结合虚拟仿真技术的混合式教学在工程测量实践教学中的应用

2021-02-11孔令奇

科技创新导报 2021年24期

孔令奇

摘要：土木工程测量是土木工程类专业必修的一门重要专业基础核心课。本文针对传统工程测量实践教学存在的问题，对混合式教学手段的内容和虚拟仿真技术进行了分析总结，提出了将虚拟仿真技术和混合式教学相结合的实践教学新模式，并讨论了其在教学中需要注意的问题。新模式有效地解决了课程实验课时不足及实验条件落后等现实问题，为工程测量实践教学的改革和发展提供了一条新路径。

关键詞：虚拟仿真技术混合式教学工程测量实践教学

中图分类号：TU43文献标识码：A

Application of Hybrid Teaching Combined with Virtual Simulation Technology in Engineering Survey Practice Teaching

KONG Lingqi

（1.School of Materials and Environmental Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu， Sichuan Province， 610031China）

Abstract： Civil engineering survey is an important basic core course for civil engineering majors. In view of the problems existing in traditional engineering survey practice teaching， this paper analyzes and summarizes the content of hybrid teaching methods and virtual simulation technology.A new practical teaching mode combining virtual simulation technology with hybrid teaching is proposed， and the problems needing attention in teaching are discussed. The new model effectively solves the practical problems such as insufficient experimental hours and backward experimental conditions， and provides a new path for the reform and development of engineering surveying practice teaching.

Key Words：Virtual simulation technology; Hybrid teaching; Engineering survey; Practice teaching

土木工程测量这门课程是土木工程专业必修的一门核心专业基础课[1]。这门课程重点要求学生掌握测量的基础理论知识，进行简单的仪器操作，独立读图并能根据所学知识用图，最终具有将所学知识应用于工程实际的能力。土木类专业毕业生主要就业去向是与土建相关的施工或者设计单位，实际工作中最早接触的工作一般就是建筑施工测量工作或线路工程放样等。因此，高校土木工程测量课程的实践教学环节的教学过程，直接影响高校学生就业和未来个人的发展[2]。

随着现代测绘技术迅猛发展，国内外不断涌现出卫星定位技术、无人机测绘技术和全息虚拟信息化仿真技术等[3]，高等院校土木工程测量课程如果不及时更新，培养的学生将难以满足用人单位的实际需要。由此可见，高校实践教学内容与工程实际脱节，造成学生未来无法适应实际工作中的工程需求[2]。

1“工程测量”传统实践教学存在的问题

1.1课程学时不足

目前很多高校将土木类学科的“工程测量”课程设为32+16个学时，其中32个理论学时讲授基本理论知识，并介绍新技术理论，授课严重不够[4，5]，不可能再拿出课时讲授实验部分的内容。而在工程测量实验教学中，一次2个学时中既要讲实验又要做实验，教师先在实验室讲授实验过程和实验要点，然后是分发仪器，学生现场实验。由于测量实验的复杂性，很多实验要点是做过实验后学生才能够真正领会的，在短时间内学生因为不熟悉仪器和实验过程，经常出现实验做完了才发现自己没有按照实验要求做，出现错误也没有时间重做的情况，实践教学效果难以保证。

1.2受场地限制

高校实验教学场地一般都设置在教学楼和实验楼附近，优点是能够节省实验室到实训场地的路上消耗的时间成本，这样的场地一般地形平坦，建筑物规则，易于多组同时测量，且不容易出现安全问题。但实际工程建设的地形多变，典型的山区地形、地貌无法模拟[2]，学生得不到更好的锻炼，难以完全满足课程的实践需求。但若实训场地设置在较远的地方甚至校外，那么来回路上的时间成本增加，会反过来压缩本来就少的上课时间，学生测量时的安全问题也很难得到保证。

1.3仪器限制

“工程测量”课程教学中所使用的教材内容无法得到及时的更新，如前文所述，随着测绘技术的迅猛发展，新的测绘技术和测绘仪器应运而生，高校内较多经典教材中仍在介绍如光学经纬仪等较老型号的仪器，而现在工程中广泛应用的GPS、全站仪等智能仪器鲜有介绍[4]。

