網(wǎng)絡虛擬測繪實驗系統(tǒng)在測繪類課程教學中的應用探討

楊曉云 鄭曉龍 仲啟媛 何恒

摘 要：測繪課程具有極強的實踐性、應用性和工程性，實踐教學是教學中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。虛擬測繪實驗系統(tǒng)提供了一個具有網(wǎng)上演示教學、網(wǎng)上訓練、網(wǎng)上實踐指導和網(wǎng)上操作考核的教學平臺，實現(xiàn)了測繪類課程的網(wǎng)上實踐訓練，便于學生課外自主學習，增強了學生的動手能力，調(diào)動了學生學習積極性，教學效果較好。該系統(tǒng)的構(gòu)建與應用為測繪類課程以及其他對儀器操作技能要求較高的課程開展網(wǎng)絡教學和教學改革提供了新思路。

關(guān)鍵詞：VRML；虛擬現(xiàn)實；網(wǎng)絡教學；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

一、測繪類課程教學特點及面臨的現(xiàn)狀

測繪類課程的教學具有很強的實踐性、應用性和工程性。學生不僅需要掌握測繪理論知識，還需要熟練掌握測繪儀器操作技巧，并且能夠快速、熟練、獨立地完成野外測量任務。當前測繪課程的教學主要采取室內(nèi)理論教學和室外實踐教學相結(jié)合的教學模式。教師在野外教學中向?qū)W生演示測繪儀器的基本操作流程，學生再進行操作訓練。由于學時數(shù)和教學條件的限制，學生進行儀器操作訓練的時間短、儀器少，且大多要求在課內(nèi)完成，課后很少開展儀器操作訓練，不利于學生操作技能的提高，而且應用能力也很難有較大提升。

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，更多的教學資源可以在互聯(lián)網(wǎng)上共享。對于測繪類課程的儀器操作與訓練教學內(nèi)容如何在互聯(lián)網(wǎng)上展現(xiàn)是一個值得探討的問題。如果采用傳統(tǒng)的圖片、動畫、視頻、文字來展現(xiàn)操作訓練，則不能夠生動、真實的展現(xiàn)教學內(nèi)容。將學生作為學習主體，鼓勵學生自主完成學習內(nèi)容是當前互聯(lián)網(wǎng)教育的主要教學手段。采用什么樣的教學平臺能夠讓學生通過互聯(lián)網(wǎng)進行測繪儀器的操作訓練是一個關(guān)鍵問題。

本文認為對于測繪類課程的教學，需要提供一種具有三維場景展示、能夠給學習者提供交互方式，即讓使用者能夠在場景中自如地使用測繪儀器的教學平臺是解決以上問題的有效方法。

二、虛擬仿真網(wǎng)絡技術(shù)與測繪類課程結(jié)合的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個信息技術(shù)分支。它用計算機模擬的三維環(huán)境對現(xiàn)場真實環(huán)境進行仿真，瀏覽者可以走進這個環(huán)境，控制瀏覽方向，并操縱場景中的對象進行人機交互。目前，世界上很多發(fā)達國家在軍事、經(jīng)濟等領(lǐng)域，已開始廣泛應用這種高新技術(shù)，并獲得了顯著的綜合效益。VRML （Virtual Reality Language） 使得Internet從平面世界走向三維立體世界，它在Internet上營造了虛擬環(huán)境，并在Web網(wǎng)上創(chuàng)建了一個可導航的、超鏈接的三維虛擬現(xiàn)實空間。該技術(shù)適合于構(gòu)建網(wǎng)絡虛擬教學系統(tǒng)，學生通過網(wǎng)絡可以登陸虛擬實驗系統(tǒng)，并且能夠交互使用實驗系統(tǒng)的三維儀器模型，開展虛擬網(wǎng)絡實驗和訓練。

