花向紅，許才軍，鄒進貴，汪志明，向 東

(武漢大學 測繪學院，湖北 武漢430079)

0 引 言

隨著信息技術、空間技術和通信技術的飛速發(fā)展及其在測繪領域的不斷應用，以“3S”技術為代表的現(xiàn)代地理空間信息技術發(fā)生了革命性的變化。從上世紀80 年代到本世紀初，我國已完成了由傳統(tǒng)測繪技術體系向數(shù)字化測繪體系的轉化，并跨越式地進入了信息化測繪階段。信息測繪對人才培養(yǎng)的要求，正從過去的技術型向市場技術應用管理創(chuàng)新型轉變。進入21世紀，測繪科學技術的迅速發(fā)展使得知識更新的周期極大地縮短，實驗方法與技術手段的進步日新月異，原有實驗教學體系明顯不適應測繪科學技術的發(fā)展，學生獲取的知識和技能往往是孤立的，這樣培養(yǎng)出來的學生知識面過窄，信息處理能力明顯不足，滿足不了現(xiàn)在更側重于培養(yǎng)信息化測繪服務的創(chuàng)新型測繪科技人才的需要［1］。因此，如何提高學生的綜合素質和創(chuàng)新能力［2］，拓展培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的新途徑、新方法，是測繪高等教育必須解決的問題，而建設創(chuàng)新實驗平臺［3-4］正是應對這一問題的正確選擇。為此，本文介紹了創(chuàng)新實驗平臺建設的具體目標、具體過程和使用情況。

2 創(chuàng)新實驗平臺

2.1 建設的具體目標

信息化測繪創(chuàng)新實驗平臺既不同于常規(guī)的實驗室，也不同于一般的專業(yè)實驗室，自主性、創(chuàng)新性是平臺建設的兩個主要特色［5-6］。自主性主要體現(xiàn)在學生在創(chuàng)新實驗平臺中有相對寬松的時空環(huán)境，構造學生自主的學習環(huán)境，使學生可以在實驗室里自主設計、自主實施、自主觀察、處理和分析實驗數(shù)據(jù)和結果，解決研究過程中出現(xiàn)的各種問題;教師只在提供實驗資料、解答實驗問題等方面為學生提供服務。創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在要創(chuàng)設各種條件讓學生在實驗室中開拓自己的思路、展示自己的創(chuàng)意、踐行自己的想法，創(chuàng)造性地提出解決問題的方法和途徑。因此，在信息化測繪創(chuàng)新實驗平臺建設過程中，要體現(xiàn)自主性、創(chuàng)新性兩個主要特色，并按照《高等學校本科教學質量與教學改革工程項目管理暫行辦法》等相關要求，結合測繪科學的發(fā)展趨勢和實驗學科的特點，以培養(yǎng)“高品質、國際化、創(chuàng)新型”的人才為目標，營造有利于學生自主學習、研究學習的實驗環(huán)境，為學生個性化培養(yǎng)提供自由發(fā)展的空間和平臺。

(1)建立旨在培養(yǎng)綜合設計能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力及工程實踐能力的實驗教學新模式［7-8］。實驗平臺以接受學生個人和科技團隊為主，主要開展綜合設計型、研究創(chuàng)新型實驗，同時鼓勵學生從事實驗裝置的改造、前沿學科的研究及新技術應用的開發(fā)，支持學生驗證自己對某一理論所作的開創(chuàng)性推理，指導學生就研究項目發(fā)表科技論文、申請專利和軟件著作權等。既要有面向低年級學生設定的實驗內容，也要有面向有一定基礎的學生自擬題目的實驗內容，還要有面向高年級學生的科研性實驗內容，這樣才能從多方面、多角度培養(yǎng)學生獨立動手能力、自學能力、發(fā)現(xiàn)問題的能力、綜合分析處理問題的能力、信息的收集和整理能力、團結協(xié)作能力。

(2)建立有效的運行管理模式［9-10］，確保實驗平臺的可持續(xù)發(fā)展與運行，以期最大限度地發(fā)揮創(chuàng)新實驗平臺的功效?？紤]到實驗平臺接受多種形式的學生創(chuàng)新實踐活動，本著理論與實踐相結合、教師指導與學生自主實驗相結合的原則，實驗平臺采用項目管理的模式，實行自我管理、目標考核。同時，實行信息化管理，利用中心網(wǎng)站公布開放和創(chuàng)新實驗項目信息，學生根據(jù)自身的情況選擇參加開放和創(chuàng)新的實驗項目，或自行申請到創(chuàng)新實驗室開展自己提出的項目，實施網(wǎng)上報名和錄取，并安排指導教師。

