基于VR技术的教学改革实践

赵江涛 卢修元 漆力健 瞿铭见 毛熹 霍苗

摘  要：文章就工程测量课程教学的相关问题给出改革的落实建议，根据实践教学经验给出科学的教学方式。将虚拟仿真技术使用至课堂教学与活动步骤中，达成实践教学的高等级目标;将理论和实践加以结合，使学生能较好地习得教学内容，了解技能的客观使用需求，提升学生的职位竞争力，为职业成长提供优良的条件，高效地提升教学品质。

关键词：工程测量;实践;课程改革;虚拟仿真系统

中图分类号：G642      文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2022）18-0138-04

Abstract： The article puts forward suggestions on the reform of the teaching of engineering measurement courses， and puts forward effective teaching methods based on practical teaching experience. It applies virtual simulation technology to classroom teaching and practice to achieve the high-level goal of practical teaching， integrates theory with practice to enable students to better master the teaching content， familiarizes themselves with the practical application requirements of skills， and improves the core competitiveness of students' posts， laying a good foundation for career development and effectively improving teaching quality.

Keywords： engineering measurement; practice; curriculum reform; virtual simulation system

工程測量为水利水电工程专业中不可或缺的专业基础课，重点在于培育学生的实际作业能力与处理客观问题的水平，所以，活灵活现的课堂教学与系统的实验机制对教学效果与知识的运用能力发挥着巨大的效果[1]。但是，因为实验室的配置比较匮乏、实验器材不够新颖、实验区域的约束，实验率与实验内容的落实与开发均被影响[2]。为符合现代化教育的发展形势，将现代化技术方法和理论教学加以结合，使用各种教学方式，将基本知识与理论生动地展现出来，能促进学生更好地理解。工程测量的课堂教学与实验教学能够不再囿于之前的教学方式，均能通过虚拟仿真技术（VR）将所学知识与实际生活加以结合，且进行应用，给出了以虚拟VR技术为前提的水利水电工程测量课程教学的新模式。

一、VR技术

虚拟现实（Virtual Reality）技术，即VR技术，是指用一个虚拟的机制模仿、设立另一客观的、全面的技术，与传感技术、AI技术等众多方面有关。虚拟环境是由计算机软硬件以及各种传感器构成的立体人工场景，它能生动地模拟客观存在或没有存在的事物与场景，人只要置于这种场景，便会产生一种“仿佛进入了现场”的体会，且能亲自操作，将实际生活和虚拟环境予以交互[3-4]。

虚拟仿真技术立足于多媒体技术、VR技术等科技，使用计算机技术将仿真和虚拟现实技术高效结合，属于一种更为高级的模拟仿真技术。该技术的设立是将整个系统一致的、全面的虚拟环境当做特征前提，且使用相关的虚拟环境集成和管理各种实体;实体的种类十分丰富，它可以是模拟器，也可以是其他的虚拟仿真系统，然而更多的为计算机系统。在虚拟仿真软件所营造的场景内，实体和其相互影响，进而展现真实世界中具有的形态，所以，拥有集成化、虚拟化和网络化特点的虚拟仿真技术，符合现代化教育的发展需求[1]。

二、课程教学的问题及改革研究

对于理论教学环节，首先是部分教学内容陈旧。目前具有水利水电工程专业的大中专院校所用的工程测量教材内容不够新、不够前沿，缺乏对最新测量技术的介绍与学习，即便是最近几年出版的教材，大多只是内容的深浅不同，体系结构大同小异。比如教材中依然会有经纬仪的章节，而在目前实际工程应用中经纬仪基本已经被淘汰，反而对于现今工程中使用较多的全自动水准仪、全站仪、三维激光扫描仪以及无人机技术等鲜有提及。21世纪的大学生在学习过程中，更加关注所学知识的实用性，学以致用是影响学习兴趣和学习积极性的关键因素，因此，在课程教学中更应及时更新教学内容，在讲解传统测量技术的同时也需介绍现阶段工程中常用的最新的技术与手段，并根据学生学习程度结合经典案例，使学生更快进入工程师角色，最大程度激发学生的兴趣[5]。

