面向土木類專業(yè)測量學(xué)的虛擬交互仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺研究

陳曉輝，王 群，潘際帆

(1.吉林建筑科技學(xué)院，長春 130000； 2.自然資源部第三地形測量隊(duì)，哈爾濱 150025)

虛擬仿真教學(xué)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)動態(tài)情境，進(jìn)而達(dá)到學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新的目的。因資源、硬件條件等因素的限制，傳統(tǒng)測量學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展受到巨大限制，需通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本大、時(shí)間長等弊端，確保測量學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展?jié)M足專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求。

1 建設(shè)思路與理念

在充分考慮土木類行業(yè)發(fā)展趨勢與人才需求的前提下，總結(jié)其專業(yè)發(fā)展規(guī)律及應(yīng)用型人才教學(xué)與培養(yǎng)規(guī)律，立足于培養(yǎng)符合社會發(fā)展、行業(yè)發(fā)展的應(yīng)用型人才，實(shí)現(xiàn)借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺培養(yǎng)高技術(shù)、高素質(zhì)、高責(zé)任感的專業(yè)人才[1]。通過土木類專業(yè)測量學(xué)實(shí)踐教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)的融合，依托于高校特色專業(yè)、優(yōu)秀教師隊(duì)伍、豐富基礎(chǔ)設(shè)備資源，構(gòu)建具備開放化、共享化、虛實(shí)化等特點(diǎn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對測量學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的優(yōu)化與改善，并通過平臺設(shè)計(jì)與應(yīng)用達(dá)到測量學(xué)教學(xué)改革的目的。加大對師資隊(duì)伍的建設(shè)力度，側(cè)重對教師隊(duì)伍水平與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與調(diào)整，以期為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用提供強(qiáng)有力的人才支撐。加大與相關(guān)企業(yè)的合作力度，通過高校與企業(yè)的深度合作，將企業(yè)設(shè)計(jì)、企業(yè)技術(shù)等引入平臺構(gòu)建中，實(shí)現(xiàn)對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的共同構(gòu)建與研發(fā)，確保虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用順利進(jìn)行[2]。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系與平臺設(shè)計(jì)

2.1 體系設(shè)計(jì)

我校通過不斷積累與創(chuàng)新，已具備豐富的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)資源，并通過與相關(guān)企業(yè)的深度合作，秉持著虛實(shí)結(jié)合、實(shí)踐與理論結(jié)合的原則，立足于應(yīng)用型、復(fù)合型人才培養(yǎng)的角度，面向土木類專業(yè)測量學(xué)構(gòu)建三層次、三結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[3]。三層次是指我校依托于專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)律，將測量學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程劃分為三大類型，具體包括綜合型、基礎(chǔ)型以及專業(yè)型。三結(jié)合是指：其一，理論與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)融合。教學(xué)體系設(shè)計(jì)包括專業(yè)核心課程知識、基礎(chǔ)理論知識等，針對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及理論課程教學(xué)的開展，統(tǒng)籌安排教學(xué)計(jì)劃。學(xué)生依托于平臺實(shí)踐可以進(jìn)行理論知識的內(nèi)化，提高對理論知識學(xué)習(xí)的積極性[4]；其二，實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合。依托于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)將測量學(xué)中相關(guān)實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的充分結(jié)合，通過開展虛擬實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足與弊端，并達(dá)到優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式與內(nèi)容的目的，轉(zhuǎn)變學(xué)生對待測量學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的態(tài)度，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺培養(yǎng)學(xué)生綜合能力與素質(zhì)；其三，課外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合。學(xué)生可充分借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺開展課外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在教師指導(dǎo)下可視自身情況合理選題，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺開展課外實(shí)驗(yàn)工作。

2.2 平臺設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)思路具體體現(xiàn)為對不同層次學(xué)生進(jìn)行全面培養(yǎng)，涵蓋土木類專業(yè)測量學(xué)的全部知識內(nèi)容，包含不同實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施方法。將平臺設(shè)計(jì)與測量學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合，通過平臺模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)的操作與步驟，構(gòu)建契合學(xué)生發(fā)展需求的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。模擬土木測量學(xué)的實(shí)際工作環(huán)境，采用虛擬仿真的方式訓(xùn)練具有復(fù)雜性、綜合性、危險(xiǎn)性的技能，基于平臺實(shí)驗(yàn)完成測量學(xué)的相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)，為學(xué)生綜合素質(zhì)的發(fā)展提供支撐[5]。

