花向红,许才军,邹进贵,汪志明,向 东
(武汉大学 测绘学院,湖北 武汉430079)
随着信息技术、空间技术和通信技术的飞速发展及其在测绘领域的不断应用,以“3S”技术为代表的现代地理空间信息技术发生了革命性的变化。从上世纪80 年代到本世纪初,我国已完成了由传统测绘技术体系向数字化测绘体系的转化,并跨越式地进入了信息化测绘阶段。信息测绘对人才培养的要求,正从过去的技术型向市场技术应用管理创新型转变。进入21世纪,测绘科学技术的迅速发展使得知识更新的周期极大地缩短,实验方法与技术手段的进步日新月异,原有实验教学体系明显不适应测绘科学技术的发展,学生获取的知识和技能往往是孤立的,这样培养出来的学生知识面过窄,信息处理能力明显不足,满足不了现在更侧重于培养信息化测绘服务的创新型测绘科技人才的需要[1]。因此,如何提高学生的综合素质和创新能力[2],拓展培养学生科技创新精神和创新能力的新途径、新方法,是测绘高等教育必须解决的问题,而建设创新实验平台[3-4]正是应对这一问题的正确选择。为此,本文介绍了创新实验平台建设的具体目标、具体过程和使用情况。
信息化测绘创新实验平台既不同于常规的实验室,也不同于一般的专业实验室,自主性、创新性是平台建设的两个主要特色[5-6]。自主性主要体现在学生在创新实验平台中有相对宽松的时空环境,构造学生自主的学习环境,使学生可以在实验室里自主设计、自主实施、自主观察、处理和分析实验数据和结果,解决研究过程中出现的各种问题;教师只在提供实验资料、解答实验问题等方面为学生提供服务。创新性主要体现在要创设各种条件让学生在实验室中开拓自己的思路、展示自己的创意、践行自己的想法,创造性地提出解决问题的方法和途径。因此,在信息化测绘创新实验平台建设过程中,要体现自主性、创新性两个主要特色,并按照《高等学校本科教学质量与教学改革工程项目管理暂行办法》等相关要求,结合测绘科学的发展趋势和实验学科的特点,以培养“高品质、国际化、创新型”的人才为目标,营造有利于学生自主学习、研究学习的实验环境,为学生个性化培养提供自由发展的空间和平台。
(1)建立旨在培养综合设计能力、创新创造能力及工程实践能力的实验教学新模式[7-8]。实验平台以接受学生个人和科技团队为主,主要开展综合设计型、研究创新型实验,同时鼓励学生从事实验装置的改造、前沿学科的研究及新技术应用的开发,支持学生验证自己对某一理论所作的开创性推理,指导学生就研究项目发表科技论文、申请专利和软件著作权等。既要有面向低年级学生设定的实验内容,也要有面向有一定基础的学生自拟题目的实验内容,还要有面向高年级学生的科研性实验内容,这样才能从多方面、多角度培养学生独立动手能力、自学能力、发现问题的能力、综合分析处理问题的能力、信息的收集和整理能力、团结协作能力。
(2)建立有效的运行管理模式[9-10],确保实验平台的可持续发展与运行,以期最大限度地发挥创新实验平台的功效。考虑到实验平台接受多种形式的学生创新实践活动,本着理论与实践相结合、教师指导与学生自主实验相结合的原则,实验平台采用项目管理的模式,实行自我管理、目标考核。同时,实行信息化管理,利用中心网站公布开放和创新实验项目信息,学生根据自身的情况选择参加开放和创新的实验项目,或自行申请到创新实验室开展自己提出的项目,实施网上报名和录取,并安排指导教师。
创新实验平台建设包括硬件和软件建设两部分[1],硬件建设包括实验室面积、实验仪器设备、实验平台和专业软件等建设;软件建设包括实验教学手段创新、实验教学内容改革、实验队伍建设[11]以及实验室管理模式[12]改革等。
2009 年2 月,测绘实验教学中心从武汉大学实验室与设备管理处、武汉大学测绘学院获批专项经费,建立了以地面数字化测图模拟与仿真平台为基础的信息化测绘创新实验室。
2010 年底,中心组织申报的2010 年度武汉大学“985 工程”教学实验室共享平台“信息化测绘创新实验教学平台”建设项目获批,进一步明确和完善了信息化测绘创新实验平台的建设目标。
经专家评审,确定了21 个创新实验研究项目,于2011 年3 月1 日正式启动,进一步丰富了信息化测绘创新实验平台建设的内涵。
