虛擬仿真技術在“工程測量”實踐教學中的應用探討

摘 要：針對當前工程測量實踐教學上存在的問題，在工程測量實踐教學課堂上引入了虛擬仿真技術。以“虛實全站儀水平角測量教學”為例，采用虛擬仿真技術實現了工程測量實踐教學過程。結果表明，與傳統的教學模式相比，采用虛擬仿真教學技術，學生的考核得分明顯增高，實踐成績顯著提升，經過考核成績分析，課前理論測試分項達成度提升11.6%，課堂實踐任務分項達成度提升22.7%，課后拓展訓練分項達成度提升50%，該內容模塊的實踐教學綜合達成度提升25.3%。說明采用虛擬仿真實踐教學技術，有助于提升學生學習積極性和參與度，有利于提高實踐教學質量，提高實踐教學效果。

關鍵詞：工程測量" 實踐教學" 虛擬仿真" 教學應用

中圖分類號：G642.0

Application of Virtual Simulation Technology in Engineering Surveying Practiceal Teaching

XU Shanwen

Guangdong Baiyun University， Guangzhou， Guangdong Province， 510450 China

Abstract： In response to the current problems inAddressing the existing issues in current practical teaching of engineering surveying practice teaching， virtual simulation technology has been introduced into the classroom for practiceal teaching of engineering surveying. This paper， takesing “virtual and actual real total station horizontal angle measurement teaching” as an example， employs virtual simulation technology to realize the practiceal teaching process of engineering surveying. The results indicate that compared to the traditional teaching model， the use of virtual simulation teaching technology significantly increases students’ assessment scores and practical achievements. AfterThrough the analysis of assessment scoresresults， the achievement degree of pre-class theoretical tests has improved by 11.6%， the achievement degree of in-class practical tasks has increased by 22.7%， and the achievement degree of post-class expanded training has risen by 50%. The comprehensive achievement degree of practical teaching for this content module has improved by 25.3%. The use of virtual simulation practical teaching technology canThis demonstrates that the adoption of virtual simulation technology in practical teaching helps to enhance students’ learning enthusiasm and participation， and is beneficial for improvinge the quality and effectiveness of practiceal teaching.

Key Wwords： Engineering sSurveying; Practiceal tTeaching; Virtual sSimulation; Teaching aApplication

為提高信息化背景下高等學校的實驗教學質量和實踐培養人才的水平，教育部從2017年起開展示規范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作，以推動高等院校積極探索線上、線下相結合的個性化、智能化實驗教學的新模式，形成專業布局合理、專業突出、開放共享的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系^[[1]]。2024年6月由國家發改委和教育部聯合頒布，明確支持普通高校的教學科研儀器設備與職業院校的實訓教學設備更新，重點聚焦戰略性急需領域與新興學科，這為虛擬仿真技術在教學中的應用提供了設備更新的政策支持和機遇^[2]。

工程測量課程是土建類專業的一門重要專業課，包括水準測量、角度測量、坐標測量、距離測量、大比例尺數字測圖、道路施工測量等內容，其具有很強的實踐性，在教學上更加注重理論與實踐相結合，使學生能夠正確熟練操作各類測量儀器并掌握各類相關的測量技能與施工測量方法，使其具備解決工程施工測量能力，從而達到專業工作能力的培養^[3]。因此，測量技術和技能是學生必須掌握的技能。但是目前，傳統的測量實踐教學模式中存在較多問題亟待探討和解決。

1 目前工程測量實踐教學中存在的問題

1.1" 儀器設備數量不足

高校在數字化高端測量設備教學上，考慮成本因素不可能為每一位學生都配備設備。即使設備充足，如果學生在未經過虛擬實訓，在不完全了解設備操作的前提下，直接進行設備的操作，則很可能導致設備損壞甚至引發危險^[4]。除此之外，設備更新換代速度極快，若高校只使用老舊的測量設備，則會使教學與行業脫節，從而導致教學質量下降。但高校若時時更新數字化高端測量設備，則又將大幅度提升教學成本。

1.2" 實踐教學方式有待改善

傳統的工程測量實踐教學，以教師講授及操作演示為主，學生數量多，一個老師對幾十個學生，學生難以在短暫的上課時間內完整地掌握實踐內容和積累足夠的實踐經驗，在當前社會信息技術與人工智能技術日新月異的情況下，慕課、微課堂、元宇宙仿真系統、虛擬仿真技術等新型教學手段不斷發展，但在工程測量實踐教學上還未得到充分應用^[5]。

1.3" 學習效果難以科學評價

傳統工程測量實踐課堂上，首先由教師講解實驗方法與儀器的操作步驟，學生聚集聽課，然后以4～5人分小組方式配合練習，再以小組提交的實驗作業作為評價學生學習成果的依據，很難科學地評價到具體某一位學生的學習成果。

