基于Android系統(tǒng)的地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

蘇妮娜, 宋 璠

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266580； 2. 海洋國家實(shí)驗(yàn)室 海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071)

新泰—蒙陰地區(qū)位于山東省中南部的新泰市和蒙陰縣境內(nèi),地貌上是一處位于蒙山北坡串珠狀低山丘陵與蓮花山至孟良崮中低山區(qū)之間,向北西方向展寬、南東方向收斂的楔形盆地[1-2]。盆地長約75 km,平均寬約5 km,區(qū)內(nèi)地層發(fā)育齊全,太古宇、古生界、中生界、新生界均有出露,巖漿巖、變質(zhì)巖、沉積巖種類豐富,其中古生界、中生界的沉積序列發(fā)育較完整,褶曲、斷裂等構(gòu)造現(xiàn)象典型,長期以來被作為山東省各大高校及研究院所地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)的首選地點(diǎn)。然而,隨著近年來新泰市城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速推進(jìn),野外地質(zhì)露頭遭到了一定程度的破壞,實(shí)習(xí)隊(duì)每年都需要提前預(yù)備一些新的觀測(cè)點(diǎn)。在帶隊(duì)實(shí)習(xí)過程中,受到地形、天氣以及觀測(cè)點(diǎn)熟悉程度等多方面的影響,容易出現(xiàn)迷路或漏掉觀測(cè)點(diǎn)等情況。此外,新開辟的觀測(cè)點(diǎn)往往教學(xué)場地有限,導(dǎo)致部分學(xué)生不能看清地質(zhì)現(xiàn)象或聽清講解。為了解決這些問題,基于智能手機(jī)Android系統(tǒng)下的百度地圖APP,開發(fā)了一套地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)移動(dòng)教學(xué)平臺(tái),在平臺(tái)中設(shè)計(jì)了地形圖與地質(zhì)圖瀏覽、路線設(shè)計(jì)與管理、觀測(cè)點(diǎn)定位與導(dǎo)航、教學(xué)知識(shí)點(diǎn)查詢等功能,提高了野外地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)的教學(xué)效果。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)方案

Android系統(tǒng)是一種基于Linux的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng),主要使用于智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備,由美國Google公司和開放手機(jī)聯(lián)盟領(lǐng)導(dǎo)及開發(fā)[3]。該系統(tǒng)使用Activity、Intent、Service、Android UI、SQLite、多線程以及系統(tǒng)調(diào)用等技術(shù),通過系統(tǒng)提供的傳感器監(jiān)聽器,向用戶提供周圍環(huán)境的傳感數(shù)據(jù),如GPS數(shù)據(jù)等[4-5]。百度地圖SDK是一套基于Android 4.0及以上版本設(shè)備的應(yīng)用程序接口,該套接口免費(fèi)對(duì)外開放且無使用次數(shù)的限制。使用者通過調(diào)用百度地圖SDK接口,能夠輕松訪問該地圖的服務(wù)和數(shù)據(jù),開發(fā)定位準(zhǔn)確、功能豐富的地圖類應(yīng)用程序[6]。

本套移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)基于百度地圖Android SDK進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì),在背景地圖上疊加顯示圖層,將預(yù)先選定的露頭觀測(cè)點(diǎn)放入疊加圖層進(jìn)行顯示,并且設(shè)置與百度地圖APP一致的操作方法進(jìn)行使用。由于衛(wèi)星圖像和野外地質(zhì)露頭等圖像數(shù)據(jù)更新速度較慢,每年在正式帶隊(duì)實(shí)習(xí)前由幾名經(jīng)驗(yàn)豐富的教師踏勘并更新圖像數(shù)據(jù)即可,簡化了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理流程。用戶僅需選擇瀏覽與編輯各類圖層、觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)記及其信息錄入等,即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的操作管理。在實(shí)習(xí)過程中,觀測(cè)點(diǎn)的導(dǎo)航與定位由移動(dòng)設(shè)備的GPS與移動(dòng)上網(wǎng)功能協(xié)同完成,其定位的速度與準(zhǔn)確度能夠滿足實(shí)習(xí)需要。

