摘要：針對測繪實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的高精尖測繪儀器成本高數(shù)量少、極端環(huán)境下實(shí)驗(yàn)難以開展、精細(xì)化質(zhì)量控制難以實(shí)現(xiàn)等問題，武漢大學(xué)測繪地理信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心通過開發(fā)高質(zhì)量、體系化的測繪地理信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，讓學(xué)生開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢互補(bǔ)、相互結(jié)合，形成高效持續(xù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，大力提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實(shí)習(xí)效率和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

　　關(guān)鍵詞：測繪地理信息;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);交互式

　　測繪學(xué)是研究地理信息的獲取、處理、描述和應(yīng)用的一門學(xué)科，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中，其研究內(nèi)容包括：測定描述地球形狀、大小、重力場、地表形態(tài)以及它們的各種變化，確定自然和人工物體的空間位置及屬性，制成各種地圖和信息系統(tǒng)[1]。隨著科技的進(jìn)步和學(xué)科的發(fā)展，測繪學(xué)涉及的儀器設(shè)備種類日益豐富、地理環(huán)境日趨復(fù)雜，如何在有限的設(shè)備、時(shí)間和空間之內(nèi)，通過合理、有效的實(shí)驗(yàn)過程，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力，是當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)。

　　測繪論文范例：測繪工程質(zhì)量管控措施探討

　　信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為高等教育的改革創(chuàng)新提供了發(fā)展機(jī)遇，教育部明確要求“建設(shè)優(yōu)質(zhì)教育資源共享體系”[2]，提出“把教育信息化作為國家信息化的戰(zhàn)略重點(diǎn)和優(yōu)先領(lǐng)域全面部署、加快實(shí)施，用十年左右的時(shí)間初步建成具有中國特色的教育信息化體系，使我國教育信息化整體上接近國際先進(jìn)水平，推進(jìn)教育事業(yè)的科學(xué)發(fā)展”[3]。

　　強(qiáng)調(diào)要以學(xué)生發(fā)展為中心，通過教學(xué)改革促進(jìn)學(xué)習(xí)革命，因課制宜選擇課堂教學(xué)方式方法，科學(xué)設(shè)計(jì)課堂考核內(nèi)容和方式，不斷提高課堂教學(xué)質(zhì)量[4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、多媒體、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等多種先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、環(huán)境、材料和過程，使學(xué)生能不受地點(diǎn)和環(huán)境限制在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，降低真實(shí)實(shí)驗(yàn)的成本消耗及規(guī)避不可抗性因素帶來的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)目的。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開發(fā)與建設(shè)是突破高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)瓶頸的重要途徑。

　　1測繪實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的困境

　　1.1高精尖測繪儀器成本高、數(shù)量少

　　測繪儀器是測繪實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)[5]。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，高精尖設(shè)備的購置和維護(hù)成本也越來越高，如三維激光掃描儀、激光跟蹤儀、地基SAR、絕對重力儀的售價(jià)都在百萬元級別。學(xué)生人數(shù)眾多與貴重儀器稀缺使實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨困境。開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能突破測繪儀器的成本和數(shù)量瓶頸，使學(xué)生可以在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生們能通過預(yù)先使用虛擬儀器進(jìn)行訓(xùn)練，熟練后再進(jìn)行實(shí)際操作，從而大幅提升教學(xué)效率，降低設(shè)備損耗。

　　1.2極端環(huán)境下的真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)施

　　測繪領(lǐng)域的很多實(shí)驗(yàn)需要在特定環(huán)境下進(jìn)行[6]，存在可行性、成本、安全性等一系列問題。例如，大地測量實(shí)驗(yàn)的空間尺度可達(dá)數(shù)千km、時(shí)間尺度可達(dá)數(shù)十年;地震監(jiān)測、滑坡監(jiān)測、泥石流監(jiān)測、海洋測繪、極地測繪等實(shí)驗(yàn)需要在高危環(huán)境下開展;航空攝影測量成本高、消耗大[7-8]，且事先需要申請空域、手續(xù)繁雜。利用實(shí)景沙盤、VR/AR/MR等多種方式構(gòu)建山川海洋等自然地理環(huán)境及高樓大壩等人工建筑，能讓學(xué)生仿佛身臨其境，完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以完成的步驟，并降低成本、規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)，彌補(bǔ)教學(xué)空白。

