“互联网+”及“虚拟仿真”模式下的《工程测量学》教学模式探索

张腾旭，赫 林，申子宇，陈江龙

(湖北科技学院 资源环境科学与工程学院，湖北 咸宁 437100)

2019年2月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《加快推进教育现代化实施方案(2018-2022年)》，方案提出了今后5年加快推进教育现代化的指导思想，着力构建基于信息技术的新型教育教学模式，推动以互联网等信息化手段服务教育教学全过程，逐步实现信息化教学改革。在这个大背景下，如何更好地提升工程测量学教学效果，也是值得认真思考的问题。在“互联网+”“虚拟仿真”等信息技术的迅速发展下，催生了MOOC、SPOC、钉钉等一批线上教学平台，这对传统教学模式造成了一定的冲击，同时也给高校实现信息化教学模式指明了方向。《工程测量学》这门课程理论抽象，知识结构体系繁杂，长期面临教学模式落后，教师教学困难，学生学习积极性不高，课时偏少等问题。为了利用有限的课堂时间提升教学质量和学生课堂积极性，本文以《工程测量学》课程为例，设计“互联网+”及“虚拟仿真”混合模式下的教学方法，借助优质互联网教学资源及高效虚拟仿真平台，打破传统教学模式的束缚，满足学生多元化学习需求[1-7]。

一、工程测量学课程现状与问题

目前，许多高校都有开设《工程测量学》这门实践性强的课程。通过这门课程可以提高和加强学生对测绘工程专业基础知识的掌握以及对重难点知识的认识，并为学生未来实际投入工程项目建设提供相关职业技能的学习。《工程测量学》是研究各种工程建设在勘测设计、施工建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作的一门课程，主要是提供地形图等为设计服务的测绘资料；在施工建设阶段，主要是为施工服务，确保工程施工按设计管理要求的进度和质量完成；在运营管理阶段，要做工程安全或健康监测，为工程的安全运营服务，是测绘学在国家经济建设和国防建设中的一门应用性学科。

工程测量学着重培养学生对各类工程建设过程中涉及的理论知识的掌握和仪器操作方法的实践能力，理论与实践紧密结合。主要教学内容包括工程建设各阶段的测量及信息管理、工程测量学的理论技术和方法等内容。本科生对于复杂理论知识和工程项目理解存在一定的困难，同时受限于有限的实践课时和实践项目，工程测量的实际教学往往难以达到预期效果[8-10]。

理论教学方面多采取讲授为主的方式，学生积极性不高。教学模式方面，理论课主要是采取PPT讲解模式，教师控制课程教学进度，大部分学生被动接受知识。由于需要掌握的知识要点较多，部分知识点比较抽象，同时为了按照规定课时要求完成教学任务，教师往往采取“填鸭式教学”，机械式讲解简单的PPT文本，不能照顾到所有学生的理解能力，学生也不能充分发挥学习主观能动性。对于课程中较抽象的知识点以及一些重点和难点，学生难以在有限的时间内有效吸收，长此以往会导致学生对学习产生畏难和抵触情绪，降低学生学习的积极性和能动性。如果能够借助虚拟仿真实验，以互动动画的形式，生动有趣地展示在学生面前，就有助于学生理解和接受。枯燥的知识变得生动有趣，不仅加深了学生对于此类抽象知识点的理解，而且激发学生学习该课程的积极性。

实践教学方面多采用教师主导、学生围观模式，学习效果较差。由于学生人数众多，每个测量小组由4～5人组成，教师讲解时仅少数靠前的学生能够看清楚操作过程，多数学生离得较远，难以学习具体的操作要领，实践时学生无从下手，处于不知所措的状态，导致多次实验后他们的兴趣明显降低。同时，由于每次实习安排仅仅针对特定的实习内容，有限的实习期间内只能让学生掌握对某种仪器特定功能的操作过程，难以对仪器的全部功能做到面面俱到的讲解，教学资源和实践时间的不足可能导致学生的学习质量严重下降。因此，传统的教学模式从课堂授课至课外实践均存在诸多弊端，在一定程度上制约了学生对理论知识获取和实践操作能力培养的主观能动性。

因此，为了培养能够从事各种工程项目所需要的从项目策划、评估设计、施工验收等高技能复合型人才，工程测量学课程需要紧紧围绕基本理论的掌握以及基本测绘技能的提高两方面。将理论讲解以及实习实践相结合，以提高学生的测量工作技能和扩展能力，同时也要充分考虑到部分学生毕业后从事科研工作的需要。综上，传统的教学模式明显存在不足，不仅课程内容应该与时俱进，教学模式也应该与时俱进。