2 模塊設(shè)計(jì)與系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 模塊劃分

依據(jù)新泰—蒙陰地區(qū)地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)的目標(biāo)與要求,該移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建了4個(gè)主要功能模塊和1個(gè)系統(tǒng)幫助模塊(見圖1)。用戶可以通過地圖管理功能在百度地圖背景圖層上疊加地質(zhì)露頭顯示圖層,對(duì)實(shí)習(xí)區(qū)及觀測(cè)點(diǎn)位置的地形地貌、出露地層情況等進(jìn)行預(yù)覽學(xué)習(xí)；地圖校正功能能夠設(shè)置不同地區(qū)E-W向與S-N向的偏移量,用以校正實(shí)習(xí)路線中各觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和百度地圖之間的系統(tǒng)誤差,提升露頭觀測(cè)的準(zhǔn)確度；路線管理功能允許用戶設(shè)計(jì)、加載、編輯實(shí)習(xí)路線,可以根據(jù)不同的實(shí)習(xí)要求以及環(huán)境條件及時(shí)調(diào)整、優(yōu)化實(shí)習(xí)方案；觀測(cè)點(diǎn)管理是該平臺(tái)的核心功能模塊,用戶可以使用該功能進(jìn)行觀測(cè)點(diǎn)位置讀取、露頭照片瀏覽、知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)與編輯等,在實(shí)習(xí)前后以及實(shí)習(xí)過程中便于用戶隨時(shí)瀏覽學(xué)習(xí),解決了學(xué)生不能看清或聽清知識(shí)要點(diǎn)的問題,同時(shí)模塊中設(shè)置的提示功能能夠幫助教師避免遺漏觀測(cè)點(diǎn)。

圖1 平臺(tái)模塊劃分方案

2.2 觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫

在整個(gè)野外地質(zhì)實(shí)習(xí)的過程中,地質(zhì)露頭觀測(cè)點(diǎn)是最重要的對(duì)象。由于觀測(cè)點(diǎn)每年都會(huì)受到不同程度的破壞,因此觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫的更新與維護(hù)是整個(gè)移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理中的重點(diǎn)工作。為了準(zhǔn)確顯示各個(gè)露頭觀測(cè)點(diǎn)的地理位置及其相關(guān)的特征,本套移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)中構(gòu)建了觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(結(jié)構(gòu)見表1),以便后期因觀測(cè)點(diǎn)改變而對(duì)平臺(tái)進(jìn)行各項(xiàng)完善工作。

表1 移動(dòng)平臺(tái)觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)表

觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)使用GPS采集獲取,采用WGS84坐標(biāo)系進(jìn)行記錄。在進(jìn)行實(shí)習(xí)路線與觀測(cè)點(diǎn)加載時(shí),為了確保與實(shí)習(xí)區(qū)的地形圖能夠準(zhǔn)確疊加,所有加載的圖像數(shù)據(jù)在疊加顯示時(shí)需要轉(zhuǎn)換為百度地圖的坐標(biāo)系統(tǒng)(bd09ll),轉(zhuǎn)換的源代碼如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

本套教學(xué)系統(tǒng)基于百度地圖Android SDK進(jìn)行開發(fā),采用Java語言編寫,并使用Android虛擬機(jī)進(jìn)行調(diào)試。使用過程中,需要先下載對(duì)應(yīng)版本的lib庫并且引用其中的so與jar文件,經(jīng)過官網(wǎng)授權(quán)密鑰后方可正常運(yùn)行。由于百度地圖Android SDK提供的所有服務(wù)均為免費(fèi)使用[7],所以本系統(tǒng)無接口使用次數(shù)限制,能夠滿足大量用戶同時(shí)在線使用。移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)采用功能模塊化組建,按照不同功能、不同操作任務(wù)和不同層次體系運(yùn)行,有效提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。平臺(tái)開發(fā)完成后,經(jīng)多款常用型號(hào)的手機(jī)測(cè)試,證實(shí)了該系統(tǒng)在華為榮耀8、小米5S、oppoA73、vivoV3等大學(xué)生常用機(jī)型下運(yùn)行流暢。圖3所示為該平臺(tái)地圖管理與路線管理模塊的運(yùn)行界面。

圖3 新泰—蒙陰地區(qū)地質(zhì)實(shí)習(xí)移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)界面

3 主要功能

針對(duì)新泰—蒙陰地區(qū)地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)的特點(diǎn),結(jié)合近年來實(shí)習(xí)師生反饋的實(shí)際問題,本套移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建了4大功能模塊,其中全面輔助野外實(shí)習(xí)的功能主要包括3個(gè)方面。

