数字测图虚拟仿真实践教学探索.pdf

本文主要研究如何将虚拟仿真技术应用于数字测图课程实践教学，通过建设数字测图虚拟仿真实训平台，设置“学、练、考”等教学环节，帮助学生快速上手实训项目，实现以虚助实、虚实结合的新型实践教学模式，有效提升学生学习积极性，增强学生实践动手能力和创新能力，以适应未来岗位需求。关键词：关键词：数字测图；虚拟仿真；实践教学中图分类号中图分类号：G64文献标识码文献标识码：A文章编号文章编号：1673-1816(2023)02-0116-051引言引言目前，测绘专业数字测图实践教学面临以下问题：一是实训设备损耗大1。一些高新的测绘仪器，像 GPS，无人机等，造价高，学生往往是在没有任何仪器使用经验的前提下使用仪器设备，容易造成设备损耗严重，维修成本高。二是限制因素多，练习机会少。例如无人机数字测图作为当前测图技术的热门研究领域，在实践教学中往往受到空域管制、飞行安全、飞行经验、设备数量等因素的制约，每个学生能参与练习的机会较少。三是场景固定、实训方式单一。为便于统一指导，实训场地多年来一般比较固定，且实训教学很容易受天气、疫情等因素影响而不得不停止。四是实验教学难以实现一对一辅导。学生人数多，遇到问题就会很多，问题反馈时间较长，容易造成实验数据质量未能给予及时有效的评价，甚至导致学生数据质量意识淡薄；五是操作考核标准难以实现规范化，考核过程和结果难以被有效记录。六是课程面临减学时的压力，实践课时减少，实验教学效果难以保证。为解决上述问题，需要使用信息化手段改革传统的数字测图实验教学模式，通过开发数字测图虚拟仿真实训系统，将涉及高成本、高风险和高消耗的数字测图实训先在室内开展，包括课间实验和综合实训。利用数字测图虚拟仿真实验软件，实现学生在数字化、立体化、交互化的虚拟场景中测量，帮助学生快速掌握地形图数据采集、传输、处理、制图等技术流程，为后续野外实地测量奠定基础。通过虚拟仿真实训教学，可以增强教学内容的形象化表达，建立高效的知识传递与成果反馈通道，更好地培养学生专业技能，增强岗位核心竞争力。同时，还能培养一支专业化教学队伍，建设一组共享的虚拟仿真实验教学资源库2。2建设目标建设目标第 2 期赵军华，等数字测图虚拟仿真实践教学探索117数字测图虚拟仿真实训系统的建设目标是实现实训内容虚拟化、实践方式多样化、实训建设专项化、教学模式趣味化和校企互助紧密化。通过与企业合作开发数字测图虚拟仿真教学系统，确定系统基本模块，包括训练营、实训操作，实训考核等模块；学生在训练营完成仪器基本操作训练；训练通过后可进入实训操作虚拟场景，完成老师布置的具体测量任务，任务完成后可查看评价并进行任务总结；实训考核则全面考查学生能否熟练掌握实训全过程，并对考核过程进行量化计分，由系统最终判定实训是否合格，合格后再进行外业实训操作。该实训系统打破了现实空间、时间、环境、资金等客观因素的限制，为教学提供了更多方式，教师能够轻松安排教学中的任何实践操作，通过系统掌握实训总体情况，单独下发任务；学生可根据情况选择感兴趣或技能薄弱环节进行练习，实现“按需学习”、“自主学习”。企业可向学校提供最新岗位技能需求及项目案例，让虚拟实践平台更加完善。3建设内容建设内容数字测图虚拟仿真实训系统建设的内容主要有两方面，一是 GNSS 与全站仪数字测图虚拟仿真；二是无人机数字测图虚拟仿真。其它建设内容可根据需要在后期进行功能拓展。无人机航测作为一个重要的数据获取手段，其应用涵盖了测绘、应急救灾、地质监测、农业与林业等诸多领域。针对无人机外业数据采集获取训练难，不可控等特点，利用虚拟仿真教学系统设置外业设备检查组装、像控点布设、航线规划、外业飞行、数据导出、控制点刺点、空中三角测量等项目。如图 1 所示，通过无人机航飞前设备检查组装虚拟仿真，使原本整体模块化的设备实现了拆解，可以直观地展现在学生面前，培养学生对专业无人机航测系统的结构认知，了解无人机的性能和多种驾驶模式，让学生有条件亲自驾驶无人机经历各种复杂环境，突破了硬件限制，解决了现实中因设备成本昂贵，驾驶时情况多发等难点造成的训练机会少，训练承担代价大的问题。通过像控点布设虚拟仿真，踏勘测区环境犹如身临其境，使学生快速掌握无人机航测数据采集中各因素对结果的影响，不断优化空间数据获取技巧，提升成果精度把控意识。通过分析周边测量环境，让学生具备安全防范意识与专业航测设计思路，完善航线规划能力，探索不同环境对采集数据的影响，并通过虚拟航测时遭遇的突发情况，培养学生应急处置能力。例如可在场景中模拟雨雪大风等天气变化，结合任务与评价体系能够快速直观的展示操作中的错误，了解不规范操作对无人机飞行姿态的影响。在无人机安全降落后，系统会对本次飞行任务作出评价，发现航测中所犯的错误，以便后续改正，通过无人机数字测图虚拟仿真实训，学生能够有效掌握无人机外业数据采集和内业数据处理的整个流程3，快速积累大量无人机驾驶和测绘经验。图 1 无人机飞行检查图 2 GPSRTK 测量石家庄铁路职业技术学院学报2023 年第 2 期118全野外数字测图常常通过全站仪测量、GPSRTK 测量等基础测绘技能手段获取野外数据。因现实中难以找到全要素测区，故而总是存在测绘盲点，不利于提升测绘训练效果。