网络虚拟测绘实验系统在测绘类课程教学中的应用探讨

杨晓云 郑晓龙 仲启媛 何恒

摘 要：测绘课程具有极强的实践性、应用性和工程性，实践教学是教学中不可缺少的重要环节。虚拟测绘实验系统提供了一个具有网上演示教学、网上训练、网上实践指导和网上操作考核的教学平台，实现了测绘类课程的网上实践训练，便于学生课外自主学习，增强了學生的动手能力，调动了学生学习积极性，教学效果较好。该系统的构建与应用为测绘类课程以及其他对仪器操作技能要求较高的课程开展网络教学和教学改革提供了新思路。

关键词：VRML；虚拟现实；网络教学；教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A

一、测绘类课程教学特点及面临的现状

测绘类课程的教学具有很强的实践性、应用性和工程性。学生不仅需要掌握测绘理论知识，还需要熟练掌握测绘仪器操作技巧，并且能够快速、熟练、独立地完成野外测量任务。当前测绘课程的教学主要采取室内理论教学和室外实践教学相结合的教学模式。教师在野外教学中向学生演示测绘仪器的基本操作流程，学生再进行操作训练。由于学时数和教学条件的限制，学生进行仪器操作训练的时间短、仪器少，且大多要求在课内完成，课后很少开展仪器操作训练，不利于学生操作技能的提高，而且应用能力也很难有较大提升。

随着信息化技术的发展，更多的教学资源可以在互联网上共享。对于测绘类课程的仪器操作与训练教学内容如何在互联网上展现是一个值得探讨的问题。如果采用传统的图片、动画、视频、文字来展现操作训练，则不能够生动、真实的展现教学内容。将学生作为学习主体，鼓励学生自主完成学习内容是当前互联网教育的主要教学手段。采用什么样的教学平台能够让学生通过互联网进行测绘仪器的操作训练是一个关键问题。

本文认为对于测绘类课程的教学，需要提供一种具有三维场景展示、能够给学习者提供交互方式，即让使用者能够在场景中自如地使用测绘仪器的教学平台是解决以上问题的有效方法。

二、虚拟仿真网络技术与测绘类课程结合的优势

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支。它用计算机模拟的三维环境对现场真实环境进行仿真，浏览者可以走进这个环境，控制浏览方向，并操纵场景中的对象进行人机交互。目前，世界上很多发达国家在军事、经济等领域，已开始广泛应用这种高新技术，并获得了显著的综合效益。VRML （Virtual Reality Language） 使得Internet从平面世界走向三维立体世界，它在Internet上营造了虚拟环境，并在Web网上创建了一个可导航的、超链接的三维虚拟现实空间。该技术适合于构建网络虚拟教学系统，学生通过网络可以登陆虚拟实验系统，并且能够交互使用实验系统的三维仪器模型，开展虚拟网络实验和训练。

利用虚拟仿真网络技术开发虚拟测绘系统并将其发布在校园网（或互联网）上，将改变传统的测绘类课程的教学模式，开创一种全新的、信息化的现代教学模式。将虚拟仿真网络技术与测绘类课程结合具有很多优势，具体如下：

一是能够实现资源的优化配置。在节约建设成本的基础上，让初学者对于测绘仪器有最基本的感知，学生能够在网络上操作虚拟仪器，进行仪器操作训练。该系统解决了测绘类课程教学中学生自主进行仪器操作训练的需求。

二是提高学习效率。网络实验系统便于学生自主学习，提高学习效率，调动了学生学习的积极性。学生通过校园网进入网络实验系统，这种学习方式不受时间和空间的限制。

三是有利于优质教学资源的共享。网络实验系统可以向其它学校开放，通过互联网可让更多的人登录到网络实验系统。随着信息化的飞速发展，虚拟实验测绘实验系统可以为更多对测绘知识感兴趣的人提供便利的学习平台。

三、虚拟测绘实验系统

虚拟测绘实验系统需要具有模拟仪器操作的各项功能，主要包括：电子经纬仪进行室内室外测量工作、GPS接收机室外测量工作、重力仪室外室内测量工作。针对室内外不同的测量任务，该系统设计了室内和室外两种不同的测量环境，网络虚拟测绘实验系统还包括测绘仪器和教学资源。

（一）网络虚拟测绘实验系统的建设要求

1.紧密结合教材

要能够结合教材完成测绘仪器操作训练的各种训练，需要和教材的每一章节的教学内容相对应。

2.能够共享

为了方便教育资源的传播和共享，软件要能够在互联网上运行。

3.通用性要好

开发的虚拟仪器模型采用3DMAX软件构建并且这些虚拟仪器可以在不同的场景中使用。由于软件中的虚拟模型较多，需要构建一个虚拟仪器库，统一管理这些虚拟仪器，以便这些虚拟仪器可在不同的虚拟场景中应用和增加各种新仪器模型。

4.运行性好

为了使得软件能够在互联网上流畅的运行，需要考虑到所构建场景的数据量不能够太大，因此本软件使用VRML语言将所构建的虚拟仪器集成在每一个虚拟场景中。

（二）测量室内外环境和虚拟仪器构建

1.测量室内外环境构建

测量室内环境包含室内建筑和室内附属设施，如桌、门、窗等。它主要为学生进行虚拟室内测量训练提供教学环境。测量室外环境包含天空、地形、测绘场坪以及室外的树木等。它主要为学生进行虚拟室外测量训练提供教学环境。

