《GPS原理與應用》課程教學研究與實踐

李金平，楊 昆，洪 亮（云南師范大學旅游與地理科學學院，云南 昆明650500）

GPS技術是美國19世紀70年代發展起來的衛星導航與定位系統。近年來，美國GPS現代化的實施，使得GPS衛星技術得到迅猛發展，該系統具有全天候作業、觀測站之間無需通視、定位速度快、精度高、自動化程度高以及可直接測定點的三維坐標等優點。隨著GPS接收機和后處理軟件的發展和完善，GPS定位技術由單點定位、靜態相對定位發展到差分定位、實時動態定位(RTK），滿足各種交通、導航、陸地和水下測量等的要求。GPS導航定位技術以高精度、各種尺度范圍的直接定位、導航、授時服務功能，已被廣泛應用于導航、大地測量、工程測量、國土資源調查、城市規劃、資源環境監測、交通管理等領域，并已成為地理信息產業的重要組成部分，《GPS原理與應用》成為許多高校的測繪類專業和相關專業本科生和研究生的必修課程[1-4]。

《GPS原理與應用》課程內容理論深，實踐性強，多學科交叉，涉及的知識面廣，同時其內容也在不斷豐富之中，因此，如何根據高校自身的專業特色和實際情況開展該課程的教學研究，不斷提高該課程的教學質量，是每位任課教師必須認真面對和認真思考的問題。下面，筆者結合云南師范大學地理信息系統專業本科生開設的 《GPS原理與應用》課程的教學工作，圍繞如何提高課程教學質量，在教學理念、教學內容、教學方法和手段及實踐性教學等方面做了一些有益的研究和實踐?。

1 精選教材，合理安排教學內容

GPS衛星導航技術的蓬勃發展使得GPS導航定位技術在理論及技術設備更新上都得到改進和發展，GPS接收機逐漸發展為雙星(多星）GPS接收機。我國許多院校設置的地理信息系統專業是依托測繪工程、地理學、計算機學科發展建立起來的新專業，不同院校的地理信息系統專業課程設置各有特點。目前，適用于 《GPS原理與應用》課程的教材版本較多，側重點各有不同，《GPS原理與應用》課程教材的選擇應注重專業特點，體現既立足當前又能著眼于未來發展，注重實用性和前瞻性。結合云南師范大學地理信息系統專業特點，選用 《GPS測量原理與應用(第3版）》（徐紹銓，張華海等編著）作為該課程的教材[5]，《GPS測量原理與應用》（張勤、李家權等編著）、《GPS原理及應用》（李天文編著）作為主要參考教材[6-7]。

云南師范大學地理信息系統專業是依托地理學設置的，針對 《GPS原理與應用》課程中涉及大量的測繪專業知識及復雜的數據處理方法，為使學生正確理解和掌握課堂教學內容，教學過程中適當增補了一些與課程有關的測繪專業基礎知識：測量常用坐標系、測量誤差的基本知識、最小二乘平差原理、間接平差原理。這樣，使學生便于理解GPS測量誤差、精度的概念、GPS絕對定位原理和靜態相對定位原理中觀測方程解算、GPS網平差計算中坐標轉換等方面的知識。

GPS導航定位技術作為一種主要的空間信息科學技術，它為GIS提供空間數據源和技術支撐，GPS與GIS集成應用，高效實現導航、監測、管理等綜合服務。在地理信息系統專業開設 《GPS原理與應用》課程教學中，充分注意教學內容的層次設計，使教學內容可根據人才培養需要自成一體，擴大課程教學內容的適應面，使之滿足GIS專業學生的知識結構需要。課程的教學內容安排上包括以下主要知識：GPS系統的構成及其發展現狀、GPS定位系統的坐標系、GPS衛星信號、GPS靜態定位原理、GPS動態定位原理、GPS測量誤差主要來源、GPS導航、GPS控制網的設計與觀測數據采集、GPS定位測量中的坐標轉換、GPS基線向量解算與網平差、GPS高程、GPS定位技術的應用等。

2 改善教學方法和手段，提高教學質量

《GPS原理與應用》課程涉及的知識面廣，其理論知識涵蓋天文學、信息科學、測繪及遙感科學、數學、物理學等多門學科，同時課程又涉及GPS控制網設計、外業數據采集、數據處理等實踐知識。教學中，對于課程中大量的概念、公式、圖表、儀器操作和數據處理過程，采用傳統的板書教學很難將一些概念及過程清晰地展現在學生面前，學生難以理解和掌握，應用多媒體教學可使枯燥、難懂的GPS原理與應用知識變得形象、直觀、易于理解，可大大提高學生的學習興趣，有效地提高教學質量和教學效果。教學實踐中，對于現代GPS衛星導航系統組成及發展、坐標系、衛星軌道運動、GPS衛星信號及其格式、GPS控制網設計、觀測數據采集等內容，結合大量文字、表格、圖形、圖像通過多媒體技術講解便于學生理解和掌握；對于GPS基線向量解算及網平差，利用實際案例結合GPS數據處理軟件，利用多媒體技術演示基線向量解算過程及網平差過程，說明基線解算的一些參數控制過程，加深學生對GPS數據處理過程的理解；對于GPS絕對定位原理和相對原理、測碼偽距和載波相位觀測方程及線性化、觀測量的線性組合、基線向量的解算模型、基線向量網平差模型、坐標轉換及GPS高程等內容，涉及公式推演過程較多，這部分內容則采用多媒體與傳統的板書相結合的教學方法，快慢結合，條理性好，達到較好的教學效果。