而采用虚拟仿真的形式，使用 U3D 等软件建立虚拟场景，对 RTK、全站仪测量的设备、理论、数据和操作方法等进行虚拟化，使学生沉浸在逼真的游戏式体验三维场景中，如图 2 和图 3 所示，以第一人称方式操作测量设备，交互动性强，教学方法先进，更容易激发学生的学习实践兴趣。学生在虚拟场景中进行接近真实的操作，可以方便地逐阶段剖析整个测图任务过程中的盲点难点。例如，在传统 RTK 测量实践教学中，如果参数设置不对，就会导致坐标测定位置错误，实际已经给后续测图带来了不可逆后果，学生往往只有回到内业才能发现此类错误，所以传统实践教学中学生没有试错的机会。而在虚拟场景中加入参数设置功能，学生在设置不同的参数后，利用 RTK 测量坐标的变化立即可见，满足了学生想看看不同参数带来的具体变化和效果，加深了对参数的认知和理解。而且不同的参数设置结果，与真实实训时一样，会一直作用于后续的实训环节，给学生提供了各种参数设置的影响分析和试错的机会。图 4 是学生在野外实训时熟练操作全站仪的画面。图 3 全站仪测量（仿真）图 4 全站仪测量（真实）值得一提的是，系统中构建的场景虽然是虚拟的，但里面测得的坐标，高程等数据都是真实的三维坐标，包括无人机的照片，所有的数据可以导出，通过平台与内业数据处理软件和绘图软件无缝衔接，体现了内外业一体化的数字测图作业模式。为帮助学生快速上手实训项目，顺利完成实训任务，还可以进行数字测图实践教学的虚拟仿真教学视频录制，方便学生课下自主学习。学生可以通过看视频直观地感受整个数字测图工作流程和实训操作细节。4教学过程设计教学过程设计课程教学设计中采用“情景教学模式”，围绕一个实践主题，建立“学、练、测”相结合的学习情境。在“学”的阶段，重点关注仪器操作方法、测量流程、计算过程和绘图方法，针对重点和难点问题，学生可以在虚拟实训平台中全天候进行个性化预学习，科学划分为实际操作中的若干步骤和环节，可以在不同步骤环节中自由跳转，针对薄弱环节重复学习，促进关键知识点形象化认知过程的实现，学生对数字测图知识的学习做到了“理虚实结合，测算绘融通”。在“练”的阶段，学生可以按照步骤提示、在交互场景中跟进操作，促进关键知识点的有效建构和内化4。在“测”的阶段，教师可以在教师端进行班级和学生管理、设定试题模式和实训项目场景，任第 2 期赵军华，等数字测图虚拟仿真实践教学探索119务发布、考试、训练效果或成绩查看等。学生可以在学生端看到老师发布的任务，进入虚拟仿真系统进行基础项目练习或参加相关考试，并按要求上传测量成果，系统可以根据实训过程或考试情况进行自动评分，并提供错误操作的提示；学生实践操作和考核过程能被自动记录，并且可以随时重现，帮助教师发现学生在操作过程存在的问题，共性问题共同指导、个性问题单独指导4。系统还可以反馈学生测绘成果的质量，为课程考核评价指标化和智能化提供基础。通过平台“画像”，为学生学习提供更全面、更多元化、更有指导意义的评价报告，辅助学生从评价反馈中更好地提升实践能力。上述学习路径可让教师高效安排学生学习计划、实时动态掌握每位学生的学习状态，智能评估学生实训效果，在保证人员、设备的安全下，满足学生个性化学习要求，实现以学生为中心的教学目标。5教学优势教学优势如上所述，利用虚拟仿真实训教学的特点是实现了“学，练，测一体化”，其优势主要体现在三个方面：一是可以充分发挥数字测图虚拟仿真实验教学优势，真正做到以虚助实、虚实结合。比如可以把各种实训真实场景虚拟化后，放在工程案例库中，学生先自主设计测量方案，作一次演习，再根据学习效果调整优化测量方案。从而增进学生的创新思维、锻炼学生的综合实践与科学研究能力。二是数字测图虚拟仿真课程建设资源可以被其他课程共享。如果在该平台基础上对模块内容和功能作扩充改进，还可形成满足不同专业课教学要求的虚拟仿真实验项目，如 GNSS 综合实训，摄影测量综合实训，不动产测绘实训等。三是可以系统、公正的对大学生实践能力进行测评。通过改进评价模型，不断优化基于过程数据的教学质量评价指标体系和课程诊改机制，进一步提升教学效果，同时也为测绘类高校建立关于高质量专业人才培养评价标准方面进行了有益尝试。6师资建设师资建设要提高数字测图虚拟仿真实践教学效果，必须依靠一支高水平的教学创新团队。要着力培养高水平师资，提升团队教师的信息化素养和数字化资源开发能力，推动教师利用已建成的数字化教学资源，融合专业课程思政，对教学活动进行创造性设计。教师要学会借助虚拟仿真资源，运用现代信息技术改进教学方式方法，釆用任务驱动、线上线下混合等课堂教学形式与方法，形成学生主动参与、乐于探究、勤于动手、善于思考的良好学习氛围，推动课堂革命。此外，还应加强同企业合作，发挥企业优势特长，共同开展技术攻关，进行资源开发，共同提升实践教学效果。7实训效果实训效果我校教学团队在 2020 级测绘工程专业数字测图课程课间实验和综合实习中将虚拟仿真教学与现场实践教学相结合，进行了应用尝试，学生反馈的效果不错，老师反馈外业指导时间明显减少，仪器损耗大大降低。由于前期学生利用虚拟仿真平台进行过训练，到野外实地测量时比较得心应手，不需要再做额外的培训。