網絡虛擬測繪實驗系統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節。虛擬測繪實驗系統提供了一個具有網上演示教學、網上訓練、網上實踐指導和網上操作考核的教學平臺，實現了測繪類課程的網上實踐訓練，便于學生課外自主學習，增強了學生的動手能力，調動了學生學習積極性，教學效果較好。該系統的構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絡教學和教學改革提供了新思路。

關鍵詞：VRML；虛擬現實；網絡教學；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理論教學和室外實踐教學相結合的教學模式。教師在野外教學中向學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。

隨著信息化技術的發展，更多的教學資源可以在互聯網上共享。對于測繪類課程的儀器操作與訓練教學內容如何在互聯網上展現是一個值得探討的問題。如果采用傳統的圖片、動畫、視頻、文字來展現操作訓練，則不能夠生動、真實的展現教學內容。將學生作為學習主體，鼓勵學生自主完成學習內容是當前互聯網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網進行測繪儀器的操作訓練是一個關鍵問題。

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、虛擬仿真網絡技術與測繪類課程結合的優勢

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支。它用計算機模擬的三維環境對現場真實環境進行仿真，瀏覽者可以走進這個環境，控制瀏覽方向，并操縱場景中的對象進行人機交互。目前，世界上很多發達國家在軍事、經濟等領域，已開始廣泛應用這種高新技術，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上營造了虛擬環境，并在Web網上創建了一個可導航的、超鏈接的三維虛擬現實空間。該技術適合于構建網絡虛擬教學系統，學生通過網絡可以登陸虛擬實驗系統，并且能夠交互使用實驗系統的三維儀器模型，開展虛擬網絡實驗和訓練。

利用虛擬仿真網絡技術開發虛擬測繪系統并將其發布在校園網（或互聯網）上，將改變傳統的測繪類課程的教學模式，開創一種全新的、信息化的現代教學模式。將虛擬仿真網絡技術與測繪類課程結合具有很多優勢，具體如下：

一是能夠實現資源的優化配置。在節約建設成本的基礎上，讓初學者對于測繪儀器有最基本的感知，學生能夠在網絡上操作虛擬儀器，進行儀器操作訓練。該系統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。網絡實驗系統便于學生自主學習，提高學習效率，調動了學生學習的積極性。學生通過校園網進入網絡實驗系統，這種學習方式不受時間和空間的限制。

三是有利于優質教學資源的共享。網絡實驗系統可以向其它學校開放，通過互聯網可讓更多的人登錄到網絡實驗系統。隨著信息化的飛速發展，虛擬實驗測繪實驗系統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

虛擬測繪實驗系統需要具有模擬儀器操作的各項功能，主要包括：電子經緯儀進行室內室外測量工作、GPS接收機室外測量工作、重力儀室外室內測量工作。針對室內外不同的測量任務，該系統設計了室內和室外兩種不同的測量環境，網絡虛擬測繪實驗系統還包括測繪儀器和教學資源。

（一）網絡虛擬測繪實驗系統的建設要求

1.緊密結合教材

要能夠結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的教學內容相對應。

2.能夠共享

為了方便教育資源的傳播和共享，軟件要能夠在互聯網上運行。

3.通用性要好

開發的虛擬儀器模型采用3DMAX軟件構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，需要構建一個虛擬儀器庫，統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網上流暢的運行，需要考慮到所構建場景的數據量不能夠太大，因此本軟件使用VRML語言將所構建的虛擬儀器集成在每一個虛擬場景中。

（二）測量室內外環境和虛擬儀器構建

1.測量室內外環境構建

測量室內環境包含室內建筑和室內附屬設施，如桌、門、窗等。它主要為學生進行虛擬室內測量訓練提供教學環境。測量室外環境包含天空、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境。

2.虛擬測繪儀器構建

虛擬測繪儀器主要有電子經緯儀、雙頻GPS接收機、重力儀、儀器腳架和棱鏡等。

實驗系統內外環境和虛擬測繪儀器都是采用VRML和3DS MAX，分別創建出各個模塊的三維模型，再將各個獨立模塊組合在一起，最終創建出虛擬實驗系統。學生可以將測量儀器擺放在虛擬環境中進行操作訓練。在室內可開展地籍測量、重力測量等；在室外可開展GPS衛星大地測量、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。

