柴新宇

(廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510510)

0 引言

研究時(shí)運(yùn)用產(chǎn)教融合、校企合作提供的培訓(xùn)和虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，采用能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合的方法進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，學(xué)生可以使用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后的實(shí)驗(yàn)只是鞏固，有效解決理論教學(xué)與實(shí)物實(shí)訓(xùn)難以有效融合的問(wèn)題，提升測(cè)量實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)與實(shí)訓(xùn)操作的效率和效果，優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[1]。

在教學(xué)理念上突出“自主式學(xué)習(xí)”和“以學(xué)生為中心”，在教學(xué)內(nèi)容上既滿(mǎn)足了傳統(tǒng)教學(xué)中對(duì)理論教學(xué)中知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握，又滿(mǎn)足了實(shí)際工作中對(duì)施工過(guò)程經(jīng)濟(jì)性的要求，更加貼近應(yīng)用實(shí)際[2]。在教學(xué)手段上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用模擬測(cè)量的生產(chǎn)線(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)資源本地化，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)安全隱患，低成本地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)；遠(yuǎn)程設(shè)備采用虛擬仿真分析工具，通過(guò)線(xiàn)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建立了在測(cè)量方案過(guò)程經(jīng)濟(jì)性仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面學(xué)生和線(xiàn)上教師的交互；實(shí)現(xiàn)了泛在化的線(xiàn)上測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

傳統(tǒng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以教師為主導(dǎo)，根據(jù)課堂講授來(lái)具體安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這個(gè)過(guò)程中忽視了學(xué)生的主體性和能動(dòng)性，導(dǎo)致不利于學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。虛擬仿真測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)以“沉浸式+體驗(yàn)性”教學(xué)為主體，采用虛擬方式開(kāi)展實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，突破時(shí)空?qǐng)鼍暗南拗疲蔷€(xiàn)下實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的有效補(bǔ)充。

1 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程建設(shè)思路與方法

1.1 設(shè)計(jì)思路

為了解決外業(yè)實(shí)際測(cè)量中受天氣影響大，受儀器設(shè)備數(shù)量限制等問(wèn)題，課程建設(shè)時(shí)融合虛擬仿真與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，有利于學(xué)生直觀形象地理解抽象原理和知識(shí)、進(jìn)一步突破儀器設(shè)備在時(shí)間和空間上的限制，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，掌握數(shù)字測(cè)圖技術(shù)與方法，增進(jìn)學(xué)生的測(cè)繪地理創(chuàng)新思維、實(shí)踐動(dòng)手與科學(xué)研究的能力﹔也為教師和學(xué)生提供開(kāi)放式交流平臺(tái)，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源的共享，進(jìn)—步發(fā)揮工貿(mào)在測(cè)繪教育界的引領(lǐng)作用[3]。圖1為“虛實(shí)結(jié)合”的測(cè)量實(shí)驗(yàn)課程實(shí)施技術(shù)路線(xiàn)圖。

(1)項(xiàng)目建設(shè)堅(jiān)持秉承“能實(shí)不虛”“虛實(shí)結(jié)合”的原則，將虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)作為培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，并融入實(shí)踐教學(xué)體系，確定了“整合資源、聚集優(yōu)勢(shì)、注重研發(fā)、突出特色”的建設(shè)思路。

(2)資源開(kāi)發(fā)在測(cè)量學(xué)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源開(kāi)發(fā)中，結(jié)合虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)社交軟件，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)上的“學(xué)-練-測(cè)”與“指導(dǎo)-交流-評(píng)價(jià)”為一體的完整實(shí)訓(xùn)教學(xué)活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)“精細(xì)化指導(dǎo)”和“實(shí)時(shí)客觀實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)”的線(xiàn)上實(shí)驗(yàn)開(kāi)展模式。

