融合美感設計的工程測量學虛擬仿真教學改進措施探析

摘要：目的：針對當前工程測量學虛擬仿真教學中忽略美感設計的問題，文章旨在通過融入美感設計方法，激發學生對工程測量學虛擬仿真教學的興趣，品味到美感，讓學生更加主動地學習相關內容，并拓展工程測量學虛擬仿真教學的深度和廣度。方法：文章深入分析工程測量學虛擬仿真教學中存在的問題，從外觀設計、交互方式和教學理念三個方面出發，探索如何改進傳統工程測量學虛擬仿真教學效果。同時，利用成果導向教育教學評價策略生成學生的教學評價結果，以幫助教師改進教學方法。結果：以具體企業研發的測繪地信虛擬仿真實訓平臺和配套設備為例，驗證虛擬仿真教學改進措施。調研結果表明，使用虛擬仿真教學軟件能夠增強學生的學習興趣和積極性。結論：融合美感設計的工程測量學虛擬仿真教學改進措施能夠給學生展現情境教學下的美感，彰顯其創造性，并為測繪高等教育提供一種新思路，對針對性培養測繪行業專業型、復合型和創新型人才具有重要意義。

關鍵詞：工程測量學；美感設計；虛擬仿真；情境教學；高等教育

中圖分類號：G642；TB22 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）10-00-04

0 引言

工程測量學是測繪工程專業的核心與特色課程，其內容涉及測量學、計算機科學、管理科學、工程和工業設計等多個領域［1］。近年來，隨著智能化技術的迅猛發展，測繪地理信息產業結構、服務范圍及運轉模式發生了巨大變化，新興智能化測繪技術對高校創新型人才培養提出新的要求，測繪工程專業的教學方式和教學手段也隨之改變［2-3］。在此背景下，各種大型精密特種工程層出不窮，工程測量學教學內容也在不斷推陳出新。從測量學的角度來看，工程測量學中新的理論技術與方法實現時空位置信息的有效獲取，為工程項目的推進提供了保障。

當前，針對工程測量學的改革措施眾多，如工程測量項目式教學方法［4］、工程測量研討型課程設置［5］、“互聯網”+“虛擬仿真”混合式教學模式［6］等。這些研究對工程測量學教學方法和教學模式創新作出了積極貢獻。然而，工程測量學教學內容中涉及多種高危或者極端的大型綜合性場景，對于模擬真實情境的虛擬仿真教學方式有著迫切需求。虛擬仿真教學方式是虛擬現實技術在教育層面的延伸，以營造出真實環境的感受為媒介，讓學生不再受限于天氣、環境和地理位置，專注于專業核心技能的訓練。現有研究對工程測量學虛擬仿真教學方式的探討還不夠深入，缺乏針對性的改進措施。

為了優化工程測量學虛擬仿真教學方式的教學效果，本文從美感設計的角度出發，提出融合美感設計的虛擬仿真教學改進措施。美感設計的融入，可以有效激發學生的學習興趣，讓他們通過課程學習自主激發創新意識、培養實踐能力。本文旨在探討工程測量學課程教育的新思路和新理念，以引導學生深入理解復雜工程項目中涉及的測量作業流程、管理辦法、問題解決思路，實現理論知識和實踐能力的綜合培養。

1 情境教學的美感性與虛擬仿真

在“美學觀”的指導下，李吉林系統總結和歸納“情境教學”的理論［7］。情境教學是教育美學在教學實踐中應用的典范，通過創設情境、引入情境、啟發講授、走出情境四步教學法，調動學生的學習動機，從而提高學生智力。教學情境的創立是激發學生美感的過程。學生通過感官捕獲教學環境中的各種信息，對事物的真實感知讓學生發自內心地感到愉悅。這種美感性教學方法以想象、聯想的方式，讓學生感受到教學內容之美，體現了“身臨其境”和“美由心生”［8］。情境教學的本質是創造積極的、深層次的、情緒感知的、形象生動的教學環境，通過“情”與“境”的結合，引導學生積極主動地參與教學活動，并在知識學習的基礎上觀察認識環境，探索新的思路和方法。在實際教學過程中，根據教學內容需要，構建合適的情境。例如，音樂教學過程中，通過音樂作品、音樂游戲和電影場景等單一或組合形式增強學生的代入感［9］。這種深度沉浸感對于新事物的學習、新現象的歸納有著重要的促進作用。但值得注意的是，教學環境的美感營造并非依靠各種美麗事物的堆砌。與教學內容無關的音樂、場景布置反而會分散學生的注意力，令其很難參與到后續的教學活動中。

虛擬仿真技術能夠直觀模擬真實教學環境，對于情境教學中的美感營造有著重要意義。目前，虛擬仿真教學方式對于真實場景的模擬主要通過視聽感官和操作互動兩個手段。視聽感官方面，包含軟件畫面、事物的合理性構造、音樂設計、美學設計等擬真度和契合度元素。操作互動方面，包含操作方法、操作模式和操作反饋等復雜度和智能度元素。理論上，虛擬仿真教學方式相比傳統教學方法具有更高的情境逼真度及更強的沉浸感，對于激發學生興趣具有重要意義。