其次是课堂教学方法。常用的教学方法包括：课堂讲授+讨论、课程实践+指导。根据课程的实际发展及特点，针对教学的要求不能一味采用一成不变的传统固有教学方法，虽然这些方法对个别课程效果不错，但是对工程测量这种实操要求较高的课程未必全部适用，因此探究适用于本课程新的教学方法尤为重要。本文作者在课堂教学过程中通常采用的是“课堂讲授+讨论”的方法，基本上属于最传统的教学方法，由教师口头叙述基本事实、原理以及推理过程，学生提出疑问或者教师抛出问题再进行讨论;经典案例法，就是以典型案例说明在具体工程中的应用，这也是本课程用的较多的方法之一，在工程测量课程中有较多测绘仪器及方法的实际应用，这些案例对于学生理解和掌握实践内容非常重要;任务驱动法，就是由教师布置一些针对某些重要且必须掌握知识点的任务，要求学生在有限的时间内完成，并校核完成情况，这样做可使学生所学知识从理论到实践有更全方位的认识，并对知识点掌握得更透彻，这是近几年较为流行的教学方式方法，也是对于实践要求较高的此类课程常用的教学方法，对提升教学效果有显著作用。

最后是教学手段，不能单纯依靠多媒体课件，而要结合水利水电工程专业特点引入现代化教学方法与技术手段，许多经典案例可用虚拟仿真系统在课堂实现全过程，让学生更加直观、形象、具体地了解工程测量实际工作情况，从而掌握工程测量的应用。

针对实践教学环节，首先，测量器材相对老旧。很多高校工程测量教学器材使用的依然是老式水准仪、经纬仪甚至是微倾式水准仪，学生唯有根据教学课本中的流程给出固定的步骤，实践内容均是结合既有器材，并将达成主要实践操作视为核心，目的是对工程测量器材的基本使用进行实操，但是器材跟不上时代的变化，不能满足现今工程实际的应用，因此学生把实践课程当完成任务，实践环节并没有促进教学，反而阻碍了教学，很多新的器材及技术手段不能认识和实践，促使实践教学方法与实际应用的要求严重脱节;其次，在实践教学中，因为实践设施比较陈旧，相关器材出现损坏或测量效果较差，使得学生在实践时，检测结果未闭合或误差极大，难以获得精准的结果，需要花费较多的时间去处理问题，让实践难以激发学生的欲望，反之还将不利于学生的深入探究。再次，由于实践场地条件的限制，实践项目只能停留在验证性层次，学生不能根据实际工程地形的需要进行测绘路线的设计，综合应用能力得不到提高，利用工程测量的测绘虚拟仿真教学系统可解决这个问题。该系统在达成各种信息化教学资源随意取用的前提下，可以在课堂中为学生提供各种技能知识点进行连接;课后为学生提供随时的校内实操机会，去除了之前学生实践的时空约束，将理论和实践加以结合，使学生进一步把握教学内容，更好地了解技能的真实运用需求，提升学生的职位竞争力，为职业进步提供了优良的条件。

三、VR技术在教学中的应用

在工程测量教学中，围绕高端测量仪器设备的实践教学课程占有相当的比例。由于实践、实训操作场地局限，教学环境和场景难以构建，涉及高危或极端的大型综合性场景，实训操作设备数量、运行成本等原因让学生难以达到反复练习、提升技能的需求;实训内容枯燥，让学生失去了实训的兴趣与激情;实践操作考核标准难以规范化，考核结果难以有效记录等。这些原因都让实践教学受到了不小的影响，但是虚拟仿真教学系统却可以很好地解决这些问题。

