虛擬仿真技術在職業院校“數字測圖”實踐教學中的應用

談秋英　甘霖

［摘 要］ 新時代對職業教育內涵式發展提出了新的要求，亟須利用信息化手段提升實踐教學質量。隨著現代教育信息化技術的發展，虛擬現實仿真技術已逐漸融入職業教育教學實踐。“數字測圖”作為測繪類專業的綜合性核心課程，具有基礎性、專業性和實踐性的突出特點。立足當前實踐教學現狀，通過分析存在的問題，提出“虛實結合、線上線下協同”的實踐教學模式，創新地引入虛擬仿真軟件，將“教、學、做”一體化思想貫穿實踐教學始終，讓工程案例虛擬化、立體化、結構化。結合在浙江公路技師學院的教學實踐，該方法在一定程度上解決了實踐教學存在的課程標準與行業需求脫節、實訓設備與實訓場地有限、缺少重大工程項目支撐等問題，取得了較好的效果。此外，提出了虛擬仿真技術在提升實踐教學質量方面的可行性建議，可以為同類院校相關專業實踐教學改革提供參考。

［關鍵詞］ 數字測圖；虛擬仿真；實踐教學；職業教育

［作者簡介］ 談秋英（1990—），女，河北邢臺人，學士，浙江公路技師學院路橋系講師（通信作者），主要從事測繪地理信息專業教育研究；甘 霖（1996—），女，吉林白城人，碩士，浙江南方測繪科技有限公司教育事業部經理，主要從事教育事業培訓和測繪地理信息應用研究。

［中圖分類號］ G420 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）07-0161-04 ［收稿日期］ 2022-04-08

引言

進入新時代，發展職業教育的重要性和緊迫性進一步凸顯。建設現代化經濟體系，實現高質量充分就業，都迫切需要職業教育再上一個臺階。《國家教育事業發展“十三五”規劃》（以下簡稱《規劃》）明確提出要加快發展現代職業教育，提升職業學校基礎能力。《規劃》還提出要提升職業學校辦學條件特別是實習實訓條件和“雙師型”教師隊伍建設水平，提升專業建設和課程開發。在此背景下，2019年國務院出臺《國家職業教育改革實施方案》，提出了要完善職業教育和培訓體系，做好改革組織實施工作。各地職業院校紛紛自我轉型，推進內涵式發展，強調技能學習是科技發展的關鍵。培養優秀的技能人才離不開理論的指導，更離不開實踐鍛煉［1］。虛擬仿真平臺因其虛擬化、立體化、結構化的特點，在室內設計、材料成型、安全、醫療、化學等專業的實踐教學改革中扮演了重要角色［2］。“數字測圖”是公路施工專業、測繪專業等工科專業的核心基礎課，根據數字地形測量員、數字地籍測量員及地理信息系統數據采集員等工作崗位的職業技能要求，以及其他測量課程的需求設立，具有很強的基礎性、專業性和實踐性［3］。然而，當前該課程實踐教學課程體系無法滿足人才培養需求，亟須依托虛擬仿真技術引入成熟的數字測圖軟件進行實踐教學改革。面對職業教育內涵式發展新常態，業內一些單位積極探索，線上線下相結合的個性化、智能化、泛在化教學模式已逐漸形成［4］，在提高職業院校教學質量方面具備一定的可行性。

一、“數字測圖”實踐教學現狀與問題

從2021年度首屆全國測繪地理信息職業院校大學生虛擬仿真測圖大賽中看，全國至少有288所院校開設了數字測圖類課程。“數字測圖”實踐教學的關鍵在于如何理論聯系實際、如何引入測繪規范、如何融入工程項目思想等。常規實踐教學方式難以滿足當前測繪與地理信息市場，以及職業教育人才培養模式改革的需要，亟須利用虛擬仿真技術完善現有常規教學內容，主要體現在以下幾個方面。

（一）課程標準與行業需求脫節

通過對多家合作企事業單位進行深入調查，大部分院校普遍存在課程標準與行業標準、技能鑒定標準和技能競賽標準不相融合等問題。

（二）實訓設備與實訓場地有限

常規實踐教學涉及的設備一般比較昂貴且更新速度比較快，學生每年實踐時都有儀器損壞或設備不夠用的問題，維修儀器需要一定的時間和財力。多數職業院校因占地面積小，所以難實施、受限制，不能滿足復雜環境下的實訓要求以及學生安全要求。