在信息化创新实验室所建立的地面数字化测图模拟与仿真平台基础上,继续进行相关建设,完成了“精密三维全景控制场检校实验平台”的建设。
中心组织申报的武汉大学“985 工程”2011 年大型仪器设备共享示范项目“绝对/相对重力仪共享平台”建设项目获批。该项目以提高仪器设备的使用性能,保障设备正常运行,提升服务能力为目标,实现与“国家级测绘实验教学示范中心”网站以及校级、省级、国家级大型设备共享网络平台相关联,实现大型设备共享使用,为创新实验教学平台中大型设备使用和共享提供了技术保障。
作为信息化测绘创新实验平台重要组成部分地震大地测量实验站观测室进行扩建,现已基本完成。
在信息化测绘创新实验室中,完成建设了“电动遥控轨道系统”,可以为学生开展航测成图及创新研究打下基础。
平台主要包括:①建立了信息化测绘创新实验室[12]。安置了卫星信号转发器、移动摄影测量系统、地形三维场景模型和精密三维全景控制场等,可以根据需要,仿真各种测绘场景进行各种实验,实现模拟测量数字化、野外现场模型化、数据处理可视化等手段,实现了GPS 测量、低空数字摄影测量、地面数字测图、传感器远程监测数据接收的全天候实验,提升了学生的方案设计、数据处理分析及创新研究能力。②构建了信息化网络实验教学平台。包括系列精品课程网站、创新实验资源网络平台和测绘实验教学示范中心网站。系列精品课程网站(包括5 个国家级和3 个省级精品课程网站)涵盖了测绘工程专业8 门核心课程;中心网站提供了GNSS 卫星数据等诸多教学资源,学生自主从中心网站获取的相关实验数据;地面数字化测图模拟与仿真平台等,21 个创新实验资源网络平台提供了丰富的学习资源,强力支撑学生自主学习。限于篇幅,这里只给出部分创新实验资源网络平台的建设和使用情况。
2009 年,我院根据数字化测图技术的发展,组织人力和物力,在信息化创新实验室中建立了地面数字化测图模拟与仿真平台。该平台长度约为8.4 m,宽约为4.5 m。是对地形、地物的模拟,整体呈现西北高东南低的形态。平台的东部模拟云南梯田,表面没有植被覆盖,从模型的正上方看呈等高线的形状,这一部分可以让学生更直观地感受和理解等高线的特性。平台的中部主要以人工建筑为主,有河流、大坝、居民区以及公路铁路等,河流的下方配合灯光的效果,会产生河流流动的效果。居民区的后面部分主要以自然地形为主,有山岭、沟壑、山谷、断层和悬崖等。在模型西部以自然地形为主,有小型的湖泊等。铁路、隧道、公路和铁搭等人工建筑分布在平台中。
在教学中,学生运用该平台可以在室内测量,利用周边观测墩上的控制点学生可对三维地形测绘仿真模型进行数字测图仿真实习,对选定的测区制定测图技术方案,同时利用模型还可以进行一些数字测图技术等方面的专题研究,研究如何在有限的空间进行有效的测量,如何提高成图的精度,达到成图的精度要求,如何提高测量的效率,便于学生理解和掌握新技术,培养学生的创新能力。
结合该平台,通过建立地面数字化测图网络自主学习系统数字化学习环境[13-14],让学生能充分利用网络资源获取有效的信息,丰富学习内容,使网络资源与数字测图教学过程紧密地结合起来,以此实现学生自主学习的意愿,可以按照学生自己的需要选择学习内容、学生自己的特点选择学习方法、学生自己的时间安排学习的进度、学生自己的能力选择学习内容的深度。目前,地面数字化测图网络自主学习系统已基本建成,主要包括平台简介、实验场地、数字测图模式、技术设计、野外数据采集、内业成图、平台地形图测绘、二维与三维交互、探究性实验、典型案例、信息反馈、开放的教学环境、实验心得、信息公告等模块。平台在学生的综合实习、毕业设计和创新实验中得到应用。
室内三维控制场是近景摄影测量工作的一项基本建设,对科研与教学工作均很重要。随着全景相机等新型仪器的出现,常规室内三维控制场已不能满足全景相机检校的需要,为实现全景相机的高精度检校需要建立全方位的三维全景控制场。该三维全景控制场不仅可以用于近景摄影测量的有关研究,包括新理论、新仪器和新方法的检验、摄影(摄像)方式的优化设计以及检验控制点数量、质量和分布对精度的影响等;实测目标形状以及其运动状态;可以检定摄影机、摄像机和地面三维激光扫描仪,而且可以为学生提供相机和地面三维激光扫描仪检校方面的创新研究条件,设计开放“精密三维室内控制网设计与施测”、“常规数码相机检校”、“全景相机检校”、“地面三维激光扫描仪精度检测”等自主学习型、综合设计型和研究创新型实验项目。