1.4实验教师不足

一次测量实验课实验小组少则10组，多则20组，通常只配有一名实验指导教师。与室内实验不同，测量实验过程中各小组分散在一个大的测量实训场地上。学生实验过程中出现问题很难得到及时解答，而实验教师在场地上来回奔波解决问题，对于一次实验的把控最终只能落在实验结果是否正确上，根本没有时间去关注学生的具体操作是否规范。

1.5实践教学考核方法不够合理。

高校工程测量实验需要由多名学生分组合作完成，一组同学测绘一组数据，完成一份报告。这就造成教师无法判定学生个人在实验过程中的参与度和贡献度，无法评定学生个人的实践效果，考核方法不够合理、全面[2]。

混合式教学近年来越来越被师生所接受。教师除了课堂授课外，可以借助一些网络资源平台（如微信、QQ等），这些平台不受时空限制，辅助线下教学，能有效地促进课程的教学质量，大大提高学生的综合素质[6，7]。但目前，混合式教学方式在国内主要应用于理论课，鲜有将混合式教学方法应用于实践性较强的课程，所以，对于像工程测量这样实践性强的专业课程，开展混合式教学方式研究具有重要的实际意义。

2“混合式教学”的手段

“混合式教学”即线下课堂讲授与网络线上教学相结合的一种教学方式。这种教学方式不是简单意义上通过网络平台讲授课程内容，而是将线上借助网络平台的教学模式融入传统的线下课堂授课之中，甚至应用到课堂之外。最大限度地发挥出网络教学不受时空限制的优势，与传统的课堂授课方式相互融合，从而提升学生的学习兴趣与学习效果[8-10]。

2.1线上教学

传统的线下教学教师只有在固定的时间和固定的地点给学生授课，而且教师的讲解内容不具有回放性，不管学生接受多少，教师只有按照教学大纲定时定量“灌输”给学生，课后学生也只能根据课堂笔记回忆教师所讲内容。

借助网络平台，开展线上教学资源的建设，有力地弥补线下教学的不足[8-10]。教师可为学生选择一些优秀的微课和慕课课程，将提前选择好的课件分重点、难点内容，借助一些教学平台如超星、易智云课堂等推送给班级学生，学生可自主选择时间、地点反复进行学习。为了学生更好地掌握学习内容，教师还可对相关内容设置习题，学生在观看微视频后，可通过回答相关问题来判断个人对相关知识的掌握程度。借助网络平台的线上教学，具有较强的灵活性，不受时间和地点的限制，弥补了线下课堂教学课时不足的局限性，优化了教师课堂讲授内容[7-9]。

2.2任务驱动法教学

任务驱动法教学是以“任务”驱动教学。“工程测量”课程是一门典型的理论与实践相结合的课程，为使得学生更好地掌握课堂理论知识，掌握基本的测量技能，教师可将实验教学内容在课堂讲授的相关知识基础上，分解若干实验任务，采用任务驱动法教学。

学生在下发的实验任务的基础上，以教师课堂讲授的基本知识为基础，通过自己分析问题、解决问题，独立完成每个实验任务，脱离教师管控。这种任务驱动法不仅能调动学生探索问题、解决问题的求知欲望，更能激发学生自主学习的热情。

任务驱动法需要首先建立学习情境，布置相关任务;然后分析具体任务，并动手实施;最后完成各项任务，并进行评价[7，10]。

2.3移动教学平台助力师生互动，提高学生课堂参与度

人们处在信息化时代，高校教学模式也应与时俱进，顺应时代的改变。智能手机、平板电脑已经成为人人具有、随身携带的必备品。应充分利用移动设备的移动化、便利化，在学生的学习中发挥作用。在课程实践环节中，学生可借助智能手机，下载APP软件学习和辅助计算。“测量员”APP软件是一款可在智能手机运行的应用程序，学生可在实践环节借助该款软件核算实验结果、协助学习，提高实验的效率和准确性[7，11]。

目前，微信、QQ是每个智能手机必备程序，教师可借助智能手机，随时、随地灵活地参与学生的实践指导，学生在实验过程遇到的任何难题和疑问均可通过微信或QQ与教师交流讨论，教师实时指导。学生测量任务完成后，也可以及时发送测量结果给教师批阅，一旦发现问题，及时更改，真正做到“教”与“学”的零延时互动[11]。

