地学类“测量学”虚拟仿真实践教学体系建设探讨

［摘 要］ 在高等教育信息化建设背景下，基于虚拟仿真技术的地学类“测量学”实践教学体系有待完善。综合测绘新技术，融合地学类专业的差异，分别设计了技术基础模块、设计与综合模块和创新模块等模块；并在此基础上探讨了实践教学方法、教学管理、实践教学评价和实践教学保障等内容，进而形成了具有地学特色的“测量学”虚拟仿真实践教学体系。该实践教学体系以学生为中心，为不同专业学生提供多项选择，培养学生的实践能力及复杂工程能力，进而提升大地学专业学生的综合创新能力。

［关键词］ 测量实践教学；地学类专业；虚拟仿真；模块化

［基金项目］ 2022年度教育部产学合作协同育人项目“地学类《测量学》虚拟仿真实践教学体系建设”（220603776141344）

［作者简介］ 李丽华（1980—），女，河北衡水人，博士，中国地质大学（北京）土地科学技术学院副教授，主要从事测绘工程研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）21-0013-04 ［收稿日期］ 2023-11-16

引言

《教育部2022年工作重点》提出实施教育数字化战略行动［1］。高等教育要紧紧抓住教育数字化战略转型的机遇，以高水平的教育信息化建设引领教育现代化。高等教育信息化建设的主要内容之一是虚拟仿真实验教学，根据教育部《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》精神，进一步推进现代信息技术融入实验教学项目，拓展实验教学内容广度和深度，延伸实验教学时间和空间，突出应用驱动、资源共享，将实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量，以高质量实验教学助推高等教育教学质量变轨超车，助力高等教育强国建设［2］。故虚拟仿真实验教学是当代实践教学的必然发展和实践教育信息化的重要举措。

测绘地理信息行业在大数据、云计算、物联网、5G等新技术下不断碰撞融合，测绘科学与技术学科带动的地理信息产业，已经把卫星导航定位技术、天空地一体化遥感技术、互联网电子地图、移动导航相关服务等紧密地融合为一体［3-4］。随着科技的进步，测绘仪器设备种类日益丰富、地理环境日趋复杂，如何在有限的设备、时间和空间之内，通过合理、有效的实验过程，培养学生的实践技能和创新能力，是当前高校实验教学面临的挑战［5-8］。而虚拟仿真技术的完善则突破了测绘实验教学的局限性，降低了仪器设备的损耗，提高了教学效率。因此，基于虚拟仿真系统的实验教学也是测绘学教育发展的必然选择。

中国地质大学（北京）“测量学”实践教学包括课堂实践和一周的实践课程。该课程面向中国地质大学（北京）大二学生，涉及8个学院，近20个专业，每年有25个班左右，约1 300人。在传统的实践教学方式中，由于仪器设备和课程设置等因素，学生只能在规定的时间和地点进行课程相关的实习内容，较长的理论授课时间及教学手段的单一在一定程度上限制了学生对仪器的认知程度及实践能力的提高［9-11］。虚拟仿真教学系统通过虚拟现实和人机交互技术，建立高仿真度的实验环境，学生则可以利用虚拟仿真教学系统学习仪器操作，不受时间和空间的限制，从而弥补了传统实践教学的不足［12］。通过建设虚拟仿真实验平台，实践教学可不受特殊环境和仪器数量缺少的限制，同时虚实结合的实践教学可有效提升学生学习兴趣，进而提升实践教学质量。

综上所述，虚拟仿真实验教学是多方面发展的必然选择。“测量学”是中国地质大学（北京）地质学、地质工程、地球物理、土木工程和土地资源管理等近20个专业的专业技术基础课。地学及地学延伸各专业的研究对象是地球，关于地球的椭球和各种坐标系统、地面观测元素的获取、误差基本理论、地形图应用和工程测量实践等内容是各专业必须掌握的测绘基础知识［9］。但不同专业侧重的专业需求不同，比如基于测绘新技术完成点放样、勘探网的测设、地质剖面的测绘；利用已有测绘资料完成图上定点、勘探线和剖面线位置以及剖面图的绘制等等。测绘新技术也广泛应用于地学及相关专业，因此结合测绘新技术，融合地学类各专业特点，构建基于虚拟仿真系统的“测量学”实验教学改革是一项值得开展的工作。

