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(xué)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(yùn)用到信息化教學(xué)中。但是在工程測量基礎(chǔ)教學(xué)，尤其是基于全站儀的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，相關(guān)技術(shù)還鮮有應(yīng)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(shí)現(xiàn)了水平角測量實(shí)訓(xùn)云教學(xué)平臺(tái)。該技術(shù)對(duì)其他全站儀、測量機(jī)器人相關(guān)教學(xué)及實(shí)際生產(chǎn)工作均具有借鑒意義。

1　水平角測量實(shí)訓(xùn)教學(xué)分析

本次實(shí)訓(xùn)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(xiàng)目3“水平角測量”，課時(shí)設(shè)計(jì)為4學(xué)時(shí)。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(shí)訓(xùn)以施工測量放樣點(diǎn)角度檢核任務(wù)為依托，使用全站儀測回法進(jìn)行放樣點(diǎn)與已知方向水平角測量工作。通過本項(xiàng)目的訓(xùn)練，完成知識(shí)、技能、素質(zhì)培養(yǎng)與提高的教學(xué)目標(biāo)。

本項(xiàng)目授課對(duì)象為建筑工程技術(shù)專業(yè)二年級(jí)學(xué)生，學(xué)生前期已經(jīng)學(xué)習(xí)了相關(guān)專業(yè)課程，對(duì)測量知識(shí)有了需求認(rèn)知，但是面對(duì)全站儀結(jié)構(gòu)圖，感覺復(fù)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(xué)內(nèi)容和學(xué)情分析確定本次教學(xué)的重點(diǎn)為全站儀水平角測量操作；教學(xué)的難點(diǎn)為水平角測量原理與精度判定。

2　水平角測量實(shí)訓(xùn)教學(xué)策略

根據(jù)對(duì)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)的剖析，本次教學(xué)要點(diǎn)為原理理解、結(jié)構(gòu)認(rèn)知、儀器操作、數(shù)據(jù)計(jì)算。

水平角為地面上一點(diǎn)到兩目標(biāo)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(biāo)進(jìn)行的。

針對(duì)水平角定義和測角原理，通過二維動(dòng)畫、游標(biāo)經(jīng)緯儀視頻，將抽象原理形象化，便于學(xué)生理解掌握，解決教學(xué)難點(diǎn)問題。

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

針對(duì)以上問題，通過三維虛擬仿真軟件，學(xué)生可360°熟悉儀器部件，反復(fù)練習(xí)。

水平角測量流程可分解為對(duì)中整平、瞄準(zhǔn)調(diào)焦、盤左盤右一測回觀測3大環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)獨(dú)立練習(xí)，提高了學(xué)習(xí)效率。同時(shí)對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)制定學(xué)習(xí)內(nèi)容和要求標(biāo)準(zhǔn)，輔以信息化手段，加強(qiáng)操作練習(xí)效果，解決教學(xué)重點(diǎn)問題。

結(jié)合實(shí)際記錄案例，動(dòng)態(tài)布置在Excel表中設(shè)計(jì)制作水平角測量記錄手簿任務(wù)，加深學(xué)生對(duì)水平角觀測記錄計(jì)算精度判定的理解與掌握。

通過對(duì)全站儀軟硬件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了水平角測量云教學(xué)平臺(tái)，使實(shí)訓(xùn)教學(xué)與管理高效化。平臺(tái)由機(jī)載水平角測量軟件、服務(wù)器及網(wǎng)頁端、全站儀無線云模塊組成。整個(gè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)從重難點(diǎn)出發(fā)制定教學(xué)流程，對(duì)應(yīng)不同的教學(xué)方法，采用高效的信息化手段達(dá)到預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)。

3　水平角測量云教學(xué)平臺(tái)

3.1　全站儀無線云模塊

云教學(xué)系統(tǒng)最核心的功能為首次在全站儀上實(shí)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(tái)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(gè)全站儀測量教學(xué)與工作產(chǎn)生了革命性的改進(jìn)。云模塊功能構(gòu)成如圖1所示。

