基于虚拟仿真的测绘课程教学改革探索与实践

谭金石 高照忠 杨忞婧 祖为国 刘 丽

(1. 广东工贸职业技术学院, 广东 广州 510510;2. 测绘地理信息技术职业教育示范性虚拟仿真实训基地, 广东 广州 510510)

0 引言

随着网络技术、虚拟现实等技术的发展,为当前职业教育提供了新的机遇[1]。根据教育部《教育信息化“十三五”规划》要求,全面提升信息技术支撑和引领职业教育创新发展的能力,加快推进职业教育现代化[2],提出“职业教育要着力用现代信息技术改造传统教学,重点解决实训教学中‘进不去、看不见、动不了、难再现’的难题;继续教育要建立线上线下相结合的混合式教学模式,为全民学习、终身学习提供方便、灵活、个性化的学习条件”。

针对当前职业院校测绘地理信息技术实训教学过程中存在的问题,结合职业院校学生个性化、信息化、智能化、泛在化学习需求,提出了混合教学模式下测绘地理信息技术虚拟仿真实训教学模式,将戴明循环(PDCA)理论引入实训教学管理,覆盖实训全过程,确保实训的质量和水平。实践证明,新模式在丰富实训教学内容、提升学生实训的积极性、突破实训环境设备限制、突破时空限制、提升实训质量与水平等方面具有显著优势,可为其他专业的实训教学改革提供借鉴与参考[3-5]。

1 测绘课程实训教学存在的问题

1.1 实训设备贵,危险性高

测绘仪器设备是测绘地理信息技术实训的基础[6]。随着科学技术的发展,测绘仪器设备越来越先进、越高端,同时存在设备实训危险性高、设备昂贵等问题。如三维激光扫描课程,设备昂贵,单价高达100万元,数量少。无人机摄影测量实训需要操控无人机,而无人机飞行过程中存在坠毁风险,还会对生命和财产安全造成威胁[7]。通过虚拟仿真实训,将测绘仪器设备构造、实训环境、实训全过程进行虚拟仿真,突破仪器设备的限制和时间限制,学生在虚拟仿真实训平台中训练达标后,开展真机实训,能大大提升实训效果,降低风险,减少设备损耗。

1.2 实训场景不具备,高危环境

测绘地理信息技术很多实训需要特定的场地环境,存在可行性、安全性、费用成本等因素。如海洋测绘实训需要在海上进行,通常是由海洋综合调查船或科考船作为实训实验平台[8-9]。滑坡监测、地震监测等实训项目需要在高危环境进行,而且难于找到真实的实训场地。工程测量中的隧道、矿山测量、沉降观测等,可以建立隧道实体模型、沉降基坑模型等。针对以上情况,建立虚拟仿真实训场景,虚拟仿真实训代替真实实训,学生在VR环境下身临其境地完成实训过程,可减少对贵重设备误操作、降低实训危险性,以较低成本完成生产过程实训。

1.3 实训过程长,结果难复现

有些测绘活动涉及实施周期长,在有限的课堂实训时间难以完成。如变形监测,存在“风险高、难度大、周期长、单次观测时间长”等特性,导致实训教学中学生很难在真实场景进行实训[10]。通过采用虚拟仿真实训,学生先在虚拟仿真系统中熟悉测量场景、技术要求、熟练实操过程、数据处理等环节,然后在实体模型中进行测量实训,会大大缩短实训耗时,提高教学效果,通过虚拟仿真实训和实物仿真实训可以让学生扎实掌握测绘项目的作业流程和技术要领。

1.4 突破时空限制,自主实训

对于能够在实训室完成的实训操作,坚持以真实实训为主,比如常规测量设备[水准仪、全站仪、实时动态载波相位差分技术(real time kinematic,RTK)等]的使用操作,测量技术基础课程、数字化测图、控制测量等能够在学校实训场所完成的实训课程[11],坚持真实实训为主,在课前预习、课后复习时以虚拟仿真操作为补充,使得实训课程在时间和空间上进行延伸,夯实学生基本操作技能,这部分实训课程采用以实带虚、虚实结合的实训方法。

2 虚实仿真的混合式教学构建

虚实仿真实训教学模式,即在整个实训教学过程中,将线上和线下有机结合组成混合式教学[12],同时将虚拟仿真实训与真实实训贯穿全过程,形成以“学生为主体,教师为主导”的新课堂。该教学模式的流程如图1所示,主要包括PDCA循环实训教学管理和混合实训教学。

图1 虚实结合的混合式实训教学模式流程图

2.1 PDCA循环实训教学管理

PDCA循环又称为“戴明循环”[13],通过计划(P)、实施(D)、检查(C)、改进(A)的不断循环,以提高质量为目的循环过程,以持续改进为理念的质量管理模式,并被逐步引入到教学质量管理[13]。本文引入PDCA质量管理模式,以提高高职实训教学质量。