一、地学类专业“测量学”虚拟仿真实践教学的目标

结合中国地质大学（北京）的人才培养目标——品德优良、基础厚实、知识广博、专业精深，地学类“测量学”实践教学体系以学生全面发展和创新能力培养为核心、以构建模块化的虚拟仿真实践教学体系为重点，预期完成以下目标。

（一）融合学校大地学优势，构建模块化的“测量学”虚拟仿真教学体系

结合中国地质大学（北京）大地学背景与测绘技术发展，将“基础引领、技术驱动、高端服务”理念融入“测量学”实践教学培养目标和虚拟仿真实践教学体系，以测绘工程专业为主体，交叉融合地学、工程地质、土木工程、资源勘查等学科优势，根据不同应用方向进行模块化教学体系设计，形成多层次全方位的虚拟仿真实践教学体系。该体系既能满足地学相关不同专业的需求，又可为其他高校的相关课程提供借鉴。

（二）以学生发展为中心，提升学生的创新能力

虚拟仿真教学体系的构建以学生发展为中心，通过多层次全方位的虚拟仿真实践教学和产教融合等方式，培养学生理论联系实际解决工程问题的基本方法和能力，塑造学生的创新能力，为后续专业核心课程的学习奠定坚实的基础。

二、地学类专业“测量学”虚拟仿真实践教学体系的建设方案

基于调研、企业、学校测绘工程专业和大地学专业的实际情况，本文主要围绕“测量学”虚拟仿真实践教学体系的建设展开如下探讨。

（一）地学类“测量学”实践教学课程体系模块化构建

基于地学相关专业需求和测绘新技术发展以及学生认知规律，重新设计构建3类实验教学模块，分别为技术基础模块、设计与综合模块和创新模块。每个实践模块具备层次性较强的特点，每层次具有对应的培养目标和实施方案。面向复杂工程问题完成相应的设计与分析，进而制定完整的实践教学内容，培养学生解决复杂工程问题的能力。

1.技术基础模块。包括水准仪、全站仪和GNSS接收机等基础测绘仪器的虚拟仿真，主要完成仪器外观、功能和结构的仿真。测绘仪器的虚拟仿真基础模块可供学生课前、课中和课后使用，便于学生了解仪器的性能，从而在使用实际的测绘仪器时更有针对性，进而提升了实验教学的质量。

2.设计与综合模块。包括水准路线和导线的设计、测量与平差，地形图测绘等。比如地形图测绘模块包括布设控制点、GNSS RTK控制测量和碎部测量、全站仪控制测量和碎部测量以及测量数据的导入和导出等功能部分，同时还包括查看实测数据的功能、统计测绘外业工作量等功能。通过该模块的学习进一步提升学生综合解决测绘工程的能力。

3.创新模块。此模块根据专业需求进行全方位的设计。中国地质大学（北京）地质工程、资源勘查、土木工程等专业均设有“测量学”课程，旨在通过学习该课程学生能应用测绘技术为本专业服务。比如地质填图、勘探网测设、地质剖面测量，勘探线和剖面线的位置、建筑物放样，等等。根据不同专业需求并结合具体工程项目全方位设计模块，构建一套具备地学特色、行之有效的模块化实践教学体系。

（二）“测量学”虚拟仿真实践教学教学方法体系的构建

为了完成上述实践教学任务，提高实践教学的效果，应根据实际情况采用不同教学手段，比如案例教学法、任务驱动法、现场教学法等方法［13-14］，引导学生独立思考，把知识转化为能力。

1.案例教学法。案例教学法是一种以案例为基础的教学法，教学过程中选定经典工程案例。例如结合珠峰测高的案例，促进学生理解水准测量和三角高程测量等专业知识，通过案例分析培养学生解决问题的综合能力。教师应注意引导学生独立思考，把知识转化为能力。