3.2　機(jī)載水平角測量軟件

全站儀工作時(shí)不僅要保證測量數(shù)據(jù)的高精度及準(zhǔn)確性，更要注重?cái)?shù)據(jù)的安全性和整體工作的高效率。在以往工作中，時(shí)常會(huì)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(cuò)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(jìn)行交互耗費(fèi)大量的時(shí)間精力導(dǎo)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(jī)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(shí)調(diào)用服務(wù)器控制數(shù)據(jù)及當(dāng)前測量任務(wù)，徹底避免了返工的情況發(fā)生；利用實(shí)時(shí)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(wù)器及網(wǎng)頁端

實(shí)訓(xùn)教學(xué)通過云平臺(tái)進(jìn)行全過程監(jiān)督與管理。首先教師在服務(wù)器錄入學(xué)生信息，觀測前學(xué)生通過機(jī)載軟件按學(xué)號(hào)登錄服務(wù)器，觀測過程中學(xué)生除了現(xiàn)場記錄計(jì)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(bào)告；教師實(shí)時(shí)了解學(xué)生測量過程數(shù)據(jù)質(zhì)量并及時(shí)指導(dǎo)，監(jiān)督學(xué)生實(shí)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性，避免涂改原始數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生誠信意識(shí)。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(xué)實(shí)施

課前教師利用水平角測量知識(shí)微信微傳單發(fā)放預(yù)習(xí)資料，學(xué)生可以隨時(shí)隨地自主學(xué)習(xí)、理解原理。

教師通過網(wǎng)絡(luò)課程發(fā)布任務(wù)書和輔助學(xué)習(xí)資料，學(xué)生以小組為單位接收任務(wù)、學(xué)習(xí)知識(shí)、完成測試。教師批改作業(yè)，根據(jù)學(xué)習(xí)反饋調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)。

課堂促做過程分為仿真操作(45 min)、任務(wù)創(chuàng)設(shè)(10 min)、教師演示(35 min)、學(xué)生練習(xí)(45 min)、任務(wù)完成(30 min)5個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

4.1　仿真操作

全站儀操作過程復(fù)雜，靈敏度高，操作不當(dāng)容易導(dǎo)致設(shè)備損壞，因此采用先模擬練習(xí)、后實(shí)操的教學(xué)方式。

模擬操作包括學(xué)習(xí)訓(xùn)練和任務(wù)考核。其中學(xué)習(xí)訓(xùn)練模塊學(xué)生可靈活選擇水平角測量的不同環(huán)節(jié)進(jìn)行練習(xí)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、差異化教學(xué)。

任務(wù)考核模塊學(xué)生可及時(shí)自行考核，系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)定成績。

4.2　任務(wù)創(chuàng)設(shè)

模擬仿真結(jié)束后進(jìn)入任務(wù)創(chuàng)設(shè)階段，在實(shí)習(xí)現(xiàn)場指導(dǎo)學(xué)生對(duì)已知方向OA、測站O、待檢核點(diǎn)B的踏勘，布置儀器架設(shè)與水平角測量任務(wù)。

4.3　教師演示

在學(xué)生實(shí)測之前，教師先進(jìn)行示范。首先是對(duì)中整平，教師與學(xué)生互動(dòng)操作，做中教，做中學(xué)。

瞄準(zhǔn)目標(biāo)的步驟為粗略瞄準(zhǔn)、精確瞄準(zhǔn)、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(xiàng)。

觀測分為盤左盤右兩個(gè)半測回。①首先盤左瞄準(zhǔn)目標(biāo)A，配度盤至0000′00″，讀取a1。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)儀器照準(zhǔn)部瞄準(zhǔn)目標(biāo)B，讀取b1。則上半測回角值:β1=b1-a1。②盤右瞄準(zhǔn)目標(biāo)B，讀取b2，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)部瞄準(zhǔn)目標(biāo)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(shí)將觀測數(shù)據(jù)記錄到手簿中，采取偶舍奇進(jìn)原則計(jì)算一測回角度值，檢查數(shù)據(jù)是否合格。

4.4　學(xué)生練習(xí)

教師完成示范教學(xué)后，各小組首先操作練習(xí)，教師分別指導(dǎo)，及時(shí)解決問題。

4.5　任務(wù)完成

任務(wù)完成階段，采用小組競賽的方式，教師與學(xué)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(xué)。本次實(shí)訓(xùn)教學(xué)的創(chuàng)新點(diǎn)主要有：