事实证明，采用“先虚后实”的实训教学方式可大大提高作业效率，体现出良好的实训效果。值得一提的是，虚拟仿真毕竟代替不了外业实操，有些重要的能力素质如吃苦耐劳，团结协作，统筹安排，爱护仪器等，学生只有通过外业实操才能获得培养锻炼。在“学，练，测”的基础上，我们还加上了“赛”的环节，以赛促学、以赛促改。利用全国大学生虚拟仿真测量大赛的契机，学生们通过大赛充分展示了他们的创新实践能力，我校共有 70 多名石家庄铁路职业技术学院学报2023 年第 2 期120同学报名参加了 4 次选拔赛，系统根据他们的表现进行打分，选拔出表现优异的几组选手参加决赛。最终获得一等奖两项，二等奖 5 奖。学生还参加了企业在岗实习，在实际生产中锻炼了实践能力，提升了业务水平，真正做到了“学练测一体，课赛岗融通”。8结结语语开展测绘地理信息类课程的虚拟仿真实践教学，有利于学生直观形象地理解抽象原理和知识，有利于进一步突破仪器设备在时间和空间上的限制，为教师和学生提供开放式交流平台，有利于激发学生创新思维、提高学习兴趣，有效满足测绘科技进步的要求和社会对培养富有实践能力与创新精神的高层次人才的需求。只有始终坚持立德树人根本目标，不断强化学生专业技能培养，坚持“学生中心、成果导向、持续改进”的原则，突出应用驱动、资源共享，才能以高质量实训教学助推测绘地理信息类专业课程教学质量的提升。参考文献：参考文献：1 李静,VRML 技术在广电实验教学中的应用研究J.中国教育信息化,2009(15):85-882 廖 洁丹,娄 华,冼 琼珍,等.构 建虚 拟 仿真实验教学中心促进实践教学创新人才培养 J.教育教学 论坛,2017(35):276-2783 徐维江.无人机倾斜摄影测量在建筑规划竣工测绘中的应用J.山西建筑期刊,2017,43(21):194-1954 冯正茂,李端,秦啟耀.井下水准测量实训教学中虚拟仿真技术的应用J.职业教育,2020,19(05):44-465 汪学均,刘清杰,王会燕.基于视频同步互动的分布式学习实证研究J.中国教育信息化高教职教期刊,2017(09):18-226 山西省教育厅,山西省财政厅关于实施山西省职业教育品牌专业和高水平实训基地建设计划的意见Z.中国教育在线,20217 阎杰,林海琳,肖爱平等.农科院校基础化学教学资源共享模式的构建与实践J.广东化工,2015,42(16):246-2478 王永红,项目式学习培养学生创新能力的高中生物教学案例研究D.南京师范大学.2021:1-559 郭宝宇,武百超,于坤,等.基于虚拟仿真试验平台的数字测图实践教学改革J.测绘通报,2021;152-156HEXiaoxing,HUA Xianghong.An innovative virtual simulation teaching platform on digital mapping with unmanned aerialvehicle for remote sensing education J.Remote Sensing,Volume 11,Issue 24,December 1,2019Exploration of Virtual Simulation Practice Teaching of Digital MappingZhao JunhuaLiang JianchangHou Yonghui(Shijiazhuang Railway University,Shijiazhuang,Hebei,050019,China)Abstract:This paper mainly studies how to apply virtual simulation technology to the practical teachingof digital mapping course.By building a digital mapping virtual simulation training platform and setting upteaching links such as learning,practice and examination,it can help students quickly start the practicaltraining project,realize a new practical teaching mode that promotes reality with virtual,combines virtualwith reality,effectively improves students learning enthusiasm,and enhances students practical ability andinnovation ability.The goal is to better prepare students for future job requirements.Key words:digital mapping;virtual simulation;practical teaching