新建地方應用型本科院校測繪工程虛擬仿真教學模式探索
——以山西工程技術(shù)學院為例

杜曉圓，寧永香，陳勝華

(山西工程技術(shù)學院，山西陽泉 045001)

虛擬仿真技術(shù)，又稱虛擬現(xiàn)實（virtual reality）技術(shù)，簡稱VR[1],以構(gòu)建全系統(tǒng)統(tǒng)一、完整的虛擬環(huán)境為典型特征，并通過虛擬環(huán)境集成與控制眾多的實體，實體可以是模擬器，也可以是其他的虛擬仿真系統(tǒng)，也可用一些簡單的數(shù)學模型表示。虛擬仿真技術(shù)是伴隨多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與網(wǎng)絡通信技術(shù)等信息科技的迅速發(fā)展，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種更高級的仿真技術(shù)。

2015年，教育部、國家發(fā)展改革委、財政部聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于引導部分地方普通本科高校向應用型轉(zhuǎn)變的指導意見》，為地方普通高校的轉(zhuǎn)型發(fā)展打開新的思路，提出了創(chuàng)新應用型技術(shù)型人才培養(yǎng)模式、不斷推進深化人才培養(yǎng)方案和課程體系改革，將現(xiàn)代信息技術(shù)全面融入教學改革，推動信息化教學、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、數(shù)字仿真實驗等廣泛應用，科學統(tǒng)籌各類實踐教學資源，合理構(gòu)建功能集約、資源共享、開放充分、運作高效的專業(yè)類或跨專業(yè)類實驗教學平臺[2]。2018年，教育部印發(fā)《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》，提出虛擬仿真實驗室建設是各省市級大專院校適應信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學關(guān)系等發(fā)生革命性變化的要求，促進信息技術(shù)與教育教學深度融合，強化能力為先的人才培養(yǎng)理念，突出應用驅(qū)動、資源共享，將實驗教學信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)在變量，以高質(zhì)量實驗教學助推高等教育教學質(zhì)量變軌超車，助力高等教育強國建設目標的順利實現(xiàn)[3]。

山西工程技術(shù)學院測繪工程專業(yè)作為地方性新型本科院校工科類專業(yè)，面對新形勢，務必抓住機遇迎難而上，將新型虛擬仿真信息技術(shù)融入教育教學實踐當中，加快虛擬仿真實驗室建設，探索新的教學模式。

1 新建地方應用型本科院校建立測繪工程虛擬仿真實驗室的優(yōu)勢

1.1 探索適合地方應用型高校的教學模式

從學校的角度講，測繪工程虛擬仿真實驗室的建設探索地方性本科院校的發(fā)展出路，積極響應國家號召，向應用型本科轉(zhuǎn)型，在提高實踐課程比例的同時，探索一種新的實踐教學模式。

從教師的角度講，測繪專業(yè)課程如果依照傳統(tǒng)的先大量理論教學后短課時實踐教學的模式，一個方面課時不均衡，另一方面理論和實踐教學間隔教學，既影響學生理解掌握理論知識，又影響學生實踐動手能力的培養(yǎng)，使教學效果大打折扣。虛擬仿真實驗可以在提升實驗教學效果中發(fā)揮作用，通過虛擬仿真技術(shù)可以將學科理論知識直觀呈現(xiàn)，反復模擬，解決了理論課程缺乏直觀操作效果的問題，真正做到理論聯(lián)系實際。

從學生的角度講，改革學生學習模式，傳統(tǒng)的測繪專業(yè)的實踐課程基本都是室外實踐動手性很強的課程，虛擬仿真實驗把學生放到一個虛擬的三維環(huán)境中，自己面對問題、分析問題、解決問題，更好地提高學生的自主學習性，也大大提升了學習效果。

1.2 加快構(gòu)建實踐和理論于一體的在線共享課程

近年來全國各高校都在大力建設在線共享課程，但主要集中在理論教學領域，傳統(tǒng)的實踐課程由于其較強的現(xiàn)實操作性，很難實現(xiàn)線上教學，使得線上教學理論與實踐相脫節(jié)。虛擬仿真實驗室的建設，把只有在現(xiàn)實環(huán)境可操作的實驗項目搬到線上，這種教學模式能夠滿足新形勢下的教學需求，將開放式的虛擬仿真實驗室與課程資源的共享平臺密切結(jié)合，進而實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的實時共享。

