虛擬仿真技術在工程測量實踐教學中的應用初探

孫金萍

【摘要】建筑施工測量是工程測量實踐教學中一個至關重要的模塊，事關學生的就業問題，但該模塊在授課過程中面臨著投入大、觀摩難、實操難的問題。對此，本文對虛擬仿真教學技術在實踐教學中的應用進行了初步探索，從而為工程測量實踐教學基地的建設提供一定的參考。

【關鍵詞】工程測量實踐教學;虛擬仿真教學;建筑施工測量

一、工程測量實踐教學面臨的問題

工程測量實踐教學是工程測量課程教學的實踐環節，在建筑類專業人才培養方案中占有非常重要的地位。大部分該專業的學生未來要到建筑工地從事技術和管理工作，因此其中的建筑施工測量模塊是工程測量實踐教學的關鍵環節。筆者經過長期的教學實踐發現，此模塊教學存在著投入大、觀摩難、實操難的問題，主要表現在：

（一）建立校內實際場地投入大

建筑施工測量貫穿于建筑工程施工的全過程，從施工前施工控制網的建立，到建筑物定位測量和基礎放線，再到各工序的細部測設，甚至到運營期間的變形觀測，內容多而且復雜，若在校內將整個流程的施工測量均進行實際地模擬，需要投入大量的場地和資金，而學校場地有限，顯然這一想法不好實現。

（二）校外建筑工地觀摩難、實操難

雖然部分學校有帶領學生到建筑工地進行觀摩、實踐的慣例，但也面臨著以下問題：第一，學生的安全難保障。建筑工地交叉面多，環境復雜，眾多學生到達建筑工地后的安全不好控制;第二，受安全制度等影響，學生不能長時間、經常性地去建筑工地，很難觀摩到各個環節的流程和方法;第三，學生實踐能力差，到達建筑工地之后不能進行實踐操作。

在工程測量實踐教學中，建筑施工測量屬于實踐性、應用性很強的模塊，對于建筑類專業學生來說，僅僅靠課堂上的理論知識是遠遠不夠的，必須加強其實操動手能力，提升其專業技能和創新能力。在這種情況下，虛擬仿真技術為該課程的實踐教學提供了新的可能，可以彌補校內和校外實訓條件不足的現狀，具有一定的現實意義。

二、虛擬仿真技術與教學的結合

虛擬仿真技術又稱模擬技術或虛擬現實技術，其本質就是用一個虛擬的系統來模仿另一個真實系統的技術。虛擬仿真技術主要利用三維圖形構造技術、多傳感交互技術以及可視化技術，生成三維的虛擬現實環境，使用者利用鍵盤、鼠標頭盔、數據手套等傳感設備作為輸入設備，進入虛擬環境，在虛擬環境中進行實時交互，同時能夠感知和操作三維虛擬現實環境中的各種對象，產生身臨其境的體驗和感受。

關于虛擬仿真技術與教學的結合，國內相關研究已經有很多。劉燁在《虛擬仿真技術在高職物流管理專業實訓教學中的應用》中將虛擬仿真技術應用到高職物流管理專業的實訓教學中，建立了物流虛擬仿真實訓室;黃晟在《對虛擬現實技術與室內設計專業教學的整合研究》中提出了虛擬現實技術與室內設計專業教學的整合途徑，包括了虛擬空間的營造和教學過程的輔導兩大過程。

虛擬仿真教學系統目前主要分為桌面式虛擬仿真系統、沉浸式虛擬仿真系統、分布式虛擬仿真系統和增強式虛擬仿真系統四類。桌面式虛擬仿真系統是以普通計算機和低級工作站為依托來實現仿真功能，用戶通過計算機的屏幕了解虛擬環境，通過計算機的鍵盤和鼠標等相關設備與虛擬環境互動。這種系統特點是真實感不足，但是成本較低，容易實現，因此得到了廣泛的應用。沉浸式虛擬仿真系統，是通過使用頭盔和手柄等電子設備讓用戶和虛擬環境進行互動，用戶是虛擬環境中的參加者，這種方式沉浸性較強，目前在很多游戲中應用較廣。分布式虛擬仿真系統不是用戶參與的虛擬仿真，而是在不同地理位置的多個用戶通過網絡相連，共同分享信息。增強式虛擬仿真系統是以真實的環境為基礎，同時結合虛擬環境來共同模擬所需的真實環境和系統。

三、虛擬仿真技術在工程測量實踐教學中的應用

本研究欲基于桌面式虛擬仿真系統研發一種建筑施工測量虛擬仿真系統，實現虛擬仿真技術在工程測量實踐教學中的應用。建筑施工測量虛擬仿真系統將按照施工測量的內容劃分為定位和放線系統、基礎工程施工測量系統、墻體施工測量系統和變形觀測系統共四個子系統。每個子系統根據實踐項目的特點還可以繼續設置不同的模塊。以變形觀測系統為例，該系統可以繼續設置為建筑物沉降觀測、建筑物傾斜觀測和建筑物裂縫觀測三個模塊。

本文以定位和放線系統為例，介紹該系統的研發構想。定位和放線系統利用BIM三維建模技術、三維互動技術，流媒體技術以及互聯網技術等，在計算機屏幕上模擬一個施工場地，學生通過計算機的鍵盤和鼠標等設備實現與虛擬的施工場地之間的互動，借助于該平臺來完成建筑物的定位和放線工作。該系統的主要技術難點有以下幾個方面：

（一）建筑施工場地的三維建模

利用BIM三維建模技術可以實現施工場地三維模型的建立。目前，BIM三維建模技術發展已經比較成熟，如筆者所在學校已經開設相關課程，學生已經具備該技術的基礎知識，在平臺使用之前學生可以在教師提供工程案例背景的前提下完成對建筑施工場地三維模型的建立。

（二）建筑施工場地三維模型的輸入

該系統平臺將具備三維模型的輸入功能，以便實現與其他軟件的交互。學生借助此功能輸入之前準備的三維模型，即可實現對虛擬施工場地的模擬。

（三）學生與虛擬施工場地之間的互動

為了在虛擬的施工場地上完成定位放線等操作，需要實現學生與虛擬建筑施工場地之間的互動，可以借助三維互動技術。三維互動技術能夠直觀且極為仿真地展示出建筑施工場地的現實場景，讓學生如親臨其境，并能夠通過鼠標和鍵盤等設備與虛擬場景之間進行交互，完成實踐項目。

四、結語

虛擬仿真技術的應用解決了工程測量實踐教學中投入大、觀摩難、實操難的問題，同時通過與虛擬模擬施工現場的交互，學生能夠進行動手操作，提高了學習興趣。虛擬現實技術的應用使得教學中所面臨的問題能夠一步步得到有效解決，也為工程測量實踐教學基地的建設研究提供了新的可能。隨著虛擬現實技術應用水平的逐步提升，它與教育教學的深度融合將會更加地緊密，對于提高教育教學水平、改善教學環境、豐富教學資源、優化教學過程，培養個性化、創新型的人才發揮更加重要的作用。

參考文獻：

[1] 劉燁.虛擬仿真技術在高職物流管理專業實訓教學中的應用[J].物流工程與管理，2019，41（02）：163-164+162.

[2]嚴慧萍.虛擬仿真在中職實訓教學中的應用研究[D].福建師范大學，2014.

[3]黃晟.對虛擬現實技術與室內設計專業教學的整合研究[J].居舍，2018（30）：90.

【本文系山東華宇工學院職教教改項目“工程測量實踐教學基地建設的研究”（2017ZG15）的階段性成果】

（作者單位：山東華宇工學院）