虛擬仿真技術在土木工程測量實驗教學中的應用研究

顧展飛 孫慶珍 甘春景

摘 要：虛擬仿真實驗教學是一種新型的模式，它融合了虛擬現實-人機交互-多媒體-網絡與通信等多種高科技技術，優化和改進了傳統實驗教學中的不足。本文針對土木工程測量實驗在傳統教學中的問題，基于虛擬仿真技術，從教學理念、教學手段和教學技巧等方面，對傳統教學模式進行優化和改進。研究了該技術在土建類本科生的土木工程測量實驗教學中的優勢，以及改進過程中的注意事項。通過以上優化與改進措施，可提高學生課堂學習能力、學習效率和土木工程測量實驗的教學質量。

關鍵詞：土木工程測量;虛擬仿真;實驗教學;教學方法

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.09.082

0 引言

土木工程測量是土建類專業本科生的專業基礎課。該課程基于課堂理論知識的學習，重點在于實驗儀器的操作。近幾年，全國高校推崇新工科教育建設的新理念，在科技日新月異的時代優化傳統工科教學方法。土木工程測量作為一門傳統工科學科，在“復旦共識”，“北京指南”“天大行動”等方針的引導下，更應該主動探索新的出路，利用虛擬仿真技術優化教學理念、教學手段和教學技巧。依托虛擬現實與多媒體技術，通過對實驗教學的各個環節進行模擬仿真，讓繁瑣的實踐教學課程變得高效、簡單，解決實踐教學環境中不具備或者難以完成的教學功能。同時解決了一些復雜案例難以呈現或只能在線學習的局限性，以達到節約現實教學資源、共享教學設施，提高學生學習興趣的目的。還可以根據儀器設備的差異性，制定專屬統一化的交互邏輯，實現學生對各種儀器設備的認知。

目前，國內外土木工程測量的教學方式通常是采用課堂講授、課后練習和課外實驗相互結合的模式，課堂講授與課外實驗分開進行，無法充分發揮課堂學習中的余熱。因此，如何圍繞專業工程對測繪的要求，虛擬構建施工案例及對應的測繪工作所需的方法，將本專業和跨專業的各類知識連接在一起，提升學生實訓能力。以及如何在講授過程中利用虛擬仿真技術來實現隨堂實戰演練是一個值得探究的問題。

1 土木工程測量實驗教學引入虛擬仿真技術的優勢及必要性

1.1 可以節約資金投入、節省時間，提高安全性

實際的儀器的購買需要大筆費用，而且試驗周期較長，在野外實驗更是具有一定危險性。土木工程測量實驗所使用的儀器大部分比較昂貴，體積較大，并且需要定期維護，實驗過程中也需要學生在較短時間內測繪不同位置，部分位置可能位于樓頂、河邊，對人身安全具有一定威脅。引入虛擬仿真技術可解決類似問題，教師可利用現有的虛擬仿真軟件在室內進行講解并讓學生進行操作，使整個實驗過程不再抽象化。

1.2 有助于提高學生動手操作能力

目前土木工程測量實驗教學普遍存在以下幾個方面的問題：儀器數量少、儀器型號陳舊、儀器老化等。在課外實驗教學中，一個小組6名同學才能分到一臺儀器，這樣就大大減少了每個學生的實際操作時間。資源的不足可能導致學生的學習質量下降，使學生動手操作能力得不到鍛煉。虛擬仿真技術恰能使得資源合理分配，在科技發達的今天，高校都設置有虛擬仿真實驗室，而且幾乎每個大學生都會有一臺電腦，土木工程測量的虛擬仿真實驗打破了空間限制，也消除了實驗周的時間限制，給學生創造了更好的學習條件和學習環境，與時俱進的科學技術激發了學生動手操作的興趣，讓大家體驗一個更好的實驗過程。

