作為信息技術(shù)與教育深度融合的產(chǎn)物，虛擬仿真技術(shù)通過(guò)構(gòu)建逼真的虛擬環(huán)境和交互式操作平臺(tái)，為傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來(lái)了革命性的變革。在采礦工程專(zhuān)業(yè)中，測(cè)量學(xué)作為一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力和實(shí)踐操作技能具有重要作用。然而，傳統(tǒng)的測(cè)量學(xué)教學(xué)模式存在諸多局限性，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代礦業(yè)人才培養(yǎng)的需求。傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)于依賴(lài)?yán)碚撝v授，導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié)，同時(shí)傳統(tǒng)教學(xué)模式難以直觀展示復(fù)雜的測(cè)量原理和過(guò)程，學(xué)生在理解抽象概念時(shí)常常遇到困難。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，教師將虛擬仿真技術(shù)引入測(cè)量學(xué)教學(xué)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足，為培養(yǎng)高素質(zhì)礦業(yè)人才提供新的途徑。

一、測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)概述

測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的深度應(yīng)用，依托計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)構(gòu)建高精度三維測(cè)繪場(chǎng)景，精準(zhǔn)模擬真實(shí)測(cè)量操作流程，為用戶(hù)提供沉浸式的交互體驗(yàn)。該技術(shù)具有高度仿真性、強(qiáng)交互性和深度沉浸性三大特征。高度仿真性體現(xiàn)在對(duì)測(cè)量場(chǎng)景的地形地貌特征、儀器設(shè)備外觀及操作細(xì)節(jié)的精確還原；強(qiáng)交互性表現(xiàn)為支持用戶(hù)通過(guò)數(shù)據(jù)手套、力反饋設(shè)備等多種輸人裝置與虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)交互；深度沉浸性則借助頭戴式顯示器、洞穴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等設(shè)備，為用戶(hù)營(yíng)造身臨其境的感知體驗(yàn)

在測(cè)量學(xué)教學(xué)領(lǐng)域，測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其突破時(shí)空限制的特點(diǎn)使學(xué)生能在虛擬環(huán)境中進(jìn)行全天候、多場(chǎng)景的測(cè)量實(shí)踐，通過(guò)模擬復(fù)雜地形和危險(xiǎn)環(huán)境，有效保障了教學(xué)安全性。同時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄與回放功能支持過(guò)程回溯，有助于學(xué)生深人理解測(cè)量原理與方法。

具體到教學(xué)應(yīng)用層面，測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)主要體現(xiàn)在環(huán)境模擬、協(xié)同操作和故障模擬三個(gè)方面。一是可以模擬各種天氣條件和環(huán)境因素對(duì)測(cè)量的影響，幫助學(xué)生全面理解測(cè)量工作的復(fù)雜性；二是可以實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同操作，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；三是可以設(shè)置各種故障和異常情況，提高學(xué)生的問(wèn)題解決能力。這些功能使得測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)成為測(cè)量學(xué)教學(xué)中不可或缺的工具，為培養(yǎng)高素質(zhì)的測(cè)繪人才提供了有力支持。

二、采礦工程專(zhuān)業(yè)測(cè)量學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

首先，采礦工程專(zhuān)業(yè)測(cè)量學(xué)課程教學(xué)主要采用理論講授與實(shí)地實(shí)習(xí)相結(jié)合的方式。這種傳統(tǒng)教學(xué)模式在貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)學(xué)院）的實(shí)際教學(xué)中暴露出顯著短板。學(xué)院原有全站儀、水準(zhǔn)儀等儀器僅15臺(tái)，需供60名學(xué)生輪換使用，學(xué)生平均每人實(shí)操時(shí)間不足10分鐘，難以達(dá)到熟練掌握的要求。此外，2022年礦山測(cè)量實(shí)訓(xùn)期間曾因突降暴雨導(dǎo)致3天野外作業(yè)取消，嚴(yán)重影響教學(xué)進(jìn)度。

其次，在安全方面，學(xué)生過(guò)去在井下控制網(wǎng)布設(shè)實(shí)訓(xùn)中，因部分學(xué)生未規(guī)范操作，接近采空區(qū)邊緣，曾發(fā)生過(guò)輕微安全事故。這類(lèi)高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景的實(shí)踐受限制，使得學(xué)生對(duì)復(fù)雜工況的應(yīng)對(duì)能力培養(yǎng)不足。

最后，傳統(tǒng)教學(xué)模式還存在理論與實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題。學(xué)院2021年課程考核數(shù)據(jù)顯示， 72% 的學(xué)生表示課堂所學(xué)的“數(shù)字高程模型構(gòu)建”原理難以通過(guò)有限的實(shí)地采樣驗(yàn)證。同時(shí)，由于實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地有限，約 40% 的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求（如不同測(cè)量誤差修正方法的探索）無(wú)法得到充分滿(mǎn)足，學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)受限。