目前,该室内三维全景控制场已布设完成,共布设平面测量标志342 个,29 个平面编码标志,116 个球形标志。室内三维全景控制场基准由4 个测站点构成大地四边形网,测站采用铝合金管材料制作,顶部采用强制对中装置。采用TS30 测量机器人作为三维控制网的主要测量仪器。通过一定的测量方法和数据处理手段,精确确定三维全景控制场基准点的三维坐标。在此基础上,采用前方交会的方法和三角高程测量法确定标志点的三维坐标。并已接待50 多名大学生和研究生开展数码相机和三维激光扫描研究工作。
地震台站作为地震科学研究最基本、最重要的单元,是地震监测预报的前哨,是防震减灾的重要基础。为使学生深入了解地壳形变测量在地球科学研究中的作用和地位,掌握地壳运动与变形分析的原理与方法,并能应用地壳形变测量资料研究地壳运动与变形分析问题,探讨地震、地球动力学等问题,学院开设了地壳形变、(高等)地球物理大地测量学等课程,并建立了“武汉大学地震大地测量实验站”。武汉大学地震大地测量实验站是测绘工程、地球物理专业的本科实验教学基地之一,2009 年4 月开建,2010 年9 月投入使用。已有200 多名学生参观实习。学生可申请“倾斜仪观测数据自动采集”、“地倾斜数据自动绘图显示”、“地震信号报送系统研发”等项目,进驻实验室观测。2011 年该实验站作为武汉大学“985 工程”教学实验室共享平台建设项目之一,进行二期建设,2012 年完成验收工作。
在GPS 原理教学中,GPS 的信号处理缺乏形象的演示条件,不利于学生深刻理解GPS 信息的接收、捕获、转化、解码等一系列处理过程,针对这一情况,设计一种GPS 接收机原理可视化教学演示系统,利用硬件及SDR 手段,实现GPS 信号由GPS 天线接收下来开始,直到经过各种处理得到定位结果,这其中每一个步骤中所处理的信号形态和信号内容,学生都可通过该系统,直观地了解GPS 信号处理过程,并可以手动修改条件例如SNR,卫星状态、系统参数(通道数、环路参数)等,以便研究外部条件与算法对定位解算的影响,并且了解哪些因素可能影响定位精度等。该项目经过一年多时间的工作,系统的硬件部分已正常工作,软件部分可以实现对采集的信号数据进行处理并得到位置和时间信息。已作为学生的创新实验开放。
GPS 测量与数据互动教学平台用于测量平差实践教学的可自行设计、仿真、考核一体化的互动平台,可供学生自主学习和创新设计使用。该平台通过网络向学生提供理论课及实践环节中软硬件使用操作方法的视频资料,提供仪器设备和软件的互动教程,提供在线的项目设计及数据质量评估辅助工具,同时也提供论坛供教师和学生进行讨论答疑。该互动教学平台能有效地将GPS 测量与数据处理的理论、方法与工程实践结合起来。视频资料和互动教程成为课堂教学的有力补充,弥补在实践教学环节中由于时间限制而引起的一些细节上的缺失,使学生更加全面深入地掌握相关知识。在线辅助工具可帮助学生进行GPS 测量方案设计,并进行观测值质量的评估,以顺利有效地开展相关综合性实验。论坛讨论可使学生活跃思想,提高其解决问题的能力。该平台已在2009 级、2010 级课程教学中发挥了重要作用。
建设创新实验平台,培养创新型人才是一项系统工程,随着教育改革的进一步深入,创新实验平台建设[12,15]将面临更多的问题,亟待我们去思考和解决。中心将以学生创新能力培养为核心,以为学生提供信息化测绘创新发展的优势资源,提供个性化的发展环境为首要任务,从软件、硬件、环境等多方面,围绕加强专业建设、创新人才培养模式、革新教学手段来开展,通过不断更新实验内容,研发自主仪器和自主软件,加强创新性、设计性实验项目开发力度,增设大学生创新基金,形成国家、学校、学院创新实验体系,使本科教育培养出更多的、适应社会发展需要的创新型人才。
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