網(wǎng)絡(luò)虛擬測(cè)繪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在測(cè)繪類課程教學(xué)中的應(yīng)用探討

楊曉云 鄭曉龍 仲啟媛 何恒

摘 要：測(cè)繪課程具有極強(qiáng)的實(shí)踐性、應(yīng)用性和工程性，實(shí)踐教學(xué)是教學(xué)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。虛擬測(cè)繪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了一個(gè)具有網(wǎng)上演示教學(xué)、網(wǎng)上訓(xùn)練、網(wǎng)上實(shí)踐指導(dǎo)和網(wǎng)上操作考核的教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪類課程的網(wǎng)上實(shí)踐訓(xùn)練，便于學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，教學(xué)效果較好。該系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用為測(cè)繪類課程以及其他對(duì)儀器操作技能要求較高的課程開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和教學(xué)改革提供了新思路。

關(guān)鍵詞：VRML；虛擬現(xiàn)實(shí)；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、測(cè)繪類課程教學(xué)特點(diǎn)及面臨的現(xiàn)狀

測(cè)繪類課程的教學(xué)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性、應(yīng)用性和工程性。學(xué)生不僅需要掌握測(cè)繪理論知識(shí)，還需要熟練掌握測(cè)繪儀器操作技巧，并且能夠快速、熟練、獨(dú)立地完成野外測(cè)量任務(wù)。當(dāng)前測(cè)繪課程的教學(xué)主要采取室內(nèi)理論教學(xué)和室外實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式。教師在野外教學(xué)中向?qū)W生演示測(cè)繪儀器的基本操作流程，學(xué)生再進(jìn)行操作訓(xùn)練。由于學(xué)時(shí)數(shù)和教學(xué)條件的限制，學(xué)生進(jìn)行儀器操作訓(xùn)練的時(shí)間短、儀器少，且大多要求在課內(nèi)完成，課后很少開(kāi)展儀器操作訓(xùn)練，不利于學(xué)生操作技能的提高，而且應(yīng)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(xué)資源可以在互聯(lián)網(wǎng)上共享。對(duì)于測(cè)繪類課程的儀器操作與訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容如何在互聯(lián)網(wǎng)上展現(xiàn)是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。如果采用傳統(tǒng)的圖片、動(dòng)畫、視頻、文字來(lái)展現(xiàn)操作訓(xùn)練，則不能夠生動(dòng)、真實(shí)的展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容。將學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，鼓勵(lì)學(xué)生自主完成學(xué)習(xí)內(nèi)容是當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)教育的主要教學(xué)手段。采用什么樣的教學(xué)平臺(tái)能夠讓學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行測(cè)繪儀器的操作訓(xùn)練是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

本文認(rèn)為對(duì)于測(cè)繪類課程的教學(xué)，需要提供一種具有三維場(chǎng)景展示、能夠給學(xué)習(xí)者提供交互方式，即讓使用者能夠在場(chǎng)景中自如地使用測(cè)繪儀器的教學(xué)平臺(tái)是解決以上問(wèn)題的有效方法。

二、虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與測(cè)繪類課程結(jié)合的優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支。它用計(jì)算機(jī)模擬的三維環(huán)境對(duì)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境進(jìn)行仿真，瀏覽者可以走進(jìn)這個(gè)環(huán)境，控制瀏覽方向，并操縱場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行人機(jī)交互。目前，世界上很多發(fā)達(dá)國(guó)家在軍事、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域，已開(kāi)始廣泛應(yīng)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(yíng)造了虛擬環(huán)境，并在Web網(wǎng)上創(chuàng)建了一個(gè)可導(dǎo)航的、超鏈接的三維虛擬現(xiàn)實(shí)空間。該技術(shù)適合于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以登陸虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并且能夠交互使用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的三維儀器模型，開(kāi)展虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練。

利用虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)虛擬測(cè)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(cè)繪類課程的教學(xué)模式，開(kāi)創(chuàng)一種全新的、信息化的現(xiàn)代教學(xué)模式。將虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與測(cè)繪類課程結(jié)合具有很多優(yōu)勢(shì)，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(xué)者對(duì)于測(cè)繪儀器有最基本的感知，學(xué)生能夠在網(wǎng)絡(luò)上操作虛擬儀器，進(jìn)行儀器操作訓(xùn)練。該系統(tǒng)解決了測(cè)繪類課程教學(xué)中學(xué)生自主進(jìn)行儀器操作訓(xùn)練的需求。

二是提高學(xué)習(xí)效率。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。學(xué)生通過(guò)校園網(wǎng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這種學(xué)習(xí)方式不受時(shí)間和空間的限制。

三是有利于優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以向其它學(xué)校開(kāi)放，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可讓更多的人登錄到網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。隨著信息化的飛速發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)測(cè)繪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以為更多對(duì)測(cè)繪知識(shí)感興趣的人提供便利的學(xué)習(xí)平臺(tái)。

