物聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)支持下的水平角測量信息化實訓教學設(shè)計

鄭　闊，薄志毅，李長青，趙小平，陳緒軍

(1. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，北京 100042； 2. 北京奧騰巖石科技有限公司，北京 100176)

教育信息化是國家信息化的重要組成部分，是改革教育理念和模式的深刻革命[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)也已經(jīng)普遍運用到信息化教學中。但是在工程測量基礎(chǔ)教學，尤其是基于全站儀的實訓教學中，相關(guān)技術(shù)還鮮有應用。本文基于拓普康WINCE全站儀開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)與云模塊，實現(xiàn)了水平角測量實訓云教學平臺。該技術(shù)對其他全站儀、測量機器人相關(guān)教學及實際生產(chǎn)工作均具有借鑒意義。

1　水平角測量實訓教學分析

本次實訓內(nèi)容選自高職高專十二五規(guī)劃教材《建筑工程測量》課程項目3“水平角測量”，課時設(shè)計為4學時。水平角測量是建筑施工測量、竣工測量、變形監(jiān)測等工程中的基礎(chǔ)內(nèi)容，主要方法有測回法和方向法，使用的主要儀器有經(jīng)緯儀、全站儀。本實訓以施工測量放樣點角度檢核任務為依托，使用全站儀測回法進行放樣點與已知方向水平角測量工作。通過本項目的訓練，完成知識、技能、素質(zhì)培養(yǎng)與提高的教學目標。

本項目授課對象為建筑工程技術(shù)專業(yè)二年級學生，學生前期已經(jīng)學習了相關(guān)專業(yè)課程，對測量知識有了需求認知，但是面對全站儀結(jié)構(gòu)圖，感覺復雜不直觀、測角原理抽象難理解，儀器操作還需規(guī)范。

由教學內(nèi)容和學情分析確定本次教學的重點為全站儀水平角測量操作；教學的難點為水平角測量原理與精度判定。

2　水平角測量實訓教學策略

根據(jù)對教學重點和難點的剖析，本次教學要點為原理理解、結(jié)構(gòu)認知、儀器操作、數(shù)據(jù)計算。

水平角為地面上一點到兩目標的方向線投影到水平面上的夾角，水平角的測量是利用平行于水平面的水平刻度盤和觀測方向線在刻度盤上讀數(shù)的指標進行的。

針對水平角定義和測角原理，通過二維動畫、游標經(jīng)緯儀視頻，將抽象原理形象化，便于學生理解掌握，解決教學難點問題。

全站儀結(jié)構(gòu)復雜，功能構(gòu)件多，因此熟練認知操作是水平角測量的重要基礎(chǔ)技能。

針對以上問題，通過三維虛擬仿真軟件，學生可360°熟悉儀器部件，反復練習。

水平角測量流程可分解為對中整平、瞄準調(diào)焦、盤左盤右一測回觀測3大環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)獨立練習，提高了學習效率。同時對每個環(huán)節(jié)制定學習內(nèi)容和要求標準，輔以信息化手段，加強操作練習效果，解決教學重點問題。

結(jié)合實際記錄案例，動態(tài)布置在Excel表中設(shè)計制作水平角測量記錄手簿任務，加深學生對水平角觀測記錄計算精度判定的理解與掌握。

通過對全站儀軟硬件的開發(fā)，實現(xiàn)了水平角測量云教學平臺，使實訓教學與管理高效化。平臺由機載水平角測量軟件、服務器及網(wǎng)頁端、全站儀無線云模塊組成。整個實訓教學從重難點出發(fā)制定教學流程，對應不同的教學方法，采用高效的信息化手段達到預定的教學目標。

3　水平角測量云教學平臺

3.1　全站儀無線云模塊

云教學系統(tǒng)最核心的功能為首次在全站儀上實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)云端管理的數(shù)據(jù)管理模式，即俗稱的“云模式”。在拓普康品牌的OS、DS、PS、MS系列等采用WinCE平臺的全站儀設(shè)備，只需要將云模塊通過USB口安裝到全站儀上，就可以直接使用，無需任何儀器改裝，真正做到即插即用。而且，數(shù)據(jù)的云端管理還只是系統(tǒng)模塊的最基本功能，它內(nèi)含GNSS定位模塊、3.5 G網(wǎng)絡(luò)通信模塊等，優(yōu)良的做工及完善的后處理軟件的支持，使整個全站儀測量教學與工作產(chǎn)生了革命性的改進。云模塊功能構(gòu)成如圖1所示。

3.2　機載水平角測量軟件

全站儀工作時不僅要保證測量數(shù)據(jù)的高精度及準確性，更要注重數(shù)據(jù)的安全性和整體工作的高效率。在以往工作中，時常會出現(xiàn)由于儀器損壞造成的數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)管理問題造成的漏測和錯誤測量，以及最常見的由于控制數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)進行交互耗費大量的時間精力導致的整體工作效率低下，因此配套開發(fā)了水平角測量系統(tǒng)機載軟件，利用邊測邊

上傳的模式，杜絕了數(shù)據(jù)丟失的尷尬問題；利用隨時調(diào)用服務器控制數(shù)據(jù)及當前測量任務，徹底避免了返工的情況發(fā)生；利用實時得到的外業(yè)信息，極大加快了內(nèi)業(yè)的作業(yè)效率。軟件主要工作界面如圖2所示。