采用多媒體教學課件教學時，課堂教學內容較多，信息量大，對學生知識的消化和吸收有一定影響。將多媒體與多種教學手段相結合，控制語速，掌握每一堂課的教學容量，對于重要的知識點，讓學生做筆記，加強學生的記憶和理解，克服單純依賴一種教學手段的局限，擴大學生的學習知識面，增進學生信息量的獲取力度。教學過程中，配合教學內容，在講完一章內容后，都針對課堂內容和書上的內容出一些思考題和作業題，并要求學生在規定時間交作業，然后，在課堂上針對出錯多的問題進行集中講解。注重教學方法和教學手段的不斷完善，克服由于GPS定位技術涉及學科多，導致教學中存在內容多、難度大，使學生難以學習掌握等問題，達到提高教學質量、培養高級技術人才的目的。

3 加強實踐性教學環節，注重能力培養

實踐教學是 《GPS原理與應用》課程教學中不可缺少的重要環節，對提高課程的教學質量具有重要作用，通過實踐性教學，理論聯系實際，真正掌握GPS導航定位技術。《GPS原理與應用》課程共安排18學時實踐教學內容，項目的設置有：GPS靜態、動態絕對定位數據采集(2學時）；GPS靜態相對定位數據采集(4學時）；GPS RTK實時動態差分數據采集(4學時）；GPS數據預處理(2學時）；GPS基線向量解算及網平差(6學時）。通過實踐性教學，使學生掌握靜態GPS接收機的安置、外業操作及數據采集方法，GPS RTK實時動態差分數據采集方法，熟悉GPS基線解算和GPS網平差的數據處理過程。

在 《GPS原理與應用》課程實踐性教學中，由于GPS接收機的臺數以及學生操作熟練程度的限制，在規定的時間內完成一個完整的GPS控制網比較困難，因此，實習基地建設非常重要。利用學校和周邊環境，布設10個GPS點構成邊角混合網，GPS控制網采用3臺萊卡GX1230GPS接收機同步觀測，觀測時段一般30～40min，觀測獲取所有GPS網觀測數據，提供數據預處理，外業觀測數據符合規范要求，利用配套的數據處理軟件，提供GPS基線向量解算和網平差，得到1954個北京坐標系所有GPS點坐標，為實踐性教學建立了實習基地。實習基地產出的GPS觀測成果既能滿足所有GPS測量實習要求，同時也為數字測圖實習提供高等級控制點。GPS靜態絕對定位數據采集實習時，要求學生將手持GPS接收機放置在GPS網點上，將觀測坐標與已知坐標比對，加深精度概念的理解。靜態相對定位數據采集實習時，利用3臺GPS接收機，根據實習基地上建立的GPS網點，要求每組(6人，2人1臺GPS接收機）至少觀測2個同步閉合環，構成局部邊點混合網，然后進行數據傳輸和數據預處理。GPS基線向量解算及網平差實習利用已獲取的高精度觀測數據完成實踐性教學環節。

為能順利完成實習內容，根據每個實踐教學項目，編寫相應的 《GPS原理與應用課程實驗指導書》，實習前將實習計劃和實習指導書發給學生，熟悉實習內容，便于實習指導。為促使學生重視實踐性教學，實習課成績在期末考試成績評定中占課程總成績的10%，根據考勤、實習態度、外業及上機操作熟練程度、實習報告內容、實習考查等各方面綜合評定。

4 結 語

在 《GPS原理與應用》課程的教學中，應精選教材，理論教學應注重教學方法、手段的實用性和先進性相結合；在實踐性教學環節中應加強實習基地建設，完善實踐性教學環節。通過多年的教學改革和實踐，使學生真正地理解GPS導航定位原理與方法，能夠熟練進行GPS設計，并利用GPS接收機進行數據采集，掌握內業數據處理方法，取得了較好的教學效果。

[1]張勤，王利 .“GPS測量原理與應用”課程教學研究與改革 [J].高等理科教育，2007，1：112-114.

[2]李天文，吳琳，龍永清 .地理信息系統專業開設 “GPS原理及應用”課程的思考 [J].高等理科教育，2005，4：105-108.

[3]郭秋英，趙吉濤 .“GPS原理及應用”課程教學實踐與探討 [J].測繪工程，2008，17（1）：75-77.

[4]張興福，易又慶，蔣利龍 .《GPS原理與應用》課程教學研究與改革 [J].礦山測量，2008，5：84-86.

[5]徐紹銓，張華海，楊志強.GPS測量原理與應用 [M].武漢：武漢大學出版社，2008：1-224.

[6]張勤，李家權，王利，等.GPS測量原理及應用 [M].北京：科學出版社，2005：1-299.

[7]李天文.GPS原理及應用 [M].北京：科學出版社，2007：1-283.