利用校园人工湖进行工程测量实践教学的探索

2013-07-12刘绍堂张慧锋

商丘师范学院学报 2013年3期

刘绍堂，张慧锋

(河南工程学院土木工程学院，河南郑州 451191)

0 引言

提高教学质量，努力培养既有理论又有实践能力、创新精神强、综合素质高的新型高级测绘人才，是高校追求的目标［1］．测绘工程专业是一门实践性很强的专业，其主干课程教学效果的好坏很大程度上取决于实践教学质量的优劣．多年来在测绘工程专业主干课的教学安排中，实习、实验学时数一直占教学总时数的1/3以上．工程测量学是测绘工程专业的主干专业课，非测绘类的规划、土建、水利、电力、地质、地理、矿山、交通、规划、国土、房产、市政、港口、航海、农林、资源、环保、防灾、安全等专业也设有工程测量或测量学课程，这些课程均需要进行相应的工程测量实习和实验．

测绘学科实践教学环节占有十分重要的地位［2］，宋振柏、曹俊茹［3］根据淄博学院测绘工程专业校内多功能实验实习教学基地建设的体会，介绍了8个不同类型的校内实验实习场地，说明了建设的目的、方法、实施步骤和功能．刘昌华、王少安等［4］则介绍了焦作工学院测绘工程专业结合河南省教学改革计划项目的研究，建立了校内普通测量、野外地形测量、市区控制测量及实验楼－人防地道模拟生产矿井测量等实习基地的经验．陈俊杰、王庆林等［5］还专门对河南理工大学依据人防工程平战结合战略，充分利用人防工程，建设地下工程测量实习基地进行了研究．聂启祥［6］也叙述了测绘工程专业校内普通测量、地形测量、线路工程测量等实习基地的建设情况．何立恒、史玉峰［7］考虑到测绘工程专业应用性、实践性强的特点，从课间实验、集中实习、分散拓展和设计提高四方面构建测绘工程本科专业实践教学体系．周建郑、何宽［8］，张晓东［9］，邓军、李天和［10］，冯大福、罗强［11］等也就高职工程测量技术专业实习实训基地建设问题进行了探讨．这些研究富有效果，但多是针对集中实习或课堂基本操作实验的研究，笔者另文［12］设计了利用长度400余米的楼群连廊模拟地下工程进行工程测量实践教学的方案也只限于对地下工程测量实践教学的研究，本文的研究重点是结合我院人工湖区域的特点开发工程测量课间实践教学的方案和方法．

1 实验项目设计与开发

测绘专业实习根据场地有三种不同形式［13］:一是根据实习内容在校外固定实习场地进行，这种形式真实性比较强，能收到较好的实习效果，但会受到实习经费不足等条件限制，实施起来，有一定的难度，适合计划单列的教学实习;二是把实习内容与生产单位具体工程项目相结合进行生产实习，这种形式真实性强，能收到较好的效果，学生能得到真正的锻炼，同时也能为生产单位提供合格的产品，但其弊端是实习内容不一定与教学计划和教学大纲相吻合;三是在校内建立实习基地，模拟现场环境进行教学，该形式能根据教学大纲和实习大纲设计实习项目，能充分利用学校的资源设备，而且可节省大批的实习经费，具有很强的针对性，实习效果良好，特别适合开展基本操作和基本技能训练的课间实验和开放实验．

河南工程学院位于河南省郑州市新郑龙湖，占地2600余亩，在校生25000余人．为了满足土木工程、地质工程、工程监理、工程造价与管理、矿山地质、矿山通风与安全特别是测绘工程、土木类、地矿类专业进行教学及科学研究的需要，我院测绘工程实验室2000年以来，向学院申报并添置了新型仪器设备，其中包括:静态GPS 10套，RTK 20台套，徕佧全站仪、拓普康全站仪、索佳全站仪、南方全站仪、苏光全站仪等30余台，徕佧电子水准仪1台，拓普康电子水准仪1台，苏光电子经纬仪10台，南方S3自动安平水准仪50台，电子计算机100余台，喷墨绘图机1台;近年来还购入了全数字摄影测量工作站，陀螺仪全站仪等测绘实验与科研设备和GIS、RS、GPS、测量平差、工程测量等各种测绘软件1批．加之上一世纪80年代设立测绘专业初期采购和调拨的测距仪2台，光学经纬仪30台，光学水准仪50台和其它常规仪器工具，测绘仪器设备基本满足实习实验需要．学院人工湖(图1)位于学院龙湖校区中南部，湖北岸系人工地形地貌，起伏多变、南岸坡度较大，东岸溢流管道从地下经过，西岸紧邻图书馆南广场，湖中央有水上演出舞台，湖四周有多种线形和不同坡度的道路围绕;区域内环境优美，距离教学区和实验室都很近，非常适合开发课间实验和开放实验项目．

