教育信息化时代的数字测图智慧教学实践分析

2023-06-22陈允芳成枢刘尚国刘峰蒋跃龙

现代信息科技 2023年5期

陈允芳成枢刘尚国刘峰蒋跃龙

摘要：教育信息化时代虚拟仿真技术是智慧教学的重要手段，可虚拟仿真仪器设备、实习环境、实验过程等实践环节，也可模拟仿真理论教学的原理与计算，组成完整的虚拟仿真教学系统。文章探讨了数字测图课程理论教学中的模拟仿真计算、虚拟仿真测绘实验的实践教学应用，提出了基于在线课程、虚拟仿真实验室和教研室的智慧教学构想。

关键词：教育信息化；虚拟仿真；数字测图；智慧教学

中图分类号：TP39；G434 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）05-0191-05

Analysis on Digital Mapping Intelligent Teaching Practice in Education Informatization Era

CHEN Yunfang， CHENG Shu， LIU Shangguo， LIU Feng， JIANG Yuelong

（College of Geodesy and Geomatics， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract： Virtual simulation technology is an important means of intelligent teaching in the education informatization era. It can simulate virtually the practical links such as instruments and equipment， internship environment， experimental process， and also simulate analogically the principles and calculations of theory teaching to form a complete virtual simulation teaching system. This paper discusses the simulation calculation in the theoretical teaching of digital mapping course and the practical teaching application of virtual simulation mapping experiment， and puts forward the intelligent teaching concept based on online course， virtual simulation laboratory and teaching and research room.

Keywords： education informatization; virtual simulation; digital mapping; intelligent teaching

0 引言

教育信息化2.0時代是以互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术为依托的智慧教育时代[1，2]，虚拟仿真应用于依赖实验仪器、实验和实习等实践教学较多且对操作技能要求较高的测绘类专业的实践教学，是当前的研究热点。基于数字测图技术的虚拟仿真目前有虚拟仿真测绘仪器设备、测区环境、外业数据采集过程等。许多公司企业、科研院所和高校或自主设计研发虚拟仿真系统或引进设备建立虚拟仿真实训基地、实验室等[3-6]。教育部国家虚拟仿真实验教学平台也上线了模拟仿真测绘仪器设备外业数据采集过程及数据处理的相关实验以供学习选用[7，8]。虚拟环境的线上实践演练能训练学生掌握数字测图基本方法流程，解决测绘仪器昂贵短缺、管理维护费用高、实验场地或环境条件不足学生不能亲手操作仪器的非面对面师生间的教与学问题，尤其适用互联网远程教学，在疫情期间网络在线教学中有着迫切的应用需求和广阔的应用前景。目前研究多是针对外业控制测量和数据采集等实践过程的虚拟仿真。测绘仪器设备数据采集及处理是数字测图教学中必不可少的实践环节，其过程和计算方法源于课程理论教学，针对这些原理和计算的理论教学模拟仿真也是课程教学必不可少的一部分，本文主要探讨虚拟仿真技术在数字测图理论与实践教学研究中的应用情况。

1 数字测图原理与计算模拟仿真

在课程理论教学阶段，为便于学生直观体验动态方法原理及演练数据处理过程，可开发设计模拟仿真计算平台来动态模拟和仿真计算，以动画或计算小程序形式补充和完善在在线课程资源中用于进行算法学习实践，为实验实习等实践教学做好理论技术支撑，如图1所示为课程中的相关原理和方法所涉及的计算。

1.1 数字测图概念及原理模拟

通过制作动态图或动画模式展示基本概念和原理。如从地球自然表面到大地水准面、地球椭球面近似抽象简化过程的动态展示，大地高、正高、正常高三高之关系及高斯投影过程、国家统一坐标、等高线、水准测量、角度测量等原理讲解，可制作成动画或小视频形式演示，如数字地形图应用的要素提取和计算过程，可动画模拟展示其原理，如图2所示等高线原理可和利用等高线间台体计算土石方量相结合讲解。

1.2 外业观测数据模拟仿真

内业计算所用外业观测数据可直接通过模拟仿真获得。仿真数据要严格依据测量规范中相应等级外业观测的各项技术指标和限差要求、经过容许误差计算公式逆推生成，即生成数据须满足各等级观测的测站限差和高差和角度闭合差、导线全长相对闭合差等路线闭合差等的精度要求，如图3所示。