软件环境属于逼真的虚拟环境（涵盖了植物、道路等要素，丘陵、平原、城区等各种类型的环境），能够让学生在虚拟环境中人机互动，降低理论或实践知识上的缺陷导致的设施损坏与安全事故的发生率，进而从综合角度提升实训项目工作的学习品质。学生按照评分标准流程步骤来完成实训任务，不同的实训关卡同时具备关键知识点的考核，有效加强学生技能熟练程度，提高教学效率;可以在不同平台设备上同时共享展示内容，进行解析、控制等一系列操作，达到多屏互动的效果，流程如图1所示。

仿真系统在教学中的应用具体如下：

1. 智能安卓全站仪仿真系统

课堂中讲到全站仪工作原理或应用时，可以现场用智能安卓全站仪仿真系统演示工作过程，使学生更好地理解全站仪的工作原理从而掌握全站仪应用，操作示意图如图2所示。如此，教学过程是从原理至实际运用，从简单至综合，从抽象至实际，由浅入深地开展对理论知识的学习。虚拟仿真南方NTS-552智能安卓全站仪外形尺寸与仪器完全相同，具有高度逼真的外观。触控到零部件时，自动高亮显示部件和名称。在仿真机里可进入仪器所有模拟功能界面并能通过输入数值进行模拟计算，功能数值通过虚拟现实技术进行模拟计算，通过触控方式教学操作过程，渐进式立体展现传统教学中无法真实描述的效果，在教学过程中，无需任何切换，就可以和仪器设备进行交互操作练习，即演示和操作练习可以随时转换。

2. 数字测图虚拟仿真系统

虚拟全站仪、RTK的外形要求与真实仪器完全相同，具有高度逼真的外观，如图3所示。软件环境为逼真的虚拟场景，与现实场景基本一致，场景内支持第一人称全场景浏览。可仿真RTK图根测量、碎部点采集，全站仪碎部点测量，特别是所测成果可导入CASS绘图输出。学生可根据测绘目的、踏勘情况，自主性地选择测绘方法、手段及设备，从而克服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. 卫星定位测量虚拟仿真系统

实现室内RTK测量实习，打通RTK手簿与虚拟RTK的连接，所测成果可导出平差处理或者导入CASS绘图，如图4所示。

4. 水准测量虚拟仿真系统

二等水准测量仿真实验软件是基于虚拟现实技术、通过三维建模将数字水准仪从各个系统、零部件结构、模拟操作环境进行等比例真实还原，学生可根据数字水准仪在虚拟环境中按路线真实测量，从而实现操作、实习、比赛等，如图5所示。

5. 无人机摄影测量仿真系统

基于虚拟现实技术，学生在虚拟环境中使用鼠标键盘或者无人机手柄模拟操控无人机驾驶、获取虚拟数据并进行后续软件处理和算法验证等实习实践或自主学习，可避免由于设备昂贵造成的损失，学生可反复操作练习，如圖6所示。

四、结束语

本文对工程测量课程教学在真实的教学活动中所带来的问题加以分析，将虚拟仿真技术与教学相互融合，使用现代化的教育方法开展课程改革，在不用花费较多费用的基础上，达到实践教学的要求，进而设立了实践机制。基于本文，能够将虚拟仿真技术使用至每种工程测量教学中，使工程测量课程改革上升至新的阶段。虚拟仿真实训平台有益于教师实训教学和学生专业核心技能的训练，不再受天气、环境、地理位置等因素所困扰。使其在教学应用中更加智能化、信息化，以及多感知、沉浸式、交互性、构想性。

参考文献：

[1]李娜.虚拟仿真技术在数字电路课程改革实践中的应用研究[J].现代教育技术，2010，20（7）：147-150.

[2]侯晓华，张新东.非测绘专业工程测量教学中的问题与对策探讨[J].建材与装饰，2018（45）：184-185.

[3]孙金萍.虚拟仿真技术在工程测量实践教学中的应用初探[J].决策探索（下），2019（3）：66-67.

[4]王婷，齐庆会，岳川云.虚拟仿真技术在土木工程测量教学中的应用[J].高教学刊，2020（27）：112-115.

[5]龚振文，王庆.农科院校水利工程测量课程案例教学法探讨[J].山西建筑，2015，41（4）：238-240.