測繪工程專業(yè)課程實踐教學(xué)改革探究
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摘要：針對測繪工程專業(yè)課程改革中綜合實踐能力培養(yǎng)不足的問題，提出了一種測繪工程專業(yè)課程群半實物仿真實踐教學(xué)模式。以大學(xué)校園內(nèi)地物與地形分布情況合理構(gòu)建實踐教學(xué)半實物仿真區(qū)，利用GIS技術(shù)構(gòu)建相應(yīng)的桌面式仿真平臺，實現(xiàn)重復(fù)性虛擬實踐訓(xùn)練、多樣化實踐技術(shù)手段、仿真化生產(chǎn)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(yè)實踐教學(xué)效果進行了改革探索。
關(guān)鍵詞：測繪工程；實踐教學(xué)；教學(xué)改革
數(shù)字地形測量學(xué)、大地測量學(xué)基礎(chǔ)、GNSS原理及其應(yīng)用、工程測量學(xué)(簡稱測繪工程專業(yè)課程群)是高等學(xué)校測繪工程專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)課，是集理論和實踐為一體的測繪工程專業(yè)課程群。這些課程均要求理論教學(xué)與現(xiàn)場實踐緊密相結(jié)合，從而加深學(xué)生對測繪專業(yè)基本理論的理解，培養(yǎng)學(xué)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(xué)效果做出了不懈努力[1-4]，其中，工程測量學(xué)課程改革研究較多[5-15]，眾多研究從工程測量學(xué)課程的教學(xué)與改革[6]、教材建設(shè)和教學(xué)方法[7]、課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)中的突出問題研究[8]、BTEC理念的引入[9]、實踐教學(xué)[10-11]、教學(xué)中的思考與建議[12]、理念體系優(yōu)化[13]等方面做了探討與分析，給出了不同的建議與教學(xué)實踐，同時，還有利用校園地物進行工程測量實踐教學(xué)的探索活動[14]及基于虛擬仿真技術(shù)的工程測量實驗教學(xué)探討[15]。這些教學(xué)活動的推進，為持續(xù)提升測繪工程專業(yè)實踐教學(xué)效果奠定了理論與實踐基礎(chǔ)?？偨Y(jié)前人經(jīng)驗，結(jié)合作者多年實踐教學(xué)工作，本文提出利用校園地物與地形分布狀況，構(gòu)建測繪工程專業(yè)課程群半實物仿真實踐教學(xué)模式，設(shè)計測繪工程實踐教學(xué)半實物仿真區(qū)，主要包括角度測量仿真區(qū)、水準(zhǔn)測量仿真區(qū)、導(dǎo)線測量仿真區(qū)、數(shù)字測圖仿真區(qū)、GNSS控制網(wǎng)仿真區(qū)、工程放樣仿真區(qū)。同時，利用GIS技術(shù)研制相應(yīng)實踐模塊的桌面式虛擬仿真平臺，與半實物仿真區(qū)共同組建測繪工程專業(yè)課程群半實物仿真實踐教學(xué)平臺，用于測繪工程專業(yè)課程群實踐教學(xué)，提升教學(xué)效果。
1測繪工程專業(yè)課程群實踐教學(xué)改革的必要性
1.1時展的需要
隨著推進虛擬現(xiàn)實在我國高等教育教學(xué)中深入應(yīng)用的政策文件頻繁推出，如《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《教育信息化“十三五”規(guī)劃》和《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)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(wǎng)絡(luò)安全工作要點》明確指出推動大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、人工智能等新技術(shù)在教育教學(xué)中的深入應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實在高等教育教學(xué)中成為未來視聽教育的必然發(fā)展趨勢。相對于虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)，半實物仿真技術(shù)是在虛擬仿真回路中接入部分實物的仿真，經(jīng)濟性、真實度更高，自20世紀(jì)60年代問世以來，應(yīng)用廣泛。
