顧展飛 孫慶珍 甘春景

摘 要：虛擬仿真實驗教學是一種新型的模式，它融合了虛擬現(xiàn)實-人機交互-多媒體-網(wǎng)絡(luò)與通信等多種高科技技術(shù)，優(yōu)化和改進了傳統(tǒng)實驗教學中的不足。本文針對土木工程測量實驗在傳統(tǒng)教學中的問題，基于虛擬仿真技術(shù)，從教學理念、教學手段和教學技巧等方面，對傳統(tǒng)教學模式進行優(yōu)化和改進。研究了該技術(shù)在土建類本科生的土木工程測量實驗教學中的優(yōu)勢，以及改進過程中的注意事項。通過以上優(yōu)化與改進措施，可提高學生課堂學習能力、學習效率和土木工程測量實驗的教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：土木工程測量;虛擬仿真;實驗教學;教學方法

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.09.082

0 引言

土木工程測量是土建類專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程基于課堂理論知識的學習，重點在于實驗儀器的操作。近幾年，全國高校推崇新工科教育建設(shè)的新理念，在科技日新月異的時代優(yōu)化傳統(tǒng)工科教學方法。土木工程測量作為一門傳統(tǒng)工科學科，在“復(fù)旦共識”，“北京指南”“天大行動”等方針的引導(dǎo)下，更應(yīng)該主動探索新的出路，利用虛擬仿真技術(shù)優(yōu)化教學理念、教學手段和教學技巧。依托虛擬現(xiàn)實與多媒體技術(shù)，通過對實驗教學的各個環(huán)節(jié)進行模擬仿真，讓繁瑣的實踐教學課程變得高效、簡單，解決實踐教學環(huán)境中不具備或者難以完成的教學功能。同時解決了一些復(fù)雜案例難以呈現(xiàn)或只能在線學習的局限性，以達到節(jié)約現(xiàn)實教學資源、共享教學設(shè)施，提高學生學習興趣的目的。還可以根據(jù)儀器設(shè)備的差異性，制定專屬統(tǒng)一化的交互邏輯，實現(xiàn)學生對各種儀器設(shè)備的認知。

目前，國內(nèi)外土木工程測量的教學方式通常是采用課堂講授、課后練習和課外實驗相互結(jié)合的模式，課堂講授與課外實驗分開進行，無法充分發(fā)揮課堂學習中的余熱。因此，如何圍繞專業(yè)工程對測繪的要求，虛擬構(gòu)建施工案例及對應(yīng)的測繪工作所需的方法，將本專業(yè)和跨專業(yè)的各類知識連接在一起，提升學生實訓(xùn)能力。以及如何在講授過程中利用虛擬仿真技術(shù)來實現(xiàn)隨堂實戰(zhàn)演練是一個值得探究的問題。

1 土木工程測量實驗教學引入虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢及必要性

1.1 可以節(jié)約資金投入、節(jié)省時間，提高安全性

實際的儀器的購買需要大筆費用，而且試驗周期較長，在野外實驗更是具有一定危險性。土木工程測量實驗所使用的儀器大部分比較昂貴，體積較大，并且需要定期維護，實驗過程中也需要學生在較短時間內(nèi)測繪不同位置，部分位置可能位于樓頂、河邊，對人身安全具有一定威脅。引入虛擬仿真技術(shù)可解決類似問題，教師可利用現(xiàn)有的虛擬仿真軟件在室內(nèi)進行講解并讓學生進行操作，使整個實驗過程不再抽象化。

1.2 有助于提高學生動手操作能力

目前土木工程測量實驗教學普遍存在以下幾個方面的問題：儀器數(shù)量少、儀器型號陳舊、儀器老化等。在課外實驗教學中，一個小組6名同學才能分到一臺儀器，這樣就大大減少了每個學生的實際操作時間。資源的不足可能導(dǎo)致學生的學習質(zhì)量下降，使學生動手操作能力得不到鍛煉。虛擬仿真技術(shù)恰能使得資源合理分配，在科技發(fā)達的今天，高校都設(shè)置有虛擬仿真實驗室，而且?guī)缀趺總€大學生都會有一臺電腦，土木工程測量的虛擬仿真實驗打破了空間限制，也消除了實驗周的時間限制，給學生創(chuàng)造了更好的學習條件和學習環(huán)境，與時俱進的科學技術(shù)激發(fā)了學生動手操作的興趣，讓大家體驗一個更好的實驗過程。