第一，工程測量模塊設(shè)計(jì)。針對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)，其主要對象為土木類專業(yè)學(xué)生，對測量學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行模擬，其中測量實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)主要針對工程測量與工程檢測環(huán)境。依據(jù)對學(xué)生基礎(chǔ)情況的掌握，結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，設(shè)置導(dǎo)線控制測量、測量儀器認(rèn)知、工程施工測量等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。第二，專業(yè)型基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)。專業(yè)型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)目的在于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、拓展學(xué)生視野，幫助學(xué)生掌握不同行業(yè)、環(huán)境下的測量技術(shù)。依托于土木類行業(yè)發(fā)展的分析，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)成橋梁工程、建筑工程、巖土與地下工程、道路工程、交通工程、水利水電工程仿真模塊。其中針對橋梁工程仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)，結(jié)合對測量學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考慮，設(shè)計(jì)橋梁施工測量仿真虛擬模塊；建筑工程模塊依據(jù)測量學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，設(shè)計(jì)建筑架構(gòu)測量、施工測量等模塊；巖土與地下工程模塊的設(shè)計(jì)，結(jié)合對測量學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求的分析，設(shè)計(jì)邊坡測量、橋臺測量、基層測量等虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；道路橋梁模塊設(shè)計(jì)路基面測量、擋土墻測量等實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目；交通工程模塊依據(jù)對測量學(xué)教學(xué)需求的分析，設(shè)計(jì)基本路段測量等實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)；水利水電模塊依據(jù)對測量學(xué)教學(xué)目標(biāo)的分析，設(shè)計(jì)水輪機(jī)模型測量等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)[6]。第三，綜合型仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)。綜合型實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)的主要目的在于依據(jù)虛擬平臺進(jìn)行相關(guān)實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整。綜合型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的主要模塊包括：A.創(chuàng)新虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。引導(dǎo)大學(xué)生根據(jù)相關(guān)課題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，突出學(xué)生自主創(chuàng)新的主體地位，強(qiáng)調(diào)在實(shí)驗(yàn)改革與創(chuàng)新過程中調(diào)動學(xué)生的主動性與積極性，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維。B.學(xué)科競賽虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K。該模塊設(shè)計(jì)的主要目的在于為大學(xué)生學(xué)科競賽項(xiàng)目的開展提供基礎(chǔ)支撐。以往學(xué)科競賽的開展存在成本消耗大、不可逆轉(zhuǎn)性等特點(diǎn)，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，可對競賽項(xiàng)目中相關(guān)子項(xiàng)目或環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬，通過與實(shí)體實(shí)驗(yàn)的有機(jī)融合，為學(xué)科競賽項(xiàng)目的順利進(jìn)行保駕護(hù)航[7]。C.BIM虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺模塊。BIM技術(shù)在土木類行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，因BIM技術(shù)的復(fù)雜性，學(xué)生對BIM技術(shù)的掌握不夠深入。BIM虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建可幫助學(xué)生進(jìn)行BIM技術(shù)的虛擬訓(xùn)練，如在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段利用虛擬平臺進(jìn)行項(xiàng)目的BIM測量，加深學(xué)生對BIM技術(shù)的掌握。

3 虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)用成效

我校對土木類專業(yè)引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺后，取得如下成效：A.創(chuàng)新能力提升。學(xué)生專業(yè)能力、信息技術(shù)應(yīng)用能力等方面均得到顯著提升，部分學(xué)生依托于虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺，參加市級、省級、國家級競賽項(xiàng)目均獲得喜人成績。B.教學(xué)水平提升。在應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺后，教師專業(yè)教學(xué)水平得到顯著提升。

4 結(jié)語

在土木類專業(yè)人才培養(yǎng)中充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，可在優(yōu)化與改革測量學(xué)教學(xué)模式的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對人才的綜合培養(yǎng)，該平臺未來還需在實(shí)踐應(yīng)用中不斷完善與革新。