《GPS原理與應用》課程教學與改革

（1、中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇徐州221116 2、北京建筑大學文法學院，北京100000 3、江蘇省資源環境信息工程重點實驗室，江蘇徐州221116）

（1、中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇徐州221116 2、北京建筑大學文法學院，北京100000 3、江蘇省資源環境信息工程重點實驗室，江蘇徐州221116）

衛星導航定位技術是目前發展較快、應用較廣的熱門技術，該技術的相關課程是測繪工程專業本科教學的主干課程。文章針對《GPS原理與應用》這一課程目前教學過程中存在的教學方法、實踐教學和考核模式等方面存在的問題進行了分析，并提出了相對應的教學改革建議。

衛星導航定位；實踐教學；教學方法；教學改革

引言

全球衛星導航系統能夠全天候為全球范圍的載體提供精確的三維位置、速度、時間等信息，在民用和軍用領域中如航空、航海、地面交通、武器系統、精密測量、農業耕作、個人導航、監控等方面得到了廣泛的應用［1］。目前主要的導航系統包括GPS、GLONASS、Galileo和BDS。北斗衛星導航系統（BDS）作為我國自主研發的衛星導航系統，目前正在逐步穩定地發展。但是，由于北斗衛星導航系統由于起步較晚，國際國內衛星導航市場已基本被GPS和GLONASS占領，許多與衛星導航有關的先進設備進口相對困難，所以北斗衛星導航系統的發展也面臨嚴峻的挑戰［2］，目前急需向社會輸送大量的專業、高素質人才。

因此，作為測繪類專業基礎課程，《GPS原理與應用》在測繪課程體系中也越來越重要，GPS衛星定位原理與數據處理也作為《普通高等學校本科專業目錄》設置的測繪工程本科專業的專業主干課程之一，并受到相關院校的重視［3］。本課程的主要目的是通過該課程的學習，使學生掌握現代化定位測量的理論和方法，培養學生應用GPS衛星定位與導航技術解決實際問題的能力，完成各種GPS控制網的設計、布置、施測、數據處理；應用GPS導航的能力，熟悉GPS測量標準［4］，使學生具備解決和分析問題的能力、實踐動手能力、增強創新意識，培養高級技術人才。但是，依據就業單位的反饋，目前測繪工程專業學生存在的主要問題是實踐動手能力較弱，無法獨立完成布置的任務等。文章針對上述內容，分析了該課程的教學過程中可能存在的問題，并提出了相應的解決措施。

一、課程教學及其存在的問題

《GPS原理與應用》這一課程涉及的知識面廣，其理論知識涵蓋天文學、信息科學、測繪及遙感學、數學、物理學等多個學科同時該課程又涉及GPS控制網設計、外業數據采集、數據處理等實踐知識［5］。故在教學過程中可能存在以下方面的問題：

1.課程安排：在課程安排時，應合理安排理論教學與實踐教學的課時比重，抓住教學重點，并且在條件允許的情況下，應在部分理論教學結束后立即安排相應的實踐教學，讓學生能夠較直觀的理解理論部分的內容。

2.教材選擇：中國礦業大學采用的教材為《GPS原理與應用》第三版，該書出版于2008年1月，由于客觀條件的限制，教材的更新速度必然與學科的發展不對等［6］，并且單一教材的側重點各有不同，可能存在授課知識重疊或需另行添加相關內容的教學，影響教學進度。

3.教學模式：大多數院校采用的是板書+CAI多媒體教學模式，對于理論推導部分的內容，教師可以通過板書的形式有效引導學生思維、強調重點，使學生對該部分內容有更深刻的理解與思考，采用多媒體教學模式能讓學生能夠更直觀地了解一些較難敘述的內容，提升教學效率。但是，板書教學所需時間較長，且因教室空間的限制或導致并非所有學生都能聽到授課老師所講解的內容，多媒體教學模式的課堂教學內容多、信息量大，授課教師可能照本宣科，使得課程內容變得枯燥無味，同時學生對知識的吸收和消化也有一定影響，有時PPT播放速度較快時，往往學生還沒理解就已經跳到下一部分內容。

4.實踐教學：實踐教學是該課程非常重要的一個環節［7］，但是部分院校在這實踐教學的過程中，僅安排學生對GPS的靜態觀測進行實習，并沒有模擬實際生產的實踐，學生可能只學會了靜態數據采集，甚至對于數據采集的基本原理并不了解，只能機械化地操作。隨著衛星導航定位技術不斷地提高，該技術的應用層面越來越廣，如果只是采用這一種實習模式，學生畢業進入生產單位后并不能獨立完成項目，仍需結合生產任務重新學習。