2.3 建設的過程

創(chuàng)新實驗平臺建設包括硬件和軟件建設兩部分［1］，硬件建設包括實驗室面積、實驗儀器設備、實驗平臺和專業(yè)軟件等建設;軟件建設包括實驗教學手段創(chuàng)新、實驗教學內容改革、實驗隊伍建設［11］以及實驗室管理模式［12］改革等。

2009 年2 月，測繪實驗教學中心從武漢大學實驗室與設備管理處、武漢大學測繪學院獲批專項經(jīng)費，建立了以地面數(shù)字化測圖模擬與仿真平臺為基礎的信息化測繪創(chuàng)新實驗室。

2010 年底，中心組織申報的2010 年度武漢大學“985 工程”教學實驗室共享平臺“信息化測繪創(chuàng)新實驗教學平臺”建設項目獲批，進一步明確和完善了信息化測繪創(chuàng)新實驗平臺的建設目標。

經(jīng)專家評審，確定了21 個創(chuàng)新實驗研究項目，于2011 年3 月1 日正式啟動，進一步豐富了信息化測繪創(chuàng)新實驗平臺建設的內涵。

在信息化創(chuàng)新實驗室所建立的地面數(shù)字化測圖模擬與仿真平臺基礎上，繼續(xù)進行相關建設，完成了“精密三維全景控制場檢校實驗平臺”的建設。

中心組織申報的武漢大學“985 工程”2011 年大型儀器設備共享示范項目“絕對/相對重力儀共享平臺”建設項目獲批。該項目以提高儀器設備的使用性能，保障設備正常運行，提升服務能力為目標，實現(xiàn)與“國家級測繪實驗教學示范中心”網(wǎng)站以及校級、省級、國家級大型設備共享網(wǎng)絡平臺相關聯(lián)，實現(xiàn)大型設備共享使用，為創(chuàng)新實驗教學平臺中大型設備使用和共享提供了技術保障。

作為信息化測繪創(chuàng)新實驗平臺重要組成部分地震大地測量實驗站觀測室進行擴建，現(xiàn)已基本完成。

在信息化測繪創(chuàng)新實驗室中，完成建設了“電動遙控軌道系統(tǒng)”，可以為學生開展航測成圖及創(chuàng)新研究打下基礎。

3 創(chuàng)新實驗平臺建設成效

平臺主要包括:①建立了信息化測繪創(chuàng)新實驗室［12］。安置了衛(wèi)星信號轉發(fā)器、移動攝影測量系統(tǒng)、地形三維場景模型和精密三維全景控制場等，可以根據(jù)需要，仿真各種測繪場景進行各種實驗，實現(xiàn)模擬測量數(shù)字化、野外現(xiàn)場模型化、數(shù)據(jù)處理可視化等手段，實現(xiàn)了GPS 測量、低空數(shù)字攝影測量、地面數(shù)字測圖、傳感器遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)接收的全天候實驗，提升了學生的方案設計、數(shù)據(jù)處理分析及創(chuàng)新研究能力。②構建了信息化網(wǎng)絡實驗教學平臺。包括系列精品課程網(wǎng)站、創(chuàng)新實驗資源網(wǎng)絡平臺和測繪實驗教學示范中心網(wǎng)站。系列精品課程網(wǎng)站(包括5 個國家級和3 個省級精品課程網(wǎng)站)涵蓋了測繪工程專業(yè)8 門核心課程;中心網(wǎng)站提供了GNSS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)等諸多教學資源，學生自主從中心網(wǎng)站獲取的相關實驗數(shù)據(jù);地面數(shù)字化測圖模擬與仿真平臺等，21 個創(chuàng)新實驗資源網(wǎng)絡平臺提供了豐富的學習資源，強力支撐學生自主學習。限于篇幅，這里只給出部分創(chuàng)新實驗資源網(wǎng)絡平臺的建設和使用情況。

