虚拟实验室与虚拟仿真实验在测绘教学中的应用

吕伟才 余学祥 徐克立

摘要：本文顺应新时代教育高质量发展的要求，打造新工科背景下测绘专业实践课程，基于数字化教育转型，对传统工科教育进行虚拟实验室与虚拟仿真实验教学改革。本文分析了虚拟仿真实验在测绘教学中的应用方式，对解决当前存在的问题提出了一些改进建议，并对未来与互联网的结合做出了展望，为学院的发展提供参考，推进区域教育向数字化转型。

关键词：虚拟实验室；虚拟仿真；教学改革；测绘工程

引言

国家建设，测绘先行。测绘作为各项工程项目的基础，为国家经济建设提供数据支撑、为国土安全提供数据保障、为环境保护和灾害防护提供预警信息，在现代社会中发挥着重要的作用[1-2]。随着科技的高速发展，传统测绘技术与多个领域技术结合，形成了无人机、激光雷达、遥感等多种新型测量技术手段，使得测绘由原来单一的测量与制图功能发展成可为自然环境监测、城市实景三维建设、智能安全监测等多种功能服务的高新技术。测绘设备日新月异，发展迅速，在行业内得到了广泛的应用。然而，现阶段的测绘教学内容并不能与现有技术的需求相匹配，教学内容落后、教学方式以课堂讲解为主，无法让学生学习掌握这些测绘新兴技术，传统的测绘手段也让学生失去对测绘学的兴趣与学习欲望[3]。因此，为了培养适应时代的测绘专业人才，本文探讨新的教学方式、实行新的教学手段，弥补现有教学的缺点。

1. 测绘类专业教育存在的主要问题

（1）测绘专业的课程教学主要集中在传统测量设备如水准仪、全站仪和GNSS接收机上[4]。尽管我们提供了一些前沿的专题讲座供学生学习，但普通高校仍然面临难以接触新型高精度仪器设备、缺少拥有丰富经验教师传授新兴技术等问题。这意味着学生将缺少机会深入了解这些仪器的具体操作流程，从而影响了他们的综合能力的培养。虽然大多数开设测绘专业的高校都提供测绘工程实习和必要的仪器设备，但校内的实习通常只满足学生熟练掌握仪器的基本安装和使用需求。由于实习场地受限，学生在控制点布设方面难以达到将整个测量区域完全包围的要求。此外，学生对于实验的目的、方案设计和工作安排了解不深，这对后期实验分析和未来的实际测量都带来了负面影响。因此，我们需要探讨如何克服这些问题，以提高测绘教育的质量和实用性。

（2）随着安徽理工大学空间信息与测绘工程学院实验室建设规模不断扩大，仪器设备数量也在不断增加，仪器设备的管理变得愈发重要。测绘仪器通常具有高度的精密性，不规范使用和存放可能会导致仪器的精度下降，甚至造成设备损坏。此外，设备购买信息无法及时传达给部分教师和学生，导致他们无法轻松了解可用的仪器数量和设备的借用情况。这种信息滞后导致已有的仪器无法有效地投入到教学和科研中，浪费资源，影响教育质量。考虑到实验器材价格昂贵且仪器元件的寿命有限，例如无人机的相机镜头寿命仅有50万次快门次数，频繁使用将导致额外的仪器维护费用，这在实训过程中会带来更多的成本和挑战。教学实践与理论知识的结合在教育中具有极为重要的意义[5]。然而，通常情况下，教学实践被安排在学生学习完理论知识之后，这种不合理的时间安排会导致学习效率下降。此外，这也可能影响学生的学习积极性和创新能力，因为他们没有机会将理论知识直接应用于实践中。需要重新思考和调整教学模式，以确保学生在学习过程中能够更好地理解和应用所学知识，提高他们的实践能力和综合素养。

2. 虚拟实验室与仿真实验的应用分析

针对上述问题，安徽理工大学空间信息与测绘工程学院通过完善实验室仪器管理制度、建立虚拟实验室平台、开发虚拟仿真实验软件等进行了实践教学改革。

（1）为了有效解决仪器设备管理中的问题，我们采取了一系列措施，以提高设备的使用效率和延长设备寿命。首先，通过进行全面调研，分析了各种仪器设备的使用率和损坏率。根据这些数据制定了不同的管理方案，以更好地满足不同仪器的管理需求。其次，简化了常用仪器的借用流程，使学生和教师能够更轻松地借用设备。最后，我们强调了常用仪器的操作注意事项，以降低仪器的使用风险，确保设备得到妥善使用。针对高精度仪器设备，增加了借用条件，实行专人管理，明确了管理责任。制定了相关的规范制度，以确保设备在使用过程中不会受到不必要的损坏。在购买高精度和昂贵的设备之前，要求提供详细的证明材料，包括設备的使用用途、所属项目和预期结果等信息。这样可以确保购入的仪器具有一定的使用价值，并且符合教学和科研的需求。这些措施的实施将有助于提高仪器设备的管理效率，延长设备的使用寿命，降低维护成本，并确保设备在教学和科研中得到充分利用。通过这些改革举措，我们旨在为未来学院的发展提供更好的设备支持，推动教育质量的提升。

