基于虛擬仿真技術的實踐教學改革

郭春蕾

摘要：目前各個高校實踐教學隨著互聯網及虛擬仿真的飛速發展正面臨著改革，高校依托虛擬仿真技術開展實驗實踐教學已成為必然要求，這對推進實驗教學改革、優化實驗教學資源有著巨大意義。本文以攝影測量基礎實習課程為例，總結了當前實踐教學中存在的問題，針對虛擬仿真教學軟件，提出攝影測量基礎實踐環節教學改革措施，并結合教學過程實施對教學改革進行評價，總結出虛擬仿真技術在實踐教學中的優勢及特點，旨在更好地強化攝影測量基礎實踐教學效果，并推進虛擬仿真技術在高校課程實踐教學中的應用。

關鍵詞：攝影測量基礎實習；虛擬仿真；教學改革

中圖分類號：G64文獻標識碼：A文章編號：1673-7164（2021）07-0047-03

基金項目院遼寧省教育廳科研經費項目“基于無人機航測的城市三維建模及虛擬仿真研究”（項目編號：LJKX201911）；沈陽城市建設學院2019年度校級教育教學改革研究與實踐項目“新工科視域下《攝影測量基礎》課程虛擬仿真實踐教學改革研究與實踐”（項目編號：JG201914）。

當今高等院校的課程實踐教學正面臨著時代、技術的變化，教學迫切需要轉變。攝影測量基礎實習是測繪工程專業本科生的一門集中實踐環節必修課，也是攝影測量學基礎理論課程對應的實踐教學環節，傳統的攝影測量實習偏重于軟件的使用，很難滿足每個學生獨立學習和交互操作的需求[1]。

一、研究背景

依托虛擬仿真技術開展的實踐教學項目可以大幅提高學生科研能力、創新思維能力、綜合表達能力、運用知識能力和自主學習能力，提升當前功能單一、模式陳舊、實驗實訓成本高、占地大、難開展、受限制和學生安全性等教學現狀[2]。虛擬仿真教學是指通過構建虛擬的教學場景，使學生通過感知實現與虛擬世界的實時交互，達到自主學習的一種教學模式[3]。

本文針對攝影測量基礎當前實踐教學中存在的問題，利用無人機航測虛擬仿真教學軟件，提出攝影測量基礎實踐環節教學改革措施，并結合教學過程的實施對教學改革進行評價分析。

二、攝影測量基礎實踐教學環節現狀及存在問題

傳統攝影測量基礎實踐教學環節主要由外業航空相片調繪和軟件測圖兩部分教學內容構成。其中測圖部分通過攝影測量軟件對立體影像進行內定向、相對定向以及絕對定向等操作處理，目前高校一般多使用VirtuoZo NT軟件，最終生成DOM、DEM等4D產品，目的是使學生掌握數字攝影測量。目前實習教學實踐課程設置存在以下問題：

（一）外業、內業之間相互獨立，內容整體連貫性較差

現階段攝影測量學實習數據多為現有的老版的相片，學生利用相片進行野外實地踏查工作，而這些相片是由教師發給學生的，并不是學生自己通過無人機獲取的。內業立體測圖所用的立體影像也是由指導教師發給各學生。前后兩實習所用影像數據不同，且各自內容之間無明顯聯系[4]。內外業實習內容之間整體性連貫性較差，學生分別獨立進行內外業實習，不利于理解與掌握攝影測量整體流程。

（二）教學手段陳舊，學生對知識鏈掌握不夠透徹

目前攝影測量基礎實習采用的實習手段和方法還是以往傳統教學方法，學生的學習興趣度較低。學生進行野外踏查的航片獲取年代較久遠，在進行調繪時，由于地物更新，導致與航片地物存在較大差異，致使學生的工作量增大，并影響成圖效果。另外，目前教學采用軟件VirtuoZo NT版本較老，且處理的數據源于指導教師，學生不能將外業內業很好地串聯在一起，以致難以掌握其原理與意義。

（三）整體偏向理論知識，脫離實際工作中項目生產流程

傳統的攝影測量實習以理論知識為基礎，通過實踐教學達到對相關理論知識點的深度掌握。而根據企業調研顯示，企業對應屆大學生的要求更注重實際操作能力，要求人才應掌握攝影測量技術發展熱點，對相關熱門軟件熟練操作，了解無人機航測工程項目的處理流程及方法。因此在新工科背景下，基于項目案例的教學方法才符合應用型高校人才培養目標。