1.3 有助于直觀呈現(xiàn)老師課程講解的知識

土木工程測量課程雖然屬于工科，但是書本理論知識較多，內(nèi)容也較為抽象，所以老師要想讓學生從書本和課件中聯(lián)想到實驗過程有一定難度。老師需要結(jié)合實驗操作讓學生牢記理論知識，而學生的實際操作也需要緊密聯(lián)系理論知識。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，恰恰解決了課堂理論知識和實際操作分離的難題，使得老師可以當堂講授、學生當堂操作，學生在虛擬仿真中遇到問題可以及時向老師提出，老師進行答疑。老師可將較為典型的問題交給學生討論，可大大提高學生處理現(xiàn)實操作中難題的能力。

1.4 有助于提高學生對技術(shù)規(guī)范及規(guī)程的認識

技術(shù)規(guī)范及規(guī)程的重要性不僅僅在于土木工程測量這一門課程中，更突出體現(xiàn)在整個工程項目建設(shè)中。我們的授課目的不僅是要每一個學生掌握工程測量知識、完成教學任務(wù)，而是在這二者的基礎(chǔ)上，提高學生在今后工作中對技術(shù)規(guī)范的認識和重視。虛擬仿真軟件的操作過程中，有許多細節(jié)是我們在儀器操作時會忽略的，但虛擬仿真技術(shù)就是給我們反復(fù)實踐的機會，同學們在模擬實驗中反復(fù)操作，會大大增強技術(shù)規(guī)范及規(guī)程的意識。良好的掌握技術(shù)規(guī)范及規(guī)程是工程的安全保障，也是個人職業(yè)經(jīng)驗的積累。

2 土木工程測量虛擬仿真實驗教學內(nèi)容及過程設(shè)計

2.1 明確教學目的

土木工程測量課程實驗包括水準儀、經(jīng)緯儀、全站儀等儀器的使用，數(shù)據(jù)的處理，圖紙的繪制這幾項基本內(nèi)容。為了適應(yīng)現(xiàn)代測量技術(shù)在工程建設(shè)中的應(yīng)用，并且優(yōu)化和改進傳統(tǒng)實驗課程教學的不足，于是產(chǎn)生了虛擬仿真實驗結(jié)合課堂授課的新型教學方式。土木工程測量課程作為一門實驗課，與理論課的教學方式不同，實驗課需要老師講授理論知識在先，接著是學生吸收老師講授內(nèi)容，最后是學生基于課堂所學內(nèi)容，在老師的指導(dǎo)下操作儀器完成實驗。在傳統(tǒng)的教學方式加入虛擬仿真教學內(nèi)容，達到隨堂講、隨堂練，在很大程度上鞏固了學生在課堂上所學的知識。應(yīng)用虛擬仿真教學是為了加強學生對理論知識的運用與掌握，培養(yǎng)學生科學使用虛擬模型的能力，引導(dǎo)學生建立專業(yè)的思維模式，提高學生分析和解決問題的能力，使學生形成嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L，養(yǎng)成團結(jié)協(xié)作的精神，為以后走向工作崗位打下扎實的基礎(chǔ)。

2.2 建立案例場景并進行展示

虛擬仿真實驗來源于真實工程，結(jié)合實際工程中可能出現(xiàn)的大部分場景。例如與全站儀有關(guān)的虛擬仿真實驗，軟件通過動畫模擬儀器內(nèi)部構(gòu)造、光線傳播、信號傳播、映射等，說明全站儀的構(gòu)造和測量原理，讓課本上抽象的二維畫面轉(zhuǎn)化為三維動畫，使學生對全站儀構(gòu)造和原理的印象根深蒂固。如圖1所示為全站儀認知實驗界面，學生可在課堂通過講解和交互實現(xiàn)全站儀各部分的認知，使教學內(nèi)容更易接。

