盧立果，胡偉建，魯鐵定，許冬來，吳湯婷

(1.東華理工大學(xué) 江西省數(shù)字國土重點實驗室，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013；3.廣州南方測繪科技股份有限公司南昌分公司，江西 南昌 330200)

“測量學(xué)”是測繪專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，在測繪工程課程體系中占舉足輕重的地位[1-2]。實驗教學(xué)是鞏固理論教學(xué)、強化動手能力、培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)[3]。傳統(tǒng)實驗教學(xué)是以教師為主導(dǎo)，根據(jù)課堂講授，安排實驗內(nèi)容，卻忽視了學(xué)生的主體性和能動性，不利于學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時，傳統(tǒng)實驗教學(xué)面臨實習(xí)條件易受天氣、疫情等外界環(huán)境影響；儀器操作以組為單位，難以保證組內(nèi)成員全部掌握；學(xué)生實習(xí)分布范圍廣，難以有效跟蹤定位指導(dǎo)等問題[4-5]。這些原因都讓實驗教學(xué)受到較大的影響，但目前推廣的虛擬仿真實驗教學(xué)則可以很好地解決這些問題[6]。虛擬仿真實驗教學(xué)以沉浸式+體驗性教學(xué)為主體，采用虛擬方式開展實訓(xùn)內(nèi)容，突破時空場景的限制，是線下實驗教學(xué)方式的有效補充[7-8]。《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范化虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》指明了虛擬仿真實驗可以作為線上實驗教學(xué)的新途徑。

此外，受新冠疫情的影響，今年上半年線下實驗教學(xué)無法大規(guī)模聚集性開展。虛擬仿真實驗教學(xué)為疫情期間的實驗教學(xué)提供可能性。鑒于虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢及線上實驗教學(xué)的迫切性，南方測繪適時提供虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，為一般院校虛擬仿真實驗教學(xué)的開展提供了平臺。

因此，本文基于南方測繪虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，針對東華理工大學(xué)測繪工程專業(yè)“測量學(xué)”課程實驗，探討虛實融合的混合式實驗教學(xué)新模式。

1 南方測繪虛擬仿真實訓(xùn)平臺

南方測繪仿真實訓(xùn)平臺是由南方測繪開發(fā)的智能化實驗教學(xué)系統(tǒng)。目前面向用戶開放二等水準(zhǔn)測量和數(shù)字測圖仿真系統(tǒng)，滿足“測量學(xué)”實驗教學(xué)的需求。

1.1 水準(zhǔn)測量虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)

水準(zhǔn)測量是用水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺測定地面上兩點間高差，精確測定地面點高程[9-10]。依據(jù)水準(zhǔn)測量的原理、儀器操作、測量方法等內(nèi)容，水準(zhǔn)測量虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)具備以下功能模塊：

1)設(shè)備認(rèn)知：外觀高度逼真，并且外形尺寸與真實南方DL-2003A水準(zhǔn)儀相同，用戶可點擊儀器設(shè)備的不同部位，顯示儀器的部件信息；

2)儀器架設(shè)：安放腳架、安裝儀器等儀器架設(shè)操作步驟與方法；

3)線路測量：使用水準(zhǔn)儀完成線路測量的步驟與方法；

4)二等水準(zhǔn)測量：使用水準(zhǔn)儀完成二等水準(zhǔn)測量的步驟與方法；

5)數(shù)據(jù)輸出：導(dǎo)出數(shù)據(jù)格式兼容COSA軟件；

6)智能考核：具備闖關(guān)功能，對學(xué)生的每步操作的正確性、規(guī)范性進(jìn)行自動記錄、評估、計分，并輸出和提交詳細(xì)的考核記錄單。

通過上述功能，該套軟件系統(tǒng)可對學(xué)生水準(zhǔn)測量操作技能進(jìn)行全面考核、提升學(xué)生專業(yè)技能。此外類似于游戲的闖關(guān)模式設(shè)計極具趣味性，能夠提高學(xué)生實驗興趣，增強自主學(xué)習(xí)能力。圖1為水準(zhǔn)測量虛擬實訓(xùn)場景。

圖1 南方測繪仿真實訓(xùn)平臺水準(zhǔn)測量

1.2 數(shù)字測圖仿真實訓(xùn)軟件演示

數(shù)字測圖是以計算機及其軟件為核心在外接輸入輸出設(shè)備的支持下，對地形空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、輸入、成圖、繪圖、輸出、管理的測繪系統(tǒng)[11-13]。依據(jù)數(shù)字測圖的基本原理、儀器操作和測量方式，數(shù)字測圖仿真實訓(xùn)軟件具備以下功能模塊：

1)設(shè)備認(rèn)知：外觀高度逼真，并且外形尺寸與南方NTS340系列全站儀相同，當(dāng)鼠標(biāo)移動到零部件時，自動高亮顯示部件和名稱；

2)儀器架設(shè)：安放腳架、安裝儀器、鎖緊儀器、調(diào)節(jié)對中、整平、照準(zhǔn)、鏡頭調(diào)節(jié)等儀器架設(shè)操作步驟與方法；