利用虛擬仿真網(wǎng)絡技術(shù)開發(fā)虛擬測繪系統(tǒng)并將其發(fā)布在校園網(wǎng)（或互聯(lián)網(wǎng)）上，將改變傳統(tǒng)的測繪類課程的教學模式，開創(chuàng)一種全新的、信息化的現(xiàn)代教學模式。將虛擬仿真網(wǎng)絡技術(shù)與測繪類課程結(jié)合具有很多優(yōu)勢，具體如下：

一是能夠?qū)崿F(xiàn)資源的優(yōu)化配置。在節(jié)約建設(shè)成本的基礎(chǔ)上，讓初學者對于測繪儀器有最基本的感知，學生能夠在網(wǎng)絡上操作虛擬儀器，進行儀器操作訓練。該系統(tǒng)解決了測繪類課程教學中學生自主進行儀器操作訓練的需求。

二是提高學習效率。網(wǎng)絡實驗系統(tǒng)便于學生自主學習，提高學習效率，調(diào)動了學生學習的積極性。學生通過校園網(wǎng)進入網(wǎng)絡實驗系統(tǒng)，這種學習方式不受時間和空間的限制。

三是有利于優(yōu)質(zhì)教學資源的共享。網(wǎng)絡實驗系統(tǒng)可以向其它學校開放，通過互聯(lián)網(wǎng)可讓更多的人登錄到網(wǎng)絡實驗系統(tǒng)。隨著信息化的飛速發(fā)展，虛擬實驗測繪實驗系統(tǒng)可以為更多對測繪知識感興趣的人提供便利的學習平臺。

三、虛擬測繪實驗系統(tǒng)

虛擬測繪實驗系統(tǒng)需要具有模擬儀器操作的各項功能，主要包括：電子經(jīng)緯儀進行室內(nèi)室外測量工作、GPS接收機室外測量工作、重力儀室外室內(nèi)測量工作。針對室內(nèi)外不同的測量任務，該系統(tǒng)設(shè)計了室內(nèi)和室外兩種不同的測量環(huán)境，網(wǎng)絡虛擬測繪實驗系統(tǒng)還包括測繪儀器和教學資源。

（一）網(wǎng)絡虛擬測繪實驗系統(tǒng)的建設(shè)要求

1.緊密結(jié)合教材

要能夠結(jié)合教材完成測繪儀器操作訓練的各種訓練，需要和教材的每一章節(jié)的教學內(nèi)容相對應。

2.能夠共享

為了方便教育資源的傳播和共享，軟件要能夠在互聯(lián)網(wǎng)上運行。

3.通用性要好

開發(fā)的虛擬儀器模型采用3DMAX軟件構(gòu)建并且這些虛擬儀器可以在不同的場景中使用。由于軟件中的虛擬模型較多，需要構(gòu)建一個虛擬儀器庫，統(tǒng)一管理這些虛擬儀器，以便這些虛擬儀器可在不同的虛擬場景中應用和增加各種新儀器模型。

4.運行性好

為了使得軟件能夠在互聯(lián)網(wǎng)上流暢的運行，需要考慮到所構(gòu)建場景的數(shù)據(jù)量不能夠太大，因此本軟件使用VRML語言將所構(gòu)建的虛擬儀器集成在每一個虛擬場景中。

（二）測量室內(nèi)外環(huán)境和虛擬儀器構(gòu)建

1.測量室內(nèi)外環(huán)境構(gòu)建

測量室內(nèi)環(huán)境包含室內(nèi)建筑和室內(nèi)附屬設(shè)施，如桌、門、窗等。它主要為學生進行虛擬室內(nèi)測量訓練提供教學環(huán)境。測量室外環(huán)境包含天空、地形、測繪場坪以及室外的樹木等。它主要為學生進行虛擬室外測量訓練提供教學環(huán)境。

