基于虚拟仿真技术的工程测量实验教学初探

梁月吉

摘 要 工程测量课程是非测绘工程专业的基礎必修课，课程理论抽象、实验环节多。由于课程实验学时较少，且实验设备操作复杂，传统的实验教学模式不利于提高实验教学质量和学生综合能力。通过分析传统工程测量实验教学模式存在的一些问题，经虚拟仿真重点实验室，构建基于虚拟仿真技术的工程测量实验教学平台，充分整合课程资源，发挥虚拟仿真技术的优势，给学生提供更为直观的仪器操作体验环境，为进入实际测量实践奠定良好的基础。该平台的建立将有利于提高学生的创新能力和实践能力，培养“理论扎实、动手能力强”的测量技术人才。

关键词 工程测量；虚拟仿真技术；实验教学

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）22-0056-03

Research on Experimental Teaching of Engineering Survey based on Virtual Simulation Technology//LIANG Yueji

Abstract Engineering measurement is a basic compulsory course of

non-surveying and mapping engineering， and the course theory is ab-

stract and experiments are complex. Because of the less time of ex-

periment and the complicated operation of experimental equipment， the traditional experimental teaching mode is not conducive to im-

prove the quality of experimental teaching and students comprehen-

sive ability. Analyzing some problems existing in the teaching model of traditional engineering surveying， the experimental teaching platform of engineering measurement based on virtual simulation technology is constructed to fully integrate the curriculum resources，

and play the advantages of virtual simulation technology. The plat-

form can provide students with a more intuitive instrument opera-ting experience environment， and lay a good foundation for entering

the actual measurement practice. The platform will help improve stu-

dents ability of innovation and practical， and train of the measure-ment technology talent with solid theory and stronger practical ability.

Key words engineering survey； virtual simulation technology； expe-

rimental teaching

1 引言

在国务院印发《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》后，“双一流”建设已成为人们关注的焦点和谈论的热点。在这个大背景下，如何更好地开展工程测量实验教学，也是值得思考的问题。工程测量课程是非测绘工程专业的基础必修课，也是对实践能力要求较高的一门课，学生实践操作能力的高低直接关系到他们的专业学习和未来就业。随着测绘科学技术的快速发展，测绘仪器的更新换代较为迅速，加上实验课时减少，使得传统的实验教学方法和手段难以满足课程教学的要求，“理论偏重实践偏少”往往不利于学生对知识点的理解和消化，以及实践操作能力的提高，因此需要探索一种更为有效的工程测量实验教学方法。

2 课程现状

工程测量课程是桂林理工大学部分工程类专业的技术基础课，具有较强的实践性。开设该课程的专业主要有风景园林工程、资源勘查工程、环境工程、土木工程等10余个[1]。该课程共设置32学时，其中理论课22学时，实验课10学时。课程开设至今已有50余年，课程的教学内容、实验环节、结构体系等已得到一系列改革[1-2]。其中，实验课主要分为六大专题：

1）经纬仪的检视与使用，主要包括经纬仪的构造与作用及对中、整平、瞄准与读数等内容；

2）测回法水平角观测，主要包括经纬仪安置，水平角观测、记录与计算等内容；

3）水准仪的检视与使用，主要包括水准仪的构造与作用及安置、整平、瞄准与读数等内容；

4）普通水准测量，主要包括水准测量外业观测、记录与计算；

5）全站仪的使用，主要包括全站仪安置、测站点和后视点设置、测点坐标测量；

6）竖直角观测，主要包括经纬仪安置，竖直角观测、记录与计算。

3 传统实验教学存在的不足endprint

现实教学中往往体现出[3]：教学内容与测繪科技发展之间的不适应，教学手段与现代教育理念之间的不适应，学时压缩与知识量增长之间的不适应。对于非测绘工程专业学生来说，实验内容、仪器操作成为主要难题，有限的实验课程学习往往难以达到教学的预期效果，存在以下主要问题。

1）实验人数较多，实验设备不足或型号老旧。测量实验课往往3～4人/小组，不同专业人数不同；实验小组少则10个小组，多则20多个小组。然而，实验课指导教师往往只有1～2人，给教学增加了困难。

