GNSS原理及應用課程的體驗式教學模式探索

楊 飛，袁德寶，閻躍觀，李 軍

（1.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083）

GNSS原理及應用是測繪工程專業必修的一門主干課程，本課程旨在讓學生獲得進行GNSS衛星定位和導航所必需的基本概念、基本知識和基本理論，掌握基本的定位導航原理和誤差分析，具備GNSS測量設計實施和數據處理的能力，充分認識GNSS測量在國民經濟發展中的重要地位，為后續學習其他專業課程奠定必要的基礎[1]。

然而，由于GNSS原理及應用課程具有專業性和理論性強、工程實踐要求高、知識更新快等特點，再加上計算機、移動互聯、社交媒體等現代技術思潮及產品對當代學生的影響，使得學生對傳統教學模式下的GNSS原理及應用課程的興趣逐漸減弱，難以扎實掌握基礎知識，阻礙工程實踐能力的提升[2]。

基于以上問題，體驗式教學的模式受到廣泛關注。它改變了以教師為中心的知識傳遞方式，強調以學生為中心的自主學習，從而充分調動學生的自主學習熱情和個體主觀能動性[3]。體驗式教學過程中體現出的互動性、開放性、娛樂性，可以很好地增進學生對GNSS原理與應用課程的興趣，夯實專業基礎知識，提升學生工程實踐能力。

針對新時代背景下高校專業教學面臨的挑戰和GNSS原理及應用的課程內容、教學任務和培養目標，本文詳細總結了該課程的特點。在其他教育工作者從教學內容和考核方式等方面對GNSS原理及應用課程進行改革的基礎上，探索體驗式教學模式在GNSS原理及應用課程的應用，以期提高學生的參與度與學習興趣，使學生主動積極參與學習而掌握專業基礎知識和工程實踐技能。

1 GNSS原理及應用課程特點

GNSS原理及應用課程內容包括坐標系統和時間系統、衛星運動基礎和衛星星歷簡介、導航電文結構與衛星信號、GNSS衛星定位原理、GNSS測量誤差來源及影響、GNSS測量的設計與實施、GNSS數據處理、GNSS的工程應用、GNSS新技術的發展和應用。該課程需要使學生掌握GNSS的基本概念、熟悉衛星定位技術的發展、系統組成和特點，掌握坐標系統和時間系統，培養學生理解開普勒衛星運動定律、導航電文結構、衛星信號的結構，熟悉GNSS接收機組成與工作原理并計算衛星的位置，掌握偽距測量、載波相位測量，具有觀測方程的線性化、GNSS觀測量的線性組合的能力，了解GNSS技術的新發展和新 應用。

從GNSS原理與應用的課程內容和教學任務可以看到，該課程具有以下特點：它的專業性和理論性強，GNSS數據的獲取、處理、計算和應用涉及到數學、物理、信號學、誤差理論、地球科學、地圖學、計算機編程等相關理論知識，學生需要在上述學科具備較好的知識儲備才能更好地理解GNSS原理；該課程的工程實踐要求高，需要培養學生對基礎測繪、礦山及地下工程測量、地理信息服務等領域中的復雜測繪工程問題進行GNSS測量的設計與實施、GNSS數據處理和復雜工程應用的能力；該課程的知識更新快，各類新建的衛星系統、不斷完善的地基空基增強系統、PPP-RTK等技術的興起和GNSS不斷擴展的科研及工程應用，使得課程內容需要不斷更新，學生需要及時熟悉和了解GNSS新技術、新應用。

2 GNSS原理及應用的體驗式教學模式

20世紀80年代，體驗式學習最早由美國組織行為學教授大衛·庫伯提出[4]，它是一個以體驗為基礎的持續學習過程，是個體與環境不斷的交互作用，創造知識的過程。體驗式教學也迅速發展，它指的是根據學生的認知特點和規律，通過創造和教學內容密切相關的情境和機會，使學生在親歷的過程中理解并建構知識、發展能力，體驗到相關課程學習過程中的樂趣。體驗式教學與以往灌輸式教學的不同之處在于，體驗式教學具有過程性、親歷性和不可傳授性，是一個充滿個性和創造性的過程。它強調個人體驗，主張教學以學生為核心，充分體現互動性、開放性和 娛樂性[5]。

因此，本文提出多個模塊來進行GNSS原理及應用的體驗式教學探索，包括GNSS發展應用熱點講座、手機端互動教學軟件、仿真實驗教學系統、教學內容與科研實際相結合、辯論課堂形式等。

