地學類“測量學”虛擬仿真實踐教學體系建設探討

［摘 要］ 在高等教育信息化建設背景下，基于虛擬仿真技術的地學類“測量學”實踐教學體系有待完善。綜合測繪新技術，融合地學類專業的差異，分別設計了技術基礎模塊、設計與綜合模塊和創新模塊等模塊；并在此基礎上探討了實踐教學方法、教學管理、實踐教學評價和實踐教學保障等內容，進而形成了具有地學特色的“測量學”虛擬仿真實踐教學體系。該實踐教學體系以學生為中心，為不同專業學生提供多項選擇，培養學生的實踐能力及復雜工程能力，進而提升大地學專業學生的綜合創新能力。

［關鍵詞］ 測量實踐教學；地學類專業；虛擬仿真；模塊化

［基金項目］ 2022年度教育部產學合作協同育人項目“地學類《測量學》虛擬仿真實踐教學體系建設”（220603776141344）

［作者簡介］ 李麗華（1980—），女，河北衡水人，博士，中國地質大學（北京）土地科學技術學院副教授，主要從事測繪工程研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）21-0013-04 ［收稿日期］ 2023-11-16

引言

《教育部2022年工作重點》提出實施教育數字化戰略行動［1］。高等教育要緊緊抓住教育數字化戰略轉型的機遇，以高水平的教育信息化建設引領教育現代化。高等教育信息化建設的主要內容之一是虛擬仿真實驗教學，根據教育部《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》精神，進一步推進現代信息技術融入實驗教學項目，拓展實驗教學內容廣度和深度，延伸實驗教學時間和空間，突出應用驅動、資源共享，將實驗教學信息化作為高等教育系統性變革的內生變量，以高質量實驗教學助推高等教育教學質量變軌超車，助力高等教育強國建設［2］。故虛擬仿真實驗教學是當代實踐教學的必然發展和實踐教育信息化的重要舉措。

測繪地理信息行業在大數據、云計算、物聯網、5G等新技術下不斷碰撞融合，測繪科學與技術學科帶動的地理信息產業，已經把衛星導航定位技術、天空地一體化遙感技術、互聯網電子地圖、移動導航相關服務等緊密地融合為一體［3-4］。隨著科技的進步，測繪儀器設備種類日益豐富、地理環境日趨復雜，如何在有限的設備、時間和空間之內，通過合理、有效的實驗過程，培養學生的實踐技能和創新能力，是當前高校實驗教學面臨的挑戰［5-8］。而虛擬仿真技術的完善則突破了測繪實驗教學的局限性，降低了儀器設備的損耗，提高了教學效率。因此，基于虛擬仿真系統的實驗教學也是測繪學教育發展的必然選擇。

中國地質大學（北京）“測量學”實踐教學包括課堂實踐和一周的實踐課程。該課程面向中國地質大學（北京）大二學生，涉及8個學院，近20個專業，每年有25個班左右，約1 300人。在傳統的實踐教學方式中，由于儀器設備和課程設置等因素，學生只能在規定的時間和地點進行課程相關的實習內容，較長的理論授課時間及教學手段的單一在一定程度上限制了學生對儀器的認知程度及實踐能力的提高［9-11］。虛擬仿真教學系統通過虛擬現實和人機交互技術，建立高仿真度的實驗環境，學生則可以利用虛擬仿真教學系統學習儀器操作，不受時間和空間的限制，從而彌補了傳統實踐教學的不足［12］。通過建設虛擬仿真實驗平臺，實踐教學可不受特殊環境和儀器數量缺少的限制，同時虛實結合的實踐教學可有效提升學生學習興趣，進而提升實踐教學質量。

綜上所述，虛擬仿真實驗教學是多方面發展的必然選擇。“測量學”是中國地質大學（北京）地質學、地質工程、地球物理、土木工程和土地資源管理等近20個專業的專業技術基礎課。地學及地學延伸各專業的研究對象是地球，關于地球的橢球和各種坐標系統、地面觀測元素的獲取、誤差基本理論、地形圖應用和工程測量實踐等內容是各專業必須掌握的測繪基礎知識［9］。但不同專業側重的專業需求不同，比如基于測繪新技術完成點放樣、勘探網的測設、地質剖面的測繪；利用已有測繪資料完成圖上定點、勘探線和剖面線位置以及剖面圖的繪制等等。測繪新技術也廣泛應用于地學及相關專業，因此結合測繪新技術，融合地學類各專業特點，構建基于虛擬仿真系統的“測量學”實驗教學改革是一項值得開展的工作。

