基于虚拟仿真技术的实践教学改革

郭春蕾

摘要：目前各个高校实践教学随着互联网及虚拟仿真的飞速发展正面临着改革，高校依托虚拟仿真技术开展实验实践教学已成为必然要求，这对推进实验教学改革、优化实验教学资源有着巨大意义。本文以攝影测量基础实习课程为例，总结了当前实践教学中存在的问题，针对虚拟仿真教学软件，提出摄影测量基础实践环节教学改革措施，并结合教学过程实施对教学改革进行评价，总结出虚拟仿真技术在实践教学中的优势及特点，旨在更好地强化摄影测量基础实践教学效果，并推进虚拟仿真技术在高校课程实践教学中的应用。

关键词：摄影测量基础实习；虚拟仿真；教学改革

中图分类号：G64文献标识码：A文章编号：1673-7164（2021）07-0047-03

基金项目院辽宁省教育厅科研经费项目“基于无人机航测的城市三维建模及虚拟仿真研究”（项目编号：LJKX201911）；沈阳城市建设学院2019年度校级教育教学改革研究与实践项目“新工科视域下《摄影测量基础》课程虚拟仿真实践教学改革研究与实践”（项目编号：JG201914）。

当今高等院校的课程实践教学正面临着时代、技术的变化，教学迫切需要转变。摄影测量基础实习是测绘工程专业本科生的一门集中实践环节必修课，也是摄影测量学基础理论课程对应的实践教学环节，传统的摄影测量实习偏重于软件的使用，很难满足每个学生独立学习和交互操作的需求[1]。

一、研究背景

依托虚拟仿真技术开展的实践教学项目可以大幅提高学生科研能力、创新思维能力、综合表达能力、运用知识能力和自主学习能力，提升当前功能单一、模式陈旧、实验实训成本高、占地大、难开展、受限制和学生安全性等教学现状[2]。虚拟仿真教学是指通过构建虚拟的教学场景，使学生通过感知实现与虚拟世界的实时交互，达到自主学习的一种教学模式[3]。

本文针对摄影测量基础当前实践教学中存在的问题，利用无人机航测虚拟仿真教学软件，提出摄影测量基础实践环节教学改革措施，并结合教学过程的实施对教学改革进行评价分析。

二、摄影测量基础实践教学环节现状及存在问题

传统摄影测量基础实践教学环节主要由外业航空相片调绘和软件测图两部分教学内容构成。其中测图部分通过摄影测量软件对立体影像进行内定向、相对定向以及绝对定向等操作处理，目前高校一般多使用VirtuoZo NT软件，最终生成DOM、DEM等4D产品，目的是使学生掌握数字摄影测量。目前实习教学实践课程设置存在以下问题：

（一）外业、内业之间相互独立，内容整体连贯性较差

现阶段摄影测量学实习数据多为现有的老版的相片，学生利用相片进行野外实地踏查工作，而这些相片是由教师发给学生的，并不是学生自己通过无人机获取的。内业立体测图所用的立体影像也是由指导教师发给各学生。前后两实习所用影像数据不同，且各自内容之间无明显联系[4]。内外业实习内容之间整体性连贯性较差，学生分别独立进行内外业实习，不利于理解与掌握摄影测量整体流程。

（二）教学手段陈旧，学生对知识链掌握不够透彻

目前摄影测量基础实习采用的实习手段和方法还是以往传统教学方法，学生的学习兴趣度较低。学生进行野外踏查的航片获取年代较久远，在进行调绘时，由于地物更新，导致与航片地物存在较大差异，致使学生的工作量增大，并影响成图效果。另外，目前教学采用软件VirtuoZo NT版本较老，且处理的数据源于指导教师，学生不能将外业内业很好地串联在一起，以致难以掌握其原理与意义。

（三）整体偏向理论知识，脱离实际工作中项目生产流程

传统的摄影测量实习以理论知识为基础，通过实践教学达到对相关理论知识点的深度掌握。而根据企业调研显示，企业对应届大学生的要求更注重实际操作能力，要求人才应掌握摄影测量技术发展热点，对相关热门软件熟练操作，了解无人机航测工程项目的处理流程及方法。因此在新工科背景下，基于项目案例的教学方法才符合应用型高校人才培养目标。

三、基于虚拟仿真技术的实践教学改革措施

无人机航测虚拟现实软件是针对摄影测量基础实践教学[5]，根据真实的实训环境及设备构建的虚拟仿真软件，该系统作为“理论+实践+虚拟仿真”一体化的教学与实训系统，可完成摄影测量基础实践教学环节的教学与实践任务。