3)坐標(biāo)放樣：安放腳架、安裝儀器、鎖緊儀器、調(diào)節(jié)對中、整平、照準(zhǔn)、鏡頭調(diào)節(jié)等儀器架設(shè)操作步驟與方法；

4)碎部測量：使用全站儀完成碎部測量的步驟與方法；

5)數(shù)據(jù)輸出：導(dǎo)出數(shù)據(jù)格式兼容CASS軟件；

6)智能考核：具備闖關(guān)功能，對學(xué)生的每步操作的正確性、規(guī)范性進(jìn)行自動記錄、評估、計分，并輸出和提交詳細(xì)的考核記錄單。

此外，軟件中還加入GPS RTK圖根點測量功能，可以讓學(xué)生根據(jù)數(shù)字測圖場景需要靈活布設(shè)圖根控制點。圖2為數(shù)字測圖虛擬實訓(xùn)場景。

圖2 南方測繪仿真實訓(xùn)平臺數(shù)字測圖

2 虛實融合實驗教學(xué)改革

本文基于南方測繪仿真實訓(xùn)平臺，以東華理工大學(xué)測繪工程專業(yè)核心基礎(chǔ)課程-“測量學(xué)”為對象，從虛實融合的混合式實驗教學(xué)模式和課程考核模式兩個方面對疫情背景下“測量學(xué)”實驗教學(xué)進(jìn)行改革。

2.1 虛實融合實驗教學(xué)模式

在新冠疫情導(dǎo)致無法開展大規(guī)模線下教學(xué)的情形下，虛擬實驗教學(xué)可以讓教師實現(xiàn)實驗教學(xué)演示，學(xué)生虛擬操練的目的，為后續(xù)實際測量奠定理論與實踐基礎(chǔ)。因此，筆者首先基于南方測繪虛擬教學(xué)系統(tǒng)開展線上實驗教學(xué)，然后進(jìn)行實習(xí)分組(4～5人/組)開展線下實際測量教學(xué)，實現(xiàn)虛擬和實際的有效銜接和相互補充。下面依次對這兩種教學(xué)方式簡要介紹。

虛擬仿真實驗?zāi)軌驇沓两?交互式體驗，打破實驗教學(xué)時間和空間的限制。通過趣味性技能操作，能夠讓學(xué)生深入了解實驗原理、儀器部件、操作流程等實驗內(nèi)容，形成立體化、結(jié)構(gòu)化的儀器認(rèn)知，具備獨立完成測量任務(wù)的知識能力；通過逼真形象的三維場景，能夠讓學(xué)生更加直觀了解控制點的布設(shè)、碎部點的選取。虛擬仿真實驗教學(xué)具體實施流程為：

1)系統(tǒng)演示，介紹系統(tǒng)操作的基本命令鍵，水準(zhǔn)儀、全站儀的基本操作要領(lǐng)及注意事項；

2)上機操練，要求學(xué)生完成訓(xùn)練關(guān)卡的各種練習(xí)，掌握基本操作技能；

3)發(fā)布任務(wù)，如水準(zhǔn)測量仿真實驗可以發(fā)布閉合水準(zhǔn)路線測量、附合水準(zhǔn)路線測量、支導(dǎo)線測量三種測量模式，數(shù)字測圖實驗發(fā)布指定區(qū)域的地形測量等；

4)學(xué)生實驗開展和教師指導(dǎo)。教師線上回答學(xué)生測量過程中出現(xiàn)的技術(shù)問題，如水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)的記錄、限差要求、地形測量特征點的選取等；

5)提交考核記錄單，鼓勵學(xué)生反復(fù)練習(xí)，每個人提交最佳的考核結(jié)果，達(dá)到提升技能的目的。

實際測量實習(xí)是對虛擬實驗教學(xué)效果的具體體現(xiàn)，可強化學(xué)生對于儀器設(shè)備的真實感受，利于學(xué)生對基本實驗操作技能的鞏固與提升。線下實驗教學(xué)的基礎(chǔ)為真實環(huán)境、真實儀器。通過真實的外業(yè)測量，可有效鍛煉學(xué)生的實際動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作意識。線下實驗具體實施流程：實習(xí)分組、儀器操練、發(fā)布任務(wù)、學(xué)生實驗開展和教師指導(dǎo)、以組為單位提交成果。

基于上述虛擬實驗和實際測量實驗教學(xué)的闡述，混合式實驗教學(xué)具體流程如圖3所示。

2.2 課程考核模式

課程考核是衡量學(xué)生學(xué)習(xí)水平、評價教學(xué)質(zhì)量、檢驗教學(xué)目標(biāo)落實的主要手段，對教師的教學(xué)設(shè)計和學(xué)生的學(xué)習(xí)行動起著重要的導(dǎo)向和激勵作用[14-18]。傳統(tǒng)線下實驗教學(xué)主要包括過程考核和實習(xí)報告兩部分，這種考核方式已不能全面綜合地反映混合式實驗教學(xué)效果。為此，筆者設(shè)計了適合本課程實驗教學(xué)的考核參數(shù)表，具體如表1所示。其中，虛擬仿真測量考核參數(shù)設(shè)置，主要依據(jù)發(fā)布測量任務(wù)后，由系統(tǒng)給出的任務(wù)點進(jìn)行制訂(如圖4所示)；線下實際測量考核參數(shù)設(shè)置，依據(jù)“測量學(xué)”課程實驗大綱考核要求和參考測量技能大賽考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制訂。