2.现场教学法。针对实践教学，将为期一周的实习测量地点选在了北京周口店和温泉镇的实习基地（位于山上）。通过教师在实习地的讲授，学生结合现场能较快地掌握地形图的主要知识。现场教学时，应注重引导学生结合实际理解所学理论知识，比如野外交会定点时，启发学生对原理进行思考。

3.任务驱动法。任务驱动法以任务为主线、以学生为主体、以教师为主导。在实践教学中，教师根据专业设置不同任务，以个人或小组为单位完成设计，完成方案布设测量等工作，并进行项目汇报，最后教师完成综合性评价。该方法能有效激发学生的主动性，提升学生自主探索的能力。

（三）“测量学”虚拟仿真实践教学管理体系的构建

为了规范“测量学”实践教学、提升实践教学质量，构建了实践教学管理体系，具体内容如下。

1.加强实践教学的过程管理。主要包括规范“测量学”实践教学的实践计划（如项目目的、项目任务、项目内容、项目过程等方面）、督查实践教学准备与实施环节以及总结评价实践教学成果等工作。

2.做好安全工作。“测量学”实践教学涉及很多安全问题，故安全是开展实践教学的前提。实践教学中必须明确各方安全责任并落实，例如实践教学前需要完成师生安全教育培训，并签订相应的责任书，形成约束，避免安全事故的发生。

3.完善规章制度。规章制度的完善也是建设的重要内容，可以提升实习设施利用率、提高实践教学质量。

4.改善考核方式和考核机制。实践教学需要对师生进行综合考核，其中对学生评价不要唯分数论，而是要侧重对学生综合能力的评价，例如结合学生的实习态度、独立工作能力、实习报告完成的质量及实习中进行的必要考核（口试、笔试、实际操作等）进而综合评定实践成绩。对指导教师要多角度综合考察，比如实践教学中能否完成教学计划，是否以学生的发展为中心同时兼顾学生对教师的综合评价等因素。

（四）“测量学”虚拟仿真教学实践教学保障体系构建

为达到实践教学的预期效果，需要依托完整的实践教学保障体系，主要包含以下内容。

1.提升实践教学师资队伍综合素养。创新实践教学教师培训，培养“双师型”师资队伍，确保实践教学师资队伍具有较高的综合素质。

2.建设实习基地。在充分提高校内实验设施设备的利用率的同时，坚持以市场需求为导向，与企业采取多种合作模式，开发、共享、建设实践教学基地。

（五）“测量学”虚拟仿真实践教学评价体系的构建

根据工程教育认证的要求制定了如下的实践教学质量评价体系［15］。

1.实践教学内容与培养目标是否一致。

2.实习教学计划是否满足实习需求。

3.过程教学中学生的积极性和主动性能否调动。

4.教学中教师备课是否充分，相关检查是否落实。

5.实践教学后学生动手能力是否增强，实践技能是否掌握。

6.实践教学过程能否持续检查、监督与考核，及时发现问题并解决。

7.实践教学反馈能否从学生、教师和企业等多渠道收集。

三、“测量学”实践教学体系的实施路径

在中国地质大学（北京）测绘工程专业学科特色的基础上，结合学校地学优势资源，“测量学”实践教学改革形成了“整合优势资源和强化专业特色”的建设思路。针对地学相关专业特点，兼顾测绘专业能力培养和行业技术培训，基于“虚实结合”将人机交互和专业特点、行业特色有效融合，进而构建了完善的基于虚拟仿真的实验教学课程体系；优化和改进实验教学的质量控制和成绩评定环节，切实起到节约现实教学资源，激发学生学习兴趣，提升学生综合能力的作用。进而解决实验条件和实验场地限制问题，并在教学过程中根据效果及师生反馈，不断优化和改进该体系。

结语

在虚拟仿真建设背景下，地学类“测量学”实践教学体系改革势在必行。本文综合测绘新技术发展，面向地学背景专业特点，积极探索“测量学”实践教学新模型。本文坚持目标导向、问题求解、任务驱动三位一体的设计原则，构建了基于虚拟仿真的模块化实践教学体系；以学生发展为中心，为不同专业学生提供多项选择，培养学生的实践能力及复杂工程能力，进而提升大地学专业学生的综合创新能力。