3.1 地面數(shù)字化測圖模擬與仿真平臺

2009 年，我院根據(jù)數(shù)字化測圖技術的發(fā)展，組織人力和物力，在信息化創(chuàng)新實驗室中建立了地面數(shù)字化測圖模擬與仿真平臺。該平臺長度約為8.4 m，寬約為4.5 m。是對地形、地物的模擬，整體呈現(xiàn)西北高東南低的形態(tài)。平臺的東部模擬云南梯田，表面沒有植被覆蓋，從模型的正上方看呈等高線的形狀，這一部分可以讓學生更直觀地感受和理解等高線的特性。平臺的中部主要以人工建筑為主，有河流、大壩、居民區(qū)以及公路鐵路等，河流的下方配合燈光的效果，會產生河流流動的效果。居民區(qū)的后面部分主要以自然地形為主，有山嶺、溝壑、山谷、斷層和懸崖等。在模型西部以自然地形為主，有小型的湖泊等。鐵路、隧道、公路和鐵搭等人工建筑分布在平臺中。

在教學中，學生運用該平臺可以在室內測量，利用周邊觀測墩上的控制點學生可對三維地形測繪仿真模型進行數(shù)字測圖仿真實習，對選定的測區(qū)制定測圖技術方案，同時利用模型還可以進行一些數(shù)字測圖技術等方面的專題研究，研究如何在有限的空間進行有效的測量，如何提高成圖的精度，達到成圖的精度要求，如何提高測量的效率，便于學生理解和掌握新技術，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

結合該平臺，通過建立地面數(shù)字化測圖網(wǎng)絡自主學習系統(tǒng)數(shù)字化學習環(huán)境［13-14］，讓學生能充分利用網(wǎng)絡資源獲取有效的信息，豐富學習內容，使網(wǎng)絡資源與數(shù)字測圖教學過程緊密地結合起來，以此實現(xiàn)學生自主學習的意愿，可以按照學生自己的需要選擇學習內容、學生自己的特點選擇學習方法、學生自己的時間安排學習的進度、學生自己的能力選擇學習內容的深度。目前，地面數(shù)字化測圖網(wǎng)絡自主學習系統(tǒng)已基本建成，主要包括平臺簡介、實驗場地、數(shù)字測圖模式、技術設計、野外數(shù)據(jù)采集、內業(yè)成圖、平臺地形圖測繪、二維與三維交互、探究性實驗、典型案例、信息反饋、開放的教學環(huán)境、實驗心得、信息公告等模塊。平臺在學生的綜合實習、畢業(yè)設計和創(chuàng)新實驗中得到應用。

3.2 精密三維全景控制場檢校實驗平臺

室內三維控制場是近景攝影測量工作的一項基本建設，對科研與教學工作均很重要。隨著全景相機等新型儀器的出現(xiàn)，常規(guī)室內三維控制場已不能滿足全景相機檢校的需要，為實現(xiàn)全景相機的高精度檢校需要建立全方位的三維全景控制場。該三維全景控制場不僅可以用于近景攝影測量的有關研究，包括新理論、新儀器和新方法的檢驗、攝影(攝像)方式的優(yōu)化設計以及檢驗控制點數(shù)量、質量和分布對精度的影響等;實測目標形狀以及其運動狀態(tài);可以檢定攝影機、攝像機和地面三維激光掃描儀，而且可以為學生提供相機和地面三維激光掃描儀檢校方面的創(chuàng)新研究條件，設計開放“精密三維室內控制網(wǎng)設計與施測”、“常規(guī)數(shù)碼相機檢校”、“全景相機檢?！薄ⅰ暗孛嫒S激光掃描儀精度檢測”等自主學習型、綜合設計型和研究創(chuàng)新型實驗項目。

目前，該室內三維全景控制場已布設完成，共布設平面測量標志342 個，29 個平面編碼標志，116 個球形標志。室內三維全景控制場基準由4 個測站點構成大地四邊形網(wǎng)，測站采用鋁合金管材料制作，頂部采用強制對中裝置。采用TS30 測量機器人作為三維控制網(wǎng)的主要測量儀器。通過一定的測量方法和數(shù)據(jù)處理手段，精確確定三維全景控制場基準點的三維坐標。在此基礎上，采用前方交會的方法和三角高程測量法確定標志點的三維坐標。并已接待50 多名大學生和研究生開展數(shù)碼相機和三維激光掃描研究工作。