（2）积极充分发掘校园网络的潜力，建立起一套高效的校园虚拟实验室设备管理平台，以更好地管理和利用校内设备资源。这一平台的核心目标是提供便捷的设备管理和共享机制，为学生和教师创造更好的教学和研究环境。通过平台及时公开学校已有的设备资源信息，使学生和教师能够随时在线查询设备的详细信息，包括设备规格、数量、可用状态等，以便更好地满足各自的需求。同时将设备的借记流程和手续整合到在线平台中，学生可以方便地提交仪器使用权限申请。教师则可以通过手机端一键批准申请，从而避免因公务出差而导致实验室无人值守的情况发生。这一便捷的系统有助于提高设备的利用率和管理效率。

（3）为了解决部分高精度设备不适合用于教学实验的问题，我们积极研发了一套具有真实性和交互性的仿真实验软件，旨在给学生提供一个安全、高效的学习环境。这一仿真实验软件利用计算机技术，精确模拟了仪器设备的工作流程，同时在系统中引入了真实工程场景，使学生在掌握了基础理论知识后，能够借助虚拟仿真软件进行实际操作，达到1+1＞2的效果。这不仅为学生提供了更多的动手实践机会，还激发了他们更深的学习兴趣，使他们更好地理解和掌握测绘技术。值得注意的是，这项技术还将彻底改变测绘实习野外教学的传统模式。通过将实习环境从高风险的野外转移到安全的室内，学生不再受时间和环境的限制。这不仅增加了学生的教学任务安排的灵活性，还大大降低了潜在的风险。这一仿真实验软件的开发不仅填补了传统教育中高精度设备难以应用于实验的空白，还为学生提供了更多的学习机会和更安全的实践环境，有望为测绘教育的未来发展注入新的活力。

3. 教学实践改革

（1）对授课老师进行专业培训，学习掌握虚拟仿真平台的各项功能，设立虚拟仿真平台办公室，设立办公室值班教师解决软件相关问题。在学校机房安装虚拟仿真平台软件供教学使用。将原有实习教学穿插在日常理论教学当中，根据理论教学进度安排虚拟仿真平台的实习。同时将平台通过校园网上传至网络，让学生在课后也可以学习。在指导方法上以学生实训为主，以教师指导为辅，学生在理论学习中了解各类仪器的使用方法后自主学习操作方法。用实习计划书代替课本，逐步完成实习任务，得到最后的实习成果。教师还可以设计真实的工程场景，供学生设计安排实验计划，让学生拥有解决工程难题的能力，如图1所示。

（2）对教学效果进行评价，可以了解教学各方面的情况，从而判断其质量和水平、成效和缺陷[6-7]。通过全面客观的评价，可以找出学生成绩较差的原因，并分析出主要原因，同时可以看出学生完成了多少教学目标。教学评价如同体检，是对教学过程进行严谨的、科学的诊断，具有激励、调节教学的作用。评价对教师和学生具有监督和强化作用。通过评价，可以体现教学效果的好坏和学习成绩的优劣。过去的大量经验和研究表明，一定的测验与成绩记录可以有效激发学生的学习动机，增强学生的学习兴趣，同时推动课堂学习高效开展。评价蕴含的信息可以让老师了解自己的教学情况，让学生了解自己的学习进度。教师基于这些信息修订教学计划，调整教学内容，从而有效地开展教学进程，达到教学任务规定的目标，这就是评价所发挥的调节作用。评价本身也是种教学活动。这种活动可以促进学生培养自身的智力和品德，增长知识，培养技能。教学评价的方法可以是测验、征答、观察提问、作业检查等。