利用人工湖开发出的实验项目如表1所示．实验时，各实验小组由4～5人组成，在教师指导下，在规定的时间内独立完成每一实验项目．

2 利用人工湖进行工程测量课间实验的方法

2．1 模拟施工控制测量

把整个人工湖区区域看作施工区，按照施工控制网布设方案，利用校园控制点［14］作为水平和高程控制的高级起算点．在混凝土道路上的控制点用特制的顶面刻有十字中心标志的园钉，钻孔固定于路面;其他位置的控制点采用螺栓顶面刻十字中心标志，现场按规范挖坑浇注混凝土．临时性导线点在水泥地面上用红漆划一圆圈，圈内点一小点，其他位置可以打一个木桩，在桩顶钉一小钉，导线点同时兼做水准点．该场地可同时用于10组学生进行测角、测距，导线测量，水准测量和三角高程测量等实验，同时可以按排建筑轴线控制和桥轴线控制测量、建筑基线的布置等实验内容．

2．2 模拟地形测量数据采集

由于湖南北岸呈现起伏不平的微地形，具有较丰富的地形地貌特征，课堂实验时把全站仪架设在两岸控制点上，观测和司镜能很容易发现局部的地貌明显特征，能很好地模拟山地地形测量原理，在现场还可以借助湖水的水平面和水际线解释等高线的概念，达到地形测量课堂实践教学的目的．

图1 人工湖区域平面图(局部)

表1 利用楼群连廊模拟地下工程测量实验的项目、要求和时间分配表

2．3 模拟场地平整和土方计算

在人工湖四周标定出场地边界，设定某高程的平面或某一具体斜面为场地平整目标，学生可以根据学过的知识采用断面法、方格网法、数字模型法、几何图形求积法等多种方法测定．土方量计算可以用公式法、计算机或计算器编程法，也可通过多种工程软件对进行地形图电子化、数字化处理，获取地形高程数据文件进行［15］．在测量土方时各组要学会利用全站仪固有程序自动测量当时水际线所围水面面积的方法．

2．4 模拟纵、横断面测量

模拟纵、横断面测量可以在人工湖南北或者东西方向进行，把湖水面看作平面，则只需一个高程即可反映水面情况，测量重点在两岸的起伏地貌，结合水位和水深测量资料还可以模拟河流断面测量．断面测量可以用水准仪法、全站仪法、也可以采用GPS－RTK法．

2．5 模拟桥梁施工放样

首先在湖两岸布设桥梁控制网，把其中对岸两个控制点选为桥轴线控制桩，把湖中水上舞台作为桥墩放样点，可以在两岸分别使用交会法、GPS－RTK法进行桥梁墩台模拟放样．学生在水上舞台还可以标出桥墩中心位置，同时也可练习桥墩轴线放样方法．

2．6 模拟水深测量和水库库容测量

人工湖东堤下埋有溢洪道，以保持在雨水季节的正常水位同时也保证水深在可控范围内，不至于引起安全事故．测出溢洪道底部高程和水面高程，在测量水位的同时用测深杆测出水深，即可计算湖水现容量和“库容量”;依照此思想，也可以在湖周测设湖水“淹没界线”．湖东堤还可以看作是水库坝体，可籍以学习和理解坝基清理线的概念．

2．7 模拟滑坡变形监测

湖北岸地形多变，且坡度起伏，系人工大量填土构筑，在雨水作用下并不稳定．这些特征可以供模拟滑坡变形监测实验使用．

为了更真实地模拟滑坡情况，湖北岸预先按装反射片或棱镜基座，湖南岸则设置多个观测基准点;观测时使用相对位移观测法或者绝对三维位移观测法．

由于监测时间很短，滑坡可能没有变形或者变形很小，不能产生合格的监测成果．但各人、各组和全班对同一目标的监测成果可以看作是多个监测周期监测的结果．相互对比除了可以反映观测误差的大小外，还可学习变形数据处理和分析的方法，并绘出“变形曲线”．

2．8 模拟架空线弧垂测量

湖四周均有树木，树木间的连线可以看作输变电电路，利用全站仪的悬高测量程序不但可以测量架空线的弧垂，也可以测出其与任意点甚或水面的高差，利用全站仪的对边测量程序可以测出树木间距．