2 工程測量學虛擬仿真教學存在的問題

工程測量學的課程培養理念涉及多類工程建設的基礎理論知識以及儀器操作，著重培養學生解決實際工程測量問題的能力，并能夠以創造性、創新性的思維提出新方法和新策略。然而，由于各種類型工程項目的復雜性，學生難以切身體會實際的測量環境，無法得知施工現場出現的各種偶發性、突發性情況，導致學生的實踐能力不足，無法很好地將工程測量理論知識與實際應用聯系起來。在此背景下，工程測量學虛擬仿真教學方法應運而生。作為以虛擬現實、人機交互等先進技術為支撐的新型教學模式，工程測量學虛擬仿真教學能夠模擬各類復雜工程項目施工環境，提供多種新型儀器的操作方法和操作流程，避免實際環境中可能存在的安全問題，減少學生動手實踐的時間及經濟成本。但影響工程測量學虛擬仿真教學效果的不僅在于設備的經濟價值，還包含實際使用者的主觀性體驗。綜合現有虛擬仿真交互軟件及課程教學效果來看，工程測量學虛擬仿真教學仍存在以下問題。

2.1 技能為主的虛擬仿真設計方法

在現有的工程測量學虛擬仿真實驗設計中，側重于實際操作技能的實現，而忽視外觀界面的制作和場景的細節性展現。例如，數字測圖虛擬仿真實驗中，全站儀各項操作與實際流程完全對應，但虛擬仿真軟件中缺乏各類大氣現象及突發事件的模擬，難以貼近實際操作環境。同時，軟件畫面、內部環境及人物形象粗糙、失真，缺乏美化及修飾。值得注意的是，虛擬仿真實踐教學作為一種情景模擬教學方式，應當比傳統教學更能夠激發學生的學習興趣和動力，但現有的虛擬仿真設計方法反而忽略了情境教學過程中的美觀性與藝術性，將技能訓練作為主要設計導向，這恰恰容易扼殺學生的積極性。

2.2 枯燥生硬的虛擬仿真交互方式

在當前的工程測量學虛擬仿真教學過程中，通常需要學生登錄虛擬仿真平臺。學生們面對的是狹小的電腦屏幕，交互工具僅為鼠標、鍵盤等計算機輸入設備，在感官上與傳統的專業軟件操作流程并無不同。隨著高性能芯片、圖形和圖像技術、虛擬現實以及人工智能等技術快速發展，學生在日常生活中接觸到的電子設備具備豐富的交互手段和智能感知能力，手勢操作、觸控反饋和語音控制逐漸成為所有智能設備的基礎功能。從這個角度來看，虛擬仿真教學軟件單調枯燥的交互方式讓學生難以體會到情境教學的益處，反而產生技術倒退的觀感。

2.3 以師為主的虛擬仿真教學理念

傳統工程測量學虛擬仿真教學理念是將虛擬仿真技術作為一種特定工具，傳授給學生規定的知識內容，如全站儀施工放樣、基于衛星導航定位技術的地形圖測繪等操作流程，教師通過視頻或講解讓學生知道詳細的操作步驟，學生按照固定的路徑開展相應虛擬實習工作，有時班級同學甚至連設站的地點都大致相同。在此過程中，教師不可避免地成為教學的主導者，學生的主觀性、創造性難以體現。面對智能測繪背景下的新技術和新手段，教師主導型教學方法也容易讓學生感受到虛擬仿真教學過程中的失真感，從而降低學習動力。因此，工程測量學虛擬仿真教學不應該是規定的教學范式，而應該是師生互教互學的紐帶。

3 融合美感設計的工程測量學虛擬仿真教學改進措施

基于上述分析，針對現有工程測量學虛擬仿真教學中存在的問題，提出融合美感設計的工程測量學虛擬仿真教學改進措施。本文所提出的改進措施基于美感性原則，旨在利用更真實、更智能、更美觀的虛擬仿真教學軟件激發學生主觀能動性和創造性，將嚴謹的技術理念與愉快的使用體驗融合在一起。具體的改進措施如下。

3.1 虛擬仿真外觀美感設計方法

針對教學內容選擇不同的色彩及字體搭配方案，制作簡潔、美觀、直接的虛擬仿真平臺或軟件的界面。在保證教學內容專業性的前提下，工程測量學虛擬仿真教學軟件內部畫面應盡可能貼近實際工程項目施工現場的操作環境，并避免由畫質導致的強烈失真既視感。對于風、降水、日照等物理量，以及工程實際中可能遇到的突發性事件，工程測量學虛擬仿真教學軟件應設計合理的自運行機制及可控制開關。學生所使用的全站儀、水準儀、接收機等專業儀器在大小、重量、功能和精度等方面要貼近真實設備，并能夠表現出一定的質感和美感。

3.2 虛擬仿真交互美感設計方法

除鼠標、鍵盤等計算機輸入設備外，在工程測量學虛擬仿真教學軟件中，添加平板、手機、控制器、專業儀器等媒介，提供更為豐富的人機交互手段。將以往復雜的操作步驟簡化、智能化，凸顯科技的美感，讓學生仿佛處在實際環境中，使用真實的儀器開展實踐訓練。例如，針對某大型精密特種工程的施工放樣工作，學生可以手持衛星導航接收機，利用通信設備連接接收機、手薄以及工程測量學虛擬仿真教學設備，通過語音或手勢操作控制人物移動，實現現實操作與虛擬界面的無縫互聯。