三、基于虛擬仿真技術的實踐教學改革措施

無人機航測虛擬現實軟件是針對攝影測量基礎實踐教學[5]，根據真實的實訓環境及設備構建的虛擬仿真軟件，該系統作為“理論+實踐+虛擬仿真”一體化的教學與實訓系統，可完成攝影測量基礎實踐教學環節的教學與實踐任務。

（一）教學方案設計

學校應根據攝影測量基礎課程教學目標以及培養應用型人才的辦學特點，以項目案例為導向，通過合理的教學設計，讓學生在沉浸式參與中學習相關知識，在調動學生積極性的同時優化教學效果。

第一，先建立整個全息虛擬仿真設備的操作手冊。

第二，構造無人機設備演示環節，讓學生先對無人機有充分了解。目前虛擬場景中無人機型號包括固定翼無人機、混合翼無人機和六旋翼無人機三種，教師選擇3D展示無人機各結構構件，對無人機構件關系和節點構造可以在虛擬環境中實現拆解、安裝。無人機設備認知及學生交互操作內容如表1所示。

第三，在無人機項目案例中，各項目案例及學生交互操作內容如表2所示，教師可根據不同選擇3D展示無人機實際工程項目的整個過程進行講解，或考查學生。

（二）教學方法改革

無人機航測虛擬仿真實驗教學中，教師可采用不同的教學方式方法，通過案例結合互動進行教學。學生可根據實驗內容進行沉浸式體驗，并完成一系列交互式操作，進入實驗教學環節后，學生可選擇不同的工程案例完成該工程的所有流程，期間隨時對基礎知識點考核，達到寓教于樂的教學效果。同時，在教師演示環節，通過多種不同的教學手段對學生進行展示，讓學生掌握多樣化的知識。

（三）教學評價改革

無人機航測虛擬仿真教學軟件要求學生能夠掌握無人機設備的認知，能夠獨立完成項目的操作流程，交互過程正確，能夠將無人機航測虛擬仿真與實際工程結合。系統將對學生的操作痕跡（如是否按照實驗步驟操作、是否正確完成對知識點的考核）等進行形成性評價，綜合虛擬仿真操作結果、學生操作流程及技能等因素，形成綜合性考核成績。

四、教學實施與評價

（一）實施過程

首先，教師進行相關理論教學。

其次，學生分組到虛擬仿真實訓室體驗無人機航測虛擬仿真教學軟件，通過操作了解并掌握無人機設備的構造及操作，掌握無人機構造。此項虛擬仿真教學環節將為后期學生到實踐基地進行無人機飛行培訓奠定基礎。

然后，學生利用全息影像模擬無人機航空攝影測量項目，通過交互式操作，參與完整工程項目，教師可根據學生的表現進行評估。

（二）實施效果評價

通過引入無人機航測虛擬仿真軟件系統，理論教學和實踐教學之間搭建起了過渡“橋梁”，有效解決了理論教學和實踐教學難以有效融合的問題，提高了攝影測量基礎知識和實踐操作的效率和效果，優化學生實踐體驗。

虛擬仿真實踐教學在為學生提供更好的沉浸感的同時，為學生從感官上提供認知作業環境和教學內容，實踐證明通過“虛擬現實+實踐”方式，可大幅提高實踐教學效果。通過無人機組裝及項目案例中的交互設備模擬現實項目工程中的操作，學生實際操作水平得到提高，并能滿足今后工作需求。

同時，教學資源生動且豐富，軟件結合了教、學、練、考等教學功能，可以對學生操作進行精準評估，充分體現了教育信息化發展方向。

五、結語

虛擬仿真技術不僅可以解決學生多而實驗設備少的難題，除此之外，它獨有的實驗耗能低、實踐效率高、數據時效性強、教學開放度高等特點，為學生課程實踐環節提供了新的教學模式。基于虛擬仿真技術的攝影測量基礎實踐教學，堅持以項目為導向，調動學生參與實踐教學的積極性和主動性，激發學生的興趣和潛力，增強學生的創新創造能力。

參考文獻：

[1]馬春艷，徐傳陽，沈成虎，等.基于虛擬現實仿真技術的測繪儀器模型設計開發[J].測繪通報，2013（08）：71-73.

[2]劉建國.虛擬測量在無人機測繪成果中的應用[J].中國標準化，2019（20）：227-228.

[3]王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.

[4]鄧磊，李永新，段福洲，等.虛擬現實技術在無人機航空攝影測量實驗教學中的應用[J].科技創新導報，2019（26）：223-225+227.

[5]鄧興升.虛擬仿真平臺下攝影測量實踐教學模式探索[J].測繪工程，2015（09）：74-76.

（薦稿人：王井利，沈陽建筑大學教授）（責任編輯：鄒宇銘）