结合物联网与云技术的测绘实训管理平台设计与实现

2019-02-15会桓

测绘通报 2019年1期

，，，,会桓

(1. 北京工业职业技术学院，北京 100042； 2. 京津冀城际铁路投资有限公司，北京 100035)

随着我国综合国力的增强，国内许多工程单位的业务范围也在逐步向国外拓展，对于测绘人才的需求量和技能素质要求同步增长。涵盖专业内容广、专业实践要求强，是对于测绘类专业教学的实际社会需求。培养“厚基础、宽口径、强能力、高素质”的技能型、创新型人才，是职业院校开展测绘类专业教学改革的当务之急。

实训教学是职业教育的重要组成部分，是培养学生基本技能、技术运用能力的重要途径，是学生在校期间提升实际动手能力、职业综合能力的最重要手段。因此，实训教学质量的持续提升，是提高职业院校高素质、技能型人才培养质量的关键。

1 测绘实训教学现状分析

概括来讲，受到外部环境和设备资源条件的约束，传统的测绘专业实训课程教学过程，在培训工作组织、学生指导、课程评价等方面，受到实训场地、仪器设备、师资力量、教学内容和教学方法等方面的限制，存在以下共性问题：

(1) 实训环境复杂、师生沟通困难。测绘类专业的实训教学在校内实训基地、实际施工场地中进行。场地开阔、地形相对复杂，造成现场沟通联络困难。由于学生分布在实训场地的不同位置，教师在不同实训分组间巡视指导、解答问题。常用的对讲机设备只能解决实训教学过程的常规通信问题；而对于学生遇到的设备操作、试验步骤等方面的问题，只能采用师生之间面对面沟通的方式解决。这就造成实训过程沟通效率低、耗时严重，而且难以及时发现实践操作中的过程性问题，以便给予针对性的指导和帮助。

(2) 试验仪器陈旧、人均持有率低。比较其他专业，测绘类专业要求学生需要掌握较强的实践动手能力。但现实中受到技术快速发展、仪器采购成本、学校招生规模等限制，院校普遍存在测绘仪器陈旧、短缺等现象。现有仪器以光学仪器为主，而以航测飞行器、三维激光扫描仪、测量机器人系统为代表的新型测量仪器的持有率则很低，甚至难以满足教师日常科研需要，这必然造成培养学生的实际工程应用能力与社会需求、企业需求严重脱节。

(3) 教学内容需要与时俱进。工程测量技术的快速发展，造成所用的测绘仪器不断更新迭代，测量方法也在不断创新和完善。而院校在这些方面涉及的教学内容并不多。如很多院校目前《测量学》的内容，还是“老三仪”(经纬仪、水准仪、平板仪)加上地形图，最后加上一点不同专业的应用，而对许多新仪器和新方法的介绍较少或难有涉及。

而在教学过程的组织上，需要引进信息化教学平台与手段，通过基于移动互联网络的“课前学习理论、课上内化实践、课后拓展应用”的线上线下混合式教学模式；以学生为主体、教师为主导，开展自主学习、团队学习、启发讨论式学习方法；基于虚拟仿真、增强现实、物联感知、云计算和云存储技术的共享型网络教学平台产品，为优质教学资源的共享分发、实训教学过程和教学内容的持续改进提供支撑和保障。

(4) 实训教学方法缺乏创新。主要表现在两个方面：一是传统实训教学要求学生按照事先规定的试验程序，在既定时间和已配置好的仪器设备上，由教师讲解示范后，按照教师精心准备的试验指导书所罗列的试验步骤开展试验。在整个试验过程中，学生只是被动机械地操作、完成试验步骤，缺乏独立思考，更无法涉及创新。二是缺乏对学生实践过程的有效监督，以及相应的奖惩机制，结果导致分配给3～5人一组的实践任务，实际只有1～2个组员去完成，其他组员“坐享其成”实践成果，没有达到实训教学的目的。

(5) 缺乏科学的实训教学质量评价手段。课堂教学质量评价是教师和学生在教与学的过程中，各自行为质量动态综合的结果。需要结合信息化教学平台和技术手段的应用，选择符合测绘专业实训教学特点的评价内容和评价指标，取代传统的“结果评价、主观评价、单一评价”等评价手段，做到“全员评价、过程评价、量化评价、系统评价、即时评价、多元评价”，使得教师及时发现教学过程存在的缺陷和问题，通过针对教学方法提出针对性的整改措施、提高实训教学质量。

2 移动互联时代的教与学

教育信息化是国家信息化的重要组成部分，是改革教育理念和模式的深刻革命[1]。随着智能手机等移动终端设备的普及，移动互联技术在教育领域的应用不断深入，从21世纪初开始，移动教育模式在教育界得到迅速推广。

移动教育是以移动通信技术作为技术支撑，以无线网络模块作为访问渠道，以互联网教学平台作为教育基础，利用多媒体教学技术进行教学的一种交互式教学模式。这种先进的移动教育模式，可以摒弃传统教学模式的时空限制，突破课堂连接的束缚，使得大量的教学资源得到共享，为教师教学和学生学习提供方便。

移动教育模式使得各种慕课(MOOC)、SPOC、微课等具有碎片化学习特征的学习方法，与虚拟仿真、增强现实、物联感知、云计算和云存储等现代信息技术得到了完美的统一，传统的课堂教学模式正在逐步被混合式教学等新型教学模式所取代，通过网络教学平台等信息化教学辅助手段的应用，对提升院校信息化教学水平起到了重要的推动作用，使其在教学理念、教学形态、教学关系方面都发生了巨大的改变。