1.3 有助于直觀呈現老師課程講解的知識

土木工程測量課程雖然屬于工科，但是書本理論知識較多，內容也較為抽象，所以老師要想讓學生從書本和課件中聯想到實驗過程有一定難度。老師需要結合實驗操作讓學生牢記理論知識，而學生的實際操作也需要緊密聯系理論知識。虛擬仿真技術的出現，恰恰解決了課堂理論知識和實際操作分離的難題，使得老師可以當堂講授、學生當堂操作，學生在虛擬仿真中遇到問題可以及時向老師提出，老師進行答疑。老師可將較為典型的問題交給學生討論，可大大提高學生處理現實操作中難題的能力。

1.4 有助于提高學生對技術規范及規程的認識

技術規范及規程的重要性不僅僅在于土木工程測量這一門課程中，更突出體現在整個工程項目建設中。我們的授課目的不僅是要每一個學生掌握工程測量知識、完成教學任務，而是在這二者的基礎上，提高學生在今后工作中對技術規范的認識和重視。虛擬仿真軟件的操作過程中，有許多細節是我們在儀器操作時會忽略的，但虛擬仿真技術就是給我們反復實踐的機會，同學們在模擬實驗中反復操作，會大大增強技術規范及規程的意識。良好的掌握技術規范及規程是工程的安全保障，也是個人職業經驗的積累。

2 土木工程測量虛擬仿真實驗教學內容及過程設計

2.1 明確教學目的

土木工程測量課程實驗包括水準儀、經緯儀、全站儀等儀器的使用，數據的處理，圖紙的繪制這幾項基本內容。為了適應現代測量技術在工程建設中的應用，并且優化和改進傳統實驗課程教學的不足，于是產生了虛擬仿真實驗結合課堂授課的新型教學方式。土木工程測量課程作為一門實驗課，與理論課的教學方式不同，實驗課需要老師講授理論知識在先，接著是學生吸收老師講授內容，最后是學生基于課堂所學內容，在老師的指導下操作儀器完成實驗。在傳統的教學方式加入虛擬仿真教學內容，達到隨堂講、隨堂練，在很大程度上鞏固了學生在課堂上所學的知識。應用虛擬仿真教學是為了加強學生對理論知識的運用與掌握，培養學生科學使用虛擬模型的能力，引導學生建立專業的思維模式，提高學生分析和解決問題的能力，使學生形成嚴謹的工作作風，養成團結協作的精神，為以后走向工作崗位打下扎實的基礎。

2.2 建立案例場景并進行展示

虛擬仿真實驗來源于真實工程，結合實際工程中可能出現的大部分場景。例如與全站儀有關的虛擬仿真實驗，軟件通過動畫模擬儀器內部構造、光線傳播、信號傳播、映射等，說明全站儀的構造和測量原理，讓課本上抽象的二維畫面轉化為三維動畫，使學生對全站儀構造和原理的印象根深蒂固。如圖1所示為全站儀認知實驗界面，學生可在課堂通過講解和交互實現全站儀各部分的認知，使教學內容更易接。

2.3 虛擬仿真實驗儀器操作及測量方法

儀器操作模塊可實現虛擬的測量儀器操作環境，讓學生真實體驗測量過程，完成儀器操作模擬訓練。主要包含儀器的對中、整平以及其虛擬仿真模擬教學，涵蓋了教學過程中各類測量儀器的基本功能練習。圖1所示的全站儀虛擬操作面板，學生可利用實驗平臺進行全站儀的虛擬操作，儀器安置以動畫和用戶交互的操作方式，實現全站儀從開箱到架設好儀器的全部過程。另外系統設置了圓水準器和管水準器的氣泡移動窗口，便于學生了解全站儀粗略整平和精確整平的情況。

在土木工程測量虛擬仿真軟件中，全站儀的測量方法與現實中的測量方法別無二致（針對測量學的測角、測距、側高差的基本內容，實現水準測量、距離測量、坐標測量和三角高程測量。水準測量包括利用雙面尺法和變換儀器高法進行四等水準測量）。在建立的逼真三維場景中，通過模擬真實空間數據獲取儀器，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、數據導出繪圖等操作（如圖2至圖7所示）。

