余學(xué)祥，馬 浩

（1.安徽理工大學(xué)空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院 安徽 淮南 232001；2.礦山采動(dòng)災(zāi)害空天地協(xié)同監(jiān)測(cè)與預(yù)警安徽普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽 淮南 232001；3.礦區(qū)環(huán)境與災(zāi)害協(xié)同監(jiān)測(cè)煤炭行業(yè)工程研究中心 安徽 準(zhǔn)南 232001）

虛擬仿真技術(shù)又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，涉及人機(jī)交互技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)等[1]。虛擬仿真技術(shù)具有交互性、虛擬性、逼真性的特點(diǎn)，已經(jīng)被應(yīng)用于多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，且在某些專業(yè)的教學(xué)與實(shí)踐中發(fā)揮了很的大作用。測(cè)繪專業(yè)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，特別重視學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力[2]。因此在測(cè)繪專業(yè)的教學(xué)過程中，不僅要重視理論知識(shí)的教學(xué)，還要重視學(xué)生自主動(dòng)手操作的能力，由于教師在課堂上基本通過教材講解專業(yè)知識(shí)，無法直接培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力。因此，在課堂上引入虛擬仿真技術(shù)可以讓學(xué)生在仿真軟件上觀察測(cè)繪儀器的操作方式，從而更好地掌握專業(yè)知識(shí)并提高實(shí)踐能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率[3]。

1 測(cè)繪教學(xué)中存在的問題

①實(shí)訓(xùn)設(shè)備昂貴。測(cè)繪儀器是測(cè)繪工程專業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練的關(guān)鍵。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)繪專業(yè)的儀器越來越高端，越來越精密，同時(shí)也存在很多問題，如三維激光掃描設(shè)備，設(shè)備昂貴，單價(jià)高達(dá)上百萬元，且數(shù)量少，因此進(jìn)行這些設(shè)備的教學(xué)培訓(xùn)時(shí)教師需要承擔(dān)不小的風(fēng)險(xiǎn)。還有無人機(jī)的教學(xué)，無人機(jī)攝影測(cè)量已經(jīng)成為攝影測(cè)量的主要方式[4]，無人機(jī)攝影測(cè)量的實(shí)踐訓(xùn)練需要學(xué)生控制無人機(jī)，然而無人機(jī)在飛行過程中有墜機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)威脅人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。通過虛擬仿真軟件，將測(cè)繪儀器的認(rèn)識(shí)過程，組裝過程以及操作的方法全部進(jìn)行虛擬仿真，學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)中掌握了無人機(jī)的操作方法后，再進(jìn)行真機(jī)訓(xùn)練，可以更好地上手無人機(jī)操作，降低訓(xùn)練成本和風(fēng)險(xiǎn)[5]。

②實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地限制，一般測(cè)繪專業(yè)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地都在校內(nèi)，而校內(nèi)場(chǎng)地可用面積不足，以安徽理工大學(xué)為例，校內(nèi)車輛較多，并且有樹木遮擋，場(chǎng)地面積不夠大從而對(duì)測(cè)量工作造成影響。無法高效地進(jìn)行測(cè)繪工程教學(xué)與實(shí)踐，從而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

③實(shí)驗(yàn)方法有待改善，由于無人機(jī)的教學(xué)實(shí)踐一般由教師傳授操作方法之后，再由學(xué)生自主進(jìn)行操作訓(xùn)練，這個(gè)過程中就無法評(píng)判每個(gè)學(xué)生的掌握程度，無法了解到每個(gè)學(xué)生對(duì)無人機(jī)操作的掌握情況，難以獲得準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

④實(shí)驗(yàn)時(shí)間限制，在傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)中，一般一節(jié)課為兩個(gè)課時(shí)90 分鐘，在這90 分鐘的時(shí)間內(nèi)教師要進(jìn)行設(shè)備操作的演示，然后再由學(xué)生自己動(dòng)手操作，留給學(xué)生操作的時(shí)間很少，很多學(xué)生無法熟練地掌握儀器的操作方法。