这是早期外业观测数据模拟仿真的形式，目前测绘仪器设备触手可及、可直接测得观测数据，也可由仿真仪器设备在虚拟场景模拟观测所得。

1.3 数字测图基础计算与路线平差

数字测图基础计算是后续路线平差计算基础，涉及坐标方位角推算、坐标正反算、交会计算等，可编制成小程序，课堂课件讲解使用或作为在线课程资源演示计算过程。路线平差计算包括导线、水准路线及网平差计算。可以一种计算方式讲解为主，通过变换不同的起算条件，通过举一反三、比较异同来突出强调其计算差异，如附合导线计算从双连接角到单连接角、再到无连接角，已知条件依此递减而计算难度依此递增的对比计算，循序渐进讲解不同起算条件的计算、理解联测边的作用及控制测量的约束意义，不会因一步到无连接角导线旋转和缩放问题而难以理解。水准路线平差计算亦如此。

1.4 测量误差及数据处理

测量误差部分中误差这一概念，实际是数学中无限次观测下的标准差，在测绘中有限次观测下的计算的简化符号，是以已知观测量真值下求得的真误差来定义计算，但真值未知时要以算术平均值作为拟真值来计算改正值，再依据白塞尔公式来计算中误差，这里从无限次到有限次，从真知已知到真知未知是一个从理想数学条件到实际观测工作应用简化的过程，可通过证明当观测次数无限增多时，算术平均值趋近于其真值来佐证。另外还有改正值之和恒等于零等，都可以设计成动画形式展示。

这些原理过程动态展示、原始数据仿真生成和计算过程模拟或许并非严格意义上的虚拟仿真，而仅是模拟仿真计算，但可作为测量程序设计课程作业布置给学生，在练习编程技能的同时也兼顾数字测图方法原理学习，图4为所开发部分计算程序。

这些计算本身较为简单，但若将这些计算分解成单一的小程序，依照授课计划嵌入在线课程对应章节，供学生自主练习选用，有助于增强理论教学学习效果。

2 虚拟仿真技术应用于数字测图实践教学

数字测图外业数据采集过程虚拟仿真包含了仿真测绘仪器设备、虚拟测区环境及利用这些模拟仪器设备在虚拟测区进行控制测量、碎部测量等整个外业地形数据采集过程的模拟实现。这是依赖于测绘仪器设备和实验场景的传统实践环节上的很大突破，也是数字化测图时代智慧测绘手段的体现，从而成为当前的研究热点。虚拟测图设备系统和配套软件是现代虚拟仿真实验室建设中的主角，通过这种虚拟环境中沉浸式游戏般的实验操作，数字测图基本流程步骤得到了栩栩如生的直观体验，寓学于练、寓教于乐，以实践推动和提升理论教学效果。

国家虚拟仿真实验教学平台测绘类相关15个实验涉及了全站仪、GPS-RTK、激光扫描仪、无人机倾斜摄影测量、车载移动测量等设备或技术在数字地形图测绘方面的虚拟仿真应用[7，8]，可供高校师生在线教学或学习选用。南方测绘公司研发的虚拟仿真水准仪、全站仪、GNSS和无人机航测等测绘仪器设备，已广泛应用于多次省、国家级虚拟仿真比赛，配合其航测空三解算软件和数字成图软件，可脱离于仪器设备实体和测区实景完成全虚拟仿真环境下外业数据采集及内业数据处理一体化全过程实践。线上体验全虚拟仿真环境下外业数据采集及内业数据处理一体化全过程[9，10]，这对于打怪升级游戏长大的一代具有很强的吸引力，引起了较高的关注度和参与度，图5为南方测绘虚拟仿真导线测量、水準测量、地面数字测图和无人机航测系统等测绘虚拟仿真教学软件。在疫情期间的在线实践教学中起到了很好的替代作用。

3 虚拟仿真技术在智慧教学中的应用

人工智能、大数据、物联网等信息技术构建智能化实体空间和数字化理论空间，借助智能具身的实践空间实现联结、融合与超越，使学生在更为智慧和多维空间中完成对知识、能力和德性的聚合和升华以增进个体智慧生成，实现了教育信息化下的智慧教育[1]。