二、工程测量学“互联网+”及“虚拟仿真”教学模式设计

1.工程测量学混合教学模式设计理念

在互联网快速发展的大背景下，网络上的知识日新月异，社会的发展对多元化、创新型、复合型人才的需求也愈加迫切。教育的目的、老师在教学中所扮演的角色、学生的学习环境、学习内容、学习新知识的方式都正在发生着重大的转变。从网络上存在的大量的教育资源到各种线上直播教学，互联网也只是作为一个辅助教学的工具，“互联网+”教学模式不应该局限于知识在网络上的共享和线下的教育资源的分享，而是需要有互联网的思维、途径、互联网平台等，改变传统教育以老师传授知识为主的教育模式，进入一个由学生自己可以学习网络上的知识、原创学习的内容，自主地去学习、自助地学习的新的教育模式中。

虚拟仿真实验教学是一种全新的教学模式，融合了虚拟现实、人机交互、多媒体等多种技术，利用虚拟仿真技术可以高效地实现人与学科知识、工程实践的图形场景相互信息交流，也就是计算机系统提供信息交流与反馈机制。这可以让学生充分发动思维能力，提高操作水平，让学生沉浸在计算机的三维场景中，充分高效的多感觉交互能力为教学实践提供了极大的便利。在《工程测量学》教学中，通过互联网等多媒体资源及课后实践让学生熟练掌握水准仪、全站仪、GNSS接收机、无人机等仪器使用方法，掌握控制网布设、大比例尺测图、工程建(构)筑物施工放样、工程建筑物变形监测这些常用测量技能 。此外，对于设备安装检校测量和工业测量、工业与民用建筑测量、高速铁路测量、桥梁工程测量、水利和港口工程测量、隧道和地下工程测量及城市地下管线探测这些在校内难以开展的测量实践项目可以通过虚拟仿真平台实现整个项目全生命周期施工过程，让学生身临其境，切身感受施工测量的实施过程，弥补目前教学过程中面临的困境。

与传统的教育模式不同，本课程“互联网+”及“虚拟仿真”教学模式以学生为中心，以知识获取、能力和素养培养为教学目标，围绕“课前准备”“课中实施”和“课后强化”“多方面考核”等全过程、多阶段、不同场景开展虚拟仿真教学，强化学生对相同的知识点多视角的自我实践认知，实现“教师为主体，学生为主导”的教学理念。

2.工程测量混合教学模式设计

(1)课前准备

上课前，教师提前为学生整理好章节难点及重点，并发布教学计划、网络MOOC等辅助预习资料，学生根据观看教学视频并阅读相关参考资料。学习过程中，学生可以有针对性地进行学习，对于存在疑惑的知识点可以反复进行观看学习，并记录难以理解的知识点，以便上课期间提问和讨论。同时登陆虚拟仿真平台，预习与本章节相关的工程施工和仪器操作方法。通过虚拟仿真技术对抽象的工程项目进行仿真处理，还原真实工程的施工过程，化抽象为生动，能在较大程度上为学生减轻学习负担，增强理解和记忆。

(2)课中实施

教师以课前为学生整理的本节课程的难点和重点为引线，进行针对性讲解。同时设计学生认为较难理解的知识点，配合MOOC简短教学微视频进行重点讲解，针对该难点提出一些具有探索性的问题引导学生思考，以小组为单位进行分组讨论并让学生自己进行解答，其他小组同学参与点评。通过这种学生模式让学生变被动为主动，切实提高其学习主动性和兴趣。

(3)课后强化

首先，教师对每堂课的教学情况和学生学习情况进行总结分析，并结合课堂重难点，布置相应的课后练习题，检验学生是否牢固掌握了课程知识。其次，每堂课结束后布置对应的工程实践案例进行虚拟仿真作业，再次对各工程项目的施工过程进行巩固加深。基于已有的教师团队，组建兴趣小组，引导学生课后学习相关领域最新数据处理理论和方法，并提交报告，作为平时成绩进行考核。最后，教师根据各个课程阶段的教学效果和学生反馈的学习情况，对之前的教学模式不断加以改进，更深层次地研究符合工程测量学这门课程的教学体系和教学方式，同时也进一步完善虚拟仿真教学平台相关项目场景和功能模块的设计，并通过实验教学进行改进和完善。

(4)多方面考核

考核一直是实践环节中的难题，采用传统实习报告的形式已经不适合这种新的教学模式。课前准备阶段，在没有老师监督情况下，少部分学生依然存在“摸鱼”的情况，这也是自主学习，通过上网课学习的弊端，因此新考核体系也是不可或缺的一部分。在整个学习过程中，包含理论知识的学习以及实操过程，同样每个阶段都需要进行考核，算入学生的平时成绩。通过课前准备，组织学生在虚拟仿真平台上仿真处理，并将时间长度作为标准，为学生评分并计入平时成绩。在课中实施阶段过程中，除了老师的讲解，学生们可以自己制作PPT汇报，考虑课时的问题，不对每位同学作要求，算入额外加分。最后，课后的强化，由实习老师根据实习内容随机提问，内容包括但不限于对实习原理、实习作业情况、实习标准、实习收获等，并对学生的回答进行评价。

