物聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)支持下的水平角測(cè)量信息化實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)

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(cè)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(cè)量實(shí)訓(xùn)云教學(xué)平臺(tái)。該技術(shù)對(duì)其他全站儀、測(cè)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(cè)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(cè)量》課程項(xiàng)目3“水平角測(cè)量”，課時(shí)設(shè)計(jì)為4學(xué)時(shí)。水平角測(cè)量是建筑施工測(cè)量、竣工測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)等工程中的基礎(chǔ)內(nèi)容，主要方法有測(cè)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(cè)量放樣點(diǎn)角度檢核任務(wù)為依托，使用全站儀測(cè)回法進(jìn)行放樣點(diǎn)與已知方向水平角測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量操作；教學(xué)的難點(diǎn)為水平角測(cè)量原理與精度判定。

2　水平角測(cè)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(cè)量是利用平行于水平面的水平刻度盤和觀測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量流程可分解為對(duì)中整平、瞄準(zhǔn)調(diào)焦、盤左盤右一測(cè)回觀測(cè)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(cè)量記錄手簿任務(wù)，加深學(xué)生對(duì)水平角觀測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量軟件

全站儀工作時(shí)不僅要保證測(cè)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(cè)和錯(cuò)誤測(cè)量，以及最常見的由于控制數(shù)據(jù)和測(cè)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(cè)量系統(tǒng)機(jī)載軟件，利用邊測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)前學(xué)生通過機(jī)載軟件按學(xué)號(hào)登錄服務(wù)器，觀測(cè)過程中學(xué)生除了現(xiàn)場(chǎng)記錄計(jì)算外，測(cè)量數(shù)據(jù)隨測(cè)、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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)指導(dǎo)學(xué)生對(duì)已知方向OA、測(cè)站O、待檢核點(diǎn)B的踏勘，布置儀器架設(shè)與水平角測(cè)量任務(wù)。

4.3　教師演示

在學(xué)生實(shí)測(cè)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(cè)分為盤左盤右兩個(gè)半測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)過程中及時(shí)將觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄到手簿中，采取偶舍奇進(jìn)原則計(jì)算一測(cè)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(cè)量在線管理如圖4所示。

圖4　水平角測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量與管理系統(tǒng)。鑒于學(xué)生成績與測(cè)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

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