2.虛擬測繪儀器構(gòu)建

虛擬測繪儀器主要有電子經(jīng)緯儀、雙頻GPS接收機、重力儀、儀器腳架和棱鏡等。

實驗系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)境和虛擬測繪儀器都是采用VRML和3DS MAX，分別創(chuàng)建出各個模塊的三維模型，再將各個獨立模塊組合在一起，最終創(chuàng)建出虛擬實驗系統(tǒng)。學生可以將測量儀器擺放在虛擬環(huán)境中進行操作訓練。在室內(nèi)可開展地籍測量、重力測量等；在室外可開展GPS衛(wèi)星大地測量、天文測量、導線測量、道路施工放樣、重力測量等。具體見圖1、圖2。

實驗系統(tǒng)主要包含的虛擬儀器有電子經(jīng)緯儀、重力儀、GPS接收機等。圖3是虛擬測繪儀器效果圖，圖4展示了GPS接收機虛擬模型。學生可以通過GPS接收機儀器界面按鍵操作接收機，如接收機的啟動、接收數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)等。接收機的指示燈也和真實儀器指示燈相同，進行閃爍、燈亮或燈熄滅等，學生可以通過指示燈的狀態(tài)了解儀器的工作狀態(tài)。

圖5展示了電子經(jīng)緯儀虛擬模型。學生可以通過鼠標左鍵按下并拖動電子經(jīng)緯儀的望遠鏡，完成望遠鏡的水平旋轉(zhuǎn)和垂直俯仰。在測量時，學生通過操作望遠鏡的轉(zhuǎn)動使得望遠鏡瞄準觀測目標。虛擬電子經(jīng)緯儀還包含虛擬操作面板，見圖6。學生通過鼠標點擊操作面板的按鍵，面板的屏幕會顯示相應的操作視圖。該虛擬儀器操作面板是根據(jù)真實儀器的操作面板制作。學生通過鼠標點擊儀器面板和通過鼠標控制望遠鏡找準觀測目標，從而完成電子經(jīng)緯儀的操作訓練。

（三）教育資源數(shù)據(jù)庫的建設(shè)

網(wǎng)絡虛擬測繪實驗系統(tǒng)不僅僅為學生提供測繪儀器展示和操作的教學環(huán)境，同時，它還包含電子教程，教學視頻以及提供電子教程下載、虛擬測繪模型下載以及資料查詢等功能，使初學者可以獲得更多教學資源和學習資料。網(wǎng)絡虛擬測繪實驗系統(tǒng)如同一個教育資源數(shù)據(jù)庫，它能有效地整合各種學習資料，發(fā)揮各種教育資源優(yōu)勢。

（四）在測繪類課程教學中的應用

虛擬測繪實驗系統(tǒng)在測繪類課程中的應用主要體現(xiàn)在六個方面：

1.開展網(wǎng)上授課專欄

教師將錄制的教學視頻上傳到服務器，學生可以在線觀看教學視頻。授課內(nèi)容與電子教材內(nèi)容相對應，并且電子教材也可下載，這樣可以讓更多學生自主學習課程。

2.可進行虛擬儀器操作使用

學生進入虛擬實驗系統(tǒng)后，通過鼠標可以選擇需要學習的儀器，并可通過儀器模擬操作面板練習儀器的使用操作流程。學生還可以在實驗系統(tǒng)室內(nèi)測量間和室外測量場坪進行虛擬測量練習。

3.增加實驗習題

為了更加鞏固學生學習效果，虛擬實驗系統(tǒng)網(wǎng)站還增加了實驗習題，便于學生自主選擇進行網(wǎng)上答題和網(wǎng)上實踐操作。

4.增加設(shè)計性、工程性實驗設(shè)計

測量類課程具有很多工程性、設(shè)計性的實驗。教師設(shè)計一些具有工程性的實驗項目，學生可在虛擬室內(nèi)外環(huán)境進行測量設(shè)計如測量點位的選取和制定測量計劃方案，并上傳設(shè)計結(jié)果。