圖1　云模塊功能構(gòu)成

圖2　水平角測量系統(tǒng)

3.3　服務器及網(wǎng)頁端

實訓教學通過云平臺進行全過程監(jiān)督與管理。首先教師在服務器錄入學生信息，觀測前學生通過機載軟件按學號登錄服務器，觀測過程中學生除了現(xiàn)場記錄計算外，測量數(shù)據(jù)隨測、隨傳、隨存、隨查，合格數(shù)據(jù)可生成成果報告；教師實時了解學生測量過程數(shù)據(jù)質(zhì)量并及時指導，監(jiān)督學生實測數(shù)據(jù)的真實性，避免涂改原始數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學生誠信意識。云管理功能構(gòu)成如圖3所示。

圖3　云管理功能構(gòu)成

4　教學實施

課前教師利用水平角測量知識微信微傳單發(fā)放預習資料，學生可以隨時隨地自主學習、理解原理。

教師通過網(wǎng)絡(luò)課程發(fā)布任務書和輔助學習資料，學生以小組為單位接收任務、學習知識、完成測試。教師批改作業(yè)，根據(jù)學習反饋調(diào)整教學設(shè)計。

課堂促做過程分為仿真操作(45 min)、任務創(chuàng)設(shè)(10 min)、教師演示(35 min)、學生練習(45 min)、任務完成(30 min)5個教學環(huán)節(jié)。

4.1　仿真操作

全站儀操作過程復雜，靈敏度高，操作不當容易導致設(shè)備損壞，因此采用先模擬練習、后實操的教學方式。

模擬操作包括學習訓練和任務考核。其中學習訓練模塊學生可靈活選擇水平角測量的不同環(huán)節(jié)進行練習，實現(xiàn)個性化、差異化教學。

任務考核模塊學生可及時自行考核，系統(tǒng)自動評定成績。

4.2　任務創(chuàng)設(shè)

模擬仿真結(jié)束后進入任務創(chuàng)設(shè)階段，在實習現(xiàn)場指導學生對已知方向OA、測站O、待檢核點B的踏勘，布置儀器架設(shè)與水平角測量任務。

4.3　教師演示

在學生實測之前，教師先進行示范。首先是對中整平，教師與學生互動操作，做中教，做中學。

瞄準目標的步驟為粗略瞄準、精確瞄準、消除視差。教師在此環(huán)節(jié)講解儀器構(gòu)件名稱、使用方法及安全注意事項。

觀測分為盤左盤右兩個半測回。①首先盤左瞄準目標A，配度盤至0000′00″，讀取a1。順時針旋轉(zhuǎn)儀器照準部瞄準目標B，讀取b1。則上半測回角值:β1=b1-a1。②盤右瞄準目標B，讀取b2，逆時針旋轉(zhuǎn)照準部瞄準目標A，讀取a2。則下半測回角值:β2=b2-a2。若β1β2較差小于限差要求，則取均值為水平角角度值。

觀測過程中及時將觀測數(shù)據(jù)記錄到手簿中，采取偶舍奇進原則計算一測回角度值，檢查數(shù)據(jù)是否合格。

4.4　學生練習

教師完成示范教學后，各小組首先操作練習，教師分別指導，及時解決問題。

4.5　任務完成

任務完成階段，采用小組競賽的方式，教師與學生共同裁判。水平角測量在線管理如圖4所示。

圖4　水平角測量在線管理

5　結(jié)　論

信息技術(shù)改變了傳統(tǒng)教學。本次實訓教學的創(chuàng)新點主要有：

(1) 實現(xiàn)了測量實訓云教學平臺，增強了教學指導針對性，避免了學生測量不規(guī)范行為。

(2) 虛擬仿真與電子手簿制作與使用，通過獨具特色的教學方式使學生對儀器操作的規(guī)范度提高，對知識掌握的理解加深，能有效解決教學重點難點，具備獨立解決問題的能力，使得學生參加各級技能大賽的積極性和成績逐年提高。

此外，基于本系統(tǒng)的設(shè)計理念，水平角云教學平臺可以推廣為包括學生管理、設(shè)備管理、成績管理等內(nèi)容的完整實訓教學與管理系統(tǒng)，并進一步開發(fā)為基于全站儀的遠程測量與管理系統(tǒng)。鑒于學生成績與測量數(shù)據(jù)的客觀性與保密性，系統(tǒng)可進一步進行權(quán)限管理與加密功能。通過對用戶的權(quán)限等級設(shè)置，可以具有不同的控制數(shù)據(jù)能力，如最高權(quán)限的管理員，可以查看到使用設(shè)備的作業(yè)地點、狀態(tài)、工作時間、數(shù)據(jù)使用情況甚至是遠程鎖定及修改數(shù)據(jù)等，具有完全支配設(shè)備的權(quán)力。同樣，負責內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的人員則可以實時地進行數(shù)據(jù)級別的調(diào)取和查看，而對設(shè)備本身的工作狀態(tài)等信息無法查看。因此可以根據(jù)工作人員所負責的具體工作，制定不同的管理權(quán)限方案，在批量設(shè)備的大型項目上發(fā)揮至關(guān)重要的管理幫助。權(quán)限等級設(shè)置功能見表1。

表1　權(quán)限等級設(shè)置

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