虚拟训练平台在军队测绘类课程中的应用探讨

康红霞　王崴　胡俊

摘  要：随着虚拟现实技术在教育训练中广泛而深入的应用，探讨虚拟训练平台辅助军队院校测绘类课程教学，符合测绘类课程的特点和军队院校训练需求。文章首先深入分析了测绘类课程体系、实验教学内容，结合军队院校的培养目标，提出了虚拟训练平台需求。其次，结合部队岗位技能要求，对虚拟训练平台的构建提出了建设思路，规划了建设内容，并对软硬件进行了设计。再次，根据军队人才培养方案，提出了“虚拟训练平台辅助理论教学模式”“先虚拟训练后实践操作训练模式”两种教学训练模式。最后，总结了虚拟训练平台辅助军队测绘类课程训练优势。

关键词：虚拟训练平台;测绘类;军队院校

中图分类号：G640       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）10-0001-05

Abstract： With the extensive and in-depth application of virtual reality technology in education training， this paper discusses the virtual training platform to assist the teaching of surveying and mapping courses in military colleges， which conforms to the characteristics of their courses and the training needs of military colleges. Firstly， this paper deeply analyzes the Surveying and Mapping course system， experimental teaching content， combined with the training objectives of military colleges， puts forward the demand of virtual training platform. Secondly， combined with the requirements of military job skills， the construction idea of virtual training platform is proposed， the construction content is planed， and the software and hardware are designed. Then， according to the military talent training programs， two teaching and training modes are put forward， "virtual training platform assisted theory teaching mode" and "virtual training followed by practical operation training mode". Finally， the advantages of virtual training platform to assist military surveying and mapping course training are summarized.

Keywords： virtual training platform; Surveying and Mapping course; military colleges

虛拟现实和仿真技术在各行各业中已经广泛应用，对于高校测绘类专业教学来说，应用虚拟仿真训练既是辅助教学的一种手段，也是测绘类专业数字产品的应用和体现。2017-2020年国家教育部共遴选1500个示范性虚拟仿真实验教学项目。这些仿真实验教学项目的建设目标是：以现代信息技术为依托，以相关专业急需的实验教学信息化内容为指向，以完整的实验项目为基础，建设示范性虚拟仿真实验教学项目，推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系，支撑高等教育教学质量全面提高。面对新的时代与形势的变化，测绘教育“两委会”，即教育部高等学校测绘类专业教学指导委员会和中国测绘学会教育委员会一直在积极谋划和推进高校测绘地理信息类专业教学改革。

一、测绘类课程特点及需求分析

（一）测绘类课程体系

1. 测绘类课程体系

测绘类课程体系主要包括以下几大类：测量学、卫星导航原理及技术应用、地理信息系统、摄影测量学、遥感原理与应用、工程测量学、大地测量学。主要教学内容和虚拟训练平台需求如表1所示。

2. 测绘类课程特点及发展需求

测绘类课程普遍的特点是实践操作性强、应用范围广、仪器种类多且市场化仪器更新速度快，不管是测量仪器操作还是软件操作都需要更多的实验课时以增加理论知识的理解和巩固。同时，由于信息技术的发展，仪器产品种类越来越多，高端仪器应用广泛，高端全站仪、陀螺仪、无人机、激光扫描仪等仪器的市场化广泛使用，实验室应及时购置仪器和相应处理软件，推动测绘类实验的建设，规范操作场地，改善教学条件，一定程度满足了测绘类实验教学。地理信息系统、遥感技术和卫星定位技术的发展及其广泛的应用，深化了测绘产品，扩大了测绘的应用面。新技术的教学和应用都需要加强测绘类课程的建设、实验条件建设，充分利用信息技术提高教学质量，利用信息技术推动传统教学模式改革一直以来也是教育工作者和管理者探讨的永恒话题。

3. 测绘类课程实验课内容层次

由于测绘类课程实验课内容占了更多的教学课时，以下主要討论实验课内容，分析各课程内容实验内容及知识链主线能力层次，如图1所示，可以将其分为三个层次实验：基本操作实验、综合能力实验和创新能力实验。

（1）基本操作实验。基本实验主要包括有水准仪、经纬仪、全站仪、GPS接收机的基本操作。在地理信息系统、遥感原理和摄影测量学这类课程中，基本操作实验都是基于软件的操作，基本操作实验是后续综合能力实验和创新能力实验的基础。