4. 讨论与展望

制作虚拟实验室平台与虚拟仿真实验软件，需要投入大量资金和精力，包括服务器的搭建、实验场地的安排、实验指导老师的培训以及后期系统的维护更新等。这是一个不可或缺的过程，因为它涉及软件平台的顺利运行与持续发展。尽管投入大量资金，但是否能够达到预期效果，是否能够实现软件的设计目标，仍需要进行实验论证与验证。然而，平台软件的开发可以显著降低实验室的资金投入。实验室不再需要购买昂贵的精密仪器，也减少了仪器维护与更新的费用，从长远来看，这可以有效地节约仪器设备相关的资金投入。人们通常认为，只有通过亲自动手实践，才能真正熟练地掌握一项技能，才能够在实际应用中应对突发情况。虚拟仿真实验可能难以模拟这些突发情况。对于教师而言，虚拟仿真实验也是一种全新的教学方法，需要打破传统教学模式，重新设计教学方案。对于学生而言，虚拟仿真实验缺乏实际操作的真实感，与真实实验相比过于理想化，对于测绘这种需要强大实践能力的专业而言，可能并不足够。因此，虚拟仿真实验与传统实验应该相互补充，以解决这些问题。学生可以通过虚拟仿真实验来熟练掌握仪器操作技能，然后再由教师引导进行实际实验，以避免因不熟悉操作而导致的安全风险。教师则可以借助虚拟仿真技术的学习经验，自主设计新的实验场景和问题，使学生更深入地了解实际应用中的注意事项，从而更好地培养他们的实际操作技能。

综上所述，虚拟仿真实验是一种有潜力的教学方式。尽管存在一些局限性，但通过与传统实验相结合，可以充分发挥其优势，提高学生的学习体验和实践能力，同时降低实验室设备的成本和风险，为教育和科研领域带来更多的机会和便利。互联网与虚拟實验室的融合催生了众多前景广阔的应用，挖掘了潜在的益处，为科研、教育和工程领域带来了一系列创新。这种融合将互联网的信息传递和共享能力与虚拟实验室的模拟和实验技术相结合，形成了一种强大的联合力量。通过互联网，学生和研究人员得以摆脱校园网的限制访问虚拟实验室，进行实验操作和数据收集，这对于学生的远程学习和科研合作具有巨大的价值。互联网的便捷性使得来自不同地区的研究团队能够协同工作，创造更广阔的合作机会。虚拟实验室提供了一致的实验环境，使得研究人员可以共享实验数据、模型和结果，促进各组织之间的合作与知识交流。同时，结合互联网和虚拟实验室，科研人员可以更轻松地共享和分析大量的实验数据，从而推动数据驱动的科学研究迅速前进。互联网与虚拟实验室的结合还具有广泛的培训和演示潜力，可以用于行业培训和专业演示，提供更生动、互动的学习体验，为从业人员提供高效的培训手段和模拟实践机会。互联网和虚拟实验室的结合开辟了广阔的应用前景，不仅促进了科学研究和知识共享，也为教育和培训领域带来了创新。这一趋势将继续塑造未来的学习与科研模式，推动各个领域的发展。

结语

数字化教育已成为我国开拓教育发展的重要突破口，推行数字化教育是未来教育发展的必然趋势。虚拟实验室与虚拟仿真实验不仅可以改变传统测绘教学的模式，提高教学质量，还有利于学院发展为更加科学、规范、合理的现代化学院。同时结合互联网与数字技术，可以使学生高度参与教学过程，有利于培养高素质人才，锻炼学生的专业素养和工作能力，为他们将来步入社会奠定扎实基础。

参考文献：

[1]黄建.信息化测绘时代工程测绘的发展趋势分析[J].信息系统工程，2021（3）： 14-16.

[2]张艳.新型测绘在地理国情监测中的应用[J].经纬天地，2020（1）：88-90.

[3]杜晓圆，宁永香，陈胜华.新建地方应用型本科院校测绘工程虚拟仿真教学模式探索——以山西工程技术学院为例[J].创新创业理论研究与实践，2022，5（21）： 137-140.

[4]杜守航.新工科建设下测量学教学改革研究[J].科技风，2023（14）：102-104.

[5]朱广琴.理论与实践“同进互补”提升教学质量[N].中国社会科学报，2022-12-29（12）.

[6]兰天静.对智慧教育环境下高校课堂教学评价方法创新的思考和探索[J].现代职业教育，2023，（24）：145-148.

[7]钟思明.基于大数据的陕西省高校排球普修课教学评价模式的构建研究[D].西安：西安体育学院，2023.

作者简介：吕伟才，博士研究生，教授，研究方向：现代测量数据处理、GNSS测量与数据处理；余学祥，博士研究生，教授，研究方向：卫星定位技术及其应用、变形监测自动化、软件工程实践；徐克立，硕士研究生，研究方向：生态遥感研究。

基金项目：矿山变形监测虚拟教研室（编号：2021xnjys007）；导航工程专业教学团队（编号：2021jxtd083）。