1.2面向生產(chǎn)實際教學(xué)的需要
從測繪類高校近些年來測繪工程專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)情況及生產(chǎn)單位反饋信息得出，生產(chǎn)單位更看重學(xué)生的動手能力。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提升學(xué)生動手能力水平，縮小實踐內(nèi)容與生產(chǎn)現(xiàn)場之間的差異，培養(yǎng)優(yōu)秀的測繪工程技術(shù)人才，是測繪工程專業(yè)實踐教師在教學(xué)中應(yīng)考慮并著重解決的問題。
1.3系統(tǒng)性實踐訓(xùn)練的需要
測繪工程專業(yè)課程群是測繪工程專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)課的集成，是測繪工程專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后面向生產(chǎn)時直接應(yīng)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(shè)備和實驗時間的限制，眾多實踐內(nèi)容很難在校園內(nèi)全面開展，這對學(xué)生系統(tǒng)性理解與掌握測繪科學(xué)技術(shù)體系帶來一定的制約。綜合時展對測繪科學(xué)技術(shù)的沖擊與促進，測繪工程專業(yè)學(xué)生需要以更全面、更系統(tǒng)性的專業(yè)技能知識投入生產(chǎn)過程，實踐教學(xué)中存在的不足使得測繪工程專業(yè)課程群實踐教學(xué)改革勢在必行。
2測繪工程專業(yè)課程群實踐教學(xué)改革
2.1實踐教學(xué)模式的現(xiàn)狀與不足
目前，針對測繪工程專業(yè)課程的教學(xué)改革模式眾多，其中，CDIO工程教育模式應(yīng)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(xué)效果，培養(yǎng)出深受企業(yè)歡迎的學(xué)生[18]。然而，測繪工程專業(yè)課程群實踐教學(xué)的難點并不在學(xué)生對實踐內(nèi)容的理解，而在于抽象的理論與現(xiàn)場實踐之間的銜接，進而達到理論與實踐的有效統(tǒng)一，在實踐中培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力。測繪工程專業(yè)課程群的課堂實驗課時通常偏少，每個實驗兩個課時，學(xué)生從認(rèn)識、學(xué)習(xí)、練習(xí)到完全掌握相關(guān)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(nèi)完成。教師在指導(dǎo)過程中受時間限制很難關(guān)注到每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，這對自學(xué)能力較差的學(xué)生掌握實踐知識帶來挑戰(zhàn)。因此，傳統(tǒng)的測繪工程專業(yè)課程實踐教學(xué)模式無論采取過程化管理，還是強調(diào)考核的重要性，抑或引入新的理念，均無法從根本上解決學(xué)生實踐能力培養(yǎng)與提升的問題。
2.2半實物仿真實踐教學(xué)模式
為了實現(xiàn)理論與實踐學(xué)習(xí)之間的有效銜接，本文提出一種半實物仿真實踐教學(xué)模式。該模式由“半實物仿真實踐教學(xué)功能區(qū)+桌面式虛擬仿真實踐教學(xué)平臺”組成，利用大學(xué)校園內(nèi)地物、地形分布現(xiàn)狀綜合考慮設(shè)計實踐環(huán)節(jié)半實物仿真場地，以GIS技術(shù)為支持，研制對應(yīng)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(xué)模式，在虛擬仿真平臺完成綜合性實驗預(yù)學(xué)習(xí)與重復(fù)練習(xí)，之后在半實物仿真區(qū)對照學(xué)習(xí)現(xiàn)場測量步驟，通過虛擬與現(xiàn)實之間的對接，以縮小的半實物仿真場地支撐虛擬學(xué)習(xí)現(xiàn)實化，從而達到教與學(xué)有效結(jié)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(xué)習(xí)的問題，學(xué)生在現(xiàn)場實驗之前先在虛擬仿真平臺完成實驗認(rèn)識、學(xué)習(xí)、練習(xí)，并通過重復(fù)練習(xí)達到掌握整個知識環(huán)節(jié)，從而解決課堂實驗課時不足、實驗老師指導(dǎo)不足與實踐知識掌握達標(biāo)之間的矛盾問題。