5.具有網(wǎng)上完成作業(yè)和考試功能

參與網(wǎng)絡教學的學生可以自主完成網(wǎng)上的作業(yè)以及考試，系統(tǒng)根據(jù)標準答案給出分數(shù)。

6.具有課后留言提問和解答功能

針對學生需要解答的問題網(wǎng)站還設(shè)置了交流專區(qū)，便于學生提問和教師答疑。

（五）虛擬測繪實驗系統(tǒng)在教學應用中的改進與完善

通過虛擬實驗系統(tǒng)的實際應用，我們在原有開發(fā)的系統(tǒng)基礎(chǔ)之上還做了一些改進。這些改進都是結(jié)合教學應用中出現(xiàn)的一些實際問題而采取的措施。

1.改進三維虛擬儀器模型

首先根據(jù)學生的反饋，改進了系統(tǒng)中的三維虛擬儀器模型，主要是所構(gòu)建的三維虛擬儀器的部分組件要能夠根據(jù)操作者的使用而可以活動。例如電子經(jīng)緯儀的望遠鏡，原先設(shè)計時沒有顧考慮到操作者的使用情況不能夠活動，而在實際使用過程中望遠鏡需要根據(jù)觀測目標的方位角和俯仰角進行調(diào)整，操作者需要瞄準觀測目標。因此，改進了電子經(jīng)緯儀的望遠鏡，使得學生能夠通過鼠標轉(zhuǎn)動望遠鏡使其瞄準觀測目標。在設(shè)計GPS接收機的控制面板時，設(shè)計了會發(fā)光的指示燈，使得學生在使用鼠標按動GPS操作面板的按鍵時能夠觀察到和使用真實儀器一樣的儀器狀態(tài)，即指示燈采用不同的顏色閃爍或熄滅。這種盡可能貼近實際儀器工作狀態(tài)的設(shè)計更加有利于學生掌握儀器的操作使用。實踐表明，一個成功的虛擬實驗系統(tǒng)，在設(shè)計時要盡可能逼真的模擬真實儀器和具有儀器的各種操作功能，以及展現(xiàn)儀器工作的各種狀態(tài)指示。

2.設(shè)定雙版虛擬訓練系統(tǒng)

由于使用系統(tǒng)的學生來源較多，需要對學生進行分類，分類原則是學生是否已具備一定測量基礎(chǔ)知識，以及是否是本專業(yè)的學生。對于具有一定專業(yè)基礎(chǔ)知識的本專業(yè)學生，可以使用虛擬訓練加強版；針對非本專業(yè)的學生，可以使用虛擬訓練基礎(chǔ)版，它比虛擬訓練加強版增加了網(wǎng)絡視頻教學課程的選修和自學電子教材等。

3.建設(shè)專業(yè)系統(tǒng)維護團隊

網(wǎng)絡實驗系統(tǒng)的維護需要有專業(yè)的團隊。系統(tǒng)管理人員需要經(jīng)常更新網(wǎng)上教學資源，開展網(wǎng)上答疑和網(wǎng)上批改作業(yè)以及分析網(wǎng)上考試結(jié)果，并根據(jù)學生易犯的錯誤和不懂的知識環(huán)節(jié)增加理論教學內(nèi)容，加強學生對知識的理解。

四、結(jié)語

虛擬測繪實驗系統(tǒng)提供了一個具有網(wǎng)上演示教學、網(wǎng)上訓練、網(wǎng)上實踐指導和網(wǎng)上操作考核的教學平臺，實現(xiàn)了測繪類課程的網(wǎng)上實驗訓練功能，增強了學生的動手能力，調(diào)動了學生的學習積極性，在測繪類課程教學中發(fā)揮了重要的作用。該系統(tǒng)的構(gòu)建與應用不僅為測繪類課程網(wǎng)絡教學的開展和教學改革提供了新思路，也為其它對儀器操作技能培訓要求較高的課程教學提供了良好的借鑒和改革思路。

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