（2）综合能力实验。综合能力实验要求学生能根据不同测区和不同等级精度需求，合理选择测量仪器、方法、操作步骤和数据处理，是一种熟练掌握基本操作基础上，熟悉国家和行业规范，能综合应用各种测量仪器解决生产生活问题的能力。在摄影测量、遥感和地理信息系统等相应的课程实验中，综合能力实验是结合具体应用案例，熟悉各种数据产品生产的流程、规范，熟练掌握应用相应软件完成数据产品的操作过程。

（3）创新能力实验。创新能力实验是实验最高端要求，主要体现在遥感和GIS课程中，这两类课程都需要根据特定应用需求进行数据获取、转换、分析提取和应用，有些功能需求甚至需要编写程序完成，对学生的要求最高。

（二）军队院校培养目标及需求

1. 培养目标

习主席强调，军队院校“要坚持面向战场、面向部队、围绕实战搞教学、着眼打赢育人才，使培养的学员符合部队建设和未来战争的需要”。我军装备建设发展迅猛，为适应新形势下对人才培养的需求，文献[6]指出，需要遵循实战化教学理念与专业实践相统一、人才培养需求与实践性教学条件相适应、突出专业特色与人才培养规律兼顾的原则。深入研究军队院校培养的目标能力，加强实验教学优质资源建设与应用。

2. 虚拟训练平台需求

（1）是装备发展训练的需求

虚拟现实技术是一门集多种高新技术的交叉学科，以其沉浸性、交互性和想象性三大特征，使虚拟现实技术在军事领域有着极其广阔的应用空间。利用虚拟技术辅助教学模式，能进一步推进信息技术与实验教学的深度融合。文献[7]指出，西方国家开发使用了大量计算机仿真与模拟训练器材，有效提升训练效果，大幅节省了训练经费。同时指出，美军利用虚拟现实技术在单兵武器装备模拟训练、虚拟战场环境模拟方面、近战术协同训练以及联合演习方面进行不同层面不同深度的训练，不但提高了训练效果，也提高了美军实战化水平。

（2）是军队院校教学训练的需求

随着虚拟现实技术在教育训练领域的广泛应用，探讨虚拟现实技术支持测绘类课程的教学模式是当下技术发展趋势，既能满足当前军队院校教学训练需求，又为学生在部队任职打下仪器装备操作基础。在面向部队，紧贴实战搞教学中的需求下，结合部队任职的第一岗位需求，将虚拟现实技术引入到基础课、专业课和任职课程的教学中，促进实验教学资源开放共享、提高实验教学质量和实践育人水平、推动测绘类课程理论和实验教学改革与创新的要求。利用新技术提高学生学习能力、实践能力、创新能力，建设与新型军事人才培养相适应的教学模式，推动军队教育人才培养质量。降低实验室建设、维护和改造成本，提高仪器设备使用效率。

二、虚拟训练平台构建

（一）总目标及建设思路

1. 总目标

通过系统整体设计、虚拟技术的运用、开放式管理的方式，实现虚拟仿真教学系统项目的建设，以填补军队院校信息化教学资源与实践操作渠道资源的匮乏。通过实战化训练环境的构建，为学生提供全时段全方位的理论与实践学习资源，帮助学生提升部队任职岗位核心竞争力，为测绘类课程提供新的理论实践一体化教学模式。按照岗位技能要求，通过虚拟仿真技术实现教学系统的搭建，建设包括虚拟部队、虚拟场景、虚拟设备以及虚拟实训项目、训练场景、部队仪器管理制度等实践教学资源，改变以往学员训练渠道匮乏、实训器材有限的状况。虚拟训练平台改变传统枯燥生硬的教学方式，虚拟化、立体化、结构化展示专业器材以及部队应用，实现学生游走在三维的虚拟空间中，通过趣味性的技能操作，使教学知识点深入浅出地被学生掌握，培养更好的专业技能，增强岗位核心竞争力。

2. 建设思路

“测绘虚拟仿真训练平台”以融入学校教学、实训、实践的模式为出发点，深入剖析教学过程，以及部队操作应用，通过虚拟技术紧扣专业特色、直击教学中难点，实现多维仿真和实战环境模拟，提高学生学习的主动性;通过信息化网络技术辅助学生课后练习、及时巩固知识，实现单人训练、多人竞赛、多人协同和互动交流，提高学生学习的积极性;通过数据库技术跟踪学生学习轨迹，实现学生知识点掌握情况的统计与分析，通过教学分析和学情分析，提高教学评价的科学性。