事实证明，混合式教学也能够有效地解决实践类课程实验课时不足的问题，采用任务驱动法教学，课前发布任务，可以调动学生的积极性和创造力，利用线上教学的方式把实验步骤和实验内容在课前让学生学习并测试学习效果，而使线下授课变得更有针对性，把更多的时间拿来让学生操作。而移动教学平台可以加强学生和教师的互动，提高学生的学习兴趣。但对于工程测量传统教学中反映出的场地、仪器等问题并没有改善的作用。

3虚拟仿真教學技术在测绘领域的发展

工程测量实践课程所采用的测量仪器个体笨重、昂贵，学生只能在指定时间和地点按时使用、按时归还。虚拟仿真技术不受时间、地点、使用次数、设备维护等方面的限制，学生可借助手机、电脑等移动设备，在虚拟环境中真实地无次数限制地操作仪器，模拟各种测量方法和测量方案，这不仅可以加强学生对测量课程理论、实践内容的理解和掌握，还极大地提高了学生学习的热情和效率[12]。

目前，虚拟仿真教学主要指虚拟仿真技术教学课件和虚拟仿真技术教学平台。课件是针对课堂理论教学中涉及的知识点而开发独立的相关的教学动画或者教学软件，一般只提供与课堂相关理论知识对应的实验仪器，学生可以借助课件完成模拟操作实验，视觉观察实验现象，得出相关结论。平台是针对相关课程某一系统实验开发的相关仿真软件，软件真实模拟现场环境和仪器，学生在软件里可以像真实生活中一样取出实验仪器，搭建不同的实验模型，完全摆脱了实际硬件设备限制[12，13]。

3.1仪器

在仿真环境中，所有的仪器和部件都是高度智能化的，几乎和真实仪器一样。比如全站仪安置过程的对中、粗平、精密等操作都有智能提示，设站检查时有错误提醒;其他主要操作步骤都有成功提醒和进一步调整提示。同时提供了一个测绘设备专业器材库，涵盖测绘行业的中高端仪器设备，如全站仪、RTK、无人机等系统可以全视角展示设备的操作和拼装，学习者可以自由选择设备进行操作和组装[13]。

3.2虚拟测区

在仿真环境中，所有实体模型基本满足测绘工作的地物、地貌测绘的要求，所呈现的场景不仅是三维虚拟环境，更是满足测绘要求的实体空间。

三维可视化的测区，让测前踏勘工作灵活呈现。根据测绘目的、踏勘情况，自主性地选择测绘方法、手段及设备，克服了传统实训中无法呈现“理想”的测区环境、“测绘方法得靠想、设备选择得靠背”等弊端。

3.3施工情境

围绕相关专业工程对具体测绘的要求，采用仿真技术虚拟施工过程，采用案例法，将测量专业和其他专业连接起来，拓宽学生实训视野[14]。

3.4虚拟实训与考核

根据教、学、练的主动学习能力，自主完成综合性的虚拟实训操作，实现学生由课堂到课外实训的顺利过渡，完成对学生的课上考核。

3.5评价反馈

实现读数仿真、精准，全过程记录实训操作，通过记录和计算，反馈追踪测绘过程的正确性、测绘成果的质量性。

虚拟仿真软件甚至可以定制场景，让学生的练习不再只是简单的重复实验。虚拟环境中的仿真仪器，能够解决真实的小组实验中无法全员轮换的问题，能够使每个学生都熟悉仪器的界面和操作。学生可以在虚拟环境中熟悉使用各种品牌型号的仪器。虚拟仿真软件能够保存后台操作日志，可以对操作的合理性和规范性进行细致评价，最终作为成绩考核的一项依据。最主要的是，虚拟仿真软件的基本操作非常简单易学，学生很容易上手。虚拟环境中个人操作的自由度非常高，很容易实现多次重复实验练习。

