尽管虚拟仿真具有大量的优势，但虚拟仿真平台的建设仍然需注意以下问题，以便更好地发挥其优势：（1）平台易操作，并设置数据定期自动保存模式，避免学生因误操作或“死机”导致反复重做实验而产生排斥心理；（2）教师应及时检查学生的成果并进行评阅，避免学生出现混学分或不提交成果等问题；（3）虚拟仿真实践需要编写详细的实验操作指导书，便于学生上手操作；（4）条件允许情况下，应及时与实际操作有效结合，仅靠虚拟仿真难以全面替代真实仪器操作，只有将两者有效的结合，才能更好地发挥各自优势，真正实现教学相长的目的。