一、地學類專業“測量學”虛擬仿真實踐教學的目標

結合中國地質大學（北京）的人才培養目標——品德優良、基礎厚實、知識廣博、專業精深，地學類“測量學”實踐教學體系以學生全面發展和創新能力培養為核心、以構建模塊化的虛擬仿真實踐教學體系為重點，預期完成以下目標。

（一）融合學校大地學優勢，構建模塊化的“測量學”虛擬仿真教學體系

結合中國地質大學（北京）大地學背景與測繪技術發展，將“基礎引領、技術驅動、高端服務”理念融入“測量學”實踐教學培養目標和虛擬仿真實踐教學體系，以測繪工程專業為主體，交叉融合地學、工程地質、土木工程、資源勘查等學科優勢，根據不同應用方向進行模塊化教學體系設計，形成多層次全方位的虛擬仿真實踐教學體系。該體系既能滿足地學相關不同專業的需求，又可為其他高校的相關課程提供借鑒。

（二）以學生發展為中心，提升學生的創新能力

虛擬仿真教學體系的構建以學生發展為中心，通過多層次全方位的虛擬仿真實踐教學和產教融合等方式，培養學生理論聯系實際解決工程問題的基本方法和能力，塑造學生的創新能力，為后續專業核心課程的學習奠定堅實的基礎。

二、地學類專業“測量學”虛擬仿真實踐教學體系的建設方案

基于調研、企業、學校測繪工程專業和大地學專業的實際情況，本文主要圍繞“測量學”虛擬仿真實踐教學體系的建設展開如下探討。

（一）地學類“測量學”實踐教學課程體系模塊化構建

基于地學相關專業需求和測繪新技術發展以及學生認知規律，重新設計構建3類實驗教學模塊，分別為技術基礎模塊、設計與綜合模塊和創新模塊。每個實踐模塊具備層次性較強的特點，每層次具有對應的培養目標和實施方案。面向復雜工程問題完成相應的設計與分析，進而制定完整的實踐教學內容，培養學生解決復雜工程問題的能力。

1.技術基礎模塊。包括水準儀、全站儀和GNSS接收機等基礎測繪儀器的虛擬仿真，主要完成儀器外觀、功能和結構的仿真。測繪儀器的虛擬仿真基礎模塊可供學生課前、課中和課后使用，便于學生了解儀器的性能，從而在使用實際的測繪儀器時更有針對性，進而提升了實驗教學的質量。

2.設計與綜合模塊。包括水準路線和導線的設計、測量與平差，地形圖測繪等。比如地形圖測繪模塊包括布設控制點、GNSS RTK控制測量和碎部測量、全站儀控制測量和碎部測量以及測量數據的導入和導出等功能部分，同時還包括查看實測數據的功能、統計測繪外業工作量等功能。通過該模塊的學習進一步提升學生綜合解決測繪工程的能力。

3.創新模塊。此模塊根據專業需求進行全方位的設計。中國地質大學（北京）地質工程、資源勘查、土木工程等專業均設有“測量學”課程，旨在通過學習該課程學生能應用測繪技術為本專業服務。比如地質填圖、勘探網測設、地質剖面測量，勘探線和剖面線的位置、建筑物放樣，等等。根據不同專業需求并結合具體工程項目全方位設計模塊，構建一套具備地學特色、行之有效的模塊化實踐教學體系。

（二）“測量學”虛擬仿真實踐教學教學方法體系的構建

為了完成上述實踐教學任務，提高實踐教學的效果，應根據實際情況采用不同教學手段，比如案例教學法、任務驅動法、現場教學法等方法［13-14］，引導學生獨立思考，把知識轉化為能力。

1.案例教學法。案例教學法是一種以案例為基礎的教學法，教學過程中選定經典工程案例。例如結合珠峰測高的案例，促進學生理解水準測量和三角高程測量等專業知識，通過案例分析培養學生解決問題的綜合能力。教師應注意引導學生獨立思考，把知識轉化為能力。

2.現場教學法。針對實踐教學，將為期一周的實習測量地點選在了北京周口店和溫泉鎮的實習基地（位于山上）。通過教師在實習地的講授，學生結合現場能較快地掌握地形圖的主要知識。現場教學時，應注重引導學生結合實際理解所學理論知識，比如野外交會定點時，啟發學生對原理進行思考。

3.任務驅動法。任務驅動法以任務為主線、以學生為主體、以教師為主導。在實踐教學中，教師根據專業設置不同任務，以個人或小組為單位完成設計，完成方案布設測量等工作，并進行項目匯報，最后教師完成綜合性評價。該方法能有效激發學生的主動性，提升學生自主探索的能力。