(1) 實(shí)現(xiàn)了測量實(shí)訓(xùn)云教學(xué)平臺(tái)，增強(qiáng)了教學(xué)指導(dǎo)針對(duì)性，避免了學(xué)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(dú)具特色的教學(xué)方式使學(xué)生對(duì)儀器操作的規(guī)范度提高，對(duì)知識(shí)掌握的理解加深，能有效解決教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)，具備獨(dú)立解決問題的能力，使得學(xué)生參加各級(jí)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(jì)理念，水平角云教學(xué)平臺(tái)可以推廣為包括學(xué)生管理、設(shè)備管理、成績管理等內(nèi)容的完整實(shí)訓(xùn)教學(xué)與管理系統(tǒng)，并進(jìn)一步開發(fā)為基于全站儀的遠(yuǎn)程測量與管理系統(tǒng)。鑒于學(xué)生成績與測量數(shù)據(jù)的客觀性與保密性，系統(tǒng)可進(jìn)一步進(jìn)行權(quán)限管理與加密功能。通過對(duì)用戶的權(quán)限等級(jí)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(diǎn)、狀態(tài)、工作時(shí)間、數(shù)據(jù)使用情況甚至是遠(yuǎn)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(fù)責(zé)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的人員則可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)級(jí)別的調(diào)取和查看，而對(duì)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(fù)責(zé)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(xiàng)目上發(fā)揮至關(guān)重要的管理幫助。權(quán)限等級(jí)設(shè)置功能見表1。

表1　權(quán)限等級(jí)設(shè)置

參考文獻(xiàn)：

[1] 教育部職業(yè)院校信息化教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)賽事工作專門委員會(huì)(籌).全國職業(yè)院校信息化教學(xué)大賽部分優(yōu)秀作品點(diǎn)評(píng)[M].北京：高等教育出版社，2016.

[2] 徐茂林，張賀，李海銘，等.基于測量機(jī)器人的露天礦邊坡位移監(jiān)測系統(tǒng)[J].測繪科學(xué)，2015，40(1)：38-41.

[3] 王盼，吳兆福，張懷亮.測量機(jī)器人遠(yuǎn)程控制應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].工程勘察，2017(2)：49-52.

[4] 杜永文，屈應(yīng)照，龍淼.信息推送服務(wù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2017(2)：22-26，34.

[5] 魏葉青，岳建平，齊冬梅.基于WinCE的嵌入式工業(yè)測量系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].測繪通報(bào)，2009(10)：38-40.

[6] 王佩賢，馬真安，孫艷崇.基于GPRS的WinCE GTS-720全站儀數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸研究[J].測繪科學(xué)，2008，33(6)：36-38.

[7] 孟小亮，邊馥苓.空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)實(shí)踐探索[J].測繪通報(bào)，2014(12)：122-124.

[8] 劉經(jīng)南.大數(shù)據(jù)與位置服務(wù)[J].測繪科學(xué)，2014，39(3)：3-9.

[9] 何壽福.無線通信技術(shù)在測繪工程中的應(yīng)用研究[J].通信技術(shù)，2012(7)：94-96.

[10]余騰，胡伍生，周立，等.高校測繪工程專業(yè)“測量儀器學(xué)”課程的改革與實(shí)踐[J].測繪通報(bào)，2017(5)：147-151.

[11]吳戰(zhàn)廣，張獻(xiàn)州，張瑞，等.基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的地下工程測量機(jī)器人遠(yuǎn)程變形監(jiān)測系統(tǒng)[J].測繪工程，2017，26(2)：42-47，51.

[12]孫光林,陶志剛,宮偉力.邊坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及工程應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，46(2)：285-291.

[13]張秀麗.地鐵隧道施工實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2013.

[14]梅文勝，張正祿，郭際明.測量機(jī)器人變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2002，27(2)：165-171.

[15]王宇會(huì)，蔣利龍．GeoCOM對(duì)測量機(jī)器人的開發(fā)與應(yīng)用[J]．礦山測量，2009，4(2)：56-57.