摘要：針對測繪實驗教學中存在的高精尖測繪儀器成本高數量少、極端環境下實驗難以開展、精細化質量控制難以實現等問題，武漢大學測繪地理信息虛擬仿真實驗教學中心通過開發高質量、體系化的測繪地理信息虛擬仿真實驗教學資源，讓學生開展虛擬仿真實驗，與真實實驗優勢互補、相互結合，形成高效持續的實驗教學體系，大力提升了學生的學習興趣、實習效率和實踐創新能力。

　　關鍵詞：測繪地理信息;虛擬仿真;實驗教學;交互式

　　測繪學是研究地理信息的獲取、處理、描述和應用的一門學科，廣泛應用于國民經濟建設、國防建設和社會發展中，其研究內容包括：測定描述地球形狀、大小、重力場、地表形態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[1]。隨著科技的進步和學科的發展，測繪學涉及的儀器設備種類日益豐富、地理環境日趨復雜，如何在有限的設備、時間和空間之內，通過合理、有效的實驗過程，培養學生的實踐技能和創新能力，是當前高校實驗教學面臨的挑戰。

　　測繪論文范例：測繪工程質量管控措施探討

　　信息技術、計算機技術的快速發展為高等教育的改革創新提供了發展機遇，教育部明確要求“建設優質教育資源共享體系”[2]，提出“把教育信息化作為國家信息化的戰略重點和優先領域全面部署、加快實施，用十年左右的時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水平，推進教育事業的科學發展”[3]。

　　強調要以學生發展為中心，通過教學改革促進學習革命，因課制宜選擇課堂教學方式方法，科學設計課堂考核內容和方式，不斷提高課堂教學質量[4]。虛擬仿真實驗教學融合虛擬現實、人機交互、多媒體、數據庫和網絡通信等多種先進技術，構建高度仿真的虛擬實驗儀器、環境、材料和過程，使學生能不受地點和環境限制在虛擬環境中開展實驗，降低真實實驗的成本消耗及規避不可抗性因素帶來的風險，達到教學大綱所要求的教學目的。因此，虛擬仿真實驗教學資源開發與建設是突破高校實驗教學瓶頸的重要途徑。

　　1測繪實驗教學面臨的困境

　　1.1高精尖測繪儀器成本高、數量少

　　測繪儀器是測繪實驗教學的基礎[5]。隨著科學技術的快速發展，高精尖設備的購置和維護成本也越來越高，如三維激光掃描儀、激光跟蹤儀、地基SAR、絕對重力儀的售價都在百萬元級別。學生人數眾多與貴重儀器稀缺使實驗教學面臨困境。開展虛擬仿真實驗教學能突破測繪儀器的成本和數量瓶頸，使學生可以在任意時間、任意地點，通過互聯網進行實驗。學生們能通過預先使用虛擬儀器進行訓練，熟練后再進行實際操作，從而大幅提升教學效率，降低設備損耗。

　　1.2極端環境下的真實實驗難以實施

　　測繪領域的很多實驗需要在特定環境下進行[6]，存在可行性、成本、安全性等一系列問題。例如，大地測量實驗的空間尺度可達數千km、時間尺度可達數十年;地震監測、滑坡監測、泥石流監測、海洋測繪、極地測繪等實驗需要在高危環境下開展;航空攝影測量成本高、消耗大[7-8]，且事先需要申請空域、手續繁雜。利用實景沙盤、VR/AR/MR等多種方式構建山川海洋等自然地理環境及高樓大壩等人工建筑，能讓學生仿佛身臨其境，完成真實實驗難以完成的步驟，并降低成本、規避安全風險，彌補教學空白。

　　1.3精細化質量控制難以實現

　　傳統實驗教學模式下，通常一名教師輔導數十名學生，在有限的學時內，難以實現個性化精準輔導，也難以全面獲知學生對知識技能的掌握情況。虛擬仿真教學系統可以內置提示、跟蹤、統計等功能[9-10]，能以量化形式評估學生的學習效果，能從微觀和宏觀兩個層面上找準學生實驗過程中的薄弱環節，為教師提供可靠的依據對教學內容、教學手段、學時分配等進行優化改進，使教學更具針對性和靈活性，實現真正意義上的因材施教。

　　2建設思路

　　我校測繪地理信息虛擬仿真實驗教學中心(以下簡稱“中心”)充分發揮學科特色和人才資源優勢，以“整合資源、集聚優勢、注重研發、突顯特色、持續改進”的建設思路為指引，本著“虛實結合、能實不虛”的原則，針對測繪工程、地球物理、導航工程等專業的特點，兼顧專業綜合能力培養和行業技能培訓，通過自主研發和校企合作相結合，將虛擬仿真、三維建模、人機交互、數據庫、網絡通信等先進技術和培養計劃、專業特點、行業特色進行深度融合，開發出系列虛擬仿真實驗教學資源;設立安全可靠、經濟環保、真實實驗不具備或難以完成的特色虛擬仿真實驗項目，重點解決實驗教學中的難點、痛點問題;在教學過程中根據實驗效果及師生反饋，不斷進行優化和改進。