3測繪工程專業(yè)課程群半實物仿真實踐教學(xué)模式
3.1半實物仿真實踐教學(xué)功能區(qū)
半實物仿真實踐教學(xué)功能區(qū)利用大學(xué)校園內(nèi)地形、地物分布現(xiàn)狀，對照不同測繪實踐內(nèi)容的現(xiàn)場情況，選擇整個校區(qū)作為GNSS控制網(wǎng)仿真區(qū)；利用校園道路作為水準(zhǔn)測量仿真區(qū)、角度測量仿真區(qū)、導(dǎo)線測量仿真區(qū)；利用校園內(nèi)具有高差起伏、地物復(fù)雜的區(qū)域作為數(shù)字測圖仿真區(qū)；利用運動場作為工程放樣仿真區(qū)。建立測繪工程專業(yè)課程群半實物仿真實踐教學(xué)功能區(qū)，在課堂實驗環(huán)節(jié)開展仿真生產(chǎn)現(xiàn)場的測繪實踐教學(xué)，從而改善實踐教學(xué)質(zhì)量。
3.2桌面式虛擬仿真實踐教學(xué)平臺
以GIS平臺為基礎(chǔ)，以高分辨率遙感影像、DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建校園三維可視化，以圖形、圖像、視頻、動畫為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以過程模擬、重點講解、人機交互等方式，以測繪工程專業(yè)實踐教學(xué)半實物仿真區(qū)為目標(biāo)區(qū)，對照完成水準(zhǔn)測量、角度測量、導(dǎo)線測量、數(shù)字測圖、GNSS控制網(wǎng)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(fā)平臺研制測繪工程專業(yè)課程群實踐教學(xué)桌面式半實物虛擬仿真平臺，用于輔助實踐教學(xué)，豐富現(xiàn)有教學(xué)手段，改進實踐教學(xué)效果。桌面式虛擬仿真實踐教學(xué)平臺主界面設(shè)計如圖1所示。和生產(chǎn)實習(xí)完成，成本低廉，并可以按照不同學(xué)校教學(xué)大綱的設(shè)置自行定制開發(fā)，具備良好的自主性和擴展性。
4結(jié)論
本文所提出的半實物仿真實踐教學(xué)模式可以打破目前測繪工程專業(yè)生產(chǎn)實踐時間對學(xué)生的限制，實現(xiàn)學(xué)生“理論學(xué)習(xí)→感性認(rèn)識→桌面式虛擬實踐→半實物仿真實踐→再次虛擬實踐→系統(tǒng)化生產(chǎn)實習(xí)→生產(chǎn)實際”能力培養(yǎng)的完美銜接。桌面式虛擬仿真實踐教學(xué)平臺借助于計算機、地理信息系統(tǒng)、多媒體、人機交互等技術(shù)，構(gòu)建了一個簡潔仿真的桌面式實驗環(huán)境和實驗對象，不需要購置專門的虛擬環(huán)境支撐設(shè)備，學(xué)生在任意一臺計算機上安裝軟件即可進入桌面型虛擬環(huán)境開展實踐學(xué)習(xí)，達到實踐教學(xué)要求。在不增加實踐經(jīng)費、新設(shè)備、實踐場地的前提下，成為解決復(fù)雜測量綜合實踐環(huán)節(jié)的有效技術(shù)途徑。同時，在虛擬仿真平臺上可以提供多種儀器設(shè)備的選擇，這為彌補目前實踐教學(xué)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(tǒng)原理課程及其實踐教學(xué)同樣是測繪工程專業(yè)的必修環(huán)節(jié)，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(shù)背景，可以根據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo)訂制不同實踐內(nèi)容組合，建立不同仿真區(qū)與仿真平臺，減少開發(fā)經(jīng)費投入。而研究成果又可以擴展到地理信息系統(tǒng)原理、3S技術(shù)基礎(chǔ)等課程教學(xué)與實踐教學(xué)中，豐富這些課程的教學(xué)內(nèi)容，并鍛煉學(xué)生解決實際問題的能力，具有良好的促學(xué)效應(yīng)。
作者:張明媚 相興華 薛永安 單位:山西能源學(xué)院 太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院