三、虛擬測(cè)繪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

虛擬測(cè)繪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要具有模擬儀器操作的各項(xiàng)功能，主要包括：電子經(jīng)緯儀進(jìn)行室內(nèi)室外測(cè)量工作、GPS接收機(jī)室外測(cè)量工作、重力儀室外室內(nèi)測(cè)量工作。針對(duì)室內(nèi)外不同的測(cè)量任務(wù)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了室內(nèi)和室外兩種不同的測(cè)量環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)虛擬測(cè)繪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還包括測(cè)繪儀器和教學(xué)資源。

（一）網(wǎng)絡(luò)虛擬測(cè)繪實(shí)驗(yàn)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(cè)繪儀器操作訓(xùn)練的各種訓(xùn)練，需要和教材的每一章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容相對(duì)應(yīng)。

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(yùn)行。

3.通用性要好

開(kāi)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(chǎng)景中使用。由于軟件中的虛擬模型較多，需要構(gòu)建一個(gè)虛擬儀器庫(kù)，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(chǎng)景中應(yīng)用和增加各種新儀器模型。

4.運(yùn)行性好

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

（二）測(cè)量室內(nèi)外環(huán)境和虛擬儀器構(gòu)建

1.測(cè)量室內(nèi)外環(huán)境構(gòu)建

測(cè)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(xué)生進(jìn)行虛擬室內(nèi)測(cè)量訓(xùn)練提供教學(xué)環(huán)境。測(cè)量室外環(huán)境包含天空、地形、測(cè)繪場(chǎng)坪以及室外的樹(shù)木等。它主要為學(xué)生進(jìn)行虛擬室外測(cè)量訓(xùn)練提供教學(xué)環(huán)境。

2.虛擬測(cè)繪儀器構(gòu)建

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

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)境和虛擬測(cè)繪儀器都是采用VRML和3DS MAX，分別創(chuàng)建出各個(gè)模塊的三維模型，再將各個(gè)獨(dú)立模塊組合在一起，最終創(chuàng)建出虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。學(xué)生可以將測(cè)量?jī)x器擺放在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作訓(xùn)練。在室內(nèi)可開(kāi)展地籍測(cè)量、重力測(cè)量等；在室外可開(kāi)展GPS衛(wèi)星大地測(cè)量、天文測(cè)量、導(dǎo)線測(cè)量、道路施工放樣、重力測(cè)量等。具體見(jiàn)圖1、圖2。

實(shí)驗(yàn)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(jī)等。圖3是虛擬測(cè)繪儀器效果圖，圖4展示了GPS接收機(jī)虛擬模型。學(xué)生可以通過(guò)GPS接收機(jī)儀器界面按鍵操作接收機(jī)，如接收機(jī)的啟動(dòng)、接收數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等。接收機(jī)的指示燈也和真實(shí)儀器指示燈相同，進(jìn)行閃爍、燈亮或燈熄滅等，學(xué)生可以通過(guò)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(xué)生可以通過(guò)鼠標(biāo)左鍵按下并拖動(dòng)電子經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡，完成望遠(yuǎn)鏡的水平旋轉(zhuǎn)和垂直俯仰。在測(cè)量時(shí)，學(xué)生通過(guò)操作望遠(yuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)使得望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)觀測(cè)目標(biāo)。虛擬電子經(jīng)緯儀還包含虛擬操作面板，見(jiàn)圖6。學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作面板的按鍵，面板的屏幕會(huì)顯示相應(yīng)的操作視圖。該虛擬儀器操作面板是根據(jù)真實(shí)儀器的操作面板制作。學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊儀器面板和通過(guò)鼠標(biāo)控制望遠(yuǎn)鏡找準(zhǔn)觀測(cè)目標(biāo)，從而完成電子經(jīng)緯儀的操作訓(xùn)練。

（三）教育資源數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)虛擬測(cè)繪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅僅為學(xué)生提供測(cè)繪儀器展示和操作的教學(xué)環(huán)境，同時(shí)，它還包含電子教程，教學(xué)視頻以及提供電子教程下載、虛擬測(cè)繪模型下載以及資料查詢等功能，使初學(xué)者可以獲得更多教學(xué)資源和學(xué)習(xí)資料。網(wǎng)絡(luò)虛擬測(cè)繪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如同一個(gè)教育資源數(shù)據(jù)庫(kù)，它能有效地整合各種學(xué)習(xí)資料，發(fā)揮各種教育資源優(yōu)勢(shì)。

（四）在測(cè)繪類課程教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬測(cè)繪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在測(cè)繪類課程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在六個(gè)方面：

1.開(kāi)展網(wǎng)上授課專欄

教師將錄制的教學(xué)視頻上傳到服務(wù)器，學(xué)生可以在線觀看教學(xué)視頻。授課內(nèi)容與電子教材內(nèi)容相對(duì)應(yīng)，并且電子教材也可下載，這樣可以讓更多學(xué)生自主學(xué)習(xí)課程。