（二）建设内容

虚拟训练平台能为军校院校中测绘类的专业提供了良好的虚拟训练教学环境，克服真实环境中的诸多限制，结合军队院校仪器操作规范和部队装备的操作条令要求，运用高效的训练室运转管理体系，满足基础理论学习、专业技术实践和实战环境应用技能等方面培养的要求。具体建设内容为：仪器库建设、虚拟测区建设、案例库建设。

1. 仪器库建设

建设一个测绘设备专业器材库，涵盖测绘行业的各类仪器，尤其是应用广泛的中高端仪器，如：水准仪、经纬仪、全站仪、RTK、陀螺仪、无人机系统，系统提供仪器设备的展示、操作、拼接安装功能，学生可以任意选择所操作的仪器，进行组装仪器设备。通过仪器拼装操作，使学生熟练掌握仪器结构、组成，为仪器的使用维护打下良好基础，培养学员勤学思考的能力。

2. 多样化虚拟测区建设

根据实战化需求，结合部队训练场地，建设多样化的三维可视化测区，让学生从全局性上把握测量区域的概况。根据测绘目的、踏勘情况，自主性地选择测绘方法、仪器设备、手段，克服了传统二维平面图单调的展现方式，让测量前的踏勘选点工作灵活呈现，实战化虚拟三维场景的呈现，增强了操作训练的体验感和丰富的媒体表现形式。

3. 案例库建设

根据不同实战场景，不同装备对测绘、GIS、遥感的需求，形成案例库。围绕专业工程对测绘的要求，虚拟构建测绘过程以及对测绘工作所需要的应对方法，应用案例法，将本专业的跨专业的各类知识连接在一起，提升学生实训能力。

（三）软硬件设计

1. 设计原则

建议采用成熟的、代表主流发展的、高可靠性的计算机网络体系结构和产品，确保设计方案在未来几年内具有先进水平。系统具有一定开放性和结构化特征，能提供明确和广泛的系统升级渠道，确保系统在比较长时间内可以不断适应教学和行业发展而引起的更新需求。系统采用符合国内外标准规范的结构和产品，确保有良好的维护能力。

2. 网络拓扑结构设计

系统可采用的拓扑结构如图2所示。

3. 数据库和操作系统

可采用的服务器操作系统有：兼容Windows2000、Windows2003、Windows2008的Server版或AdvanceServer版。客户端操作系统推荐WindowsXP或者Win7或以上版本。服务器数据库可采用SQLServer2000及以上。

三、虚拟训练平台教育训练模式

利用虚拟实训平台实现教学信息化，完善信息化教学在各阶段的应用。传统教学模式的基础上增加校内互动教学平台和任职前顶岗实习平台的建设，在信息化时代下为教学手段做出新的尝试，进一步完善教育信息化模式。立足教学需求，提高教学深度，结合实际的教学内容，虚拟仿真实训室面向实践教学活动的设计、组织、实施、评价过程，提供的专业工具软件和基础支撑平台。对于课程脚本的设计深度，完全根据学校教学需要进行调整。以学校专业化的教学力量为依托，以虚拟软件成熟技术与先进技术应用为基础，通过项目的顶层设计、需求调研、规范专业教学基本要求、制订专业教学标准，开发核心课程，不断提高教学深度。

根据人才培养方案明确培养目标，按照教学计划分析教学内容和学时分配，结合教学对象进行学情分析，探讨虚拟训练平台教学训练模式，如图3所示，构建了两种主要模式：虚拟辅助理论教学模式和先虚拟后实践实习模式。其中，先虚拟后实践的训练模式分为单兵训练模式和协同训练模式两种。对于两种教学训练模式采用合理的教学方法、手段和教学训练步骤，以达到教学期望。

（一）虚拟训练平台辅助理论教学模式

1. 利用技术优势，直击教学难点，辅助课堂教学

在教学过程中运用信息化的教学手段，使得教学不再局限于课堂讲述的方式，有部分内容通过虚拟场景展示更直观，教师能够更灵活生动地帮助学生巩固和理解课堂知识，为教学模式改革提供新的可能。在测绘类课程讲授中，比如，测量学课程教学过程中碰到的讲授难点有：仪器的结构组成不直观，在传统课堂授课中教师通常会拿仪器设备以及动画展示，如果在虚拟实验室进行教学，通过虚拟实训平台仪器模型库展示仪器各组成部分，拆解仪器，不但能讓学生对仪器组成更直观，也会加深仪器操作，会反思为什么要这么操作仪器。同样，在讲授仪器操作过程中，可以安排在虚拟实验室，学生对画面感等有视觉冲击的记忆会更深刻，配合老师的讲解，教学的效果比在传统教室更好，再配合一定的外业实操，能达到更好的教学效果。