3.1 實(shí)習(xí)區(qū)預(yù)覽與路線導(dǎo)航

與同類型應(yīng)用程序相比,Android系統(tǒng)下的百度地圖具有覆蓋范圍廣、地圖信息全、操作簡便等優(yōu)點(diǎn),尤其是百度地圖為用戶提供的智能路線規(guī)劃、智能導(dǎo)航、實(shí)時(shí)路況等方面優(yōu)勢(shì)明顯[8-9]。該平臺(tái)基于百度地圖SDK在手機(jī)上實(shí)時(shí)顯示野外地形圖,并利用GPS功能快速測(cè)算地理坐標(biāo),用戶通過查詢?yōu)g覽、比例縮放、定位等能夠及時(shí)了解實(shí)習(xí)區(qū)的當(dāng)前狀況。帶隊(duì)教師可根據(jù)實(shí)習(xí)要求規(guī)劃好實(shí)習(xí)路線,在實(shí)習(xí)過程中可全程啟用系統(tǒng)導(dǎo)航信息,按照預(yù)定的路線與教學(xué)地點(diǎn)行進(jìn),避免由道路施工、環(huán)境因素造成的迷路等情況。例如實(shí)習(xí)區(qū)內(nèi)橫山村—碗窯頭路線中,村莊建設(shè)修路改道頻繁,實(shí)習(xí)隊(duì)經(jīng)常會(huì)在村莊里迷路而錯(cuò)過觀測(cè)點(diǎn),借助移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)的衛(wèi)星地圖瀏覽與路線導(dǎo)航功能能夠有效提高野外實(shí)習(xí)的教學(xué)質(zhì)量。

3.2 觀測(cè)點(diǎn)定位及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽

地質(zhì)露頭觀測(cè)點(diǎn)的教學(xué)環(huán)節(jié)是野外地質(zhì)實(shí)習(xí)的核心工作,其定位的準(zhǔn)確性直接影響著野外工作效率。百度地圖能夠調(diào)用World View-Ⅱ等衛(wèi)星所獲取的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù),用戶可在路線踏勘階段將最新的觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)、圖像、地質(zhì)特點(diǎn)等數(shù)據(jù)錄入至該移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)中,并將平臺(tái)APP及數(shù)據(jù)庫提前分發(fā)給實(shí)習(xí)學(xué)生,在正式實(shí)習(xí)過程中便于尋找觀測(cè)點(diǎn)，并可隨時(shí)調(diào)用該觀測(cè)點(diǎn)的相關(guān)教學(xué)信息。由于該平臺(tái)的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)及其后續(xù)的維護(hù)管理工作都十分簡單,實(shí)習(xí)教師只需根據(jù)每年按照實(shí)習(xí)目標(biāo)對(duì)實(shí)習(xí)路線和觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整、補(bǔ)充等操作,在手機(jī)平臺(tái)上即可輕松完成。值得一提的是,由于炸山采石、修路、種植農(nóng)作物等人工活動(dòng),新泰—蒙陰地區(qū)的地質(zhì)露頭每年都受到一定程度的破壞,實(shí)習(xí)隊(duì)長有必要在每年實(shí)習(xí)之前及時(shí)更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,確保移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)與實(shí)習(xí)區(qū)地質(zhì)情況保持一致。圖4所示為新泰—蒙陰地區(qū)盤車溝—分水嶺—盤古莊實(shí)習(xí)路線的主要觀測(cè)點(diǎn)及其知識(shí)要點(diǎn)。

圖4 盤車溝—分水嶺—盤古莊實(shí)習(xí)路線主要觀測(cè)點(diǎn)

3.3 實(shí)習(xí)過程跟蹤評(píng)價(jià)

野外實(shí)習(xí)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)部分觀測(cè)點(diǎn)沒有充足時(shí)間去講解學(xué)習(xí)的情況,這是由個(gè)別觀測(cè)點(diǎn)停留時(shí)間過長、教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不當(dāng)、環(huán)境因素以及人員體力不足等多方面原因造成[10]。因此,對(duì)實(shí)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行整體追蹤與評(píng)價(jià),有助于教師對(duì)各實(shí)習(xí)路線教學(xué)進(jìn)程的宏觀把控,對(duì)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行合理分配,提升野外教學(xué)質(zhì)量。該移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)內(nèi)設(shè)置了實(shí)習(xí)過程跟蹤評(píng)價(jià)功能,通過將智能手機(jī)的計(jì)步系統(tǒng)與路線管理模塊的計(jì)時(shí)功能結(jié)合,以曲線方式全程記錄并分析一個(gè)完整的實(shí)習(xí)路徑,實(shí)現(xiàn)了野外實(shí)習(xí)定量化管理。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