(3)教學(xué)開(kāi)展在測(cè)量學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)字測(cè)圖教學(xué)中，通過(guò)對(duì)“外業(yè)數(shù)據(jù)采集”和“數(shù)據(jù)處理、成果表達(dá)一內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程”的虛擬仿真，將其線(xiàn)上實(shí)驗(yàn)和“數(shù)據(jù)處理、成果表達(dá)”的實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，課堂理論講解輔以生動(dòng)的虛擬仿真場(chǎng)景演示，強(qiáng)調(diào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)操實(shí)驗(yàn)和課堂理論教學(xué)深度融合，構(gòu)建“虛實(shí)一體、虛實(shí)交叉融合”的測(cè)量數(shù)字測(cè)圖虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。

在教學(xué)設(shè)計(jì)方面，借鑒了“情景教學(xué)模式”，圍繞一個(gè)實(shí)踐主題，建立“學(xué)、練、測(cè)”相結(jié)合的認(rèn)知情境。

在“學(xué)”的階段，軟件重點(diǎn)關(guān)注儀器操作方法、測(cè)量工法流程，將重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題、科學(xué)劃分為實(shí)際操作中的若干步驟和環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)的圖像化呈現(xiàn)；學(xué)生可以在不同步驟環(huán)節(jié)中自由跳轉(zhuǎn)，針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)重復(fù)學(xué)習(xí)，促進(jìn)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的“形象化認(rèn)知過(guò)程”實(shí)現(xiàn)。

圖1 “虛實(shí)結(jié)合”的測(cè)量實(shí)驗(yàn)課程實(shí)施技術(shù)路線(xiàn)

在“練”的階段，數(shù)字測(cè)圖軟件提供了浸入式操作環(huán)境，學(xué)生按照軟件提供的分步驟提示、在交互場(chǎng)景中跟進(jìn)操作；目的是培養(yǎng)學(xué)生在儀器操作和工法實(shí)現(xiàn)過(guò)程的“點(diǎn)”和“度”，促進(jìn)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的有效建構(gòu)和內(nèi)化。

在“測(cè)”的階段，軟件提供了開(kāi)放式練習(xí)環(huán)境和測(cè)試環(huán)境；系統(tǒng)根據(jù)制定好的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)對(duì)實(shí)際操作過(guò)程進(jìn)行評(píng)分，并提供錯(cuò)誤操作提示；教師在進(jìn)行檢查學(xué)生操作實(shí)訓(xùn)時(shí)可以隨時(shí)復(fù)制學(xué)生的實(shí)際操作過(guò)程，幫助教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生在操作過(guò)程中存在的問(wèn)題。常見(jiàn)問(wèn)題可以一起引導(dǎo)，個(gè)別問(wèn)題可以單獨(dú)引導(dǎo)，為知識(shí)向技能的順利轉(zhuǎn)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。

1.2 “虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)方法

所建立的仿真系統(tǒng)采用“虛實(shí)結(jié)合、線(xiàn)上線(xiàn)下協(xié)同、即時(shí)量化評(píng)價(jià)”等實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法，建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)在線(xiàn)共享的測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目采用虛擬仿真技術(shù)模擬測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)儀器認(rèn)知、學(xué)習(xí)、實(shí)訓(xùn)及項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程。將《測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)仿真教學(xué)課程體系》的具體實(shí)訓(xùn)內(nèi)容拆分成若干知識(shí)點(diǎn)融到虛擬仿真場(chǎng)景，采用交互式操作手段，幫助學(xué)生掌握測(cè)量技術(shù)操作過(guò)程，完成相關(guān)儀器軟件操作的演練，促進(jìn)理論知識(shí)向?qū)嵅偌寄艿霓D(zhuǎn)化。系統(tǒng)自動(dòng)記錄用戶(hù)在虛擬實(shí)踐過(guò)程的各類(lèi)操作行為，完成自動(dòng)打分，并提供錯(cuò)誤操作提示，幫助教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生在操作過(guò)程存在的問(wèn)題。用戶(hù)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)本系統(tǒng)，基于系統(tǒng)提供的線(xiàn)上學(xué)習(xí)、虛擬仿真交互學(xué)習(xí)環(huán)境，完成各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，符合現(xiàn)今的互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代碎片化、在線(xiàn)即時(shí)學(xué)習(xí)的特征。項(xiàng)目堅(jiān)持以學(xué)生為本，充分利用互聯(lián)網(wǎng)和虛擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式方法的多樣性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)方式方法。生動(dòng)了教師理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)演示的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，極大地提升教學(xué)效果﹔使得實(shí)訓(xùn)教學(xué)和理論教學(xué)中的“學(xué)-練-測(cè)”與“課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)”的整個(gè)教學(xué)活動(dòng)落到實(shí)處，踐行了以“實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量為本”的過(guò)程教學(xué)。