2．9 模拟间接选线和定线测量

把整个湖体看作不通视的障碍物，可以模拟间接定线(图2、图3)、坐标定线、GPS定线等．

图2 矩形法定线

图3 三角形法定线

2．10 模拟公路测量

人工湖四周有现成的道路，不同路段具有不同的坡度和曲线特征，适合线路测量的实验，具体可以进行中线测量、定线测量、曲线测设、路基和边坡放样等．

3 实验监控、考核与效果评价

传统的课堂实验主要进行诸如边角、高程、距离和坐标测量的基本操作训练，过去总是由老师组织编写课堂实验书，学生根据实验指导书完成实验并提交实验报告，教师根据实验报告对学生成绩进行评价．此过程中教师处于主动地位［16］．以上项目并不严格属于基本操作训练项目，适合于学生在掌握了测量基本方法的基础上进行课间实验和开放实验，要求学生始终是学习过程中的主导者．谭衢霖，杨松林等［17］研究表明，实施研究性工程测量教学使学生的理论知识基础比过去更加扎实，学生分析问题与解决问题的能力、自主学习能力、实践能力和创新思维能力可得到明显提高．为此，以上每个项目教师都根据表1下达教学任务和教学要求，首先由各组同学自动设计实验方案和复测检核方案、自行选择仪器、自主准备数据并采取头脑风暴式的讨论和交流确定终选方案，经指导教师审批后学生方可在现场操作．老师在现场只做宏观管理，主要靠学生自觉完成任务，任务完成后，由各组派代表在教室内向全班师生进行汇报(可以用PPT)，重点汇报实验方案、遇到问题、对策和经验、成果检核和精度等关键问题．全体师生围绕汇报内容进行答问、讨论和评价，从而完成整个实验过程．

整个实验过程可以设计成创新型实验［18］，准备初期学生可以讨论方案，也可以通过网络发现相关知识和方法，整个过程，师生也可以面对面自由讨论，还可以通过各种网络工具进行深入的讨论，实验本身不但具有新颖有趣，而且学生还有可能发现新的方法和方案，效果很好．

课间实验和开放实验不单独计算成绩，但是平时成绩的重要依据之一．其成绩评定办法，以初始方案、实验过程、实验结果、经验教训和课堂汇报效果综合进行评定，完全改变了仅靠实验报告评定实验成绩的方式，大大激发了学生的学习积极性和热情，增强了学生的实践动手能力．

项目投入到知识准备、资料收集、方案制定和讨论、仪器选择、室内总结和评价的课外时间总体要大于课堂实验本身实际需要的时间，这与工程测量工作本身也是符合的．

4 结束语

为了保证工程测量实验的顺利进行，我们因地制宜，对实验的项目、实验的要求提出了具体标准;对整个实验过程从方案制定到成果总结和成绩评定，形成了一套操作规范．整个项目针对性强，独特的项目开发和实验过程组织、监控措施，激发了师生的创新精神;对工程测量实验复测和检核方案的重视，使学生养成了良好的职业责任素质;尽管湖水常水位不构成安全威胁，但老师反复地安全提示，增强了学生的安全意识．实践证明:利用校园人工湖开发的工程测量实验项目锻炼了学生实际动手能力，提高了实践教学质量，开创了一条充分利用校内自然地理资源建立有特色的实验基地的新路．

［1］宁津生，翟翊，宋伟东，程效军，等．深化教学改革，加强实践教学——“首届全国大学生测绘技能比赛”经验总结［J］．测绘通报，2009(10):1－4．

［2］江德勤．多功能教学实习基地的创建［J］．实验室研究与探索，1991(03):118－120．

［3］宋振柏，曹俊茹．校内多功能实验实习基地的建立［J］．测绘通报，2000(05):43－44．

［4］刘昌华，王少安，王庆林，王宝山，等．测绘工程专业测量实习基地的建设与发展［J］．测绘工程，2005(01):75－77．

［5］陈俊杰，王庆林，魏峰远．“地下工程测量”实习基地建设的探索与实践［J］．实验室研究与探索，2007(09):122－124．

［6］聂启祥．测绘工程专业校内综合测量实习基地建设的研究［J］．华东交通大学学报，2006(S1):128－129．

［7］何立恒，史玉峰，郑加柱．测绘工程本科专业实践教学体系的构建［J］．测绘通报，2010(08):74－77．

［8］周建郑，何宽．高职工程测量技术专业实践教学体系的创新与实践［J］．测绘通报，2008(10):72－75．

［9］张晓东工程测量技术专业实习实训基地建设问题的探讨［J］．矿山测量，2007(03):78－79;82．

［10］邓军，李天和，冯大福，罗强．高职工程测量专业实习实训基地建设的研究与实践［J］．实验室研究与探索，2008(10):136－139．

［11］冯大福，罗强．高职工程测量专业实习实训基地建设的研究与实践［J］．实验室研究与探索，2008(10):136－139．

［12］刘绍堂，沙从术．利用楼群连廊模拟地下工程进行工程测量实践教学的探索［J］．测绘科学，2009(01):228－229;13．