　　1.3精細(xì)化質(zhì)量控制難以實(shí)現(xiàn)

　　傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，通常一名教師輔導(dǎo)數(shù)十名學(xué)生，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，難以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化精準(zhǔn)輔導(dǎo)，也難以全面獲知學(xué)生對知識(shí)技能的掌握情況。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可以內(nèi)置提示、跟蹤、統(tǒng)計(jì)等功能[9-10]，能以量化形式評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，能從微觀和宏觀兩個(gè)層面上找準(zhǔn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的薄弱環(huán)節(jié)，為教師提供可靠的依據(jù)對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、學(xué)時(shí)分配等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使教學(xué)更具針對性和靈活性，實(shí)現(xiàn)真正意義上的因材施教。

　　2建設(shè)思路

　　我校測繪地理信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(以下簡稱“中心”)充分發(fā)揮學(xué)科特色和人才資源優(yōu)勢，以“整合資源、集聚優(yōu)勢、注重研發(fā)、突顯特色、持續(xù)改進(jìn)”的建設(shè)思路為指引，本著“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的原則，針對測繪工程、地球物理、導(dǎo)航工程等專業(yè)的特點(diǎn)，兼顧專業(yè)綜合能力培養(yǎng)和行業(yè)技能培訓(xùn)，通過自主研發(fā)和校企合作相結(jié)合，將虛擬仿真、三維建模、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信等先進(jìn)技術(shù)和培養(yǎng)計(jì)劃、專業(yè)特點(diǎn)、行業(yè)特色進(jìn)行深度融合，開發(fā)出系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源;設(shè)立安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的特色虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，重點(diǎn)解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的難點(diǎn)、痛點(diǎn)問題;在教學(xué)過程中根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果及師生反饋，不斷進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

　　3建設(shè)內(nèi)容

　　3.1基礎(chǔ)測繪儀器仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

　　能否規(guī)范、熟練地使用儀器在很大程度上決定了測繪工作的質(zhì)量和效率[11]。盡管中心攝制了大量的測繪儀器規(guī)范化操作視頻[12-13]，并建立了實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站，但視頻僅能觀看而無法進(jìn)行操作。因此，中心進(jìn)一步自主研發(fā)了水準(zhǔn)儀、全站儀、GNSS等基礎(chǔ)測繪儀器的交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件[14]，對儀器外觀、結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行全方位虛擬仿真。學(xué)生可在課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)過程中，隨時(shí)隨地進(jìn)行測繪儀器“操作”，突破了儀器使用的時(shí)間和空間限制，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率與質(zhì)量。

　　3.2無人機(jī)數(shù)字測圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

　　無人機(jī)數(shù)字測圖是當(dāng)前攝影測量的熱門研究和應(yīng)用領(lǐng)域，但受到設(shè)備數(shù)量、空域管制、飛行安全等因素的制約，其外業(yè)數(shù)據(jù)采集是教學(xué)中一大難點(diǎn)。本系統(tǒng)通過設(shè)置無人機(jī)影像采集、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、無人機(jī)影像處理這3個(gè)依次銜接的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)數(shù)字測圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，適用于測繪工程及相關(guān)專業(yè)的課間實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)習(xí)。該項(xiàng)目突破了傳統(tǒng)測繪實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空限制，使實(shí)驗(yàn)者沉浸式體驗(yàn)無人機(jī)數(shù)字測圖技術(shù)全流程，準(zhǔn)確理解和全面掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中無法進(jìn)行的精細(xì)化教學(xué)，切實(shí)提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，成功入選2018年度國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[15]。