實驗系統主要包含的虛擬儀器有電子經緯儀、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、接收數據和存儲數據等。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了解儀器的工作狀態。

圖5展示了電子經緯儀虛擬模型。學生可以通過鼠標左鍵按下并拖動電子經緯儀的望遠鏡，完成望遠鏡的水平旋轉和垂直俯仰。在測量時，學生通過操作望遠鏡的轉動使得望遠鏡瞄準觀測目標。虛擬電子經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，從而完成電子經緯儀的操作訓練。

（三）教育資源數據庫的建設

網絡虛擬測繪實驗系統不僅僅為學生提供測繪儀器展示和操作的教學環境，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。網絡虛擬測繪實驗系統如同一個教育資源數據庫，它能有效地整合各種學習資料，發揮各種教育資源優勢。

（四）在測繪類課程教學中的應用

虛擬測繪實驗系統在測繪類課程中的應用主要體現在六個方面：

1.開展網上授課專欄

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。授課內容與電子教材內容相對應，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室內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，虛擬實驗系統網站還增加了實驗習題，便于學生自主選擇進行網上答題和網上實踐操作。

4.增加設計性、工程性實驗設計

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

5.具有網上完成作業和考試功能

參與網絡教學的學生可以自主完成網上的作業以及考試，系統根據標準答案給出分數。

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站還設置了交流專區，便于學生提問和教師答疑。

（五）虛擬測繪實驗系統在教學應用中的改進與完善

通過虛擬實驗系統的實際應用，我們在原有開發的系統基礎之上還做了一些改進。這些改進都是結合教學應用中出現的一些實際問題而采取的措施。

1.改進三維虛擬儀器模型

首先根據學生的反饋，改進了系統中的三維虛擬儀器模型，主要是所構建的三維虛擬儀器的部分組件要能夠根據操作者的使用而可以活動。例如電子經緯儀的望遠鏡，原先設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觀測目標的方位角和俯仰角進行調整，操作者需要瞄準觀測目標。因此，改進了電子經緯儀的望遠鏡，使得學生能夠通過鼠標轉動望遠鏡使其瞄準觀測目標。在設計GPS接收機的控制面板時，設計了會發光的指示燈，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，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的設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，在設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，以及展現儀器工作的各種狀態指示。

2.設定雙版虛擬訓練系統

由于使用系統的學生來源較多，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知識，以及是否是本專業的學生。對于具有一定專業基礎知識的本專業學生，可以使用虛擬訓練加強版；針對非本專業的學生，可以使用虛擬訓練基礎版，它比虛擬訓練加強版增加了網絡視頻教學課程的選修和自學電子教材等。

3.建設專業系統維護團隊

網絡實驗系統的維護需要有專業的團隊。系統管理人員需要經常更新網上教學資源，開展網上答疑和網上批改作業以及分析網上考試結果，并根據學生易犯的錯誤和不懂的知識環節增加理論教學內容，加強學生對知識的理解。

四、結語

虛擬測繪實驗系統提供了一個具有網上演示教學、網上訓練、網上實踐指導和網上操作考核的教學平臺，實現了測繪類課程的網上實驗訓練功能，增強了學生的動手能力，調動了學生的學習積極性，在測繪類課程教學中發揮了重要的作用。該系統的構建與應用不僅為測繪類課程網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。

參考文獻

[1]張德豐，周靈等.VRML虛擬現實應用技術[M].北京：電子工業出版社，2010.

[2]陳秀清.關于虛擬實驗室的建設[J].福建廣播電視大學學報，2003（1）.

[3]王海鵬.虛擬實驗室[J].牡丹江師范學院學報，2005（4）.

[4]雒偉群.基于VRML交互式虛擬實驗室的研究與實現[D].天津：天津大學，2005.

[5]邵琰，劉敏超.虛擬仿真教學實驗平臺在應用型大學的搭建及虛擬仿真技術在化工類課程教學中的探索性研究[J].廣東化工，2015（14）.