2.1.1计划阶段(P)——教学准备

计划阶段(P)为教学准备,教师需要进行课程教学设计;准备数字化教学资源,包括授课PPT、任务书、视频、实训指导书、题库等;将教学资源发布于在线教学平台,包括职教云、优慕课、智慧树等,这些平台覆盖课程建设、任务发布、互动讨论、作业/测试、学时统计及课程评价等功能;配套虚拟仿真教学软件及资源,针对课程需要用到虚拟仿真的教学点,将任务发布到指定的虚拟仿真平台。学生根据教师发布的任务进行课前自主学习与训练,教师在课前了解学生学习状况,把握重难点,为教学实施做到有的放矢。

2.1.2实施阶段(D)——教学实施

教师根据教学设计组织课堂教学活动的过程,与学生共同参与,最终实现教学目标,即PDCA的D阶段。教学实施包括了课前、课中、课后三个阶段。课前,教师通过教学平台引导学生自主完成任务学习,包括虚拟仿真平台的学习与训练。课中,教师开展线下教学,通过虚拟仿真平台实训与真实场景中的实训。课后,学生根据任务完成情况和知识点、技能点的掌握情况,进行课后自主学习,教师利用碎片化的时间进行辅导与答疑。

2.1.3检查阶段(C)——教学评价

教学评价是对前期教学准备、教学实施两个阶段的评价,是判断教师教学与学生学习情况的一个重要环节。教师通过虚拟仿真管理平台、在线学习平台了解学生对知识点、技能点的学习情况,作为学生成绩考核的重要依据。学生通过学习平台对教师的教学活动给出评价。教学评价是虚拟仿真教学管理平台和在线学习平台必备的功能,通过设计合理的教学评价体系有利于发现教学过程中存在的问题,教师掌握学生学习状态和提升、改善教学方法,促进教师和学生共同成长。

2.1.4处理阶段(A)——教学反思

教学反思是对前面教学活动进一步提升的活动。教师针对教学评价中发现的问题进行研究,总结经验与教训,对教学方法、课程设计及课程开发等进行改进与完善。学生对知识点与技能点进行消化,同时进行总结、反思,实现知识、技能及素养等综合能力的提升。随后进入下一个教学准备阶段,即下一个PDCA循环,不断循环、提升。

2.2 混合式实训教学模式

早期职业院校测绘地理信息技术实训教学往往是先在课堂进行理论教学,再在室外使用测绘仪器设备进行实训[15],学校、教师与课本主导着整个实训过程,学生处于一种被灌输的状态。在实训过程中,还受到时空、设备等方面的限制。接着开展混合式教学改革,积极开展线上开放教学,出现了诸多线上教学资源,如智慧职教、优慕课等,在一定程度上突破了时空的限制。但是对于实训教学,还是以文本、动画或视频等形式进行观看式的学习,不能动手实操,被动式学习,相当于传统的被灌输状态。因此,传统实训教学方式和在线开放教学均难于取得较好的实训效果。针对高职学生的个性化、智能化、信息化的实训需求,本文探索了一种集课堂教学、线上线下教学[12]、虚实结合于一体的混合实训教学模式,即将虚拟仿真融入线上线下实训教学。

线上实训教学,主要将数字化在线学习资源放到开放或者限制性公开平台,同时借助在线的虚拟仿真实训平台,为学生提供全方位的、既有泛在化又分层次的优质教学资源和实训环境。学生根据教学进度自主学习,随时随地按需实训。评价系统对实训效果进行评价。在线上实训过程中,遇到问题或者疑问,可以开展师生在线答疑、一起讨论。通过实训管理平台,师生均可以了解到学生的学习情况。

线下实训也是非常重要的环节,不仅可以开展课堂教学,还可以开展课堂讨论、重难点答疑讲解、翻转课堂教学[16]、实训示范等教学活动。教师可以根据学生的学习情况进行教学设计的微调,解决实习过程中的共性或个性问题。高效地让学生在线上学习后进行线下实训补充,让每一位学生掌握好知识点与技能,真正实现理论与实践相结合,学习自主化、个性化。

3 虚拟仿真实训教学的实践

本文以“无人机测绘”课程的“无人机航空摄影实训”为例,阐述虚拟仿真的实训教学具体实训过程。

3.1 教学准备

无人机航空摄影实训任务主要包括无人机飞行操控、航摄任务规划、外业航摄实施等内容,学时为6学时。本部分实训任务存在典型的“三高三难”问题,其存在的难点及对策分析如表1所示。

表1 无人机航空摄影实训难点分析及对策

为了保证实训任务安全、有效地开展,线上教学采用优慕课在线教学平台,依托平台发布丰富的数字化教学资源。

无人机航空摄影实训采用学院与南方测绘联合研发的无人机摄影测量仿真实训软件,如图2所示,该软件以大疆无人机为原型,通过虚拟现实技术实现在虚拟环境中使用鼠标键盘或者无人机手柄模拟操控无人机驾驶的一款软件,打破无人机现有操控学习中受限于场地、时间等因素的状况,让学生能够安全、迅速、便捷地进行无人机操控模拟训练和学习(图3)。