1.4" 上課時間及場地安排受限制

工程測量課程是土木工程專業、建筑學、工程造價等專業的專業集群課，是重視操作、技術為先的實用性課程，實驗教學是培養人才的重要環節，傳統的工程測量實踐課程基本上都是戶外授課，所以在夏季高溫或是連續陰雨天氣時，上課時間及場地都有一定的調整困難，教學上更難以實現不同場景化如路橋、地下空間等的教學。

2" 虛擬仿真技術在教學上的應用

虛擬仿真又稱模擬技術或虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術，是一種利用計算機模擬真實環境或場景的高科技手段，其本質就是用一個虛擬的系統來模仿另一個真實系統的技術^[6]。作為21世紀才步入社會的新技術，虛擬仿真技術主要利用三維圖形構造技術、多傳感交互技術與可視化技術，生成三維的虛擬現實環境，使用者利用鍵盤、鼠標頭盔、數據手套等傳感設備作為輸入設備，進入虛擬環境，在虛擬環境中進行實時交互，同時能夠感知和操作三維虛擬現實環境中的各種對象，獲得身臨其境的體驗和感受。在教學方面，虛擬仿真技術具有諸多優勢。學生可以在虛擬環境中進行操作，對于一些危險的實驗，如化學爆炸、高壓電實驗等避免了實際操作中的安全風險，另外，學生可以通過與虛擬場景的交互，更加主動地探索知識，提高學習積極性，增強了學習的趣味性和互動性。

在實踐教學中，虛擬仿真技術還可以突破時間和空間的限制。學生可以隨時隨地進行學習，不受實驗室設備和場地的限制^[5]。同時，教學上，虛擬仿真技術也可以模擬一些難以實地觀察的場景，工程測量實訓可以在室內進行，虛擬場景可以實現多種環境（古城、隧道、橋梁、基坑等）替換，極大地方便師生交流，老師可以即時指導學生進行操作，避免了誤操作，既提高了學生技能訓練的效率與質量^[7]，也保護了儀器，還培養了學生的創新能力和實踐能力，是未來教育發展的重要方向之一。

3" 虛擬仿真技術在工程測量實踐教學上的應用

全站儀是目前人工采集測繪數據的主要技術手段，也是工程測量實踐教學的主要儀器設備。筆者學校包括《建筑測繪》工程測量》課程學時數達到48，其中實踐實驗學時占到一半，每學年有9～11個班級授課，年修讀學生300人以上，現在，隨著錄取新生人數以及專升本的人數增加，實驗室的全站儀每年承擔的教學壓力都在增加。本文以“虛實全站儀水平角測量教學”為例，將虛擬仿真技術應用在工程測量實踐教學上，具體的模塊內容教學流程圖如圖1所示。

3.1" 理論學習

在正式實踐教學之前，學生需要進行理論知識學習。本部分內容為角度測量教學模塊，教師在課堂上講解水平角測量方法及計算過程，在學習通發放與該課程模塊內容相關的測試題并安排學生完成作業，教師根據學生對角度測量知識理論的掌握情況決定重點講解某些知識點并答疑，然后開展實踐教學。

3.2" 實踐教學

3.2.1" 認識虛實全站儀

回顧前期學習的水平角測量理論，教師引導學生認識全站儀的構造，熟悉儀器的功能構件名稱和使用方式。虛實全站儀由全站儀主機和操作平板組成，它是基于虛擬現實技術將真實的全站儀與仿真的全站儀相連接，實現虛實設備智能交互，做到虛實環境同時作業、虛實數據同等處理，實現從全站儀到仿真軟件再到內業處理全貫通。虛實全站儀虛擬出一個工具人，工具人有背包，背包里有整套的測量工具，包括全站儀、三腳架、棱鏡，學生操作的是真實全站儀，代入虛擬工具人的角色，在虛擬環境中展開實驗，既降低了實訓教學難度，也提升了學生對實訓課程興趣。

3.2.2" 實踐學習主要內容

全站儀角度測量，首先需要安置全站儀，學生在測量站點上練習安置儀器，包括對中、粗平、精平、瞄準。在儀器的安置工作環節，教師要求學生反復練習，達到熟練程度后，再進行水平角測量前的準備工作，包括配置度盤位置，認識盤左盤右，置零、置盤45°、90°等的功能實現，操作順時針、逆時針方向轉動水平度盤瞄準覘標。