3.3 武漢大學地震大地測量實驗站

地震臺站作為地震科學研究最基本、最重要的單元，是地震監(jiān)測預報的前哨，是防震減災的重要基礎。為使學生深入了解地殼形變測量在地球科學研究中的作用和地位，掌握地殼運動與變形分析的原理與方法，并能應用地殼形變測量資料研究地殼運動與變形分析問題，探討地震、地球動力學等問題，學院開設了地殼形變、(高等)地球物理大地測量學等課程，并建立了“武漢大學地震大地測量實驗站”。武漢大學地震大地測量實驗站是測繪工程、地球物理專業(yè)的本科實驗教學基地之一，2009 年4 月開建，2010 年9 月投入使用。已有200 多名學生參觀實習。學生可申請“傾斜儀觀測數(shù)據(jù)自動采集”、“地傾斜數(shù)據(jù)自動繪圖顯示”、“地震信號報送系統(tǒng)研發(fā)”等項目，進駐實驗室觀測。2011 年該實驗站作為武漢大學“985 工程”教學實驗室共享平臺建設項目之一，進行二期建設，2012 年完成驗收工作。

3.4 GNSS 接收機原理可視化學習平臺

在GPS 原理教學中，GPS 的信號處理缺乏形象的演示條件，不利于學生深刻理解GPS 信息的接收、捕獲、轉化、解碼等一系列處理過程，針對這一情況，設計一種GPS 接收機原理可視化教學演示系統(tǒng)，利用硬件及SDR 手段，實現(xiàn)GPS 信號由GPS 天線接收下來開始，直到經(jīng)過各種處理得到定位結果，這其中每一個步驟中所處理的信號形態(tài)和信號內容，學生都可通過該系統(tǒng)，直觀地了解GPS 信號處理過程，并可以手動修改條件例如SNR，衛(wèi)星狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)(通道數(shù)、環(huán)路參數(shù))等，以便研究外部條件與算法對定位解算的影響，并且了解哪些因素可能影響定位精度等。該項目經(jīng)過一年多時間的工作，系統(tǒng)的硬件部分已正常工作，軟件部分可以實現(xiàn)對采集的信號數(shù)據(jù)進行處理并得到位置和時間信息。已作為學生的創(chuàng)新實驗開放。

3.5 GPS 測量與數(shù)據(jù)處理互動教學平臺

GPS 測量與數(shù)據(jù)互動教學平臺用于測量平差實踐教學的可自行設計、仿真、考核一體化的互動平臺，可供學生自主學習和創(chuàng)新設計使用。該平臺通過網(wǎng)絡向學生提供理論課及實踐環(huán)節(jié)中軟硬件使用操作方法的視頻資料，提供儀器設備和軟件的互動教程，提供在線的項目設計及數(shù)據(jù)質量評估輔助工具，同時也提供論壇供教師和學生進行討論答疑。該互動教學平臺能有效地將GPS 測量與數(shù)據(jù)處理的理論、方法與工程實踐結合起來。視頻資料和互動教程成為課堂教學的有力補充，彌補在實踐教學環(huán)節(jié)中由于時間限制而引起的一些細節(jié)上的缺失，使學生更加全面深入地掌握相關知識。在線輔助工具可幫助學生進行GPS 測量方案設計，并進行觀測值質量的評估，以順利有效地開展相關綜合性實驗。論壇討論可使學生活躍思想，提高其解決問題的能力。該平臺已在2009 級、2010 級課程教學中發(fā)揮了重要作用。

4 結 語

建設創(chuàng)新實驗平臺，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是一項系統(tǒng)工程，隨著教育改革的進一步深入，創(chuàng)新實驗平臺建設［12，15］將面臨更多的問題，亟待我們去思考和解決。中心將以學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心，以為學生提供信息化測繪創(chuàng)新發(fā)展的優(yōu)勢資源，提供個性化的發(fā)展環(huán)境為首要任務，從軟件、硬件、環(huán)境等多方面，圍繞加強專業(yè)建設、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、革新教學手段來開展，通過不斷更新實驗內容，研發(fā)自主儀器和自主軟件，加強創(chuàng)新性、設計性實驗項目開發(fā)力度，增設大學生創(chuàng)新基金，形成國家、學校、學院創(chuàng)新實驗體系，使本科教育培養(yǎng)出更多的、適應社會發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才。

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