（三）“測量學”虛擬仿真實踐教學管理體系的構建

為了規范“測量學”實踐教學、提升實踐教學質量，構建了實踐教學管理體系，具體內容如下。

1.加強實踐教學的過程管理。主要包括規范“測量學”實踐教學的實踐計劃（如項目目的、項目任務、項目內容、項目過程等方面）、督查實踐教學準備與實施環節以及總結評價實踐教學成果等工作。

2.做好安全工作。“測量學”實踐教學涉及很多安全問題，故安全是開展實踐教學的前提。實踐教學中必須明確各方安全責任并落實，例如實踐教學前需要完成師生安全教育培訓，并簽訂相應的責任書，形成約束，避免安全事故的發生。

3.完善規章制度。規章制度的完善也是建設的重要內容，可以提升實習設施利用率、提高實踐教學質量。

4.改善考核方式和考核機制。實踐教學需要對師生進行綜合考核，其中對學生評價不要唯分數論，而是要側重對學生綜合能力的評價，例如結合學生的實習態度、獨立工作能力、實習報告完成的質量及實習中進行的必要考核（口試、筆試、實際操作等）進而綜合評定實踐成績。對指導教師要多角度綜合考察，比如實踐教學中能否完成教學計劃，是否以學生的發展為中心同時兼顧學生對教師的綜合評價等因素。

（四）“測量學”虛擬仿真教學實踐教學保障體系構建

為達到實踐教學的預期效果，需要依托完整的實踐教學保障體系，主要包含以下內容。

1.提升實踐教學師資隊伍綜合素養。創新實踐教學教師培訓，培養“雙師型”師資隊伍，確保實踐教學師資隊伍具有較高的綜合素質。

2.建設實習基地。在充分提高校內實驗設施設備的利用率的同時，堅持以市場需求為導向，與企業采取多種合作模式，開發、共享、建設實踐教學基地。

（五）“測量學”虛擬仿真實踐教學評價體系的構建

根據工程教育認證的要求制定了如下的實踐教學質量評價體系［15］。

1.實踐教學內容與培養目標是否一致。

2.實習教學計劃是否滿足實習需求。

3.過程教學中學生的積極性和主動性能否調動。

4.教學中教師備課是否充分，相關檢查是否落實。

5.實踐教學后學生動手能力是否增強，實踐技能是否掌握。

6.實踐教學過程能否持續檢查、監督與考核，及時發現問題并解決。

7.實踐教學反饋能否從學生、教師和企業等多渠道收集。

三、“測量學”實踐教學體系的實施路徑

在中國地質大學（北京）測繪工程專業學科特色的基礎上，結合學校地學優勢資源，“測量學”實踐教學改革形成了“整合優勢資源和強化專業特色”的建設思路。針對地學相關專業特點，兼顧測繪專業能力培養和行業技術培訓，基于“虛實結合”將人機交互和專業特點、行業特色有效融合，進而構建了完善的基于虛擬仿真的實驗教學課程體系；優化和改進實驗教學的質量控制和成績評定環節，切實起到節約現實教學資源，激發學生學習興趣，提升學生綜合能力的作用。進而解決實驗條件和實驗場地限制問題，并在教學過程中根據效果及師生反饋，不斷優化和改進該體系。

結語

在虛擬仿真建設背景下，地學類“測量學”實踐教學體系改革勢在必行。本文綜合測繪新技術發展，面向地學背景專業特點，積極探索“測量學”實踐教學新模型。本文堅持目標導向、問題求解、任務驅動三位一體的設計原則，構建了基于虛擬仿真的模塊化實踐教學體系；以學生發展為中心，為不同專業學生提供多項選擇，培養學生的實踐能力及復雜工程能力，進而提升大地學專業學生的綜合創新能力。

參考文獻

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Discussion on the Surveying Practice Teaching System based on Virtual Simulation

for the Geoscience Majors

LI Li-hua， TAO Xiang-wu， LI Shu-hui， WANG Shu-qing

（School of Land Science and Technology， China University of Geosciences〔Beijing〕， Beijing 100083， China）

Abstract： Under the background of the construction of higher education informatization， the surveying practice teaching system needs to be improved. Based on the new technologies of surveying and mapping， and integrating the differences of geoscience majors， the authors have designed modules such as technical foundation module， design and integration module， and innovation module; besides， the construction of practical teaching methods， teaching management， practical teaching guarantee and practical teaching evaluation is discussed. Therefore a practical and feasible modular teaching system based on virtual simulation with geological characteristics is constructed. This practical teaching system is student-centered， providing multiple choices for students， cultivating their engineering abilities， and thereby enhancing the innovation ability of students.

Key words： surveying practice teaching; geoscience majors; virtual simulation; modularization