基于云端的信息化測繪網絡教學平臺設計與開發

張 敏， 鄭 哲

（1.福建信息職業技術學院建筑工程學院，福州 350003；2.福建省地質測繪院，福州 350011）

0 引 言

隨著教育信息化工作的不斷推進，構建“網絡化、數字化、個性化、終身化”的教育體系，建設“人人皆學、處處能學、時時可學”的學習型社會［1-4］，推動形成基于信息技術的新型教育教學模式與教育服務供給方式，是教育現代化發展的內涵和建設思路。然而，當前測繪地理信息教育教學信息化發展存在瓶頸。①缺乏有效的信息化技術手段突破實踐教學條件限制。主要集中在：首先，測繪作為實踐性極強的工科課程，其教學體系安排中實踐課程占比大，需大量使用儀器設備，而受院校儀器不足、儀器維修成本高昂等實踐條件限制，造成學生實踐群體面小，無法惠及所有學生個體；其次，實踐教學場地單一，在應對不同工程領域的場景變化需求方面，極少數院校能夠建設滿足不同工程應用場景的實訓場所；此外，時空、氣象、疾病等不可控因素對實踐教學產生巨大影響，這也是疫情期間測繪學科實踐教學較難開展的根本原因。②缺乏有效的信息化技術手段完善實踐教學組織。主要集中在：首先，學生個體能力不同，單一的教學模式無法滿足差異化教學需求；其次，傳統教學存在理論與實踐的“兩層皮”現象，知行難合一，理論與實踐的過渡存在問題；此外，教師實踐指導面向的學生群體多、分散，難以有效監管學生個體、小組的實踐情況，實踐教學缺乏科學、合理的評價手段。

探索基于信息技術的教學改革方法成為測繪地理信息教育教學改革的重要思路和途徑。當前已有多所院校嘗試應用虛擬仿真技術來豐富教學手段、突破實踐教學條件限制，如河南理工大學運用3 ds Max 開發了水準儀模型［2］，并對其測量過程進行三維模擬；中國礦業大學基于Unity 3D 虛擬現實引擎進行全站儀虛擬仿真教學系統設計［3］及GNSS虛擬仿真教學系統設計；武漢大學設計實現地面數字化測圖模擬與仿真平臺［5-6］，并進一步建成測繪地理信息虛擬仿真實驗教學中心［7］；中南大學基于Quest3D 進行全站儀的虛擬仿真實驗設計［8］；遼寧工程技術大學實現DS3 型自動安平水準儀測繪儀器的三維可視化動態操作［9］；桂林理工大學開發了無人機攝影測量虛擬仿真教學系統［10］；太原理工大學構建虛擬的礦山測量學習環境，設計了井下測量虛擬仿真程序［11］；中國人民大學針對地籍測量建立三維虛擬仿真實驗教學體系［12］；南方測繪研發了數字測圖虛擬仿真系統［13］等。這些研究課題一定程度上促進測繪地理信息教育教學改革的發展，但技能點覆蓋不廣，教學深度不夠全面，僅局限在某一種儀器或者某一個工種領域，且僅在本科院校局部范圍內進行改革探索研究，并未形成可推廣、可復制的教學模式和手段。因此，本文提出了“互聯網+測繪”的教育改革思路，設計并研發基于云端的信息化測繪網絡教學平臺，既滿足線上虛擬仿真教學需求，又滿足線下真實實訓需求；既能滿足教師教學需求，又能滿足學生技能拓展訓練需求，建成“人人皆學、處處能學、時時可學”網絡學習空間。

1 網絡教學平臺架構與設計

1.1 平臺整體架構

如圖1 所示，平臺整體框架采用了層次化設計思想，以實現不同層次間的相互獨立性，保障系統的高度穩定性、實用性和可擴展性［14］。

圖1 網絡教學平臺架構

（1）基礎設施層。該層提供平臺操作系統、基本網絡操作等基礎軟件環境，以及提供平臺運行所依賴的計算機設施、服務器設施、網絡設施、安全設施等硬件環境。

（2）數據層。作為平臺的數據支撐，包括三維實景模型、儀器模型、教學資源等。

（3）服務層。該層為平臺的研發提供基礎平臺支撐，采用Web Service 集成框架技術，以松耦合方式依據Web Service 規范進行平臺模塊化開發，綜合應用JAVA、C#、VUE、H5 等語言實施應用開發。