2 虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或仿真技術(shù)，是利用虛擬系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)系統(tǒng)模擬的新型技術(shù)[6]。目前虛擬仿真技術(shù)越來越多地應(yīng)用到課堂學(xué)習(xí)中，尤其是在金課建設(shè)中，有的學(xué)校已經(jīng)做出了虛實(shí)結(jié)合的課程。對(duì)于虛擬仿真技術(shù)而言，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省成本，它可以真實(shí)模擬大型專業(yè)的儀器設(shè)備或者是困難的外界環(huán)境，還可以不受時(shí)間、地點(diǎn)以及天氣的影響，輕松完成我們想要進(jìn)行的實(shí)踐，學(xué)生可隨時(shí)在虛擬仿真系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)操作，而且對(duì)于在現(xiàn)實(shí)過程中需要幾個(gè)人才能完成的實(shí)驗(yàn)操作，在虛擬仿真系統(tǒng)中僅僅一個(gè)人就能全部完成，還能大大減少完成實(shí)踐耗費(fèi)的時(shí)間。在虛擬仿真世界中，由于其場(chǎng)景與大型3D 游戲中的場(chǎng)景相似，具有很好的交互性，這樣可以大大提高學(xué)生的積極性和探索性[7]，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教師的教學(xué)效果。安徽理工大學(xué)引入了南方測(cè)繪的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，形成了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，為開展實(shí)踐教學(xué)提供一個(gè)全新的教學(xué)平臺(tái)。

3 虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐

本文將以“無人機(jī)航空攝影測(cè)量”為例，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于測(cè)繪專業(yè)課程教學(xué)。

3.1 教學(xué)準(zhǔn)備

在理論課上，學(xué)生學(xué)習(xí)課程無人機(jī)航空攝影的理論知識(shí)，并且自主完成課堂上發(fā)布的相關(guān)測(cè)試，教師根據(jù)測(cè)試的完成情況進(jìn)行講解，同時(shí)注重對(duì)學(xué)生的問題進(jìn)行答疑，課下讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)和討論，虛擬仿真實(shí)踐可以分為線上或線下進(jìn)行。

3.2 教學(xué)實(shí)施

3.2.1 認(rèn)識(shí)無人機(jī)

在對(duì)學(xué)生進(jìn)行無人機(jī)操作培訓(xùn)之前，首先教師要讓學(xué)生了解無人機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和相關(guān)概念，用虛擬仿真系統(tǒng)模擬無人機(jī)的組成，通過這個(gè)環(huán)節(jié)來讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到無人機(jī)的結(jié)構(gòu)。學(xué)生利用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)入無人機(jī)的航空飛行實(shí)驗(yàn)操作界面，交互式地學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)無人機(jī)結(jié)構(gòu)、無人機(jī)的飛行原理，無人機(jī)的組成，讓學(xué)生通過虛擬仿真系統(tǒng)來模擬無人機(jī)的拆分和組裝過程，加強(qiáng)理解。通過該環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠了解無人機(jī)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成，學(xué)會(huì)組裝無人機(jī)并且熟練掌握無人機(jī)的控制方法，從而在之后實(shí)踐操作無人機(jī)的過程中能夠更加熟練，避免發(fā)生各種意外導(dǎo)致無人機(jī)的損壞。

3.2.2 無人機(jī)的控制

在進(jìn)行無人機(jī)飛行之前，教師通過虛擬仿真的方式教學(xué)無人機(jī)的控制方法，首先學(xué)生進(jìn)入虛擬仿真模擬系統(tǒng)的操作界面。再點(diǎn)起降點(diǎn)，進(jìn)行控制無人機(jī)飛行的訓(xùn)練，主要包括：起飛、降落、懸停等[8]。通過這種方法來輔助學(xué)生掌握無人機(jī)控制操作的技巧，增強(qiáng)動(dòng)手操作能力，提高將來實(shí)踐操作飛行訓(xùn)練的效率，加強(qiáng)操作無人機(jī)的安全性，避免由于操作不當(dāng)造成的飛行事故，避免無人機(jī)的各種損壞。

3.2.3 無人機(jī)航線設(shè)計(jì)