該地質(zhì)實(shí)習(xí)移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)完成以來,先后于2016年、2017年暑期參加新泰—蒙陰地區(qū)地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)的部分班級(jí)進(jìn)行試用。通過對(duì)近200名學(xué)生問卷調(diào)研統(tǒng)計(jì)表明,有90%的學(xué)生使用了該平臺(tái)并一致認(rèn)為功能實(shí)用、操作簡便,能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并提供了知識(shí)點(diǎn)預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)等幫助。帶隊(duì)教師認(rèn)為該平臺(tái)能夠切實(shí)優(yōu)化野外實(shí)習(xí)的路線方案、準(zhǔn)確定位地質(zhì)觀測(cè)點(diǎn),并在復(fù)雜地貌及惡劣天氣下運(yùn)行穩(wěn)定,極大地改善了野外實(shí)習(xí)的教學(xué)效果。

通過使用該移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)輔助野外實(shí)習(xí),近2年新泰—蒙陰地區(qū)地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)的效率明顯得到提升,以往經(jīng)常發(fā)生的迷路、繞彎路、遺漏觀測(cè)點(diǎn)等現(xiàn)象已基本杜絕。以行進(jìn)路線最長的盤車溝—分水嶺—盤古莊路線為例,該路線自新泰市汶南鎮(zhèn)盤車溝村西側(cè)分水嶺出發(fā),沿路大致向東行進(jìn)至盤古莊村西到達(dá)終點(diǎn),路程全長大約6 km(見圖4)。該路線中生界地層超覆不整合在上石炭統(tǒng)太原組之上,各類典型的碎屑巖及其沉積現(xiàn)象出露良好,共設(shè)置了7處觀測(cè)點(diǎn)。近年來汶南鎮(zhèn)炸山采石修路較頻繁導(dǎo)致觀測(cè)點(diǎn)1河流相砂巖、觀測(cè)點(diǎn)3深湖泥巖受到嚴(yán)重破壞,無法建立起正常的沉積序列。2016年實(shí)習(xí)教師針對(duì)該問題提前踏勘尋找到了出露良好的地層,并將相關(guān)數(shù)據(jù)加載至該教學(xué)平臺(tái)中(見圖4)。在近2年實(shí)習(xí)過程中,實(shí)習(xí)隊(duì)利用該平臺(tái)準(zhǔn)確定位了上述教學(xué)觀測(cè)點(diǎn),并借助其豐富的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫,建立了該地區(qū)系統(tǒng)的沉積相演化序列,順利完成了實(shí)習(xí)任務(wù)。

5 結(jié)語

應(yīng)用于新泰—蒙陰地區(qū)地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)的輔助教學(xué)平臺(tái)基于智能手機(jī)Android系統(tǒng)開發(fā),將百度地圖SDK、GPS導(dǎo)航定位、移動(dòng)上網(wǎng)、Java編程等技術(shù)有機(jī)結(jié)合,充分發(fā)揮了百度地圖覆蓋范圍廣、遙感影像清晰

的優(yōu)勢(shì),并將野外地質(zhì)實(shí)習(xí)的觀測(cè)點(diǎn)位置與教學(xué)資料聯(lián)系起來,極大地提高了野外實(shí)踐教學(xué)的效率。隨著智能手機(jī)的性能快速提升,今后將逐步完善平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫及功能模塊,考慮將構(gòu)造等高線、地層邊界線、地層巖性等信息加載到數(shù)據(jù)庫中,并疊加顯示至觀測(cè)點(diǎn)圖層上。通過不斷完善至成熟后,可逐步將該移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)推廣應(yīng)用至秦皇島、巢湖等地區(qū)的野外地質(zhì)實(shí)習(xí)中,以及類似靈山島、大珠山等地質(zhì)公園旅游路線設(shè)計(jì)、景點(diǎn)介紹等領(lǐng)域中。