3.3 虛擬仿真教學美感設計方法

在工程測量學虛擬仿真教學過程中，教學主體由教師轉向學生，教師僅在其中加入經典的專業儀器操作樣例供學生參考，扮演服務型角色。增加的智能化教學模塊將按照以往學習樣例，根據學生的個性特點及需求因材施教。同時，根據不同學生的進度、差異和學識背景實施分層教學，針對不同水平的學生制定相應的學習規劃。新設計的工程測量學虛擬仿真教學軟件具有更高的自由度和更強的擴展性，其中呈現的可塑性、空間感等美感元素促使學生相互協作、自主學習，充分發揮其主觀能動性。

此外，為了防止現有的教學評價體系難以反映學生理解、思考和拓展教學內容的能力，本文在融合美感設計的虛擬仿真教學基礎上提出成果導向教育（Outcomes-based Education，OBE）教學評價策略，以輔助教師動態掌握學生的學習進度，強調教育教學的持續改進，以不斷提升教學質量［10］。作為一種創新教育模式，OBE已成為許多教育工作者開展教學改革、探索教學實踐的指導思想［11-15］。依據OBE教學理念，可以基于OBE教學平臺耦合工程測量學課程目標與虛擬仿真教學軟件操作內容，借助其生成的教學評價結果幫助教學工作者改進教學手段和教學方法。

4 案例實踐與成效分析

為了驗證上文提出的工程測量學虛擬仿真教學改進措施的效果，本文以廣州南方測繪科技股份有限公司研發的測繪地信虛擬仿真實訓平臺和配套設備為例，在南京郵電大學測繪工程本科專業的學生中展開調研。該虛擬仿真實訓平臺采用立體模型，提高了傳統虛擬仿真軟件的畫面美觀程度，并提升了軟件畫質。交互方面，使用新的人機交互方式，即通過全站儀、平板等設備實時操控軟件中的多項儀器，實現多人協同作業。此外，該虛擬仿真實訓平臺還提供多種工程項目作業場景、多樣化的工程教學案例，具有比傳統虛擬仿真軟件更高的自由度和更大的空間尺度。學生不僅能在任課教師指導下掌握知識點，還能向企業專家尋求幫助，通過校企互助模式制定自己的個性化學習方案。同時，軟件中自帶的打分系統能對學生的每一項操作打分，將其與課程目標相聯系，生成對應的OBE教學評價結果。

此次調研的內容包括虛擬仿真數字測圖、無人機航測虛擬仿真和機載激光雷達虛擬仿真三組工程測量學虛擬仿真實訓系統。相比以往所使用的虛擬仿真教學軟件，學生們展現出更強的興趣和主觀能動性。調研后學生反饋的內容主要包括以下三個部分：

第一，軟件界面更加美觀清晰，可以自由地選擇要學習的內容。軟件加載速度較快，部分場景為建模后的校園，較為真實地模擬校園測量的操作環境；

第二，配套全站儀、無人機手柄等設備響應速度快，無較大的延遲，能夠在教室、實驗室等環境中靈活操作儀器，軟件層面也有較強的反饋，操作起來有更多的樂趣；

第三，可以與企業專家交流討論，能夠定制系統功能和樣例，必要時可以赴企業參加實訓。

根據學生的反饋結果可知，采用本文提出的融合美感設計的虛擬仿真教學改進措施，能夠有效增強學生工程測量學虛擬仿真教學的學習動力，并具有提高學生創造力、培養創新性思維的潛在應用價值。但本文提出的措施仍然存在一定的改進空間，如課程思政內容的融入、校企合作的協同等。因此，工程測量學虛擬仿真教學的流程有望得到進一步完善。

5 結語

近年來，隨著互聯網、物聯網、大數據等現代信息技術不斷創新發展，測繪地理信息進入智能化的新時期。不斷擴展的學科內容、變化的教學方式及增加的人才需求，也帶來了新的機遇與挑戰。作為測繪工程專業的核心課程，工程測量學是了解大型精密特種項目、復雜測繪工程項目的重要媒介。而虛擬仿真教學模式能夠避免各種大型項目的復雜施工環境，是鍛煉學生實踐創新能力的有力手段。美感設計理念的融入，旨在帶給學生情境教學下的美感，彰顯其創造性和創新性。因此，本文提出的融合美感設計的工程測量學虛擬仿真教學改進措施，對于針對性培養測繪行業專業型、復合型和創新型人才具有重要意義。

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基金項目：本論文為2022年度南京郵電大學引進人才科研啟動基金項目（自然科學）“高精度PPP PWV水汽產品相關算法研究”成果，項目批準號：NY221141

作者簡介：楊柳 （1996—） ，男，博士，講師，研究方向：GNSS高精度定位、多源信息融合等工程測量和衛星導航系統相關理論與方法的研究與教學。