面對(duì)這些挑戰(zhàn)，測(cè)量學(xué)課程教學(xué)改革勢(shì)在必行。將測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)模式的不足。學(xué)院于2023年引入南方測(cè)繪虛擬仿真平臺(tái)后，通過(guò)“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)模式，儀器操作失誤率從 43% 降至 12% 。這種技術(shù)不僅突破時(shí)空限制，還能通過(guò)模擬塌方、滑坡等危險(xiǎn)場(chǎng)景提升實(shí)踐安全性。

三、測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)在采礦工程專(zhuān)業(yè)測(cè)量學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

（一）虛擬測(cè)量?jī)x器操作

在虛擬測(cè)量?jī)x器操作方面，學(xué)院自2022年起引入廣州南方測(cè)繪股份有限公司開(kāi)發(fā)的測(cè)繪虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了全站儀、水準(zhǔn)儀等12類(lèi)儀器的1：1建模。學(xué)生在計(jì)算機(jī)端可完成儀器拆裝、角度測(cè)量等36項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化操作，系統(tǒng)通過(guò)力反饋裝置模擬儀器真實(shí)重量，光斑定位精度達(dá)0.1毫米。2023年教學(xué)數(shù)據(jù)顯示，實(shí)驗(yàn)課平均操作失誤率從傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)的 43% 降至 12% ，儀器損壞率同比下降 78% 。特別在“全站儀軸線校正”專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練中，學(xué)生通過(guò)虛擬平臺(tái)的3D動(dòng)態(tài)演示，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的考核優(yōu)秀率由61% 提升至 89% 。

（二）三維場(chǎng)景模擬

在三維場(chǎng)景模擬方面，虛擬仿真技術(shù)可以構(gòu)建礦山、隧道等復(fù)雜的三維測(cè)量場(chǎng)景。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行控制測(cè)量、地形測(cè)量等實(shí)踐操作，體驗(yàn)真實(shí)的測(cè)量過(guò)程。這種沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)有助于學(xué)生理解抽象的測(cè)量概念，提高空間思維能力。

學(xué)院聯(lián)合南方測(cè)繪技術(shù)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了包含11類(lèi)典型礦井的三維實(shí)景數(shù)據(jù)庫(kù)，其中“復(fù)雜巖層隧道測(cè)量'虛擬項(xiàng)目已應(yīng)用于2023級(jí)測(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)。該場(chǎng)景包含87處地質(zhì)構(gòu)造突變點(diǎn)，支持動(dòng)態(tài)調(diào)整地表沉降速率和能見(jiàn)度等參數(shù)。學(xué)生在完成3次虛擬實(shí)訓(xùn)后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操時(shí)的斷面測(cè)量效率提升 40% ，數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤率降低 55% 。

（三）虛擬實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)

在虛擬實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)方面，虛擬仿真技術(shù)可以模擬各種測(cè)量任務(wù)和工程場(chǎng)景，如礦山測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)等。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，學(xué)院教師團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了虛擬的礦山變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，包含23個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化工序節(jié)點(diǎn)，涵蓋從初期勘探到閉坑復(fù)墾的全周期測(cè)量任務(wù)。學(xué)生在虛擬環(huán)境中需完成17類(lèi)傳感器布設(shè)方案設(shè)計(jì)，處理200多組多源異構(gòu)數(shù)據(jù)（包括激光雷達(dá)點(diǎn)云和GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）。虛擬實(shí)習(xí)不僅可以讓學(xué)生體驗(yàn)完整的測(cè)量工程流程，還可以設(shè)置各種突發(fā)情況和復(fù)雜條件，鍛煉學(xué)生的應(yīng)變能力和問(wèn)題解決能力。

（四）測(cè)量過(guò)程的回放和分析

在教學(xué)過(guò)程中，基于虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過(guò)程的全要素?cái)?shù)字化記錄。教師可通過(guò)三維軌跡回放功能，精確分析學(xué)生操作的12項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)（如對(duì)中偏差、整平耗時(shí)等）。在2023級(jí)的控制測(cè)量實(shí)訓(xùn)中，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別出 38% 的粗差操作，其中“閉合差超限”預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá) 91% 。基于該系統(tǒng)的教學(xué)評(píng)價(jià)改革使過(guò)程性考核占比提升至 60% ，學(xué)生課程考核優(yōu)秀率連續(xù)兩年保持 25% 以上的增長(zhǎng)。測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)在測(cè)量學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用，不僅解決了傳統(tǒng)教學(xué)中的諸多難題，還為培養(yǎng)高素質(zhì)礦業(yè)人才提供了新途徑。學(xué)院通過(guò)構(gòu)建“儀器操作一場(chǎng)景模擬一項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)－過(guò)程分析”四位一體的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系，近三年學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力顯著提升，學(xué)科競(jìng)賽獲獎(jiǎng)數(shù)量增長(zhǎng) 150% ，用人單位對(duì)畢業(yè)生現(xiàn)場(chǎng)操作能力的滿(mǎn)意度達(dá) 94.6% 。這種校企深度協(xié)同的教學(xué)模式，成功實(shí)現(xiàn)了三個(gè)轉(zhuǎn)變從“實(shí)物操作”向“數(shù)字孿生”轉(zhuǎn)變、從“結(jié)果評(píng)價(jià)”向“過(guò)程溯源”轉(zhuǎn)變、從“單一場(chǎng)景”向“多維參數(shù)”轉(zhuǎn)變。未來(lái)，隨著‘ 5G+XR ”技術(shù)的深度融合，測(cè)繪虛擬仿真教學(xué)將向更高階的智能決策訓(xùn)練方向發(fā)展，為礦業(yè)工程教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供持續(xù)動(dòng)力。