三、混合式教学效果及意义

前期进行了为期一学年的混合教学模式实验，并从工程测量基础知识的掌握、重难点接受程度、学生自主学习能力、学生与教师互动、实践操作技能、虚拟仿真操作技能、团队协作能力这几个方面进行了调查和分析，调研对象为19级测绘工程学生，共30人，结果如表1所示。

表1 混合教学模式效果调查表

结果表明，对于工程测量基础知识的掌握，绝大多数学生通过整理课前发布的资料能够有一个清晰的认识，极少部分自觉性较差的同学没有课前观看学习资料，大部分学生都能够参与到与老师的互动中去，提出在课前准备阶段遗留的问题。通过课前的学习和虚拟仿真操作课堂教学，学生相比于之前，积极性大大提高。得益于虚拟仿真实验，每个学生都能参与其中，避免了之前上实习课，由于设备不足，部分学生一学期下来都没有接触仪器的问题，并且绝大多数学生更喜欢利用虚拟仿真技术来学习，个别自主学习能力比较强的学生认为混合式教学模式对于他们来说作用并不是很大，因为这部分学生平时预习也同样以提前查找网络课程资料为主，但“虚拟仿真”平台作用较为明显，能够充分让学生自主设计实验方法、实验步骤和实验场景，不仅提高了实验教学的效率，同时也提升了学生自主学习能力。整体而言，“互联网+及虚拟仿真”教学模式能够在一定程度上弥补传统教学模式的部分不足，主要成效如下：

(1)有效提升教学效率

丰富的网络教学资源为学生提前预习和解答疑难问题提供了极大便利，同时学生在浏览网络教学资源的时候能够接触到很多学科前沿的知识，不像书本上的知识存在更新较慢的问题，通过教师课前发布的章节重难点以及网络视频资料，学生们根据自身情况有针对性地开展课前预习。通过预习提前掌握部分知识点，对于少部分仍然存在疑惑的知识点可以反复学习，并记录难以理解的知识点，然后通过课间提问和讨论轻松地解决课前自主学习遇到的各类疑问。相比传统教学模式，通过这种教学方式不仅能激发学生的学习兴趣，还能够提升学生的自学能力，从被动的学习专业知识到主动地去寻找问题并探索学习，而且能在一定程度上提高教师教学效率，教师可以利用大部分课堂时间对学生反馈的重难点知识点进行讲解以及对课外的知识进行拓展教学。

(2)提高学生学习积极性和动手操作能力

利用优质的MOOC等网络资源进行理论知识学习，同时利用虚拟仿真教学平台进行工程项目模拟操作能够有效提高学生上课的积极性和主动性。相比于传统教学方法，虚拟仿真技术能够合理分配有限教学资源，打破空间和时间的局限性，给学生创造更好的学习氛围和学习条件。“互联网+”及虚拟仿真教学优势在于提高学生的学习自主性、深化知识理解，提高教学效果。

(3)强化技术规范认知

工程测量学不仅需要学生牢固掌握各类工程测量基础知识，同时也需要提高学生在今后测绘生产过程中对标准技术规范的认知和重视。传统实践教学过程中，学生对实验项目的具体规范要求和各项精度指标难以做到全面掌握和融会贯通，工程测量虚拟仿真平台能够针对特定的实验项目按照国家标准设计一整套完整的实验流程，学生可以借助该平台反复操作，熟悉各类规范要求，使学生牢固掌握各类技术规范和精度指标，培养良好的职业素养。

四、结语

在推进教育现代化大背景下，充分利用现代化科技手段，有效联合“互联网+”及“虚拟仿真”两种教学模式，可在一定程度上弥补传统教学模式的不足，满足学生对各类工程场景和技术手段的学习需求，提升课程教学质量，强化科学知识体系，丰富实践操作。虽然前期试验取得了阶段性的成效，但是依然面临着的专业性较强的网络资源不充足，配套的虚拟仿真平台不够便利和完善，学生群体难以产生操作兴趣等问题，教育教学改革仍然需要不断摸索和完善。可进一步根据不同学科的特点对虚拟仿真平台进行深入改进和完善，从教育工作者角度，以及使用群体的操作能力和需要接受的训练程度来设计；二是根据学生实际反馈情况进一步丰富和完善平台实验场景和类型，不断激发学生操作兴趣，培养具备创新思维和解决实际问题能力，促进相应学科的课程教学改革，造就知识、能力、素质全面协调发展和具有创新意识与创新能力的高素质创新型人才。