2）实验课时相对不足，实验内容相对较多。由于实验学时的限制，难以保证学生学习效率的提高以及实验操作规范的统一。

3）昂贵仪器，学生使用较少。有些贵重仪器，由于数量极少，难以满足学生的学习；且学生对于贵重仪器在使用过程往往会产生怕弄坏仪器的心理现象。

4）仪器类型多，不易实现全部操作。如水准测量实验，涉及仪器类型较多，传统的实验教学一般只能让学生掌握对某种仪器的认识和操作，难以达到对其他仪器的融会贯通。

可见，传统实验教学难以保证学生更好地巩固理论知识，缺乏实践导致动手能力不足，在一定程度上影响了创新能力的培养。

4 基于虚拟仿真技术的实验教学探讨

虚拟仿真（Virtual Reality，简称VR）技术诞生于美国，是一种由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的人工三维信息虚拟环境，能够较为逼真地模拟现实世界存在的事物，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等多个领域[4]。随着计算机、网络、信息技术等相关领域的发展，虚拟仿真技术大规模进入实验教学是必然的趋势，将会改变传统的实验教学模式[5]。

桂林理工大学测绘地理信息学院已建立区级虚拟仿真重点实验室，由于处于建设初级阶段，大量实质性工作有待努力开展。基于虚拟仿真技术，工程测量实验教学主要是通过以无人机航拍得到的雁山校区3D全景图为基础，逐步实现各项工程测量实验的虚拟仿真和数据分析处理平台，使得理论知识和实践操作得到有效结合。学生只需要登录该平台，即可快速、便捷、直观地体验学习环境，更加自主地理解和掌握课程知识点，达到更好的学习效果。

建立工程测量课程虚拟仿真平台时主要采用的技术手段包括：通过Web技术[6]构建开放式虚拟仿真平台；采用VRML编程语言进行场景建模[7]，以3ds Max辅助建模；通过Unity3D进行交互式测量仿真操作；利用NET技术[8]结合工程测量虚拟仿真实验，构建集教学、操作、成果评价等为一体的线上实验教学平台。

通过以上技术实现工程测量虚拟环境和场景的构建过程，在注重各项实验步骤细化的同时，更要注重中间过程实现的可视化。对于抽象的理论知识，如测量误差、地图投影、水准测量、控制测量、土石方计算等内容，采用文本、图片、音频、视频和动画相结合方法，化抽象为生动，将会大大加强学生的理解和记忆能力。对于实验开展过程，如闭合水准测量、角度测量、坐标放样等项目，以雁山校区3D全景图为基础，进行过虚拟仿真整个实验，包括实验方法、仪器操作、读数、误差检验等，实现更为贴近实际的操作场景，激发学生的兴趣和激情，快速适应和开展实际的实验内容。

同时，在“双一流”建设背景下，结合新技术和实际应用，更深层次地研究工程测量课程的教学体系设计、实践环节、实践场地建设和施教方式等问题，提出更为可行的方案，培养出具备科研和实践创新能力的综合型人才。工程测量虚拟仿真实验教学平台的构建和实施，最终需要完成虚拟仿真软件的研发和相关课件内容的设计，并在教学实验中逐步应用、改进和完善。

5 工程测量虚拟仿真实验教学的意义

针对传统实验教学存在的不足，构建基于虚拟仿真技术的工程测量课程实验教学平台，具有以下重要意义。

变抽象为生动 对于工程测量课程来说，理论知识往往较为复杂、抽象，仅依靠课堂教学往往难以达到教学目标，且由于实验室设备、实验安排、实验人数、专业班级等方面限制，学生对所学理论没有及时通过实验加以理解和消化，疑惑问题过度积累极易产生排斥、厌学等现象。通过工程测量虚拟仿真实验教学，学生登录平台，结合自身学习情况，能够通过生动的画面对抽象的理论知识有最直观的理解，进而激发自主学习的热情。

化被动为主动 传统的实验教学模式往往是教师在实验基地对实验要求、实验操作、实验注意事项等进行讲解和操作，然后让学生自行开展实验。此过程，学生的学习往往是被动式的，且实验小组人数往往较多，指导教师有限，难以及时对学生在实验过程中出现的问题进行指导。而且，往往每个实验项目为两学时，不利于学生对实验内容的掌握和提高实验效率。通过工程测量虚拟仿真实验教学平台，学生完全可以在实验前或实验中自主去学习和研究实验设计、实验操作、实验环境等内容，不仅充分发挥了自主学习和小组合作学习的能力，而且提高了实验教学的效率。实验后，学生可以通过虚拟仿真实验教学平台对所学实验内容加以巩固。此过程实现了学生自主开展学习，将被动式化为主动式，提升了自主学习的能力。

