虚拟仿真技术在工程测量实践教学中的应用初探

孙金萍

【摘要】建筑施工测量是工程测量实践教学中一个至关重要的模块，事关学生的就业问题，但该模块在授课过程中面临着投入大、观摩难、实操难的问题。对此，本文对虚拟仿真教学技术在实践教学中的应用进行了初步探索，从而为工程测量实践教学基地的建设提供一定的参考。

【关键词】工程测量实践教学;虚拟仿真教学;建筑施工测量

一、工程测量实践教学面临的问题

工程测量实践教学是工程测量课程教学的实践环节，在建筑类专业人才培养方案中占有非常重要的地位。大部分该专业的学生未来要到建筑工地從事技术和管理工作，因此其中的建筑施工测量模块是工程测量实践教学的关键环节。笔者经过长期的教学实践发现，此模块教学存在着投入大、观摩难、实操难的问题，主要表现在：

（一）建立校内实际场地投入大

建筑施工测量贯穿于建筑工程施工的全过程，从施工前施工控制网的建立，到建筑物定位测量和基础放线，再到各工序的细部测设，甚至到运营期间的变形观测，内容多而且复杂，若在校内将整个流程的施工测量均进行实际地模拟，需要投入大量的场地和资金，而学校场地有限，显然这一想法不好实现。

（二）校外建筑工地观摩难、实操难

虽然部分学校有带领学生到建筑工地进行观摩、实践的惯例，但也面临着以下问题：第一，学生的安全难保障。建筑工地交叉面多，环境复杂，众多学生到达建筑工地后的安全不好控制;第二，受安全制度等影响，学生不能长时间、经常性地去建筑工地，很难观摩到各个环节的流程和方法;第三，学生实践能力差，到达建筑工地之后不能进行实践操作。

在工程测量实践教学中，建筑施工测量属于实践性、应用性很强的模块，对于建筑类专业学生来说，仅仅靠课堂上的理论知识是远远不够的，必须加强其实操动手能力，提升其专业技能和创新能力。在这种情况下，虚拟仿真技术为该课程的实践教学提供了新的可能，可以弥补校内和校外实训条件不足的现状，具有一定的现实意义。

二、虚拟仿真技术与教学的结合

虚拟仿真技术又称模拟技术或虚拟现实技术，其本质就是用一个虚拟的系统来模仿另一个真实系统的技术。虚拟仿真技术主要利用三维图形构造技术、多传感交互技术以及可视化技术，生成三维的虚拟现实环境，使用者利用键盘、鼠标头盔、数据手套等传感设备作为输入设备，进入虚拟环境，在虚拟环境中进行实时交互，同时能够感知和操作三维虚拟现实环境中的各种对象，产生身临其境的体验和感受。

关于虚拟仿真技术与教学的结合，国内相关研究已经有很多。刘烨在《虚拟仿真技术在高职物流管理专业实训教学中的应用》中将虚拟仿真技术应用到高职物流管理专业的实训教学中，建立了物流虚拟仿真实训室;黄晟在《对虚拟现实技术与室内设计专业教学的整合研究》中提出了虚拟现实技术与室内设计专业教学的整合途径，包括了虚拟空间的营造和教学过程的辅导两大过程。

虚拟仿真教学系统目前主要分为桌面式虚拟仿真系统、沉浸式虚拟仿真系统、分布式虚拟仿真系统和增强式虚拟仿真系统四类。桌面式虚拟仿真系统是以普通计算机和低级工作站为依托来实现仿真功能，用户通过计算机的屏幕了解虚拟环境，通过计算机的键盘和鼠标等相关设备与虚拟环境互动。这种系统特点是真实感不足，但是成本较低，容易实现，因此得到了广泛的应用。沉浸式虚拟仿真系统，是通过使用头盔和手柄等电子设备让用户和虚拟环境进行互动，用户是虚拟环境中的参加者，这种方式沉浸性较强，目前在很多游戏中应用较广。分布式虚拟仿真系统不是用户参与的虚拟仿真，而是在不同地理位置的多个用户通过网络相连，共同分享信息。增强式虚拟仿真系统是以真实的环境为基础，同时结合虚拟环境来共同模拟所需的真实环境和系统。

三、虚拟仿真技术在工程测量实践教学中的应用

本研究欲基于桌面式虚拟仿真系统研发一种建筑施工测量虚拟仿真系统，实现虚拟仿真技术在工程测量实践教学中的应用。建筑施工测量虚拟仿真系统将按照施工测量的内容划分为定位和放线系统、基础工程施工测量系统、墙体施工测量系统和变形观测系统共四个子系统。每个子系统根据实践项目的特点还可以继续设置不同的模块。以变形观测系统为例，该系统可以继续设置为建筑物沉降观测、建筑物倾斜观测和建筑物裂缝观测三个模块。

本文以定位和放线系统为例，介绍该系统的研发构想。定位和放线系统利用BIM三维建模技术、三维互动技术，流媒体技术以及互联网技术等，在计算机屏幕上模拟一个施工场地，学生通过计算机的键盘和鼠标等设备实现与虚拟的施工场地之间的互动，借助于该平台来完成建筑物的定位和放线工作。该系统的主要技术难点有以下几个方面：

（一）建筑施工场地的三维建模

利用BIM三维建模技术可以实现施工场地三维模型的建立。目前，BIM三维建模技术发展已经比较成熟，如笔者所在学校已经开设相关课程，学生已经具备该技术的基础知识，在平台使用之前学生可以在教师提供工程案例背景的前提下完成对建筑施工场地三维模型的建立。

（二）建筑施工场地三维模型的输入

该系统平台将具备三维模型的输入功能，以便实现与其他软件的交互。学生借助此功能输入之前准备的三维模型，即可实现对虚拟施工场地的模拟。

（三）学生与虚拟施工场地之间的互动

为了在虚拟的施工场地上完成定位放线等操作，需要实现学生与虚拟建筑施工场地之间的互动，可以借助三维互动技术。三维互动技术能够直观且极为仿真地展示出建筑施工场地的现实场景，让学生如亲临其境，并能够通过鼠标和键盘等设备与虚拟场景之间进行交互，完成实践项目。

四、结语

虚拟仿真技术的应用解决了工程测量实践教学中投入大、观摩难、实操难的问题，同时通过与虚拟模拟施工现场的交互，学生能够进行动手操作，提高了学习兴趣。虚拟现实技术的应用使得教学中所面临的问题能够一步步得到有效解决，也为工程测量实践教学基地的建设研究提供了新的可能。随着虚拟现实技术应用水平的逐步提升，它与教育教学的深度融合将会更加地紧密，对于提高教育教学水平、改善教学环境、丰富教学资源、优化教学过程，培养个性化、创新型的人才发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1] 刘烨.虚拟仿真技术在高职物流管理专业实训教学中的应用[J].物流工程与管理，2019，41（02）：163-164+162.

[2]严慧萍.虚拟仿真在中职实训教学中的应用研究[D].福建师范大学，2014.

[3]黄晟.对虚拟现实技术与室内设计专业教学的整合研究[J].居舍，2018（30）：90.

【本文系山东华宇工学院职教教改项目“工程测量实践教学基地建设的研究”（2017ZG15）的阶段性成果】

（作者单位：山东华宇工学院）