測繪工程專業課程實踐教學改革探究

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摘要：針對測繪工程專業課程改革中綜合實踐能力培養不足的問題，提出了一種測繪工程專業課程群半實物仿真實踐教學模式。以大學校園內地物與地形分布情況合理構建實踐教學半實物仿真區，利用GIS技術構建相應的桌面式仿真平臺，實現重復性虛擬實踐訓練、多樣化實踐技術手段、仿真化生產實踐，同時解決綜合性測量實驗難以開出的難題，為提升測繪工程專業實踐教學效果進行了改革探索。

關鍵詞：測繪工程；實踐教學；教學改革

數字地形測量學、大地測量學基礎、GNSS原理及其應用、工程測量學(簡稱測繪工程專業課程群)是高等學校測繪工程專業非常重要的專業基礎課與專業課，是集理論和實踐為一體的測繪工程專業課程群。這些課程均要求理論教學與現場實踐緊密相結合，從而加深學生對測繪專業基本理論的理解，培養學生分析問題和解決實際測繪工程問題的能力。近些年，我國測繪教育工作者為了取得更好的實踐教學效果做出了不懈努力[1-4]，其中，工程測量學課程改革研究較多[5-15]，眾多研究從工程測量學課程的教學與改革[6]、教材建設和教學方法[7]、課程內容設置和教學中的突出問題研究[8]、BTEC理念的引入[9]、實踐教學[10-11]、教學中的思考與建議[12]、理念體系優化[13]等方面做了探討與分析，給出了不同的建議與教學實踐，同時，還有利用校園地物進行工程測量實踐教學的探索活動[14]及基于虛擬仿真技術的工程測量實驗教學探討[15]。這些教學活動的推進，為持續提升測繪工程專業實踐教學效果奠定了理論與實踐基礎。總結前人經驗，結合作者多年實踐教學工作，本文提出利用校園地物與地形分布狀況，構建測繪工程專業課程群半實物仿真實踐教學模式，設計測繪工程實踐教學半實物仿真區，主要包括角度測量仿真區、水準測量仿真區、導線測量仿真區、數字測圖仿真區、GNSS控制網仿真區、工程放樣仿真區。同時，利用GIS技術研制相應實踐模塊的桌面式虛擬仿真平臺，與半實物仿真區共同組建測繪工程專業課程群半實物仿真實踐教學平臺，用于測繪工程專業課程群實踐教學，提升教學效果。

1測繪工程專業課程群實踐教學改革的必要性

1.1時展的需要

隨著推進虛擬現實在我國高等教育教學中深入應用的政策文件頻繁推出，如《國家創新驅動發展戰略綱要》《教育信息化“十三五”規劃》和《國家信息化發展戰略綱要》等，在2018年2月11日教育部辦公廳的《2018年教育信息化和網絡安全工作要點》明確指出推動大數據、虛擬現實、人工智能等新技術在教育教學中的深入應用，虛擬現實在高等教育教學中成為未來視聽教育的必然發展趨勢。相對于虛擬現實仿真技術，半實物仿真技術是在虛擬仿真回路中接入部分實物的仿真，經濟性、真實度更高，自20世紀60年代問世以來，應用廣泛。

1.2面向生產實際教學的需要

從測繪類高校近些年來測繪工程專業畢業生的就業情況及生產單位反饋信息得出，生產單位更看重學生的動手能力。在實踐教學環節，提升學生動手能力水平，縮小實踐內容與生產現場之間的差異，培養優秀的測繪工程技術人才，是測繪工程專業實踐教師在教學中應考慮并著重解決的問題。

1.3系統性實踐訓練的需要

測繪工程專業課程群是測繪工程專業基礎課與專業課的集成，是測繪工程專業學生畢業后面向生產時直接應用的支撐課程。受實踐場地的地形、地物和場地面積等客觀條件約束，以及儀器設備和實驗時間的限制，眾多實踐內容很難在校園內全面開展，這對學生系統性理解與掌握測繪科學技術體系帶來一定的制約。綜合時展對測繪科學技術的沖擊與促進，測繪工程專業學生需要以更全面、更系統性的專業技能知識投入生產過程，實踐教學中存在的不足使得測繪工程專業課程群實踐教學改革勢在必行。

2測繪工程專業課程群實踐教學改革

2.1實踐教學模式的現狀與不足

目前，針對測繪工程專業課程的教學改革模式眾多，其中，CDIO工程教育模式應用與成果較多[16-18]。CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的最新成果，取得了良好的教學效果，培養出深受企業歡迎的學生[18]。然而，測繪工程專業課程群實踐教學的難點并不在學生對實踐內容的理解，而在于抽象的理論與現場實踐之間的銜接，進而達到理論與實踐的有效統一，在實踐中培養解決復雜工程問題的能力。測繪工程專業課程群的課堂實驗課時通常偏少，每個實驗兩個課時，學生從認識、學習、練習到完全掌握相關知識的時間受限，尤其是綜合性實驗更是很難在兩個課時內完成。教師在指導過程中受時間限制很難關注到每位學生的學習情況，這對自學能力較差的學生掌握實踐知識帶來挑戰。因此，傳統的測繪工程專業課程實踐教學模式無論采取過程化管理，還是強調考核的重要性，抑或引入新的理念，均無法從根本上解決學生實踐能力培養與提升的問題。