（4）應用層。該層在平臺服務層的基礎上，面向用戶提供不同的應用，包括教學資源管理、虛擬仿真實驗、線下移動式實驗平臺、數據評分系統、教務綜合管理等。

（5）用戶層。該層系統的使用用戶，通過SAAS應用門戶訪問平臺。

除了上述五層架構外，還須建立相應的信息化技術標準、規范與信息管理制度體系，保證信息有序，防止信息管理混亂，使平臺建設和運作有章可循。

1.2 網絡教學平臺設計

如圖2 所示，基于云端的信息化測繪網絡教學平臺主要包含教學資源管理模塊、線上虛擬仿真實驗模塊、線下移動式實驗平臺、數據評分系統、教務綜合管理模塊，提供了教學資源應用、虛擬仿真實驗、線下實訓操作、智能評分、教務管理等功能。

圖2 網絡教學平臺功能模塊

1.2.1 教學資源管理

按照教學大綱，以虛擬化形式提供原理動畫、儀器構造、儀器使用、模擬讀數等大量碎片化教學資源，同時集成其他多種數據格式的教學資源，供師生在線教學使用（見圖3）。

圖3 網絡教學資源

1.2.2 線上虛擬仿真實驗

依據教學標準，考慮實訓教學的普適性，挑選水準測量、角度測量、導線測量、數字測圖、工程施工測量等30 個實驗項目，在腳本設計、場景、設備、操作虛擬化完成的基礎上，基于數據采集流程和規范，開發建設虛擬仿真實驗模塊，滿足學生的基本技能訓練和專業技能訓練需求（見圖4）。

圖4 線上虛擬仿真實驗項目

平臺支持虛擬實驗任務發布與管理、場景任意布設控制點等功能，能夠按照數據采集流程和規范進行虛擬化操作，在虛擬場景中進行人物驅動、行走、漫游，能夠進行儀器的準備、架設，能夠驅動儀器進行瞄準、觀測、數據采集，能夠記錄觀測數據并驅動場景進行下一步操作。同時平臺支持操作跟蹤，實時記錄技能錯誤點、統計數據采集情況，形成實驗操作記錄，并根據技能操作和數據采集情況，綜合評定仿真實驗成績。

1.2.3 線下移動式實驗平臺

線下提倡“無紙化”實踐教學模式，于移動端配套開發建設符合教學標準、企業生產流程的電子手簿及其相應的管理體系，實現線上線下一體化教學（見圖5）。

圖5 線下移動式實驗平臺

線下移動式實驗平臺同步匹配建設30 個實驗項目，平臺支持實驗任務發布、學生分組、控制點管理、成績評定等管理功能。教師根據教學進程安排，完成虛擬仿真實驗教學后，即可發布相應的線下實驗項目。學生在移動端接收到教師發布的實驗任務，打開電子手簿開始數據記錄、計算、成果整理、成果提交。平臺同樣能夠實時統計數據采集情況，形成數據采集記錄，并可根據設定的實驗評價方式、成績組成，按照一定的權重比例，綜合評定實驗成績，從而構建科學、合理的評價方式。

1.2.4 數據智能評分

無論是線上虛擬仿真實驗教學，還是線下移動式實驗平臺均建設數據智能評分系統，對學生的每一次操作進行跟蹤記錄，同時結合職業技能大賽相關賽事，考慮教學中的實際需求，開發建設二等水準和數字測圖智能評測系統。系統能夠支持現場評分，允許制定評分規則，根據評分規則對數據采集情況或繪圖情況進行智能評分，改變傳統人工判分耗時、耗力的情況，提高評分效率（見圖6）。

1.2.5 教務綜合管理

基于教學管理需求開發集日常教務管理（包含教師管理、班級管理、學生管理、課程管理、作業管理、題庫管理、試卷管理、成績管理等）和考試考核于一體的綜合性教學管理系統（見圖7）。

圖7 教務綜合管理

2 網絡教學平臺開發的關鍵技術

2.1 數據環境建構技術

應用傾斜攝影、激光三維掃描等三維實景技術和儀器建模技術進行底層數據環境建構。其中三維實景技術指采用空地聯合技術，結合傾斜攝影測量、激光三維掃描的方式構建真實的三維場景模型，亦稱三維實景模型。即通過無人機、手持掃描儀、相機等采集設備，根據多個角度采集的帶有數學基礎的影像信息、不同傾角相機之間的相對位置關系的描述文件、下視影像的外方位元素、像控點成果等進行區域網平差求解所有影像的外方位元素，再根據兩張相片攝影中心點之間的位置關系逐一在范圍內進行像對點云匹配、合并，根據合并后的點云文件創建三維模型。應用LOD技術創建紋理細節層次［15］，并根據視點遠近自動進行紋理映射，自動生成高精度、高分辨率、帶有真實紋理的實景三維模型。