远程在线学习是现代教育智慧化和数字化促成的必然趋势。在线课程建设和虚拟仿真实践教学系统开发是开展智慧教育的重要平台和手段。教育部国家高等教育智慧教育平台首批上线覆盖14个学科92个专业类2.7万门优质在线课程，测绘类相关课程50余门，我校16门。

实验教学与理论教学相辅相成共同构成高等教育教学体系，其水平高低直接影响着人才培养质量。虚拟仿真实验室是虚拟仿真教学系统的重要平台和载体，目前许多高校自主设计研发或引进虚拟仿真系统及设备建立虚拟仿真实训基地和实验室。

基于虚拟仿真技术开展远程在线教研活动的虚拟教研室是教育信息化时代智慧教学的新型教学组织，可将在线课程与虚拟仿真实践教学系统建设成果结合，实现虚拟与实际结合、线上与线下结合、课内与课外结合、校内与校外结合的远程在线多元化展示、推广、融合、交流等教学研讨活动，以推动智慧教学的开展，提升教学质量和推进智能化测绘人才培养。教育部首批建设试点四百余个虚拟教研室，测绘相关的有武汉大学空间定位与导航课程虚拟教研室、中国矿业大学测绘工程专业虚拟教研室等。

在线课程是网络远程教育的全面基础，而实验教学一直是网络远程教育的瓶颈，在线课程建设、虚拟教研室及虚拟仿真实验平台建设和仿真实验项目共享为远程网络教育提供了丰富的课程资源、教研师资和实验条件[11]。如图6所示。

4 基于虚拟仿真技术的理论与实践教学设计

数字测图在线课程包含了授课视频、课件、测验和习题库、模拟计算小程序、教学大纲、授课计划表、实验大纲、测绘规范、仪器说明书、测绘工程案例、课程思政案例和业界人物、动态报道等丰富的教学资源，除了讲解原理、演示计算方法和操作流程的课程理论学习本身，还要拓宽学生知识面，了解学科发展历程、业界动态和当前学科前沿。

实践教学方面，为使虚拟仿真软件更好地应用于实践教学和比赛训练，还建了虚拟仿真数字测图实践教学实训、技能比赛实训等外业实际操作和虚拟仿真软件学习的在线课程平台，用以指导学生用于实验、实习及参加各类别线下实操比赛或线上虚拟仿真比赛，如图7所示。

这些在线课程平台从数字测图课程教学理论学习、实验实习到比赛实训，涵盖了从理论到实验再到创新实践全过程。实验与实训是从理论学习到实践操作的演练，考查的是学生对数字测图基础理论和方法的实践应用能力，如控制点的布测和外业数据采集基本流程，也是发现和解决问题能力的培养，如无人机航测中空三精度、刺点精度为何低、何为重投影误差等，书到用时方恨少，实践达不到要求就需要返回理论查找答案，实践来源于理论又回归理论反刍学习，能督促和激励学生查缺补漏、夯实基础并拓展学习，达到促教、促学、促练、促改、促建的目的，如图8所示。

这里仅探讨用于线上学习的在线课程和线上演练的虚拟仿真实践部分。传统数字测图实践教学离不开仪器设备实物、测区实景和师生亲临现场面对面、手把手教授，虚拟仿真技术支撑下的线上演练摆脱了这种束缚，可以和在线课程学习一起实现从理论到实践一体化的线上学习体验，可作为线下实物实验很好的辅助或不便时的替代。在线课程平台承载了是上述测量原理、方法和计算的理论教学，而虚拟仿真实验平台则是脱离了仪器实体的虚拟环境下利用仿真仪器所开展的数据采集过程的在线模拟与演练，二者结合两位一体可很好的实现理论学习到实践创新的在线一体化学习。

5 结论

数字测图是理论与实践学习并重的学科，在线课程是承载理论学习的重要平台，虚拟仿真技术是促成线上实践演练的重要手段。智慧地球时代，基于虚拟仿真技术的数字测图在线教学也步入智慧教学阶段，这是教育信息化时代对传统教学的挑战和考验，高校教育工作者要顺应时代潮流勇于接受挑战，不断学习和探索以积极态度应对考验。

参考文献：

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