5.數據處理：該部分教學一般安排在外業采集數據過后，集中對學生進行數據處理的講解，可能存在部分學生為了完成任務，僅按照網絡中的說明或者教師提供的數據處理步驟機械性的處理，對于每一個步驟的目的并不了解，并不能達到教學的目的。由于條件的限制，數據處理的軟件也普遍單一、處理的數據僅是學生自己采集的數據，使得學生處理問題具有一定的局限性。

6.考核方式：《GPS原理與應用》作為一門集理論、實踐、前言知識于一體的測繪工程專業的主干課程，因此需要從多角度、多層次和多目標地考察教學的效果［8］。但是在部分院校中，僅將考核內容分為理論考核與平時成績，實踐部分的教學采用實習報告的形式進行考核，這樣容易導致學生相互抄襲、蒙混過關等。

二、改革措施

針對上述問題，提出了以下幾點建議：

1.隨著衛星導航定位技術不斷迅速地發展，由于客觀條件的限制，教學時采用教材的內容不可避免地存在內容滯后。針對這一問題，教師應該在授課時，增加一部分前言知識的介紹，并且以讀書報告的形式布置作業，讓學生主動學習目前這一技術的發展狀況，擴展學生視野。同時，可以鼓勵學生查看英文的原版教材，幫助學生從另外一個角度理解課程基礎內容的同時，也可以使得學生增強學生英語閱讀的能力，了解國外研究狀況。目前網絡上已有多種免費的英文教材，例如《Princi原ples and Practice of GPS Surveying》，該教材由澳大利亞新南威爾士大學測量與空間信息系統的Chris Rizo教授所編寫的免費網絡參考資料，與其他書不同，該系列資料側重介紹GPS測量的有關理論、方法和測量實踐［9］。

2.針對上述關于板書+CAI模式教學中存在的一些問題，中國礦業大學研發了《GNSS衛星導航原理與應用輔助教學系統》，該系統涵蓋諸多內容，包括理論基礎知識、GNSS系統、GPS信號基礎、GPS定位原理與演示、GPS測距與測速、GPS差分定位等主要模塊，每一個模塊分為多個小節，采用動畫演示的形式，結合大量的圖畫、圖像、圖表，生動形象地向學生展示課程內容，幫助學生更直觀地了解部分較難理解的理論知識，并且還能夠代替傳統的板書模式進行公示推導，節約書寫時間，提高課程效率。

3.使學生在有限的實習時間內完成實習任務，是完整意義上的測繪工程實際工作的模仿，學生不用走出校門就可以獲得良好的實踐效果［10］。部分院校在實踐教學中僅安排了靜態數據的觀測，然而隨著衛星導航定位技術的發展，該技術具有多模式、多功能、多應用的特點，故應增設在實踐生產中應用較廣的技術相關的實習，例如GPS RTK實時動態差分數據采集、基于CORS系統的網絡RTK模式數據采集等，同時可以邀請生產單位的人員到校講學，結合實踐應用介紹導航定位技術的工作原理。并且可以讓學生實現一些簡單程序的編寫，例如坐標轉換等，鍛煉學生動手能力的同時，幫助其理解一些應用的基本原理，讓學生知其然并知其所以然。

4.在數據處理的教學過程中，采用的軟件為學校購置接收機的隨機處理軟件，雖然大多軟件的處理原理基本相同，但是僅使用一種軟件顯得較為單一，并且實驗數據為學生外業實習時采集的靜態數據，覆蓋層面過窄。因此，在條件允許的情況下，盡量購置不同品牌的儀器，學生可以學習不同品牌的隨機處理軟件，例如天寶測量的處理軟件（Trimble Geomatics Of原fice）、南方測繪的GPS靜態數據平差軟件（GPS Data-Process原ing Adjustment）、中海達GPS數據處理HDS軟件等［3］，并且目前網絡上已有多種能夠處理GPS數據的免費軟件，例GAMITGLOBK軟件，該軟件由美國麻省理工學院（MIT）和斯克里普斯海洋研究所（SIO）聯合開發，具備解算精度高、運行穩定、模塊清晰、結構穩定、分析功能強大等特點，并且使用免費。另外應增加實驗數據，除處理靜態數據外，還可增加不同觀測條件下得到的觀測數據，比較相同處理方法時得到的結果差異，或比較不同軟件的處理相同數據的效果，已達到提高學生分析、解決問題能力的目的。同時在實習結束后，讓學生結合教學內容，整理讀書報告，并作為課程作業進行提交。