2.虚拟测绘仪器构建

虚拟测绘仪器主要有电子经纬仪、双频GPS接收机、重力仪、仪器脚架和棱镜等。

实验系统内外环境和虚拟测绘仪器都是采用VRML和3DS MAX，分别创建出各个模块的三维模型，再将各个独立模块组合在一起，最终创建出虚拟实验系统。学生可以将测量仪器摆放在虚拟环境中进行操作训练。在室内可开展地籍测量、重力测量等；在室外可开展GPS卫星大地测量、天文测量、导线测量、道路施工放样、重力测量等。具体见图1、图2。

实验系统主要包含的虚拟仪器有电子经纬仪、重力仪、GPS接收机等。图3是虚拟测绘仪器效果图，图4展示了GPS接收机虚拟模型。学生可以通過GPS接收机仪器界面按键操作接收机，如接收机的启动、接收数据和存储数据等。接收机的指示灯也和真实仪器指示灯相同，进行闪烁、灯亮或灯熄灭等，学生可以通过指示灯的状态了解仪器的工作状态。

图5展示了电子经纬仪虚拟模型。学生可以通过鼠标左键按下并拖动电子经纬仪的望远镜，完成望远镜的水平旋转和垂直俯仰。在测量时，学生通过操作望远镜的转动使得望远镜瞄准观测目标。虚拟电子经纬仪还包含虚拟操作面板，见图6。学生通过鼠标点击操作面板的按键，面板的屏幕会显示相应的操作视图。该虚拟仪器操作面板是根据真实仪器的操作面板制作。学生通过鼠标点击仪器面板和通过鼠标控制望远镜找准观测目标，从而完成电子经纬仪的操作训练。

（三）教育资源数据库的建设

网络虚拟测绘实验系统不仅仅为学生提供测绘仪器展示和操作的教学环境，同时，它还包含电子教程，教学视频以及提供电子教程下载、虚拟测绘模型下载以及资料查询等功能，使初学者可以获得更多教学资源和学习资料。网络虚拟测绘实验系统如同一个教育资源数据库，它能有效地整合各种学习资料，发挥各种教育资源优势。

（四）在测绘类课程教学中的应用

虚拟测绘实验系统在测绘类课程中的应用主要体现在六个方面：

1.开展网上授课专栏

教师将录制的教学视频上传到服务器，学生可以在线观看教学视频。授课内容与电子教材内容相对应，并且电子教材也可下载，这样可以让更多学生自主学习课程。

2.可进行虚拟仪器操作使用

学生进入虚拟实验系统后，通过鼠标可以选择需要学习的仪器，并可通过仪器模拟操作面板练习仪器的使用操作流程。学生还可以在实验系统室内测量间和室外测量场坪进行虚拟测量练习。

3.增加实验习题

为了更加巩固学生学习效果，虚拟实验系统网站还增加了实验习题，便于学生自主选择进行网上答题和网上实践操作。

4.增加设计性、工程性实验设计

测量类课程具有很多工程性、设计性的实验。教师设计一些具有工程性的实验项目，学生可在虚拟室内外环境进行测量设计如测量点位的选取和制定测量计划方案，并上传设计结果。

5.具有网上完成作业和考试功能

参与网络教学的学生可以自主完成网上的作业以及考试，系统根据标准答案给出分数。

6.具有课后留言提问和解答功能

针对学生需要解答的问题网站还设置了交流专区，便于学生提问和教师答疑。

（五）虚拟测绘实验系统在教学应用中的改进与完善

通过虚拟实验系统的实际应用，我们在原有开发的系统基础之上还做了一些改进。这些改进都是结合教学应用中出现的一些实际问题而采取的措施。

1.改进三维虚拟仪器模型

首先根据学生的反馈，改进了系统中的三维虚拟仪器模型，主要是所构建的三维虚拟仪器的部分组件要能够根据操作者的使用而可以活动。例如电子经纬仪的望远镜，原先设计时没有顾考虑到操作者的使用情况不能够活动，而在实际使用过程中望远镜需要根据观测目标的方位角和俯仰角进行调整，操作者需要瞄准观测目标。因此，改进了电子经纬仪的望远镜，使得学生能够通过鼠标转动望远镜使其瞄准观测目标。在设计GPS接收机的控制面板时，设计了会发光的指示灯，使得学生在使用鼠标按动GPS操作面板的按键时能够观察到和使用真实仪器一样的仪器状态，即指示灯采用不同的颜色闪烁或熄灭。这种尽可能贴近实际仪器工作状态的设计更加有利于学生掌握仪器的操作使用。实践表明，一个成功的虚拟实验系统，在设计时要尽可能逼真的模拟真实仪器和具有仪器的各种操作功能，以及展现仪器工作的各种状态指示。

2.设定双版虚拟训练系统

由于使用系统的学生来源较多，需要对学生进行分类，分类原则是学生是否已具备一定测量基础知识，以及是否是本专业的学生。对于具有一定专业基础知识的本专业学生，可以使用虚拟训练加强版；针对非本专业的学生，可以使用虚拟训练基础版，它比虚拟训练加强版增加了网络视频教学课程的选修和自学电子教材等。

3.建设专业系统维护团队

网络实验系统的维护需要有专业的团队。系统管理人员需要经常更新网上教学资源，开展网上答疑和网上批改作业以及分析网上考试结果，并根据学生易犯的错误和不懂的知识环节增加理论教学内容，加强学生对知识的理解。

四、结语

虚拟测绘实验系统提供了一个具有网上演示教学、网上训练、网上实践指导和网上操作考核的教学平台，实现了测绘类课程的网上实验训练功能，增强了学生的动手能力，调动了学生的学习积极性，在测绘类课程教学中发挥了重要的作用。该系统的构建与应用不仅为测绘类课程网络教学的开展和教学改革提供了新思路，也为其它对仪器操作技能培训要求较高的课程教学提供了良好的借鉴和改革思路。

参考文献

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