四、測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于采礦工程專(zhuān)業(yè)測(cè)量學(xué)課程教學(xué)中的保障措施

為了確保虛擬仿真技術(shù)在測(cè)量學(xué)教學(xué)中的有效應(yīng)用，學(xué)院近年來(lái)采取了一系列措施提升軟硬件水平，改進(jìn)教學(xué)方法，加大教學(xué)改革力度。

首先，在硬件設(shè)施方面，學(xué)院需要建設(shè)配備高性能計(jì)算機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生提供良好的虛擬仿真學(xué)習(xí)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)配備足夠的計(jì)算機(jī)工作站、虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，以滿(mǎn)足大規(guī)模教學(xué)需求。同時(shí)，學(xué)院還需要建立穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，支持多用戶(hù)同時(shí)在線操作。

其次，在軟件資源方面，學(xué)院需要開(kāi)發(fā)或引進(jìn)高質(zhì)量的測(cè)繪虛擬仿真教學(xué)軟件，確保虛擬測(cè)量場(chǎng)景和操作過(guò)程的高度仿真性?？梢耘c企業(yè)合作，開(kāi)發(fā)針對(duì)采礦工程專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)的測(cè)繪虛擬仿真教學(xué)軟件，或者引進(jìn)成熟的商業(yè)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。軟件應(yīng)具備良好的交互性和可擴(kuò)展性，能根據(jù)教學(xué)需求不斷更新和完善。

最后，學(xué)院還需要建立完善的測(cè)繪虛擬仿真教學(xué)評(píng)價(jià)體系，及時(shí)收集學(xué)生反饋，不斷優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程。學(xué)院可以采用問(wèn)卷調(diào)查、訪談等方式，了解學(xué)生對(duì)測(cè)繪虛擬仿真教學(xué)的滿(mǎn)意度和改進(jìn)建議。同時(shí)，學(xué)院應(yīng)建立科學(xué)的考核機(jī)制，將測(cè)繪虛擬仿真操作納人課程考核范圍，激勵(lì)學(xué)生積極參與虛擬仿真學(xué)習(xí)。

五、結(jié)語(yǔ)

測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)在采礦工程專(zhuān)業(yè)測(cè)量學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用，為傳統(tǒng)測(cè)量學(xué)教學(xué)帶來(lái)了革命性的變革。通過(guò)虛擬測(cè)量?jī)x器操作、三維場(chǎng)景模擬和虛擬實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)等方式，虛擬仿真技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)教學(xué)中實(shí)踐機(jī)會(huì)不足、安全隱患等問(wèn)題，顯著提高了教學(xué)質(zhì)量和效率。

通過(guò)虛擬測(cè)量?jī)x器操作和三維場(chǎng)景模擬，學(xué)生能在安全、可控的環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，不僅提高了實(shí)踐操作能力，還加深了對(duì)測(cè)量原理和方法的理解。測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)的沉浸式體驗(yàn)和交互性功能，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，顯著提升了教學(xué)效果。

測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)拓展了實(shí)踐教學(xué)的廣度和深度。虛擬仿真技術(shù)能模擬復(fù)雜和危險(xiǎn)的測(cè)量場(chǎng)景，如礦山測(cè)量、高空測(cè)量等，突破了傳統(tǒng)實(shí)地實(shí)習(xí)的局限性。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中完成從測(cè)量方案設(shè)計(jì)到數(shù)據(jù)處理的完整流程，培養(yǎng)綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，為未來(lái)從事礦業(yè)工程奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用需要持續(xù)投人和優(yōu)化。盡管測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中展現(xiàn)出巨大潛力，但其應(yīng)用仍面臨硬件設(shè)施投入大、軟件資源更新快等挑戰(zhàn)。未來(lái)需要加大對(duì)測(cè)繪虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)力度，開(kāi)發(fā)更多高質(zhì)量的虛擬仿真教學(xué)資源，同時(shí)加強(qiáng)教師培訓(xùn)，提升其運(yùn)用測(cè)繪虛擬仿真技術(shù)的能力。此外，還需建立科學(xué)的評(píng)價(jià)體系，不斷優(yōu)化測(cè)繪虛擬仿真教學(xué)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

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基金項(xiàng)目：貴州大學(xué)測(cè)繪工程國(guó)家級(jí)一流本科專(zhuān)業(yè)建設(shè)項(xiàng)目。

（作者單位：貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院）