架構(gòu)三維虛擬內(nèi)業(yè)和外業(yè)情景，利用無人機(jī)獲取地理信息外業(yè)數(shù)據(jù)，主要包括樹木、交通道路、房屋等，還有農(nóng)村、山林、城市等各種地理場(chǎng)所，并且可以以第一人稱對(duì)各種場(chǎng)景進(jìn)行觀看，且擁有地理空間坐標(biāo)系統(tǒng)，可以對(duì)無人機(jī)外業(yè)工作的全部流程以第一人稱進(jìn)行模擬。學(xué)生可以根據(jù)教師的要求，在虛擬仿真系統(tǒng)中完成攝影測(cè)量的全部過程，其中有空域申請(qǐng)、布設(shè)控制點(diǎn)、像控點(diǎn)的測(cè)量、飛行航線設(shè)計(jì)、影像數(shù)據(jù)采集、飛行模擬等操作，了解像控點(diǎn)測(cè)量的要求，以及像控點(diǎn)的布設(shè)方法。

學(xué)生可完成4D 產(chǎn)品的制作與編輯方法的學(xué)習(xí)。而且無人機(jī)虛擬仿真模擬系統(tǒng)還有“實(shí)踐反饋”的模塊，能夠?qū)W(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的各種數(shù)據(jù)以及操作信息進(jìn)行記錄并處理，自動(dòng)進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)。在實(shí)驗(yàn)過程中，這個(gè)系統(tǒng)也會(huì)對(duì)學(xué)生進(jìn)行各種操作的提示，從而幫助學(xué)生更好地完成實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的理解。

通過使用模擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行無人機(jī)的教學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生在課堂上掌握無人機(jī)操作方法的效率，增強(qiáng)了課堂上學(xué)生與教師的互動(dòng)，使課堂學(xué)習(xí)變得更有趣味，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.3 教學(xué)評(píng)價(jià)

教學(xué)評(píng)價(jià)包括線上教學(xué)評(píng)價(jià)和虛擬仿真訓(xùn)練評(píng)價(jià)兩個(gè)部分。線上教學(xué)評(píng)價(jià)主要是在線上的教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多方面的成績(jī)考核與評(píng)價(jià)。虛擬仿真訓(xùn)練評(píng)價(jià)的依據(jù)是學(xué)生的自主學(xué)習(xí)效果，由教師在課堂上進(jìn)行理論教學(xué)，并利用虛擬仿真軟件進(jìn)行模擬仿真操作輔助教學(xué)，再由學(xué)生在實(shí)踐課上完成無人機(jī)的實(shí)踐自主操作，最終由系統(tǒng)完成成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)，教師可以將這一評(píng)價(jià)結(jié)果作為學(xué)生課程考核的一個(gè)參考依據(jù)。2022 年的教學(xué)實(shí)踐結(jié)果如表1 所示，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)模式對(duì)比，學(xué)生的最終成績(jī)有了明顯的提升。考核分?jǐn)?shù)平均提升32.9%，在課堂實(shí)踐過程中，實(shí)踐效果提升21.0%，在課后訓(xùn)練有更明顯的提升，達(dá)36.1%。

表1 不同教學(xué)方式任務(wù)完成情況

4 教學(xué)效果

在傳統(tǒng)教學(xué)的實(shí)踐課堂中，很大的問題是學(xué)生的興趣不足，儀器數(shù)量不夠，導(dǎo)致學(xué)生無法真實(shí)感受到儀器的結(jié)構(gòu)和具體操作方法，以至于教學(xué)效率低下，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，而加入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室之后，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在虛擬仿真軟件的幫助下，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)與教師的教學(xué)更加智能化，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，以及對(duì)未知事物的探索，大大提高了學(xué)生的動(dòng)手操作能力和自主思考能力。

5 結(jié)語

針對(duì)安徽理工大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)以往實(shí)踐教學(xué)中的各種弊端，本文探索了一種新型的以虛擬仿真系統(tǒng)為依托的教學(xué)模式，以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，大大提升了實(shí)踐教學(xué)的效果。虛擬仿真教學(xué)模式不僅能夠有效解決傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)所面臨的設(shè)備難獲取，場(chǎng)地不豐富，教學(xué)不直觀等問題，而且提供了一種新型的教學(xué)評(píng)價(jià)方法。讓教師能更好地對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)然實(shí)踐教學(xué)是一個(gè)長(zhǎng)期發(fā)展的過程，在實(shí)踐教學(xué)過程中，還需要不斷對(duì)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行完善，不斷提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，從而培養(yǎng)出更優(yōu)秀的人才。