2. 增强兴趣，增加互动，直观性强

虚拟可视环境下可以加深对仪器组成、内部结构直观认识，一套软件可以在多个仿真硬件平台上使用，为多个受训人员提供培训，虚拟实训互动的教学平台，能有效提升学生动手操作兴趣，强化对理论知识的理解和记忆，从主观上提高学生的学习效率。同样，在测量的组织实施中教师通常会碰到的一个问题是外业操作场地区域大，学生分组外业测量后无法有效快速实施。利用虚拟软件模拟外业场景时，可以放大、缩小和漫游场景，通过操作虚拟第一视角，实现在虚拟测区中的人机交互教学和漫游体验，瞬间消除因环境、设备等条件不足引起无法直观教学等教学难题。在虚拟平台上划分操作场地和人员分工，展示每一小组需要测量的内容，各组之间重叠的区域的处理等，能使学生从整体上确定自己小组的主要任务和测量区域，能快速地进行人员分工，这种虚拟场景辅助外业使组织有力，分工明确，教师指导有序进行，提高了效率，为应用型人才的培养打下坚实的基础。

（二）先虚拟训练后实践操作训练模式

1. 单兵训练模式

单兵训练模式主要是指单个人员通过虚拟训练平台的操作完成的操作训练。主要操作的内容有各种测量仪器的基本操作、仪器组装、软件的基本功能使用等科目。仪器的基本操作包括水准仪、经纬仪、全站仪、陀螺仪的安置、调平、瞄准目标、读数以及键盘的操作。有的单位配备无人机测绘，通过单兵训练也可以完成无人机的操作训练。通过单兵训练模式使学生达到熟悉仪器的基本操作方法，为后续实物操作打下基础。

2. 协同训练模式

协同训练模式是指多个操作人员通过虚拟训练平台协同操作共同完成一个训练科目的操作训练。在测量学、工程测量学和大地测量学课程的实习中，通常实习科目都需要多人协同完成，良好的组织和合理的分工是完成协同科目的基础，测绘的科目通常由三到四人组成，比如水准测量科目，有负责水准仪器操作人员、立尺人员和数据记录人员。小组人员可以轮流扮演不同角色，这样每名人员都可以熟悉所有流程和操作。通过协同训练模式使学生达到熟练掌握多人协同训练科目，为外业实践操作奠定基础。

四、结束语

借助虚拟训练平台，解决真实实验做不到或难做的，比如高危、高成本、高消耗、操作不可逆、大型设备等实验项目。虚拟训练平台辅助军队测绘类课程的优势有：先虚拟后实操，仪器安全性好，学员掌握了仪器基本操作和规范要求后，再进行实操训练，避免了操作不规范造成的故障，保证了仪器安全性。可以有效避免天气影响，教学计划有序进行，通过虚拟仿真教学系统的搭建，打破现实空间、时间、环境、资金等等客观因素的限制，教师能够轻松安排教学中所需的实践操作课程。结合部队应用，实现专项化训练，虚拟仿真教学软件的搭建实行军队院校和部队共同搭建、共同训练，实现从教学资源开发、实训基地建设、资源用上的共建共享，实现院校培养人才与部队无缝对接，实现真正意义上的“教为战、学为战”，以部队实战需求促进行业人才技能的提升，满足部队人才质量需求，降低部队培养人才的成本，提升服务部队能力。

参考文献：

[1]陈振杰，李满春，程亮，等.地球系统科学虚拟仿真实验研发[J].实验技术与管理，2020，37（3）：133-138.

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[3]王妮，刘玉婵，陈泰生，等.基于虚拟仿真技术的遥感技术应用课程教学方法研究[J].测绘与空间地理信息，2019，42（5）：4-7.

[4]梁月吉.基于虚拟仿真技术的工程测量学实验教学初探[J].中国教育技术装备，2017，22（11）：56-60.

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[6]刘月林，周国华，等.以实战化为导向的实践教学创新模式探究[J].高教学刊，2019（2）：22-24.

[7]刘军玉.虚拟现实技术在军队任职教育院校实践教学中的应用构想[J].高教学刊，2017（24）：96-101.

基金项目：中央军委训练管理部军事职业教育在线虚拟训练课程建设项目“某型导弹装填运输在线虚拟训练课程”（编号：2019101）

作者简介：康红霞（1980-），女，汉族，陕西榆林人，硕士，讲师，空军工程大学防空反导学院任教，独立主讲测量学课程教学十余年，研究方向：测绘、地面导航教学与科研。