图2 无人机摄影测量仿真实训软件

图3 无人机虚拟仿真操控设备

3.2 教学实施

课前,教师在优慕课在线学习平台(或课程伴侣APP)发布学习任务[17],学生自主学习理论知识与实训相关内容,并完成相应测试。课中,教师根据学生自主学习情况进行重难点讲解,更多时间让学生实践与互动讨论,并完成实训任务。课后,学生自主完成实训任务、拓展任务(探索性、创新型)或者实训强化训练(表2)。虚拟仿真实训可以线上线下和课堂方式进行,无缝衔接,整个教学过程虚实结合。

表2 无人机航空摄影实训内容设计

在虚拟仿真实训过程中,实训软件提供从无人机结构、组装、工作原理、航线规划、控制模拟器、航飞采集、无人机作业模拟等实训任务。在虚拟实训中,先利用无人机模拟器训练无人机的操控,在模拟器中达到满足外业真机飞行的要求方可进入下一步真机飞行。

在航摄任务规划部分,先任务规划的基本流程,各参数的含义,再结合实际的实训场地圈定飞行范围,完成任务规划后,在软件中模拟整个飞行过程,并对飞行任务进行优化。在飞行操控和任务规划完成并达标后,才可开展外业航摄实施,将任务上传至无人机,结合无人机控制飞行软件进行航摄实施。

3.3 教学评价

教学评价分为在线课程教学评价[18]和虚拟仿真实训评价[19]。在线课程教学评价通过优慕课在线平台进行多维度的评价与考核。虚拟仿真实训评价,根据教、学、练的主动学习能力,自主完成综合性的虚拟实训操作,实现学生由课堂到课外实训的顺利过渡,学生在实训任务完成过程中,软件实现读数仿真、精准,全过程记录实训操作,通过记录和计算,反馈追踪测绘过程的正确性、测绘成果的质量性。教师可通过实训平台调整,实现任务差异化订制指派发布。通过调查问卷的形式收集对于教学的反馈与评价,包括授课方式、授课内容、平台使用、辅导、虚拟仿真改善等,这些评价与反馈是后续改进教学的重要参考依据。

3.4 教学反思

统计2020—2021年期间,采用虚拟仿真实训教学班级,与传统教学进行对比,从线上自主学习、课前预习、课后拓展训练、实体实训等方面进行比较分析,如表3所示。统计数据表明,加入虚拟仿真实训后,学生自主学习与课前预习的积极性和完成情况明显提升,考核分数平均提升15.65%,在实体实训过程中,实训效果提升11.6%,在课后拓训练有明显提升,达23.7%。在高职学生中,自主学习的积极性一直是教师教学过程中遇到的难题,在学校开放的实训室,加入虚拟仿真自主实训,课后拓展激发学生的求知欲、探索精神、工匠精神,达到了良好的实训教学效果。

表3 不同教学方式任务完成度

同时,收集学生反馈的意见与建议：建议线上教学视频更细化,每个不要太长;在虚拟仿真实训中,设置更多的等级,可以挑战更多的任务;建议增加实体实训的机会。这些情况基本上与高职学生喜欢动手实操,喜欢多样化的内容,同样富有挑战精神相吻合。在后续的实训教学资源准备、确保安全的情况下,相应增加实体实训。

4 教学效果

经过两年的虚拟仿真实训教学探索与实践,同时伴随着国家级测绘地理信息技术虚拟仿真实训基地建设,测绘地理信息类多门专业课程展开虚拟仿真实训教学,实训效果和实训成绩均有较大幅度提升,得到学生和社会的认可。无人机测绘是典型的“三高三难”课程,虚拟仿真融入训练,2020年、2021年无人机教师团队带队两支学生队伍获取广东省职业院校学生专业技能大赛无人机应用技能与创新赛项一等奖4项。“达北杯”无人机测绘行业赛一等奖1项。教学团队在教学改革、教学比赛和科研方面也有较大提升。

5 结束语

针对职业院校测绘地理信息技术实训教学过程中存在的问题,探索在混合式教学模式下加入虚拟仿真的实训教学模式,把PDCA循环理论引入实训教学管理,以教师为主导和学生为主体,对实训教学效果有了很大提升。混合式教学下开展虚拟仿真实训,充分发挥混合式教学与虚拟仿真各自的优势,实现学生随时随地学习,突破实训条件限制,在虚拟环境中实训,有效地解决实训过程的“三高三难”问题、学生学习积极性不高、学习考核评价难等问题。当然,实践教学是一项长期更新迭代的过程,需要在实训教学过程中,不断地进行PDCA更新完善,从而提高教学水平和教学质量,为国家培养更多的复合型技术人才。