3 测绘实训管理平台系统设计

3.1 系统概述

与常规的网络学习和教学互动平台相比较，本平台是针对测绘类专业实训课程的特点进行规划设计，以检验学生对于实践任务的实际参与程度、构建贯穿实践教学课程全过程的定量考核机制为切入点，以提升学生的实践动手能力和解决实际问题能力为终极目标，更加符合测绘类专业实训课程的教学特征和认知规律。

(1) 适应室外复杂环境要求。常规测绘实训室外环境如图1、图2所示。

平台集成了即时通信、讨论区等工具，建立便捷的信息沟通渠道，文字、图片、音频、视频等不同形式的信息在师生之间、学生之间进行网状的传播。学生自由发问、教师即时作答；学生发起讨论，全员自由参与；学生上传实训成果、教师组织投票、其他同学参与评价。各种教学活动可以在“教师—实训分组—学生个体”之间灵活地发起和实施。

(2) 兼容高端测绘仪器设备。测绘类专业实训教学的目标之一就是培养学生操作测绘仪器设备解决实际问题的能力。因此，测绘仪器设备的使用，是测绘实训课程教学过程的特征和标志。

平台面向全站仪、无人机等高端测绘仪器设备，选择部分市场占有率较高的厂商和型号，通过蓝牙、WiFi等通信接口，实现对设备开关机状态、历史操作指令、测量成果等仪器设备数据的读取，可以为“学生做了没有？实训进度如何？实训结果如何？”等实训过程管理问题的解决提供辅助依据。

(3) 虚拟仿真系统接入。院校普遍存在“高端测绘仪器设备数量不足、仪器种类滞后于行业技术发展”的现象，难以满足专业实训教学对于仪器设备的实际需求。因此，通常采用仪器设备虚拟仿真系统作为设备实践的前置学习环节，以弥补设备昂贵、数量不足的缺憾。

仪器设备虚拟仿真系统通常会采用“学—练—测”相结合的方式，为受训者提供交互式的学习场景。通过基于仿真系统的测试过程，检验受训者对于仪器设备的认知水平。图3为全站仪虚拟仿真系统。

平台提供标准的数据接口，可以直接接入学生在仿真系统的测试成绩，作为学生在前置学习环节学习情况的评价依据。

(4) 分段组织实训任务。平台系统提供针对实训任务的分段管理功能。教师可以根据实训任务的具体实施环节，分段组织实训任务、分段确定考核目标、分段提供教辅资料、分段评定成绩，学生根据实训要求分段提交实训成果。

(5) 个性化的分组练习方式。根据企业实际操作方式，完成实训分组、分角色的预设任务，更加贴近行业实战需求。根据实训任务内容的不同，区分观测员、记录员等不同角色职责，分别提供针对性的系统辅助功能。如针对观测员的设备数据读取功能和针对记录员的手簿填写功能。

(6) 构建多样化考核方法。针对各类实训任务，构建过程化的考核方法，贯穿实训课程的整体组织过程。由单一的实习报告，拓展为技术设计、仪器操作、内业绘图、实习报告等多项内容，根据考核内容确定所占分值，由个人成果形式扩展为个人与合作性成果结合的形式，由结果导向的1次考核，改为过程导向的多次考核，最终促进实训任务的考核由终结性评价向形成性评价的转变。

3.2 系统功能设计

整个平台系统由实训任务管理系统和实训任务实践系统两部分组成，系统整体构架如图4所示。

实训任务管理系统主要面向实训教师和院校管理人员，提供实训任务的规划、组织与实施，实训课程教学的评价与反馈，查看实训课程相关的、更为详细的统计数据等功能，掌握校内各类实训课程全貌；面向院校设备管理员，提供实训仪器设备的入库、借出、归还、故障处置等功能。实训任务实践系统面向实训教师用户，提供实训任务进度跟踪、在线技术支持，根据实际教学需要即时组织和调整教学活动等功能；面向学生用户，提供查看实训任务和资源、参与实训分组、读取设备参数、上传实训成果、参与教学活动等实训任务实施功能。

3.3 系统部署

测绘实训管理平台可以部署在互联网云平台、校内专网环境，为用户提供基于桌面浏览器、智能手机的实训教学服务，其技术架构如图5所示。

根据院校的不同管理需求，提供云部署和本地化部署两种系统部署方式。

采用云部署方式的平台如图6所示，应用服务器、数据库服务器设备部署在公用云平台上，通过互联网面向最终用户提供应用服务，由系统供应商负责日常维护。各院校无需服务器等设备投入，各级管理人员、实训教师、学生可通过校内或个人的PC机、智能手机终端设备，通过公用互联网、移动互联网、校内专网环境，随时、随处访问平台各项管理功能。安装了APP应用的智能手机设备，可以通过蓝牙方式与测绘实训仪器设备直连，读取设备数据。

采用本地化部署方式的平台，应用服务器设备部署在院校信息中心，各级管理人员、实训教师、学生可通过校内专网取得本地化应用服务，应用系统的常规维护由院校技术人员负责，维保期内由系统供应商根据售后服务条款提供技术服务支持。院校需提供专门的应用服务器设备，部署在校内局域网环境。各级管理人员、实训教师、学生可通过校内或个人的PC机、智能手机终端设备，按照校内网络配置管理策略，通过校内专网(或互联网)环境访问平台各项管理功能。安装了APP应用的智能手机设备，可以通过蓝牙方式与测绘实训仪器设备直连，读取设备数据。