(2)“線(xiàn)上線(xiàn)下協(xié)同”教學(xué)方式方法。突破了教與學(xué)的時(shí)空限制，不僅豐富了學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式的選擇，強(qiáng)化了學(xué)生個(gè)性化和自主學(xué)習(xí)，而且使得教與學(xué)實(shí)現(xiàn)了雙向互動(dòng)，密切了師生關(guān)系。

(3)通過(guò)“虛實(shí)結(jié)合”和“線(xiàn)上線(xiàn)下協(xié)作”的教學(xué)方法更有利于教師進(jìn)行有針對(duì)性的實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)和講解，突出學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的過(guò)程精細(xì)化教學(xué)，有效提高測(cè)繪實(shí)訓(xùn)的教學(xué)效果。

2 建設(shè)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合

(1)理論與實(shí)踐相結(jié)合。將測(cè)繪相關(guān)知識(shí)、生產(chǎn)過(guò)程和具體操作技術(shù)相結(jié)合，用理論知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐，理論與實(shí)踐結(jié)合，在實(shí)踐中加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的掌握。

(2)虛擬與現(xiàn)實(shí)的融合。虛擬仿真教學(xué)特別注重“虛實(shí)結(jié)合，相輔相成，以虛助實(shí)”，學(xué)生的線(xiàn)上測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)際工程生產(chǎn)過(guò)程緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高度工程化的仿真。

圖2 虛實(shí)結(jié)合的混合式教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

(3)室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)相融合。學(xué)校的地域優(yōu)勢(shì)給學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)創(chuàng)造了良好條件，更加有利于室內(nèi)的虛擬仿真操作與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際相統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)零距離對(duì)接。

(4)教學(xué)與科研相融合。實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室的大部分科研項(xiàng)目都是基于教學(xué)實(shí)際情況，實(shí)訓(xùn)室中的相關(guān)仿真教學(xué)設(shè)備和軟件很好地適應(yīng)了教學(xué)需要，真正實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合。

(5)校內(nèi)與校外相融合。通過(guò)共建實(shí)訓(xùn)室、聯(lián)合培養(yǎng)人才、技術(shù)合作與發(fā)展等方式，與校內(nèi)校外相關(guān)單位密切溝通合作，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)中心、企業(yè)、社會(huì)的共贏。

2.2 實(shí)訓(xùn)教學(xué)的層次

(1)工程基礎(chǔ)認(rèn)知。進(jìn)行測(cè)繪數(shù)字測(cè)圖的基本知識(shí)及相關(guān)設(shè)備、原理等的講解，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工程的基本認(rèn)知，為后續(xù)學(xué)習(xí)和畢業(yè)后工作打牢基礎(chǔ)。

(2)室內(nèi)模擬仿真。借助線(xiàn)上仿真教學(xué)裝備和軟件App，在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)繪流程的各種仿真操作訓(xùn)練，掌握測(cè)繪基本的實(shí)踐操作技能和數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

(3)現(xiàn)場(chǎng)仿真實(shí)訓(xùn)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)基地，利用仿真的場(chǎng)景和真實(shí)的生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備，配套相關(guān)仿真教學(xué)軟件，仿真與實(shí)際操作相結(jié)合，完成實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)操作流程及操作技能實(shí)訓(xùn)。

(4)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操。在完成虛擬仿真訓(xùn)練基礎(chǔ)上，利用真實(shí)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地和實(shí)訓(xùn)儀器設(shè)備、軟件、數(shù)據(jù)等，在現(xiàn)場(chǎng)工程師教師的指導(dǎo)下，進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)與工程現(xiàn)場(chǎng)的零距離接觸和真實(shí)反演。