2.可進(jìn)行虛擬儀器操作使用

學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，通過(guò)鼠標(biāo)可以選擇需要學(xué)習(xí)的儀器，并可通過(guò)儀器模擬操作面板練習(xí)儀器的使用操作流程。學(xué)生還可以在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)室內(nèi)測(cè)量間和室外測(cè)量場(chǎng)坪進(jìn)行虛擬測(cè)量練習(xí)。

3.增加實(shí)驗(yàn)習(xí)題

為了更加鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)效果，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)站還增加了實(shí)驗(yàn)習(xí)題，便于學(xué)生自主選擇進(jìn)行網(wǎng)上答題和網(wǎng)上實(shí)踐操作。

4.增加設(shè)計(jì)性、工程性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

測(cè)量類課程具有很多工程性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。教師設(shè)計(jì)一些具有工程性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可在虛擬室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行測(cè)量設(shè)計(jì)如測(cè)量點(diǎn)位的選取和制定測(cè)量計(jì)劃方案，并上傳設(shè)計(jì)結(jié)果。

5.具有網(wǎng)上完成作業(yè)和考試功能

參與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的學(xué)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(biāo)準(zhǔn)答案給出分?jǐn)?shù)。

6.具有課后留言提問(wèn)和解答功能

針對(duì)學(xué)生需要解答的問(wèn)題網(wǎng)站還設(shè)置了交流專區(qū)，便于學(xué)生提問(wèn)和教師答疑。

（五）虛擬測(cè)繪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在教學(xué)應(yīng)用中的改進(jìn)與完善

通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，我們?cè)谠虚_(kāi)發(fā)的系統(tǒng)基礎(chǔ)之上還做了一些改進(jìn)。這些改進(jìn)都是結(jié)合教學(xué)應(yīng)用中出現(xiàn)的一些實(shí)際問(wèn)題而采取的措施。

1.改進(jìn)三維虛擬儀器模型

首先根據(jù)學(xué)生的反饋，改進(jìn)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(dòng)。例如電子經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡，原先設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有顧考慮到操作者的使用情況不能夠活動(dòng)，而在實(shí)際使用過(guò)程中望遠(yuǎn)鏡需要根據(jù)觀測(cè)目標(biāo)的方位角和俯仰角進(jìn)行調(diào)整，操作者需要瞄準(zhǔn)觀測(cè)目標(biāo)。因此，改進(jìn)了電子經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡，使得學(xué)生能夠通過(guò)鼠標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡使其瞄準(zhǔn)觀測(cè)目標(biāo)。在設(shè)計(jì)GPS接收機(jī)的控制面板時(shí)，設(shè)計(jì)了會(huì)發(fā)光的指示燈，使得學(xué)生在使用鼠標(biāo)按動(dòng)GPS操作面板的按鍵時(shí)能夠觀察到和使用真實(shí)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(shí)際儀器工作狀態(tài)的設(shè)計(jì)更加有利于學(xué)生掌握儀器的操作使用。實(shí)踐表明，一個(gè)成功的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能逼真的模擬真實(shí)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(xùn)練系統(tǒng)

由于使用系統(tǒng)的學(xué)生來(lái)源較多，需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行分類，分類原則是學(xué)生是否已具備一定測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)，以及是否是本專業(yè)的學(xué)生。對(duì)于具有一定專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的本專業(yè)學(xué)生，可以使用虛擬訓(xùn)練加強(qiáng)版；針對(duì)非本專業(yè)的學(xué)生，可以使用虛擬訓(xùn)練基礎(chǔ)版，它比虛擬訓(xùn)練加強(qiáng)版增加了網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)課程的選修和自學(xué)電子教材等。

3.建設(shè)專業(yè)系統(tǒng)維護(hù)團(tuán)隊(duì)

網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的維護(hù)需要有專業(yè)的團(tuán)隊(duì)。系統(tǒng)管理人員需要經(jīng)常更新網(wǎng)上教學(xué)資源，開(kāi)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(xué)生易犯的錯(cuò)誤和不懂的知識(shí)環(huán)節(jié)增加理論教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

四、結(jié)語(yǔ)

虛擬測(cè)繪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了一個(gè)具有網(wǎng)上演示教學(xué)、網(wǎng)上訓(xùn)練、網(wǎng)上實(shí)踐指導(dǎo)和網(wǎng)上操作考核的教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪類課程的網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練功能，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在測(cè)繪類課程教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用。該系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用不僅為測(cè)繪類課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的開(kāi)展和教學(xué)改革提供了新思路，也為其它對(duì)儀器操作技能培訓(xùn)要求較高的課程教學(xué)提供了良好的借鑒和改革思路。

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