對開設海洋技術專業程序設計課程的思考

常 亮

（上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306）

0 引言

最近十年，隨著我國北斗衛星導航系統的突飛猛進的發展，包含北斗衛星導航系統和美國GPS等系統在內的GNSS技術受到了人們越來越多的關注。GNSS在海洋領域的應用非常廣泛，可以用于輔助各種類型的船舶導航、海上儀器或平臺定位、海面高度監測、海冰厚度監測等。GNSS原理與應用主要講授GNSS衛星定位、導航的基本原理，GNSS測量的設計與實施，常用的幾種GNSS儀器的組成及功能特點，通過該課程的教學，使學生了解GNSS測量的基本原理和一般方法，掌握使用常規GNSS儀器進行測量操作和簡單數據處理等工作。GNSS原理與應用也是上海海洋大學海洋技術專業的核心課程之一。但是，在過去八年左右的課程教學過程中，發現了學生對相關知識的認識仍停留在理論層面上，而且較為淺顯，缺乏對相關知識點的深入認識。

本文主要針對在GNSS原理與應用教學過程中，學生對相關重點知識點的認識不夠深刻的現狀，探討了新開設基于Matlab專業程序設計課程的可能性，以及關于該課程的相關設想，旨在推進本專業同學對專業知識的深入理解。此外，為配合上海市教育委員會于2016年正式開展的上海大學生創新創業訓練計劃示范校的建設，還討論了基于本門課程的相關設想以更好地服務于本專業在大學生創新創業訓練項目指導過程。最終目的是提高海洋技術專業的教學質量，更好地培養專業人才。

1 GNSS原理與應用教學過程中學生的潛在問題舉例

為了更好地探討新開設基于Matlab專業程序設計課程的可能性，本文選取了幾個在GNSS原理與應用課程教學過程中，在學生身上發現的對相關知識點理解不夠深入的例子來進行說明。

1.1 坐標轉換

在對GNSS數據進行處理過程中（以GPS數據為例），最經常會碰到的一類坐標轉換就是空間直角坐標和大地坐標系之間的相互轉換。兩者之間的轉換，在課本中分別僅列出了2個相應的公式進行說明。但是，在實際轉換時，特別是在由空間直角坐標轉換至大地坐標系坐標時，需要關注的問題有很多。如最常見的迭代問題，以及在不同坐標象限的問題等，這些問題的細節在課堂上對照公式進行講解時，往往難以讓同學深刻認識到公式轉換過程中應該密切關注的問題。

1.2 衛星位置計算

GPS衛星的位置（坐標）計算是開展GPS應用的最基本工作之一，但是針對應用的不同需求，可以選取的方法不一樣。其中，如果進行事后高精度應用時，可以直接選取GPS衛星的精密星歷，然后通過拉格朗日、切比雪夫或者三角多項式等插值方法進行計算即可。

但是，如果要進行實時的GPS應用，則需要根據廣播星歷計算衛星實時位置。在大多數GNSS教科書中，都直接給出了GPS衛星位置的計算公式。但是，這些計算公式中的各個參數如何獲取，各個參數表達的具體意思等細節問題，還難以直接通過公式進行深入認識。

1.3 數據文件理解和認識

RINEX（Receiver Independent Exchange Format）是GNSS領域內最為重要的國際通用數據標準格式之一，主要用于存儲和交換衛星導航接收機原始觀測數據，是目前衛星導航高精度接收機和相關軟件所必須遵循的一類標準。此外，GPS衛星的精密軌道數據也有專門的儲存格式SP3。

在進行GPS定位原理及相關應用進行講授的過程中，需要用到GPS不同波段的各種觀測值，以及衛星的坐標，由于同學們對GPS衛星的數據格式與內容的了解都不夠深刻，往往容易把多種與GPS相關的數據混淆，使得對相關知識點的學習容易出現偏差。

2 海洋技術專業特點

2.1 培養目標

海洋技術專業培養具備海洋科學與技術的基本理論知識，掌握海洋遙感地理信息、海洋測繪、水聲探測技術等基礎知識和基本技能，能夠在海洋信息、遙感和地理信息系統（GIS），或海洋測繪、海洋勘察領域，或水下搜救與安全、水下施工等領域，利用各種海洋技術獲取海洋信息并展開行業應用的應用型人才，具備初步科學研究與管理能力的高素質復合型人才。可以看出，GNSS相關課程是海洋技術的重點專業基礎課之一，因此，有必要基于此課程的改革方法進行深入的探討。

2.2 培養規格

海洋技術專業學生學習海洋科學、遙感、GIS、測繪、水聲等方面的基本理論和基本知識，系統接受海洋信息探測、處理、分析、應用的基本方法和技能訓練。在此基礎上，按海洋信息處理與應用、海洋測繪、水聲探測三個特色方向對學生進行培養，畢業生應獲得以下幾方面的知識和能力：

（1）掌握數學、物理和計算機等方面的基本理論和基本知識；

（2）掌握海洋科學、測繪學、水聲學、地理信息的基本理論和基本知識；

（3）掌握從事海洋探測和信息處理、分析和應用的基本方法和技能；

（4）海洋信息方向應掌握衛星遙感、GIS、海洋信息獲取、處理的專業技術，具備利用衛星遙感和GIS手段探測海洋的技能；海洋測繪方向應掌握各類海洋測繪技術、海圖編制技術，具備海圖數據的采集、處理與成圖的技能；海洋水聲探測方向應掌握水聲學基礎知識、水聲探測技術，具備利用水聲探測技術獲取和處理水下信息的技能；