1.3 有效促進學生對測繪工程專業(yè)知識一體化的理解

測繪工程專業(yè)是一門實踐性較強的應用型學科。測繪工程專業(yè)培養(yǎng)的人才，涉及房屋建筑、礦產(chǎn)勘查、交通運輸、海洋工程等行業(yè)。同時，這也對測繪工程專業(yè)學生的知識體系提出了較高的要求，即要求其可以熟悉包括繪學的理論、工程建設、項目管理等在內(nèi)的各類知識。其中，對學生而言，掌握多元化的知識是有難度的[4]。在教學中，將虛擬仿真技術(shù)引入教學中，可以促進學生對較難知識點的理解，使得抽象知識具象化，使學生在相對真實的情境下理解把握專業(yè)知識，通過虛擬仿真實踐教學提升學習興趣，一定程度上達到融會貫通的目的，實現(xiàn)對測繪專業(yè)知識一體化的理解。

1.4 促進實驗、實習項目融合，使其成為有機統(tǒng)一的整體

為了達到教育部提出的應用型高校實踐課比例30%以上的要求，基本所有的專業(yè)課程都開設了實踐課，但這樣必然存在實踐課項目零散不連貫和交叉的情況，學生普遍反映學習效果較差，虛擬仿真實驗室可以較好地整合實驗項目，將多門專業(yè)課的實驗、實習項目放到統(tǒng)一的外業(yè)環(huán)境中，使得控制網(wǎng)選點、布設、無人機航測、地形測量、工程測量等相關(guān)實驗、實習項目都可以統(tǒng)一連貫地展開，在提高實驗效率、促進實驗、實習項目融合的同時，加強學生對測繪工程專業(yè)項目性和工程性概念的理解。

1.5 解決實踐課程時間、空間、設備、師資不足的問題

隨著測繪技術(shù)的迅速發(fā)展，儀器更新?lián)Q代較快，傳統(tǒng)測繪專業(yè)實驗教學模式不斷需要大量資金投入購買新的設備，可能造成極大的資金浪費，由于地方院校資金不足，從而使得專業(yè)設備更新較慢，很難達到人手一臺儀器。另外，測繪專業(yè)的野外實踐性，一直以來對學生、儀器有較高的安全性要求，針對不同實驗項目需要有不同條件的實驗場地；由于野外實踐教學學生較為分散，需要配備多名教師，對師資也是一個極大的挑戰(zhàn)[5]。虛擬仿真實驗教學的出現(xiàn)，使得以上問題迎刃而解。

1.6 增強學生學習自主性和創(chuàng)新性

虛擬仿真實驗沉浸性的環(huán)境特點，使學生在一個封閉獨立的教學環(huán)境中，既可以通過虛擬仿真實驗環(huán)境驗證實驗結(jié)果，又可以通過設置實驗條件、更改實驗順序、設計實驗環(huán)節(jié)等手段進行具有開創(chuàng)性的實驗實踐[6]。在單個實驗項目操作過程中，學生需要從始至終綜合運用個人的理論知識去實踐每一個操作步驟，鍛煉學生獨立思考、獨立動手解決問題的能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，提高學生的實踐水平，激發(fā)學生的學習探索欲。

1.7 提高實驗設備的利用率和開放率

由于傳統(tǒng)的實驗課程受實驗設備維護費用高、實驗地點固定、指導教師人手緊張等問題的影響，不能隨時隨地地向?qū)W生開放，降低了實驗室的利用率，學生不能隨時進行實踐操作練習，嚴重影響學生實踐動手能力的培養(yǎng)。虛擬仿真實驗室建設改變了傳統(tǒng)實驗室存在的昂貴儀器學生不敢操作、不得隨意外借，實驗場地不好找，師資緊張等尷尬處境，學生可以通過申請個人固定賬戶在線隨時隨地做實驗，大大提高了實驗設備、實驗項目的利用率和開放率。

2 測繪工程專業(yè)虛擬仿真實驗室建設存在的現(xiàn)實問題及建議

2.1 資金投入較大

由于前期虛擬仿真實驗室建設需要購買大量的硬件，開發(fā)實驗軟件系統(tǒng)和實驗信息管理系統(tǒng)，規(guī)劃實驗場地、培訓實驗教師隊伍，一次性需要投入大量的資金。針對這些投入，對于學校某些管理者或?qū)嶒灲處煻裕赡芨鼉A向于開設真實實驗教學，但是真實實驗室隨著儀器更新?lián)Q代需要長年累月不斷地投入，而虛擬實驗室一次投入后只要做好維護即可，從長遠來看可以大大節(jié)約實驗資金成本。