儀器建模則按照1∶1比例進行實體建模，建模前總結出不同類型儀器的主要部件及主要的軸線關系，確定不同模型的制作要點和注意事項，并拍攝整體及部件照片，分別處理成Front、Side、Top 3 個視圖，在Maya軟件中嚴格按照模型尺寸，綜合運用Nurbs 建模、Polygon 建模方法進行儀器三維模型構建，再賦以真實的儀器紋理、材質，經渲染構建出1∶1的真實儀器模型。

2.2 實驗項目的虛擬化設計

應用Unity3D技術，在規范的數據采集流程基礎上，進行30 個虛擬仿真實驗教學設計。在整合圖形引擎、物理引擎、碰撞引擎、腳本引擎、藝術資源管理等多個引擎完成實驗項目虛擬化設計的基礎上，在虛擬場景中通過VUE進行數據表格記錄，采用Beetl 模板引擎，實現響應的數據綁定，將表格與模型驅動、設備操作、數據采集虛擬化等操作串聯在一起，使得沉浸式、感知式的測繪教學環境應用成為可能，構筑起虛擬化的實驗環境，打破硬件限制、時空限制、場地限制等，豐富教學應用場景。

2.3 自主性底層框架結構設計

以松耦合方式進行模塊化開發，采用Spring Boot 3 層架構，以Spring Boot 2 為基礎進行底層框架結構設計，共有表示層-業務層-訪問層，表示層負責對用戶的請求接受、數據返回，為客戶端提供應用程序的訪問；業務層負責對數據層的操作；數據訪問層完成對各個數據文件的操作。

2.4 分布式虛擬現實技術

采用SAAS 部署模式，其系統分層是：租戶識別＞應用層＞虛擬機層＞服務器層＞基礎設施層。通過SAAS 服務提供商的統一平臺租用服務，SAAS 服務提供商在基礎設施提供商的云數據中心部署SAAS 軟件的虛擬機及其之間的通信網絡，SAAS 軟件則在虛擬機上進行部署、組織和管理，每個虛擬機包含預安裝、預配置的操作系統、中間件和應用構件。通過SAAS部署模式多個用戶通過計算機網絡連接在一起，同時共享一個虛擬空間環境，共同體驗虛擬經歷［16］，多個用戶可通過網絡對同一虛擬世界進行觀察和操作，從而實現分布式虛擬現實。

3 網絡教學平臺建設成效

（1）線上虛擬仿真教學突破測繪學科實踐教學條件限制。采用Unity3D技術整合多個引擎解決測量設備模型的虛擬化、測量場景的虛擬化、儀器設備控制的虛擬化、測量觀測的虛擬化、數據采集的虛擬化，基于規范的數據采集流程進行30 個虛擬實驗的設計與研發，打造沉浸式、感知式、人機交互式的虛擬實驗場景。

（2）線下移動式實驗平臺改善教學組織與管理。應用異構集成技術，建成適配全機型的線下移動式實驗平臺，平臺同步對接30 個實驗教學內容，按照規范要求和實驗流程分別設計并研發電子手簿，實現實踐環節的全過程監管，即教師發布實驗任務，學生進入實驗，應用研發的電子手簿進行數據采集、計算、平差、成果整理，成果提交反饋至后臺，后臺實時評分，并將學習記錄結果反饋至教師，由教師根據學習記錄對學生進行針對性指導，從而解決傳統實踐教學組織不良、學生監管不到位的問題。

（3）教學跟蹤評價構建科學合理的評價方式。根據教學評價內容和組成要素，設計并研發實現了教學跟蹤評價體系，全面跟蹤不同階段學生的學習記錄，尤其是針對線上虛擬仿真實驗、線下實驗對學生的技能操作錯誤點進行統計分析，形成個性化的學習記錄。研究設計評分規則、評分模式建立快速高效的評價體系，通過權重配比設計、評分主體設計，構建科學合理的教學評價生態。

（4）基于云端的分布式技術突破時空限制。基于SAAS部署模式實現了基于云端的分布式網絡教學，多個用戶通過網絡對平臺、虛擬世界進行訪問、觀察和操作，由此構建網絡可訪問、設備可驅動、數據可采集、記錄可跟蹤、教學可評價的信息化測繪網絡教學平臺，實現“人人皆學、處處能學、時時可學”的教學目標。

4 結 語

本文提出建構的基于云端的信息化測繪網絡教學平臺，是基于“互聯網+測繪”的模式建設而成的網絡學習空間，有效解決了測繪學科實踐教學場地和設備的限制、改善了實踐教學的組織和管理，為后疫情時代測繪學科同類課程的實踐教學提供方案和思路。目前該平臺已應用于福建信息職業技術學院、黃河水利職業技術學院等多所院校，為院校的測繪實踐教學提供服務，實踐教學效果顯著，院校均對平臺給予高度評價。