（5）熟悉海洋和測繪的管理、政策和法規；

（6）了解海洋技術的發展動向及行業需求；

（7）在本專業領域具有一定的科學研究和實踐工作能力，具有較強的空間思考能力，具有一定的創新精神。

2.3 專業特色與特點

海洋技術專業學生在一年級主要學習并掌握計算機、數理及海洋學科的基本知識，為學習海洋技術核心課奠定基礎；二年級主要掌握遙感與GIS、測繪、水聲、海洋類基礎性課程；三年級開始分海洋信息、海洋測繪、水聲探測三個專業方向培養。

海洋信息方向重在通過遙感和GIS技術，進行海洋觀測與資源環境調查，獲取近海和大洋的信息并進行處理、分析與應用；海洋測繪方向重在通過各種測繪工程和技術手段，進行海洋測繪、海洋資源勘察、管理及海洋制圖等工作；水聲探測方向重在應用掌握水聲探測技術，初步掌握水下機器人原理與設計，學習利用各類水聲設備和技術獲取和處理水下目標信息。

同時，海洋技術專業中涉及的遙感、GIS、測繪等技術也適用于陸地和淡水資源勘測、地表信息調查與工程建設等。海洋技術專業入選了首批國家級一流本科專業建設點，具有本、碩、博一體化人才培養體系。

3 教學改革方法

除了GNSS原理與應用課程外，在海洋技術專業的海洋大地測量這門課程中也有類似的情況，也就是學生覺得書本上講授的內容還不夠具體，影響了學生對相關問題的深入理解。考慮到GNSS原理與應用及相關專業課程教學過程中因為對數據格式等的認識不夠具體，導致的理論知識與實際應用存在的偏差問題，本文探討在專業課程講授過程中新增一門專業程序課程的必要性。

Matlab是目前最為流行的編程語言之一，由于其上手快，進行矩陣運算方便，具有較強的圖形顯示和處理能力，使得其在師生中的應用比例非常高。為此，可以考慮在專業課程講授的同時，開設一門基于Matlab的專業程序設計課程，讓學生拿到GNSS衛星的相關數據后，實際動手進行編程操作。

同時，考慮到部分同學的程序設計能力可能比較一般，為了避免部分同學無法單獨完成相關程序設計，還可以考慮以3～4人的小組為單位，共同完成相關的程序設計工作，然后集中進行討論，加深對GNSS定位和應用等相關內容的認知。

值得說明的是，在部分學期的GNSS原理與應用課程講授過程中，將部分課時設計成程序設計課程后發現，經過程序設計鍛煉后，同學們對相關理論知識的認識和理解有了明顯的提升。因此，有必要今后專門開設一門海洋技術專業的專業課程序設計課程，且需要和理論講授課同步開展，而不是像現在不少課程在講授完成理論課程后，再開始程序設計的練習。

此外，在以往的大學生創新創業訓練中，由于部分專業教師在三年級才開始專業課的教學任務，導致部分專業課教師跟本專業低年級的學生聯系較少。但大一、大二等低年級的同學卻是大學生創新創業項目的主力軍，為了讓學生充分參與到大學生創新創業項目中來，部分專業教師常常選擇由高年級的學生代為在低年級同學中進行宣傳。過去這種方式不僅效率低，也使得學生和教師之間溝通和了解還不夠多。為了提高大學生創新創業訓練項目的執行力，讓更多的學生參與進來，并且能夠通過參與項目提高自身的專業實踐能力，特開展了一下改革舉措：

（1）在大學生創新創業訓練項目申報開始之前，由專業教師提前在網上集中公布教師的個人簡歷、聯系方式、指導題目、項目要求等，讓更多的學生綜合篩選感興趣的研究課題。

（2）為了促進師生之間的互相了解，可以定期舉行低年級專業的師生見面會，讓教師多了解學生對本專業課程、方向等方面的認識和想法，同時也可以讓學生對教師的研究方向、研究內容有個大體的認識，為今后開展專業課程及大學生創新創業訓練項目的實施打下基礎。

（3）在大學生創新創業訓練項目的申請時，多建議高年級的學生尋找本專業或者相關專業的低年級的學生，形成一個跨年級的項目研究隊伍。此外，在項目實施的過程中，以項目為單位，加強項目組內的學生之間的討論交流，并且與教師形成討論。

（4）以上海海洋大學海洋科學學院創新班的設立為契機，加強創新班內同學與導師之間的交流，為今后實施創新創業訓練項目的提前做好準備。

4 結語

本文結合對以往GNSS原理與應用課程的理論學習中遇到的理論知識認識不夠深刻的問題，提出了同步開設一門專業程序設計課程的構想，并通過部分課程的改革實踐，同時服務于提高同學們在大學生創新創業訓練項目中的真實參與度，以及真正地參與研究學習過程。該舉措將有利于加強教師與學生之間相互了解，提高教學質量，并以此提高完善人才培養質量標準、創新人才培養機制、健全創新創業教育課程體系和強化創新創業實踐，更好地培養海洋技術領域的專業人才。