基于虛擬現實技術的虛實結合的測量實習課程

摘要：為增強學生的實踐能力和創新能力，本文以道路工程測量實習課程為例，針對各類學校的土木工程專業的測量實習課程課時有限，實訓資源和實訓平臺的匱乏，探討采用虛擬實驗和真實實驗相結合的實驗教學模式，彌補傳統實驗教學的弊端，更好地激發學生的學習熱情和主動性。

關鍵詞：工程測量;實驗教學;虛擬實驗;教學模式

在構建新工科人才培養體系的大背景下，增強學生的實踐能力和創新能力至關重要。實習教學與理論教學相比在培養學生創新能力方面具有明顯的優勢。隨著市場對于道路工程領域人才的技能素質的要求也越來越，這對學校人才培養的教學設施和條件提出了更高的要求。但是對于很多工程類專業，實訓資源和實訓平臺的匱乏，為教學帶來不小的難題，影響了新工科人才的培養。

一、課程現狀

傳統工程測量實習教學模式是學校需要為學生提供實習設備、實驗材料物質條件等，以讓每個學生都有動手學習和練習的機會，學生在教師的指導下進行現場實際操作，從而提高學生的動手能力和理論聯系實際的能力[1，2]。但是當前的實習教學模式也面臨著一些實際問題：實踐、實訓操作場地有局限性，涉及高?；驑O端的大型綜合性場景難以構建;由于運行成本等原因，實訓操作設備數量也難以滿足要求;學生只能在特定的時間、特定的場合接觸和使用測量儀器設備，難以達到反復練習、提升技能的需求;實踐角色定位單一，重復操作，實訓內容枯燥;實踐操作考核標準難以規范化，考核結果難以有效記錄。探索基于虛擬現實技術，建立橋隧三維實體模型，實現工程測量操作與工程進度交互的實時效果，解決學生橋隧施工放樣實訓困難的問題，這在同類的課程建設中是具有創新性的思路。

二、技術背景

虛擬現實（Virtual Reality）技術是上個世紀末興起的一種綜合性的信息技術，該技術融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支。它可以在計算機上建立一個部分代替或全部代替傳統實驗操作環節的相關軟硬件操作環境，利用計算機綜合處理圖像、聲音、動畫等素材，構建生動逼真的二維和三維場景，具有形象、生動、直觀、高效的特點，用戶可以像在真實環境中一樣完。

隨著信息技術和大數據的進步，尤其是衛星定位和航測技術的進步，讓基礎地理數據庫更加完備，這就使基于虛擬現實技術對工程項目實施測量成為可能，協同技術的發展，讓測量工作不必局限在施工現場。針對施工測量工作的實時性，交互性和貫穿項目設計，施工，竣工和使用監測全過程的特點，基于虛擬現實技術的仿真實訓平臺可讓學生在較短時間內了解掌握施工測量過程的全部要素。 土木工程項目施工是一個的復雜時變系統，將虛擬現實技術應用于項目施工生產和管理中，具有重要的科學意義和應用價值。加強測繪類專業教學中的信息化建設，對于普通高等院校、職業院校培養高質量應用型人才具有很大的促進作用。

三、實現路徑

針對各高校的土木工程專業的測量實習課程課時有限，實訓操作不足的情況，工程測量實習課程探索基于虛擬現實技術，可以建立虛擬測繪實習系統，擺脫了實體硬件設備限制，可以為師生提供“即時可學、隨處可學”的虛擬學習環境，輔助教師組織完成在傳統教學環境下無法完成的復雜危險的實踐教學活動。該系統包含內容如下。

（1）虛擬測區

虛擬測區是基于參數化和三維可視化的測區，可以對測繪作業進行真實的“再現”。系統內的虛擬測區應該包含城區、道路、山丘、高原等仿真場景，所有特征場景相連組成的超大型沙盒內容，場景具備符合測繪地理信息專業實踐教學特點的虛擬實驗環境、從根本上克服了傳統實訓中無法呈現“理想”的測區環境的弊端。

（2）虛擬操作

在系統內可以了解認知設備、掌握從架設到操作、再到讀數這樣的流程;可依據測繪目的、踏勘情況，自主性地選擇測繪設備和測繪方法;并使用儀器模擬真實測量，完成一系列如選點、基準站建設、圖根點采集、數據導出傳輸、棱鏡架設、垂直微動、建站設置、碎部測量;還輔助數據處理，內業計算，圖形繪制等功能模塊。從根本上克服了傳統實訓中器材資源的限制。

（3）施工案例

圍繞道路工程對測繪的要求，虛擬構建施工案例及對應的測繪工作所需的應對方法，提升學生實訓能力。依托虛擬現實技術，通過建立橋隧等三維實體模型，實現工程測量操作與工程進度交互的實時效果。將該內容納入測量實習課程教學大綱，可以解決學生橋隧施工放樣實訓困難的問題，解決一些復雜案例難以呈現的困難，提高學生學習興趣。

（4）評價反饋

系統可以實現反饋追蹤測繪過程的正確性、測繪成果的質量性。并對操作結果生成實訓報告，對操作進行科學評價、科學反饋，依據學生完成任務的情況來評定學生成績。教師從后臺端還可了解學生的練習程度和不足之處，并在實際教學中加以彌補。

四、課程組織形式的改變

教學內容的改變必然帶來教學組織形式和教學方式的相應改變。如果采用虛擬仿真實驗和實地實習教學相結合的模式，可以達到教學效果最大化的目的。具體優點如下：

依托虛擬實習系統可以實現實習教學的開放性。在虛擬實習系統中，學生可以自由地在三維場景中任意漫游，通過模擬真實的現實空間數據獲取儀器，自主完成綜合性的虛擬實訓操作。。

依托虛擬實習系統可以進行自主性學習。虛擬實習系統不計成本，可反復演練，實際實習開始前，同學們還可以通過虛擬實習系統來準備現場實習。同學們事先經過虛擬實習，實際測試時就是在做實戰演練，實現學生由課堂到課外實訓的順利過渡。

依托虛擬實習系統可以提高學生的參與性，在虛擬實習系統中，學生可以充當實習過程的各種角色，依據需要放大操作細節或加快項目進度，從而提高學習效率，增強教學效果。

結語

因此采用虛擬實驗和真實實驗相結合的模式，實驗前同學們先通過自學，采用虛擬仿真實驗進行實驗模擬，了解實驗過程，掌握實驗誤區，并在虛擬實驗中得到糾正;然后在真實實驗中真實操作，提高動手能力，加深學習興趣;課后再采用虛擬實驗進行鞏固，提高學習的效率，也為教育數字化提供了一種新鮮有效的模式。

作者簡介

于哲夫（1975.6.29—），男，遼寧省大連市，博士，副教授，工程圖學。