（三）缺少重大工程項目支撐

重大工程項目的親歷實踐一般不具備可操作性，不具備真實的實訓場地或實際運行困難，涉及高危或極端環境，常規的測圖需要漫長的過程，學生從理論學習到實際操作缺少中間過渡環節。教師在現場指導多名學生操作時，很多學生圍著一臺儀器，教學效果不理想。

針對以上現狀，我校確定了相關企業提出的人才需求，確定了本門課程面向的崗位主要有數字地形測量員、數字地籍測量員及地理信息系統數據采集員等。依托廣州南方測繪科技股份有限公司研制的虛擬仿真訓練軟件，提煉真實的測繪生產項目，以項目的分任務驅動法實施教學，教學過程中體現以學生為中心，充分利用信息技術，讓學生體驗真實的工作場景。同時，培養學生基于團隊協作的外業實踐操作能力，以及基于個體獨有的內業數據、圖件處理能力，進而為測繪相關的企事業單位輸送高技能專門人才。

二、基于虛擬仿真技術的實踐教學設計

結合浙江公路技師學院的專業設置情況，提出“虛實結合、線上線下協同”的實踐教學模式，創新地引入虛擬仿真軟件，設計“以賽促練，寓練于賽，練賽融合”的工作思路，將“教、學、做”一體化思想貫穿實踐教學始終，讓工程案例虛擬化、立體化、結構化。通過設計測繪工程技術、公路施工與養護等專業的“數字測圖”實踐教學方案，開展教學實踐。本文以實踐授課計劃和實踐計劃安排為例，驗證該方法的可行性和可靠性。

（一）實踐授課計劃

“數字測圖”實踐教學項目主要以1︰500大比例尺虛擬仿真場景地形測量為主，采用GPS-RTK和全站儀進行外業數據采集，以實際生產為目的，是一個集成式的操作過程。如果按照原來的教學設計，會嚴重制約實踐教學成果。職業院校地理信息系統仿真技能大賽的重點要求是數據采集、內業繪圖及查閱規范，為達到“以賽促練，寓練于賽，練賽融合”的效果，調整實踐教學內容，在理論教學與生產實習之間增加過渡階段。具體實踐授課安排如下。

1.安裝軟件。（1）虛擬仿真系統的安裝、運行；（2）AutoCAD2017、SouthMap安裝運行。

2.虛擬仿真全站儀實操訓練。（1）全站儀架設；（2）全站儀建站與后視；（3）全站儀碎部采集；（4）數據導入導出。

3.虛擬仿真RTK實操訓練。（1）基準站架設；（2）設置基準站；（3）移動站架設；（4）RTK點校正（求轉換參數）；（5）RTK圖根控制測量；（6）RTK碎部采集。

4.SouthMap內業繪圖。（1）SouthMap軟件界面介紹；（2）虛擬仿真數據的導入；（3）平面圖的繪制；（4）等高線的繪制；（5）地形圖的編輯與注記；（6）圖廓繪制。

5.成果質量評定與提交。（1）地形圖成果質量的評定；（2）地形圖圖廓整飾的評定；（3）成果提交。

虛擬仿真實踐授課計劃安排以鍛煉學生三維能力為目標，有助于著重培養學生理論聯系實際的工作意識，激發學生對專業的學習興趣和動手能力，相對于常規授課計劃，更為全面、具體、細致、科學。

（二）實踐計劃安排

虛擬仿真實踐授課日程安排如表1所示。

三、教學實踐

（一）項目概括

采用虛擬仿真平臺，開展1︰500大比例尺地形測量項目的數字測圖任務，主要內容為：（1）利用南方測繪虛擬仿真數字測圖軟件，在虛擬仿真環境下完成外業圖根點布設及碎部測量的數據采集工作；（2）利用SouthMap數字化成圖軟件完成線劃圖的繪制工作。

（二）考核標準

1.技術指標。（1）《1︰500 1︰1 000 1︰2 000 外業數字測圖技術規程》（GB/T 14912—2005）；

（2）《國家基本比例尺地圖圖式第一部分1︰500 1︰1 000 1︰2 000地形圖圖式》（GB/T 20257.1—2017）；（3）《城市測量規范》（CJJ/T 8—2011）；（4）《測繪成果質量檢查與驗收》（GB/T 24356—2009）。

2.評定標準。根據技術標準以及競賽要求制定評定標準，利用評價標準的結果反饋到教學實踐過程中，可以促使實踐成果質量得到進一步提高，形成教學管理與成果考核的良性循環機制。虛擬仿真評定標準如表2所示。

（三）教學成效

在綜合實踐中，學生的實踐技能主要通過實習時間、返工率、測量技能運用表現和實操考核（操作熟練度）用時反映出來，在安排虛擬仿真測圖實踐教學后，學生實踐技能表現與以往實踐學生差異如表3所示。