5.為了最大限度客觀地考核本課程的教學情況，應從理論基礎、實踐操作、數據處理、平時成績四個方面對學生進行考核。理論部分可以采用閉卷考試的形式進行考核；實踐操作可以將學生劃分為多個小組，模擬實習生產單位的項目，考驗其相互協助與解決問題的能力；數據處理則可以實驗報告的形式上交，考察學生分析問題的能力。從上述幾個方面合理分配權重，從不同角度合理、客觀地評測學生的綜合素質。

三、結束語

目前衛星導航定位技術及其相關產業正在從GPS一家獨霸的局面向多系統并存的方向發展，大規模高精度的GNSS數據處理也日益增多，高精度實時動態定位應用需求也在迅速增加［11］，該技術的應用層面也越來越廣。文章主要介紹了目前《GPS原理與應用》課程的教學過程中存在的問題，并給出了一些建議以供參考，以促進進一步的教學改革，提升教學質量，為科研機構與生產單位輸送更多理論基礎扎實、實踐動手能力強、具備創新意識的高級工程技術人才。

［1］王爾申，李玉峰，邵清亮，等.衛星導航原理與應用課程教學內容和方法研究［J］.實驗技術與管理，2015，32（7）：206-210.

［2］楊元喜.北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰［J］.測繪學報，2010，39（1）：1-6.

［3］陽凡林，劉智敏.GPS數據處理教學課程體系設置探討［J］.全球定位系統，2010（06）：74-76.

［4］郭淑艷，孫佳龍.《衛星定位與導航》教學研究與探索［J］.北京測繪，2012（5）：96-100.

［5］李金平，昆楊，亮洪.《GPS原理與應用》課程教學研究與實踐［J］.長江大學學報（自然科學版），2011，8（7）.

［6］魏二虎，柳暢，李征航.GPS測量與數據處理系列課程教學的若干思考［J］.測繪信息與工程，2012，37（3）：44-46.

［7］徐良驥，張坤，張國卿，等.提高測繪工程專業人才培養質量改進實踐教學［J］.礦山測量，2015（5）：95-96.

［8］孫佳龍，郭淑艷，焦明連，等.衛星定位與導航教學的改革與實踐［J］.測繪科學，2013，38（5）：190-192.

［9］胡叢瑋，樓立志.GPS_GNSS衛星定位原理與應用雙語課程建設初探［J］.測繪通報，2009，9：74-78.

［10］黃聲享，陳晶晶，李夏至.GPS測量實踐教學的嘗試［J］.實驗室研究與探索，2010，29（3）：121-123.

［11］匡翠林，戴吾蛟，蔡昌盛，等.《GPS定位原理與應用》課程教學改革——面向卓越測繪工程師教育［J］.礦山測量，2013（4）：94-98.

《GPS原理與應用》課程教學與改革*

王潛心1鄒艷2吳飛1*鄧喀中3姚麗慧1

Currently，the satellite navigation and positioning technology is a hot technology which is developing rapidly and used widely.Courses related to this technique is the main courses of surveying and mapping engineering. In this paper，the problems in the teaching methods，practice teaching and assessment modes in the teaching process of"The Principle and Application of GPS"are analyzed and related suggestions on teaching reform are put forward.

satellite navigation and positioning；practice teaching；educational method；educational reform

G642文獻標志碼：A文章編號：2096-000X（2016）18-0074-02

中國礦業大學教育教學改革與建設課題（編號：2015YB23）；中國礦業大學研究生教育教學改革研究與實踐項目（編號：2015Y04）；卓越工程師計劃背景下測繪工程專業核心能力培養模式研究（編號：2014YB24）；中國建設教育協會教育教學科研課題（編號：2015005）；江蘇高校品牌專業建設工程（編號：PPZY2015B144）；測繪工程教育部卓越工程師培養項目（編號：152121508G）。

王潛心（1980-），男，漢族，湖南常德人，博士，副教授，主要研究方向為GNSS數據處理、GNSS/INS組合導航及地球自轉。

*通訊作者：吳飛