2.4 完善和優化測量方案并實地測量驗證

完整的工程測量和地形測繪實驗包含多個步驟，首先采用虛擬仿真技術，以學生所在的校園場景為基礎，收集并修正校園正射數據影像、建筑紋理貼圖、基礎測繪數據，構建三維虛擬校園系統。學生可瀏覽整個測區概況，進行勘測選點。在此基礎上，根據測量規范，進行導線和水準控制測量、虛擬仿真測量，并對測得的數據進行處理。之后模擬全站儀測量進行地形圖測繪，并基于所得的數據進行地圖繪制。

土木工程測量領域的虛擬仿真技術雖然簡化了傳統測量實驗的步驟，相比真實實驗也較為精確，并可將冗雜的數據和抽象的空間可視化。但在現階段該技術也只是作為輔助實驗的一個較好的工具，因為實地測量中需要考慮陽光與風向等不可抗環境因素的實時變化，以及實地地標、設施等的老化磨損。但我們可以參照虛擬實驗所測得的數據與繪制出的電子地圖集，對實際測得數據以及手繪地圖進行比對，可判斷實地測量是否有明顯錯誤，也可以驗證虛擬仿真實驗的有效性、準確性。（圖8圖9分別為學生在測量實驗中所繪制的地形圖與虛擬仿真實驗中所得到的地形圖）。

由此可見，虛擬仿真技術在土木工程測量實驗中起到了良好的輔助作用，極大地提高了老師的教學質量和學生的學習質量，充分體現了科技改變生活的真諦。

3 結語

在新工科建設的理念下，充分利用虛擬仿真技術是改善傳統教學方法中不足的一種手段。今后，理工科的學習不再是以往的背概念、做習題，而是動手去做、動腦去想的全新模式。經歷過動手和動腦的學習后，學生在走向工作崗位才能發揮所學。通過近幾年的初步實踐，虛擬仿真技術在提高土木工程測量實驗教學效果方面起了良好的作用。一是將實際問題呈現在老師和學生面前，需要大家一起解決，使所有人都融入教學環境中。二是可以使老師進一步整理課程中的重點和難點知識，從課程教學、課外實驗活動、本科畢業設計等多方面著手，做好頂層建設，多角度、多方位實施“新工科”理念，確保了教學工作的系統性、有效性。

參考文獻

[1]岳建平，陳偉清.土木工程測量（第2版）[M].武漢：武漢理工大學出版社，2010.

[2]齊秀峰.土木工程測量[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2014.

[3]中華人民共和國教育部.教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）：教技（2012）5號[Z].2012.

[4]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017，（5）：1-6.

[5]許濤，嚴驪，殷俊峰，等.創新創業教育視角下的“人工智能+新工科”發展模式和路徑研究[J].遠程教育雜志，2019，（1）：80-88.

[6]章迪，鄒進貴，向東，等.測繪地理信息虛擬仿真實驗教學中心建設[J].實驗技術與管理，2020，37（10）：121-125.

[7]周英明，藍聲寧，韋春曉，等.“新工科”教育背景下工程測量教學改革研究[J].欽州學院學報，2019，34（1）：58-61.

[8]肖鸞，陳鳳年，陳海勝，等.工程測量教學改革：問題與對策[J].湖南工業大學學報，2008，（3）：110-112.

[9]徐濤，韓月嬌，馬洋洋，等.新工科背景下虛擬仿真技術在測繪工程中的應用研究[J].科技創新導報，2019，（25）：28-30.

[10]趙強.測繪虛擬實習系統的設計研究[J].測繪與空間地理信息，2017，40（10）：57-59.

[11]袁德寶，孫文彬，蔣金豹，等.虛擬仿真在測量學教學中的實踐和探索[J].北京測繪，2019，33（5）：604-607.