4结合了虚拟仿真技术的混合式教学实践

4.1结合了虚拟仿真技术的混合式教学过程

现有的“虚拟仿真教学”和“混合式教学”的学习效果各有不同，虚拟仿真针对实验环节，混合式教学针对理论学习，但“实验”和“理论”实际是相辅相成，不可分割的。将虚拟仿真技术和混合式教学结合起来，可以发挥各自的优势，是解决工程测量实践教学现存问题的一把钥匙。

混合式教学应用于实验教学中，能够充分利用网络平台资源[15]，将90min的课堂时间延展到课前、课中、课后，将多种教学手段灵活应用课程教学，令学生随时随地可以学习。而虚拟仿真技术在实验教学中应用，可以减少学生和仪器之间的陌生感，促进实验内容的多样化和提升实验效果，并可以弥补实验条件的不足。将二者有机结合，发挥各自的优势，将大大提升工程测量实验教学的教学质量。

结合了虚拟仿真技术的混合式教学的工程测量实验教学设计，如表1所示，包括课前任务发布、课中学习（实验要点讲解+虚拟仿真实验+现场实验）、课后总结拓展和考核评价环节。

以下是一次结合了虚拟仿真技术的混合式教学过程。

第一，课前准备。发布实验任务采用“雨课堂”平台，主要是使用雨课堂的两个功能：一是在PPT中可以插入慕课视频的功能;二是雨课堂的数据统计功能。发布试验任务包括三部分：实验任务本身;实验内容讲解及实操教学视频;关于实验内容的测试题。要求学生在接受实验任务，学习实验内容后独立完成测试题。教师可在“雨课堂”后台中查看学生的完成情况，根据学生的预习掌握情况，及时调整课堂授课重点内容。

第二，线下教学。根据雨课堂学生预习反馈及往届学生统计的共有易错问题，再次有针对性地讲授实验知识要点及实验要求。学生分组进行实验分工与实验细节讨论，最后是学生提问和解答。

第三，进行仿真实验。学生利用虚拟仿真软件进行虚拟实验。主要包括两方面：一是针对仪器的操作，如全站仪的对中整平操作，全站仪的基本设置操作，全站仪的置盘操作;二是针对实验步骤，例如观测、迁站等。图1为仿真界面。

第四，外业实验，各组学生根据实验的步骤和要求在实验场地进行外业数据采集及外业计算。

第五，课下的内业计算，各组学生按照实验指导书要求进行内业计算，原始数据和计算结果均上传至云平台，作为资料供后续使用。

第六，拓展与延伸练习，每个小组对其他组的数据进行校核计算，多次利用虚拟仿真课件进行虚拟操作练习，都可以达到短时间重复练习的效果。

第七，考核评价如图2所示，实验成绩由雨课堂成绩、课堂表现、虚拟仿真软件成绩、现场操作打分、实验报告成绩5部分组成。具体教学模式的设计如表1所示。

4.2结合虚拟仿真技术的混合式教学需要注意的问题

第一，要注意虚实结合。不能为了“虚”而“虚”，虚拟的根本目的是实操，实操能力的培养才是实践教学的最终目标，不能用虚拟仿真练习代替实操训练，在考核时也应把分值权重更多的放在实操过程考核和实验成果考核上。

第二，线上发布任务和讲解内容要精炼。内容的选取方面注意理论教学有的内容不要重复出现，视频也要注意时长，考查学生的测试题目要贴合实验，最好能出一些往届学生的共有问题，线上部分的测试题目反馈是线下教学内容的重要依据，教师和学生都应该特别重视。

第三，线下讲授内容要简短和突出重点。充分发挥学生的主动性，最好是把给学生讲问题变成帮学生解决问题。

第四，注意充分利用教学平台统计功能，作为过程考查的打分项，既督促了学生，又完善了考评体系。

5结语

结合了虚拟仿真技术的混合式教学，最大程度地发挥信息化教学手段优势，成功解决了传统工程测量实践教学中出现的多种问题，有望成为未来工程测量实践教学的一个发展趋势。目前本门课程的教学改革成果已经应用到了本校工程造价专业2018级和2019级学生测量实验教学上，通过对实验完成的情况统计及学生的问卷反馈，新的教学模式受到了大多数学生的欢迎，达到了增强实践教学效果和提高学生动手能力的目的。

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