圖3 混合式實驗教學(xué)流程圖

表1 混合式實驗教學(xué)考核參數(shù)表

圖4 閉合水準(zhǔn)測量虛擬仿真實驗任務(wù)點得分

3 教學(xué)效果

為評價混合式實驗教學(xué)效果，筆者采用問卷形式對65名18級(改革前)和63名19級(改革后)測繪專業(yè)學(xué)生“測量學(xué)”實習(xí)效果進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計，從設(shè)備認(rèn)知度、儀器操作熟練度、實習(xí)參與度、實習(xí)達(dá)成度和實習(xí)效果滿意度等五個方面進(jìn)行綜合分析，以評價實習(xí)效果。其中實習(xí)達(dá)成度是指學(xué)生通過實習(xí)是否具備獨立完成測量實驗任務(wù)的能力。

表2是調(diào)查統(tǒng)計的“測量學(xué)”實驗課程評價反饋表。由表2可知，通過混合式實驗教學(xué)，實習(xí)效果的各項評估指標(biāo)較單一的傳統(tǒng)實驗教學(xué)均有較大程度提高。據(jù)調(diào)查反饋，學(xué)生通過線上闖關(guān)式虛擬實訓(xùn)練習(xí)，已達(dá)到對整個流程的完全掌握和理解，在線下實際分組測量實習(xí)時，已克服了對儀器操作的緊張心理，并熟悉儀器操作規(guī)范和觀測流程，因此組內(nèi)每個成員實習(xí)情緒高漲，實習(xí)不再是組長去了解實習(xí)任務(wù)和分工，儀器操作也不局限于某個固定組員，而是全員參與、輪流作業(yè)的一個合作過程。因此，學(xué)生的實習(xí)積極性和實踐技能得到極大提高，學(xué)生對“測量學(xué)”實習(xí)滿意度也得到顯著提升。

4 持續(xù)改進(jìn)

本文基于南方測繪仿真實訓(xùn)平臺，開展混合式實驗教學(xué)改革，為疫情背景下“測量學(xué)”實習(xí)的順利實施提供了保證，并取得了較顯著的實習(xí)效果。但是通過混合式實習(xí)教學(xué)發(fā)現(xiàn)，在虛擬仿真教學(xué)平臺和實際測量方面仍存在需改進(jìn)之處。

表2 “測量學(xué)”實習(xí)效果評價反饋表 %

首先，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)方面，需在功能設(shè)置、實驗細(xì)節(jié)方面進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，以提升用戶體驗度。根據(jù)學(xué)生實習(xí)反饋，建議如下：

1)在GPS基站架設(shè)組件安裝順序方面，虛擬仿真系統(tǒng)里測高片直接安裝在三腳架上面，實際測量過程中應(yīng)在三角架上首先安裝基座，然后依次安裝連接桿、測高片、接收機；

2)在全站儀對中方面，全站儀架設(shè)時儀器中心難以對準(zhǔn)圖根點位中心，當(dāng)儀器在點位附近時，可加設(shè)強制對中功能；

3)在水準(zhǔn)尺立尺方面，水準(zhǔn)尺前后視距無法估計，難以快速調(diào)整前后視距差，可加設(shè)前后距顯示功能，或設(shè)置計步器。

其次，實際測量實習(xí)方面，后續(xù)擬從儀器操作和成圖質(zhì)量兩個方面進(jìn)行改進(jìn)：

1)在儀器操作方面，實習(xí)結(jié)束時增加儀器考核環(huán)節(jié)，主要考核全站儀碎步測量流程，保證每位學(xué)生都能100%熟練操作儀器，并了解觀測步驟；

2)在數(shù)字成圖方面，增加無人機正射影像底圖，以便于學(xué)生對實習(xí)成果的自查，并及時補測和修正。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合南方測繪仿真實訓(xùn)平臺，以東華理工大學(xué)測繪工程專業(yè)核心基礎(chǔ)課程-“測量學(xué)”為對象，從虛實融合的混合式實驗教學(xué)模式和課程考核模式兩個方面對疫情背景下“測量學(xué)”實驗教學(xué)進(jìn)行了改革。采用的虛擬仿真測量與實際測量虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式，突破了疫情影響下“測量學(xué)”實驗教學(xué)時間和空間的限制，極大的提高了學(xué)生的實習(xí)積極性，顯著提升了學(xué)生的實踐技能，為后疫情時代“測量學(xué)”實驗教學(xué)課程改革提供了新模式。