2.2半實物仿真實踐教學模式

為了實現理論與實踐學習之間的有效銜接，本文提出一種半實物仿真實踐教學模式。該模式由“半實物仿真實踐教學功能區+桌面式虛擬仿真實踐教學平臺”組成，利用大學校園內地物、地形分布現狀綜合考慮設計實踐環節半實物仿真場地，以GIS技術為支持，研制對應半實物仿真場地的桌面式虛擬仿真平臺。通過半實物仿真與虛擬仿真組合的實踐教學模式，在虛擬仿真平臺完成綜合性實驗預學習與重復練習，之后在半實物仿真區對照學習現場測量步驟，通過虛擬與現實之間的對接，以縮小的半實物仿真場地支撐虛擬學習現實化，從而達到教與學有效結合。同時，桌面式虛擬仿真平臺還可以解決實驗課時不足而無法完成學習的問題，學生在現場實驗之前先在虛擬仿真平臺完成實驗認識、學習、練習，并通過重復練習達到掌握整個知識環節，從而解決課堂實驗課時不足、實驗老師指導不足與實踐知識掌握達標之間的矛盾問題。

3測繪工程專業課程群半實物仿真實踐教學模式

3.1半實物仿真實踐教學功能區

半實物仿真實踐教學功能區利用大學校園內地形、地物分布現狀，對照不同測繪實踐內容的現場情況，選擇整個校區作為GNSS控制網仿真區；利用校園道路作為水準測量仿真區、角度測量仿真區、導線測量仿真區；利用校園內具有高差起伏、地物復雜的區域作為數字測圖仿真區；利用運動場作為工程放樣仿真區。建立測繪工程專業課程群半實物仿真實踐教學功能區，在課堂實驗環節開展仿真生產現場的測繪實踐教學，從而改善實踐教學質量。

3.2桌面式虛擬仿真實踐教學平臺

以GIS平臺為基礎，以高分辨率遙感影像、DEM數據構建校園三維可視化，以圖形、圖像、視頻、動畫為基礎數據，以過程模擬、重點講解、人機交互等方式，以測繪工程專業實踐教學半實物仿真區為目標區，對照完成水準測量、角度測量、導線測量、數字測圖、GNSS控制網建立、工程施工放樣等綜合性實驗的虛擬仿真，基于ArcGIS二次開發平臺研制測繪工程專業課程群實踐教學桌面式半實物虛擬仿真平臺，用于輔助實踐教學，豐富現有教學手段，改進實踐教學效果。桌面式虛擬仿真實踐教學平臺主界面設計如圖1所示。和生產實習完成，成本低廉，并可以按照不同學校教學大綱的設置自行定制開發，具備良好的自主性和擴展性。

4結論

本文所提出的半實物仿真實踐教學模式可以打破目前測繪工程專業生產實踐時間對學生的限制，實現學生“理論學習→感性認識→桌面式虛擬實踐→半實物仿真實踐→再次虛擬實踐→系統化生產實習→生產實際”能力培養的完美銜接。桌面式虛擬仿真實踐教學平臺借助于計算機、地理信息系統、多媒體、人機交互等技術，構建了一個簡潔仿真的桌面式實驗環境和實驗對象，不需要購置專門的虛擬環境支撐設備，學生在任意一臺計算機上安裝軟件即可進入桌面型虛擬環境開展實踐學習，達到實踐教學要求。在不增加實踐經費、新設備、實踐場地的前提下，成為解決復雜測量綜合實踐環節的有效技術途徑。同時，在虛擬仿真平臺上可以提供多種儀器設備的選擇，這為彌補目前實踐教學中受儀器種類的限制而方法單一提供了支持。地理信息系統原理課程及其實踐教學同樣是測繪工程專業的必修環節，這對研究與擴展桌面式虛擬仿真平臺提供了良好的理論與技術背景，可以根據不同的教學目標訂制不同實踐內容組合，建立不同仿真區與仿真平臺，減少開發經費投入。而研究成果又可以擴展到地理信息系統原理、3S技術基礎等課程教學與實踐教學中，豐富這些課程的教學內容，并鍛煉學生解決實際問題的能力，具有良好的促學效應。

作者:張明媚 相興華 薛永安 單位:山西能源學院 太原理工大學礦業工程學院