2.3 虛擬仿真實驗儀器操作及測量方法

儀器操作模塊可實現(xiàn)虛擬的測量儀器操作環(huán)境，讓學生真實體驗測量過程，完成儀器操作模擬訓(xùn)練。主要包含儀器的對中、整平以及其虛擬仿真模擬教學，涵蓋了教學過程中各類測量儀器的基本功能練習。圖1所示的全站儀虛擬操作面板，學生可利用實驗平臺進行全站儀的虛擬操作，儀器安置以動畫和用戶交互的操作方式，實現(xiàn)全站儀從開箱到架設(shè)好儀器的全部過程。另外系統(tǒng)設(shè)置了圓水準器和管水準器的氣泡移動窗口，便于學生了解全站儀粗略整平和精確整平的情況。

在土木工程測量虛擬仿真軟件中，全站儀的測量方法與現(xiàn)實中的測量方法別無二致（針對測量學的測角、測距、側(cè)高差的基本內(nèi)容，實現(xiàn)水準測量、距離測量、坐標測量和三角高程測量。水準測量包括利用雙面尺法和變換儀器高法進行四等水準測量）。在建立的逼真三維場景中，通過模擬真實空間數(shù)據(jù)獲取儀器，并使用儀器模擬真實測量，完成一系列如選點、基準站建設(shè)、圖根點采集、數(shù)據(jù)導(dǎo)出傳輸、棱鏡架設(shè)、垂直微動、建站設(shè)置、碎部測量、數(shù)據(jù)導(dǎo)出繪圖等操作（如圖2至圖7所示）。

2.4 完善和優(yōu)化測量方案并實地測量驗證

完整的工程測量和地形測繪實驗包含多個步驟，首先采用虛擬仿真技術(shù)，以學生所在的校園場景為基礎(chǔ)，收集并修正校園正射數(shù)據(jù)影像、建筑紋理貼圖、基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維虛擬校園系統(tǒng)。學生可瀏覽整個測區(qū)概況，進行勘測選點。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)測量規(guī)范，進行導(dǎo)線和水準控制測量、虛擬仿真測量，并對測得的數(shù)據(jù)進行處理。之后模擬全站儀測量進行地形圖測繪，并基于所得的數(shù)據(jù)進行地圖繪制。

土木工程測量領(lǐng)域的虛擬仿真技術(shù)雖然簡化了傳統(tǒng)測量實驗的步驟，相比真實實驗也較為精確，并可將冗雜的數(shù)據(jù)和抽象的空間可視化。但在現(xiàn)階段該技術(shù)也只是作為輔助實驗的一個較好的工具，因為實地測量中需要考慮陽光與風向等不可抗環(huán)境因素的實時變化，以及實地地標、設(shè)施等的老化磨損。但我們可以參照虛擬實驗所測得的數(shù)據(jù)與繪制出的電子地圖集，對實際測得數(shù)據(jù)以及手繪地圖進行比對，可判斷實地測量是否有明顯錯誤，也可以驗證虛擬仿真實驗的有效性、準確性。（圖8圖9分別為學生在測量實驗中所繪制的地形圖與虛擬仿真實驗中所得到的地形圖）。

由此可見，虛擬仿真技術(shù)在土木工程測量實驗中起到了良好的輔助作用，極大地提高了老師的教學質(zhì)量和學生的學習質(zhì)量，充分體現(xiàn)了科技改變生活的真諦。

3 結(jié)語

在新工科建設(shè)的理念下，充分利用虛擬仿真技術(shù)是改善傳統(tǒng)教學方法中不足的一種手段。今后，理工科的學習不再是以往的背概念、做習題，而是動手去做、動腦去想的全新模式。經(jīng)歷過動手和動腦的學習后，學生在走向工作崗位才能發(fā)揮所學。通過近幾年的初步實踐，虛擬仿真技術(shù)在提高土木工程測量實驗教學效果方面起了良好的作用。一是將實際問題呈現(xiàn)在老師和學生面前，需要大家一起解決，使所有人都融入教學環(huán)境中。二是可以使老師進一步整理課程中的重點和難點知識，從課程教學、課外實驗活動、本科畢業(yè)設(shè)計等多方面著手，做好頂層建設(shè)，多角度、多方位實施“新工科”理念，確保了教學工作的系統(tǒng)性、有效性。

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