系统掌握、标准规范 传统的工程测量实验教学模式中，学生对实验项目的规范要求和仪器设备的规范操作往往掌握较慢。在实验过程中，学生对各项指标的检验不容易理解，且对于操作错误和误差超限难以及时发现；对仪器设备的操作往往脱离规范化要求，甚至存在丢尺垫、仪器摔倒等现象。而且，一个教师往往需要指导十多个小组的实验，在有限的学时内难以达到教学目的。工程测量虚拟仿真实验教学平台能够让学生从对实验的陌生到模仿实验，再到熟悉实验，最后掌握实验。这不仅让学生系统掌握实验的过程，熟悉各项规范要求，而且使得学生养成良好的实验习惯和实验素养。

举一反三、融会贯通 工程测量课程的各项实验所涉及的实验设备种类较多，如闭合水准测量实验，可采用DS03微倾水准仪、自动安平水准仪以及电子水准仪等。现代测绘科技的飞速发展及新技术新方法的应用，测绘仪器设备品牌多、种类多。然而，受实验学时、仪器设备等因素影响，对于每一个实验项目，学生可以接触到的仪器设备往往只有一种，传统实验教学不利于学生对知识的拓展。随着测绘仪器逐渐实现一体化、智能化，用人单位对毕业生测量技能方面的要求也在提高，不少单位甚至把能操作某种仪器设备作为基本要求。如果实验教学仪器跟不上，或学生对实验设备掌握不够，不仅达不到预期的教学效果，而且培养出的人才与社会脱节，无法达到人才培养目标。endprint

通过工程测量虚拟仿真实验教学平台，针对每一个实验项目，构建和实现采用不同仪器可达到的实验效果，以及探索在不同的实验环境中（如平地、山地等）如何实现项目的开展和检核。学生只需通过实验课掌握的某一类仪器设备以及实验方法，即可通过虚拟仿真实验教学平台自主学习和掌握同一类实验项目如何设计、如何操作、如何进行数据处理等知识，最终达到举一反三，融会贯通。

充分利用虚拟仿真技术的优势展开对工程测量课程实验教学模式的创新研究，有利于提升实验教学质量，改善空有理论教学而实验环节不足的缺陷，更好巩固理论知识，达到更好的教学效果，全面、综合提高学生的学习创新能力、实践设计能力、实践动手能力。

6 结束语

当前社会需要实践能力强的综合人才，各招聘单位对毕业生的动手能力放在首位。工程测量实验教学的改革势在必行，开展基于虚拟仿真技术的工程測量实验教学是一个漫长的摸索和不懈努力的过程，需要结合工程测量的特点和各专业实际情况，不断在教学实验过程中进行应用、改进和完善。平台的建立将会不断激发学生的学习兴趣和激情，培养学生的自主学习能力和自主创新能力，使学生掌握的知识更加牢固、有条理和系统化，最终培养出更高质量的测绘工程人才。

参考文献

[1]谢劭峰.测量学网络课程建设实践[J].中国教育技术装备，2016（14）：120-121.

[2]陈天伟，文鸿雁.“测量学”教学网站建设的总体方案[J].桂林工学院学报：高教与社会科学研究专辑，2004：102-104.

[3]高井祥，杜培军，张书毕.《测量学基础》课程教学改革与配套课程建设[J].煤炭高等教育，2000（6）：61-62.

[4]叶勤，关泽群，邵永社，等.测绘工程专业摄影测量学实验教学改革探索[J].测绘通报，2010（6）：74-77.

[5]马天辉.利用虚拟仿真技术激发学生科学研究兴趣[J].中国科教创新导刊，2013（4）：173-177.

[6]周成纲.基于Web的虚拟仿真实验课程平台设计[J].科技广场，2013（3）：58-61.

[7]杨叶平.基于SimuLog语言的水电站仿真平台研究及实现[D].北京：中国水利水电科学研究院，2013.

[8]张岩.基于VRML的虚拟仿真仪器分析实验室的设计与实现[D].南京：南京理工大学，2013.endprint