　　3建設內容

　　3.1基礎測繪儀器仿真實驗教學系統

　　能否規范、熟練地使用儀器在很大程度上決定了測繪工作的質量和效率[11]。盡管中心攝制了大量的測繪儀器規范化操作視頻[12-13]，并建立了實驗教學網站，但視頻僅能觀看而無法進行操作。因此，中心進一步自主研發了水準儀、全站儀、GNSS等基礎測繪儀器的交互式虛擬仿真實驗教學軟件[14]，對儀器外觀、結構和功能進行全方位虛擬仿真。學生可在課前預習、課堂學習、課后復習過程中，隨時隨地進行測繪儀器“操作”，突破了儀器使用的時間和空間限制，提高了實驗教學的效率與質量。

　　3.2無人機數字測圖虛擬仿真實驗系統

　　無人機數字測圖是當前攝影測量的熱門研究和應用領域，但受到設備數量、空域管制、飛行安全等因素的制約，其外業數據采集是教學中一大難點。本系統通過設置無人機影像采集、像控點數據采集、無人機影像處理這3個依次銜接的實驗環節，實現無人機數字測圖虛擬仿真實驗，適用于測繪工程及相關專業的課間實驗和綜合實習。該項目突破了傳統測繪實驗教學的時空限制，使實驗者沉浸式體驗無人機數字測圖技術全流程，準確理解和全面掌握相關知識點，實現了傳統實驗教學過程中無法進行的精細化教學，切實提升了實驗教學效果，成功入選2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目[15]。

　　3.3多波束聲吶測深仿真實驗系統

　　航海安全、海權維護、深海資源開發、海洋動力環境、海洋災害監測等眾多海洋活動和科學研究都需要高精度、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、面測量等優勢，已成為海洋水下地形測量的必備工具，但其價格昂貴，且出海實習具有較大的危險性[16]。為此，中心研發了多波束聲吶測深仿真實驗系統，實現對波束聲波發射、接收及多傳感器測量過程的模擬、測量數據的處理及展示等功能，使學生對多波束聲吶系統的測量原理有更深入的認識;通過聲線跟蹤、姿態/航向改正、多條帶鑲嵌等數據處理操作，使學生更快更全地掌握多波束聲吶測深數據的基本處理方法。

　　3.4衛星導航虛擬仿真實驗教學系統

　　衛星導航虛擬仿真實驗教學系統主要是通過儀器設備和計算機模擬，將看不見、摸不著的衛星導航信號，以虛擬仿真的新視角、新形式呈現在學生面前，引導學生深入學習與探索衛星導航原理與算法。仿真內容涵蓋信號發射、傳播、接收等全過程，可模擬包括導航衛星軌道及鐘誤差、相對論效應、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星觀測數據的影響，幫助學生從宏觀尺度深入地理解衛星導航定位原理，培養學生扎實的專業基礎和實踐技能[17]。

　　4應用效果

　　我中心建立了專門的門戶網站，集成了多種虛擬仿真實驗教學資源，采取分層次、多樣化的開放模式，實現校內外共享，擴大受益面。校內測繪類專業，包括測繪工程、地球物理學、導航工程、遙感科學與技術、地理國情監測、地理科學、地理信息工程等專業師生注冊后均可免費訪問虛擬仿真教學資源、開展虛擬仿真實驗。中心每學年服務本校學生近3000人。虛擬仿真教學有效彌補了教學空白，改變了傳統的實驗教學模式，提高了教學質量。學生的知識水平、動手能力和綜合分析能力得到了增強，也激發了學生的創新創業意識。

　　例如，2015屆本科畢業生許毅在使用中心的虛擬仿真資源過程中受到啟發，對VR技術產生了濃厚興趣，在考取本校碩士研究生的同時，還作為負責人創辦了武漢市珞珈俊德地信科技有限公司，他帶領團隊研發的Map+VR智慧城市地圖項目先后獲得“2016年中國測繪地理信息學會工程測量年會”論文一等獎、“2017年WGDC全球地理信息開發者大會”泰伯創客大賽第二名、“第三屆全國研究生智慧城市技術與創意設計大賽”一等獎，其團隊也受到原中央政治局委員、國務委員劉延東，全國政協副主席、中國科學技術協會主席萬鋼，原國家測繪地理信息局副局長李朋德等領導的接見和指導。

　　參考文獻(References)

　　[1]寧津生，陳俊勇，李德仁，等.測繪學概論[M].武漢：武漢大學出版社，2008.

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

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

　　[4]中華人民共和國教育部.關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見：教高〔2018〕2號[Z].2018. [5]王志勇，于勝文，陽凡林.測繪工程國家級實驗教學示范中心建設與實踐[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在測繪工程中的應用研究[J].科技風，2019(27):14.

　　作者：章迪，鄒進貴，向東，張萬威，賈劍鋼