（一）教学方案设计

学校应根据摄影测量基础课程教学目标以及培养应用型人才的办学特点，以项目案例为导向，通过合理的教学设计，让学生在沉浸式参与中学习相关知识，在调动学生积极性的同时优化教学效果。

第一，先建立整个全息虚拟仿真设备的操作手册。

第二，构造无人机设备演示环节，让学生先对无人机有充分了解。目前虚拟场景中无人机型号包括固定翼无人机、混合翼无人机和六旋翼无人机三种，教师选择3D展示无人机各结构构件，对无人机构件关系和节点构造可以在虚拟环境中实现拆解、安装。无人机设备认知及学生交互操作内容如表1所示。

第三，在无人机项目案例中，各项目案例及学生交互操作内容如表2所示，教师可根据不同选择3D展示无人机实际工程项目的整个过程进行讲解，或考查学生。

（二）教学方法改革

无人机航测虚拟仿真实验教学中，教师可采用不同的教学方式方法，通过案例结合互动进行教学。学生可根据实验内容进行沉浸式体验，并完成一系列交互式操作，进入实验教学环节后，学生可选择不同的工程案例完成该工程的所有流程，期间随时对基础知识点考核，达到寓教于乐的教学效果。同时，在教师演示环节，通过多种不同的教学手段对学生进行展示，让学生掌握多样化的知识。

（三）教学评价改革

无人机航测虚拟仿真教学软件要求学生能够掌握无人机设备的认知，能够独立完成项目的操作流程，交互過程正确，能够将无人机航测虚拟仿真与实际工程结合。系统将对学生的操作痕迹（如是否按照实验步骤操作、是否正确完成对知识点的考核）等进行形成性评价，综合虚拟仿真操作结果、学生操作流程及技能等因素，形成综合性考核成绩。

四、教学实施与评价

（一）实施过程

首先，教师进行相关理论教学。

其次，学生分组到虚拟仿真实训室体验无人机航测虚拟仿真教学软件，通过操作了解并掌握无人机设备的构造及操作，掌握无人机构造。此项虚拟仿真教学环节将为后期学生到实践基地进行无人机飞行培训奠定基础。

然后，学生利用全息影像模拟无人机航空摄影测量项目，通过交互式操作，参与完整工程项目，教师可根据学生的表现进行评估。

（二）实施效果评价

通过引入无人机航测虚拟仿真软件系统，理论教学和实践教学之间搭建起了过渡“桥梁”，有效解决了理论教学和实践教学难以有效融合的问题，提高了摄影测量基础知识和实践操作的效率和效果，优化学生实践体验。

虚拟仿真实践教学在为学生提供更好的沉浸感的同时，为学生从感官上提供认知作业环境和教学内容，实践证明通过“虚拟现实+实践”方式，可大幅提高实践教学效果。通过无人机组装及项目案例中的交互设备模拟现实项目工程中的操作，学生实际操作水平得到提高，并能满足今后工作需求。

同时，教学资源生动且丰富，软件结合了教、学、练、考等教学功能，可以对学生操作进行精准评估，充分体现了教育信息化发展方向。

五、结语

虚拟仿真技术不仅可以解决学生多而实验设备少的难题，除此之外，它独有的实验耗能低、实践效率高、数据时效性强、教学开放度高等特点，为学生课程实践环节提供了新的教学模式。基于虚拟仿真技术的摄影测量基础实践教学，坚持以项目为导向，调动学生参与实践教学的积极性和主动性，激发学生的兴趣和潜力，增强学生的创新创造能力。

参考文献：

[1]马春艳，徐传阳，沈成虎，等.基于虚拟现实仿真技术的测绘仪器模型设计开发[J].测绘通报，2013（08）：71-73.

[2]刘建国.虚拟测量在无人机测绘成果中的应用[J].中国标准化，2019（20）：227-228.

[3]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.

[4]邓磊，李永新，段福洲，等.虚拟现实技术在无人机航空摄影测量实验教学中的应用[J].科技创新导报，2019（26）：223-225+227.

[5]邓兴升.虚拟仿真平台下摄影测量实践教学模式探索[J].测绘工程，2015（09）：74-76.

（荐稿人：王井利，沈阳建筑大学教授）（责任编辑：邹宇铭）