2.2 較理想化，缺乏實物感

虛擬仿真實驗室無論對于教師還是學生而言，都有很大的方便性，但對于測繪工程這類實踐性很強的專業(yè)，部分實驗項目的效果偏理想化，學生在練習過程中缺乏一定的實物感[7]，尤其涉及基本儀器操作、校準等基礎實驗方面和現(xiàn)實還是有一定差距，相較于真實實驗不具備完全替代性，建議采取先虛后實、虛實結(jié)合的教學理念。

2.3 學習形式單一化，應變能力較差

由于虛擬仿真實驗項目采取程序預先設計的方式，實驗情景比較固定，大多數(shù)情況下學生需按固定操作程序進行實驗，實驗情景變數(shù)較小，但對于測繪工程專業(yè)等長期室外環(huán)境下作業(yè)的專業(yè)，實驗課程練習形式和環(huán)境過于單一化，可變因子較少，這樣培養(yǎng)的學生實際工作中應變能力較差。

2.4 教師傳統(tǒng)實驗觀念的革新和信息技術(shù)應用能力的提升

虛擬仿真實驗技術(shù)的出現(xiàn)，對于傳統(tǒng)的真實實驗模式造成一定的沖擊。一方面，需要教師革新傳統(tǒng)的實驗觀念，很多教師認為傳統(tǒng)實驗室的教學能讓學生準確熟練地掌握實驗儀器操作技能，有助于培養(yǎng)面對和解決突發(fā)事件的能力，在將來的實戰(zhàn)工作中有更好的適應性，這些優(yōu)勢是虛擬仿真實驗室所不能取代的。但是虛擬仿真實驗室也存在明顯的優(yōu)勢，首先能最大限度地降低學生室外操作帶來的人身和儀器的安全隱患[8]；其次，虛擬仿真實驗室可以做到隨時開放，學生可以自由選擇時間進行多次重復試驗，直到自己熟練地掌握實驗內(nèi)容；再次，虛擬仿真實驗室不需要花費大量資金購置昂貴且精密的實驗儀器，大大降低實驗成本，還能較好地鍛煉學生操作能力。所以如何將傳統(tǒng)實驗室和虛擬仿真實驗室的各自優(yōu)點和長處融合兼并，需要教師在新時代的教育方式下進行積極探索和思考。

另一方面，需要教師不斷改革授課方式，學習新的虛擬仿真技術(shù)。新時代背景下的虛擬仿真實驗室是以電子信息技術(shù)為主導的新技術(shù)，相較測繪工程專業(yè)教師以往操作的儀器存在很大差別。虛擬仿真實驗室的建設和使用都需要專業(yè)教師既具有扎實的專業(yè)知識，還需具備一定的信息技術(shù)。這就需要學校采取有效措施，加強對教師虛擬仿真平臺操作技能的培訓；通過政策激勵，支持專業(yè)教師積極投入實驗教學改革、實驗模式創(chuàng)新和新技術(shù)應用研究。同時，制定相應的考核標準，對教師的信息技術(shù)素養(yǎng)和應用能力提出明確要求[6]。

3 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)以其特有的沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性為實踐教育提供了良好的教學環(huán)境[4]。學生可以在掌握一定理論知識的基礎上，借助虛擬仿真實驗不斷反復練習。在練習的過程中進一步強化理論知識，這個過程不受時間、空間以及外部自然環(huán)境的影響，增加了學生實踐鍛煉的機會，提升了學生實踐操作技能，為他們將來步入社會順利完成工作奠定了一定基礎。

虛擬仿真技術(shù)將有力推進地方本科院校向應用型轉(zhuǎn)型的速度，改變測繪類專業(yè)純野外、高風險、高投入、單一的傳統(tǒng)教學模式，探索新的實踐教學模式。虛擬現(xiàn)實一體化教學方式可以大幅提高理論與實踐教學的效果，幫助學生足不出戶也能體驗到野外的作業(yè)環(huán)境，使書本知識三維化，不斷激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新思維。