　　3.3多波束聲吶測深仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

　　航海安全、海權(quán)維護(hù)、深海資源開發(fā)、海洋動(dòng)力環(huán)境、海洋災(zāi)害監(jiān)測等眾多海洋活動(dòng)和科學(xué)研究都需要高精度、高分辨率海底地形測繪提供保障。多波束聲吶以其高效率、高精度、面測量等優(yōu)勢，已成為海洋水下地形測量的必備工具，但其價(jià)格昂貴，且出海實(shí)習(xí)具有較大的危險(xiǎn)性[16]。為此，中心研發(fā)了多波束聲吶測深仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對波束聲波發(fā)射、接收及多傳感器測量過程的模擬、測量數(shù)據(jù)的處理及展示等功能，使學(xué)生對多波束聲吶系統(tǒng)的測量原理有更深入的認(rèn)識(shí);通過聲線跟蹤、姿態(tài)/航向改正、多條帶鑲嵌等數(shù)據(jù)處理操作，使學(xué)生更快更全地掌握多波束聲吶測深數(shù)據(jù)的基本處理方法。

　　3.4衛(wèi)星導(dǎo)航虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

　　衛(wèi)星導(dǎo)航虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要是通過儀器設(shè)備和計(jì)算機(jī)模擬，將看不見、摸不著的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，以虛擬仿真的新視角、新形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)與探索衛(wèi)星導(dǎo)航原理與算法。仿真內(nèi)容涵蓋信號(hào)發(fā)射、傳播、接收等全過程，可模擬包括導(dǎo)航衛(wèi)星軌道及鐘誤差、相對論效應(yīng)、對流層誤差、電離層誤差、接收天線增益誤差等各類誤差對衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的影響，幫助學(xué)生從宏觀尺度深入地理解衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理，培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)和實(shí)踐技能[17]。

　　4應(yīng)用效果

　　我中心建立了專門的門戶網(wǎng)站，集成了多種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，采取分層次、多樣化的開放模式，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外共享，擴(kuò)大受益面。校內(nèi)測繪類專業(yè)，包括測繪工程、地球物理學(xué)、導(dǎo)航工程、遙感科學(xué)與技術(shù)、地理國情監(jiān)測、地理科學(xué)、地理信息工程等專業(yè)師生注冊后均可免費(fèi)訪問虛擬仿真教學(xué)資源、開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。中心每學(xué)年服務(wù)本校學(xué)生近3000人。虛擬仿真教學(xué)有效彌補(bǔ)了教學(xué)空白，改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高了教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生的知識(shí)水平、動(dòng)手能力和綜合分析能力得到了增強(qiáng)，也激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)。

　　例如，2015屆本科畢業(yè)生許毅在使用中心的虛擬仿真資源過程中受到啟發(fā)，對VR技術(shù)產(chǎn)生了濃厚興趣，在考取本校碩士研究生的同時(shí)，還作為負(fù)責(zé)人創(chuàng)辦了武漢市珞珈俊德地信科技有限公司，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的Map+VR智慧城市地圖項(xiàng)目先后獲得“2016年中國測繪地理信息學(xué)會(huì)工程測量年會(huì)”論文一等獎(jiǎng)、“2017年WGDC全球地理信息開發(fā)者大會(huì)”泰伯創(chuàng)客大賽第二名、“第三屆全國研究生智慧城市技術(shù)與創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽”一等獎(jiǎng)，其團(tuán)隊(duì)也受到原中央政治局委員、國務(wù)委員劉延?xùn)|，全國政協(xié)副主席、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主席萬鋼，原國家測繪地理信息局副局長李朋德等領(lǐng)導(dǎo)的接見和指導(dǎo)。

　　參考文獻(xiàn)(References)

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　　[2]中華人民共和國教育部.關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見：教高〔2012〕4號(hào)[Z].2012.

　　[3]中華人民共和國教育部.教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)：教技〔2012〕5號(hào)[Z].2012.

　　[4]中華人民共和國教育部.關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見：教高〔2018〕2號(hào)[Z].2018. [5]王志勇，于勝文，陽凡林.測繪工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)與實(shí)踐[J].測繪與空間地理信息，2018,41(10):1–3.

　　[6]韓月嬌，馬洋洋，王亞軍.新工科背景下虛擬仿真技術(shù)在測繪工程中的應(yīng)用研究[J].科技風(fēng)，2019(27):14.

　　作者：章迪，鄒進(jìn)貴，向東，張萬威，賈劍鋼

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