帶入虛擬仿真的操作軟件提供的工具人角色去完成水平角測量：首先從背包里拿出測釘作為測站點位置；再從虛擬仿真軟件背包里取出三腳架，安置在測釘上方，然后取出全站儀安置在三腳架上；另外再取出一對棱鏡和對中桿，分別安置在兩個覘標點上，作為目標1和目標2；操作全站儀，盤左瞄準目標1，度盤置零；順時針旋轉照準部，瞄準目標2，記錄數據；再變換度盤到盤右位置，瞄準目標2，記錄數據；最后逆時針旋轉照準部，瞄準目標1，記錄數據。經過上述操作步驟，目標1和目標2所夾的水平角，完成一個測回，根據水平角計算公式，計算出該水平角的角度值。重復以上觀測步驟，再進行下一個測回的測量工作，檢查各項指標是否滿足限差要求，最后計算出該水平角的平均值。

由于省去了架設覘標的時間和人員，使用虛實全站儀練習好安置儀器后，所有小組成員均可依次在虛實全站儀旁，在儀器的虛擬仿真軟件里，均可獨立完成觀測、讀數、記錄等工作。教師授課時可以組織學生集中站在同一區域，在實踐教學課堂上，教師不必東奔西走去不同小組的測量點位上，這樣大大節省了師生共同的教與學的時間，并且更有利于兼顧到教學細節知識點的點撥上，學生上課學習體驗感佳，教學效果更好。

3.3" 考核評價

學生的考核評價包括與該教學模塊相關的理論測試得分和實踐操作得分，實踐操作內容包括課堂教學任務完成情況和課后拓展訓練部分，即“虛實全站儀水平角測量”模塊教學考核項目分為課前理論測試（占比20%）、課堂實踐任務（占比60%）、課后拓展訓練（占比20%）。理論測試部分由學習通完成成績評價，實踐操作部分由虛擬仿真系統完成成績評價。與傳統的教學模式相比，采用虛擬仿真教學技術，學生的考核得分明顯增高，實踐成績顯著提升。2024—2025（1）學期的工程測量實踐成績如表1所示。

3.4 學習總結

通過引入虛擬仿真技術于工程測量實踐教學，比如“虛實全站儀水平角測量”模塊的應用，有效解決了傳統實踐教學中儀器設備不足、場地時間受限、評價機制不完善等痛點。學生在安全、可控的虛擬環境中，通過角色代入（虛擬工具人）和沉浸式的實訓操作，高效掌握了全站儀安置、瞄準、讀數及水平角觀測計算等核心技能流程。虛實結合的方式極大提升了學習的主動性與趣味性，使得課前理論學習更扎實（達成度提升11.6%），課堂實踐操作更熟練高效（達成度提升22.7%），課后拓展訓練更具挑戰性和探索性（達成度提升50%）。最終，該模塊綜合教學達成度提升25.3%，有力證明了虛擬仿真技術在提升學生實踐技能熟練度、學習參與度和綜合教學效果方面的顯著優勢，為培養具備扎實操作能力和創新意識的工程測量人才提供了有力支撐。

4" 教學效果

虛擬仿真技術在工程測量實踐教學中的應用，顯著提升了實訓教學的整體效能。利用該技術，使實訓教學展現出生動直觀、安全可靠、情境再現、精確無誤、客觀真實等多重優勢。采用這種教學模式可以在極大地降低實訓教學風險的同時構建安全的教學氛圍，并突破時間和空間的限制，能夠不受天氣和場地制約，在室內打造出多場景、多樣化的實操虛測教學環境（類似于大型3D游戲的場景模式），具有很好的浸沉性、交互性和構想性等特點，顯著提升了實訓教學的互動性的同時，也大幅度提升了學生的學習積極主動性。學生在虛擬環境中能夠自主探索、反復嘗試，有效加深了對測量原理和操作步驟的理解與記憶。這種主動性學習模式，為開展翻轉課堂提供了理想條件，教師能夠更有效地引導學生主動探索知識，嘗試解決實際問題，從而培養其創新意識和解決問題的能力。虛擬仿真實踐教學通過提供更安全、更靈活、更高效、更具吸引力的學習體驗，顯著優化了工程測量實踐教學的質量和效果。

5" 結語

針對傳統實踐教學存在的儀器設備數量不足、教學效率受限、評價機制不夠科學以及受制于天氣場地等因素的難題，文章探索了一種新型的虛擬仿真實訓教學方式，以學生為中心，對不同的內容模塊深度融合虛擬仿真技術的實踐教學方式，以學生學習成果為導向來進行評價，構建了涵蓋課前、課中、課后的多元化科學評價體系，極大提升了實踐教學效果。學生可以通過實踐學習，熟練掌握全站儀的使用方法與操作流程，可以更快、更輕松地完成實訓任務，為其未來勝任工程項目的外業測量工作奠定了更為堅實的專業基礎。虛擬仿真實踐教學作為教育數字化轉型背景下的重要創新手段，展現出巨大潛力，在實踐教學過程中仍需不斷完善與優化，如此方能提高教學水平與質量，進而為社會培養出更加優秀的專業人才。

參考文獻

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