2.1 GNSS發展應用熱點講座

與所學課程相關的時事、熱點新聞會引起學生的極大興趣。2020珠穆朗瑪峰的高程測量、習近平主席宣布北斗三號全球衛星導航系統正式開通都是與該課程息息相關的國家大事，以講座形式給學生講解高程測量中的GNSS技術、北斗三號全球衛星導航系統的發展歷程及其特點優勢，播放相關影視資料和記錄片，不僅可以豐富課堂形式、增強學習過程中的娛樂性，還可以讓學生真切了解到所學課程的重要性，感受到GNSS技術在國家發展和戰略上的重要意義，進而提高學生的積極性。

2.2 手機端互動教學軟件

GNSS原理與應用課程包含的時間坐標系統、衛星信號調制、導航定位原理、數據處理方法等內容需要很強的數學、物理及地球科學知識基礎，傳統的教學模式難以將其中涉及的抽象的理論知識形象地展示，是學生對課程缺乏興趣、學習吃力的主要原因之一。本文提出利用網絡已有的或開發能展示那些抽象理論點的手機端互動教學軟件和程序，如坐標系統的變換、衛星軌道參量、信號的調制過程等。互動教學軟件可以讓學生在交互式操作過程中更形象地理解知識要點、理解其背后的數理原理[6]。手機端的操作可以減少學生對翻閱書本的枯燥性，讓學生更加自主、便利地對知識點進行學習，提升對整體課程的學習 興趣。

2.3 仿真實驗教學系統

在GNSS應用實踐教學中往往存在缺乏儀器、室內示教困難、室外觀測場地不足等問題，嚴重影響學生對該課程的積極性和利用GNSS解決實際工程問題的能力。本文提出可以利用虛擬現實技術，采用Quest3D、Vega或Unity3D等軟件，構建GNSS仿真實驗教學系統，讓學生可以在該系統中自主學習，了解各種儀器的結構和外觀，進行GNSS仿真測量，熟悉GNSS靜態、動態觀測的操作步驟[7]。這樣的教學系統充分體現了體驗式教學的特點，學生可以不受儀器、場地等限制，隨時在仿真實驗教學系統中自主設置GNSS觀測任務。該系統不僅可以提高學生對GNSS儀器和觀測流程學習的積極性，還為學生實習打下良好的基礎，提高實際操作的 效率。

2.4 教學內容與科研實際相結合

枯燥的課本知識往往讓學生產生倦意，而最新的科學研究成果往往會令學生產生興趣，激發學生學習和探索的熱情。體驗式教學模式提倡教學內容與科研實際相結合。一方面，教師可以將自己從事的相關科研工作，從科研問題的引出、研究方法的提出到成果的獲取等方面深入淺出地引入到課堂中，令學生思考并討論上述科研工作和課程基礎知識之間的聯系。另一方面，學生可以通過網絡等形式搜集當前GNSS技術發展及應用熱點。課堂討論課程基礎知識點對于這些熱點研究的支撐，并由教師進行點評和總結。這樣的模式，有利于學生進一步理解GNSS的現狀、發展趨勢，激發學生學習興趣，為學生創造了自主學習和鉆研提高的空間。礦大北京開展本科生導師制，為每位本科生配備專業導師，鼓勵本科學生參與科研、進行創新，有利于學生更好地在教學內容與科研實際的結合中成長。

2.5 辯論課堂形式

辯論的形式可以增強課程的開放性和娛樂性，充分調動學生的參與性，全面培養學生的思辨能力，是體驗式教學中重要的課程形式。我們在GNSS原理及應用的教學實踐中將辯論引入課堂，如在課堂開展以“中國應當發展自己的衛星導航系統還是利用已有衛星導航系統”為主題的辯論[8]。正反雙方學生分別從國家安全、大國重器自主可控、北斗系統特點和用戶使用習慣、成本、兼容性兩個角度展開陳述和辯論。這種形式不僅讓學生自主深入學習辯題涉及的學科內容，還要親身搜集相關材料并進行篩選、整理和組織。通過辯論，學生不僅掌握了學科基礎知識、深入了解到GNSS各個系統的特點和最新發展，還鍛煉了思辨能力和團隊合作能力，達到體驗式教學的 目的。

3 結 語

本文闡述了GNSS原理和應用課程的特點以及其在新時代背景下教學面臨的挑戰，探索了體驗式教學模式在GNSS原理及應用課程的應用。提出了利用GNSS發展應用熱點講座、手機端互動教學軟件、仿真實驗教學系統、教學內容與科研實際相結合，辯論課堂形式等模塊進行體驗式教學，以期提高學生的參與度與學習興趣，使學生主動積極地參與學習，掌握專業知識和工程實踐技能。