2.3 實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式

智能探索利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬相關(guān)的工業(yè)過(guò)程，用虛擬場(chǎng)景和設(shè)備代替物理對(duì)象，將各種訓(xùn)練場(chǎng)景(特別是危險(xiǎn)場(chǎng)景)形成三維虛擬場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)功能和過(guò)程的可視化模擬，可以在桌面上顯示，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。同時(shí)，要有廣闊的想象空間，拓寬認(rèn)知范圍。

虛實(shí)結(jié)合的混合式教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容如圖2所示。

2.4 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程體系

依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，按照專(zhuān)業(yè)群整體協(xié)調(diào)發(fā)展的需要，制定土木測(cè)繪專(zhuān)業(yè)群人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，重塑專(zhuān)業(yè)群課程體系，將課程劃分為專(zhuān)業(yè)群共享課、專(zhuān)業(yè)技術(shù)平臺(tái)課程和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)特色課程，建設(shè)專(zhuān)業(yè)虛擬仿真課程，適應(yīng)學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)、技能拓展與個(gè)性化發(fā)展[5]。

對(duì)于土木建筑類(lèi)專(zhuān)業(yè)群測(cè)繪及其他專(zhuān)業(yè)課程體系中，存在看不到、進(jìn)不去、成本高、危險(xiǎn)性大等特殊困難，進(jìn)行虛擬仿真建設(shè)。

專(zhuān)業(yè)組群后，工程測(cè)量技術(shù)專(zhuān)業(yè)將發(fā)揮帶頭作用，帶動(dòng)群內(nèi)專(zhuān)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，發(fā)揮專(zhuān)業(yè)聚集效應(yīng)，打破專(zhuān)業(yè)壁壘，優(yōu)化專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式與課程體系建設(shè)，校企共建測(cè)繪地理信息校企命運(yùn)共同體，提升專(zhuān)業(yè)群的人才培養(yǎng)質(zhì)量和核心競(jìng)爭(zhēng)力。表1為測(cè)量學(xué)虛擬仿真課程建設(shè)內(nèi)容。

表1 測(cè)量學(xué)虛擬仿真課程建設(shè)內(nèi)容

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程的評(píng)價(jià)體系測(cè)量實(shí)驗(yàn)考核主要是對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)、溝通交流、表達(dá)與思辨、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、執(zhí)行能力的考核。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中軟件實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)信息的跟蹤、統(tǒng)計(jì)和分析等智能化管理功能，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)學(xué)生開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)信息進(jìn)行跟蹤、統(tǒng)計(jì)、提示，捕捉每個(gè)學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，全面分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)的整體情況，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)、精細(xì)的教學(xué)質(zhì)量控制。虛實(shí)結(jié)合實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，虛仿實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)精細(xì)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程評(píng)價(jià)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果評(píng)價(jià)(實(shí)際操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)操考核)有機(jī)結(jié)合，使得實(shí)訓(xùn)教學(xué)評(píng)價(jià)更加客觀合理，將實(shí)訓(xùn)教學(xué)的“過(guò)程評(píng)價(jià)”落在實(shí)處，更能客觀真實(shí)地反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能水平和學(xué)習(xí)效果。以同一專(zhuān)業(yè)不同屆學(xué)生學(xué)習(xí)測(cè)量時(shí)成績(jī)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以有效提高實(shí)驗(yàn)成績(jī)和課程成績(jī)?nèi)鐖D3所示。平均成績(jī)由66.79提高為76.98，優(yōu)秀率由6.9%提高為14.9%，標(biāo)準(zhǔn)差由12.96提高為14.96。

圖3 “虛實(shí)結(jié)合”測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)成績(jī)分布

由此可見(jiàn)將虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)評(píng)價(jià)融入傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)評(píng)價(jià)中，形成了多元化實(shí)訓(xùn)教學(xué)評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程精細(xì)化質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)。有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。