通過縱橫向比較，虛擬仿真測圖系統應用于實踐教學中，從教師和學生兩方面來看，提升和促進實踐教學的效果與質量都較為顯著，尤其是在對學生的實踐技能培養上，明顯體現在動手能力和細致程度上，相對以往有了較大提高。

通過上述實踐的積累，在“南方測繪杯”首屆全國測繪地理信息職業院校大學生虛擬仿真測圖大賽中，我院學生榮獲一等獎兩個、二等獎一個，團體榮獲一等獎。虛擬仿真技術為職業院校人才培養以及技能競賽提供了可行性。虛擬仿真實踐內容可以檢驗學生基礎知識和實踐能力的掌握水平，也可以運用虛擬仿真技術掌握測繪的實踐能力，提高測繪工程實際問題的綜合能力水平。

針對當前職業院校測繪類專業“數字測圖”課程實踐教學現狀，在教學中融入“教、學、做”一體化思想，借助虛擬仿真技術，提出了“虛實結合、線上線下協同”的實踐教學新模式。通過在浙江公路技師學院的教學實踐，證明了該方法能夠在一定程度上解決課程標準與行業需求脫節、實訓設備與實訓場地有限、缺少重大工程項目支撐等問題。虛擬仿真技術以虛擬化、立體化、結構化的形式展示了專業測繪設備及工程案例，為職業院校人才培養和技能競賽提供了可行性。

雖然虛擬仿真技術在教學中的應用能夠提高教學質量，但仍存在一些不足之處：（1）虛擬仿真軟件評分規則不可見，過度依賴專家評分。（2）系統場景庫數據量多，地物種類豐富，但不支持自定義工作場景功能。（3）在第一人稱“沉浸式”虛擬工作場景中，受個體差異影響，長時間操作容易出現3D眩暈等不適癥狀。

針對上述不足，為進一步提升實踐教學質量，提出以下建議：（1）平臺集成或提供測量平差程序，實現操作評分的過程化和可視化。（2）進一步擴充和優化模型庫，提供可供三維場景自主導入的接口，真正做到實景化、個性化。（3）引入三維場景詳細等級（LOD）動態變化技術，在滿足施測仿真的情況下，根據場景分辨率的變化實現LOD動態調整，提升運行效率和用戶體驗。

參考文獻

［1］齊慶會.虛擬仿真技術在測繪工程學科教學中應用研究［J］.測繪與空間地理信息，2020，43（6）：40-43.

［2］鄒全樂，張天誠，劉瑩，等.基于虛擬仿真技術的安全評價教學改革途徑［J］.高教學刊，2020（29）：114-117.

［3］楊淚朵.強化職業能力培養的課程教學體系構建研究：以數字測圖技術為例［J］.測繪與空間地理信息，2018，41（11）：268-270.

［4］郭寶宇，武百超，于坤，等.基于虛擬仿真試驗平臺的數字測圖實踐教學改革［J］.測繪通報，2021（1）：152-156.

Application of Virtual Simulation Technology in Practical Teaching of Digital Mapping

in Vocational Colleges

TAN Qiu-yingGAN Lin

（1.Road and Bridge System， Zhejiang Highway Technician College， Hangzhou， Zhejiang 310023， China; 2. Education division， Zhejiang Nanfang Surveying and Mapping Technology Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang 310023， China）

Abstract： In the new era， the new requirements for the connotative development of vocational education have been put forward. It is urgent to use information methods to improve the quality of practical teaching. With the development of modern educational information technology， virtual simulation technology has been gradually integrated into the teaching practice of vocational education. As a comprehensive core curriculum for surveying and mapping majors， digital mapping has prominent characteristics of foundation， professionalism and practicality. Based on the current situation of practical teaching， by analyzing the existing problems， this paper puts forward the practical teaching mode of “combination of virtual and real， collaboration of online and offline”. This method innovatively introduces the virtual simulation software， runs through the practical teaching with the integration of “teaching， learning and doing”， and makes the engineering? cases virtualized， three-dimensional and structured. Combined with the teaching practice in Zhejiang Highway Technician College， this method solves the problems existing in practical teaching， such as the disconnection between curriculum standards and industry needs， the limited training equipment and site， and the lack of support for major engineering projects， and has achieved good results. In addition， the paper puts forward the feasible suggestions of virtual simulation technology in improving the quality of practical teaching， which can provide reference for the practical teaching reform of related majors in similar institutions.

Key words： digital mapping; virtual simulation; practical teaching; vocational education