面向智能物聯網應用的導航技術“項目式課程”教育教學改革

王融 熊智 劉建業 趙偉

(南京航空航天大學自動化學院導航研究中心 江蘇南京 211106)

定位與導航系統是研究對運載體進行定位與導航的技術科學，是實現智能物聯網的基礎技術，在國民經濟中發揮著極其重要的作用[1]。近年來，智能物聯網發展迅速，已經實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能[2-3]。在無人系統和智慧交通等主要應用領域，導航定位技術的發展對其具有重要意義。導航定位技術可以綜合運用物聯網中的智能傳感器技術、信息網絡技術、通信傳輸技術和數據處理技術實現實時高精度目標位置估計，并將其應用到整個城市體系中，實現城市智慧型管理和運行[4-6]。

課程建設是專業建設的核心之一，在廣泛吸收導航、制導與控制領域國際先進研究成果的基礎上，將當前蓬勃發展的智能物聯網應用與南京航空航天大學導航研究中心多年來的積累有機結合，在理論課教學內容和實踐課教學內容兩方面開展導航課程教學改革與實踐。通過制作定位與導航系統實踐性輔助教學演示設備，結合項目式課程方式展開教學，創建出一套具有智能物聯網特色的現代定位與導航系統實踐性與研究性教學系統。通過開展具有互動性和開放性的教學內容和課程體系改革，打造具有新興智能物聯網特色的導航定位技術精品課程。對增強學生學習興趣，優化實踐應用能力，提高人才培養質量具有重要意義。

1 面向智能物聯網的導航技術教學改革思路

隨著智能物聯網在科技創新中地位的不斷提升，面向智能物聯網的導航技術教學建設和改革取得了一定的成效。但由于智能物聯網應用及其導航技術本身發展迅速，以及理論認識上的偏差和實踐中的矛盾，導航技術教學建設和改革亟待進行改革[7-8]。其思路主要采取以下方面。

1.1 優化導航技術教學中的項目式課程體系建設

圍繞定位與導航技術，開展了面向智能物聯網的定位與導航課程實踐教學研究平臺建設、定位與導航系統項目式實踐課程建設、定位與導航系統課程項目式教學實踐與分析這3個部分組成。在課程項目式教學實踐環節，設計了慣性器件及其導航原理探究、北斗導航及全球衛星定位系統原理探究、室內無線定位與現代航空無線電導航原理探究、微型飛行器機載航電系統中的綜合導航探究這4個課程微項目。

1.2 強化理論教學與智能物聯網日常應用的結合

通過基礎導航知識的學習，讓學生了解導航技術在日常生產生活中的重要性和廣泛性，激發學生學習興趣，再通過北斗導航系統、民用大型客機、室內定位等熱點技術將日常生活中可見的導航技術與航空航天應用聯系起來，逐步深入地向學生展示導航定位技術的原理和應用，不僅涉及了衛星導航技術、慣性導航技術、無線電導航技術及組合導航技術等，也涵蓋組合導航的實現思想與導航定位算法。

1.3 建立適應智能物聯網為背景的項目式課程混合式教學團隊

該課程組除負責理論和實驗課程的專任教師以外，還邀請企業專家以微視頻方式參與教學輔助，教學團隊通過產學研結合具有顯著優勢，有利于廣泛吸收導航、制導與控制領域先進發展動態，并與南京航空航天大學導航研究中心多年來的積累有機結合，打造具有航空航天特色的定位與導航技術精品課程。

2 面向智能物聯網的導航技術教學改革建設方案

從理論課教學內容和實踐課教學內容兩方面開展導航課程教學改革與實踐，制作定位與導航系統實踐性輔助教學演示設備，并通過實物演示、多媒體和網絡等方式展開教學，創建出一套具有國防專業特色的現代定位與導航系統實踐性與研究性教學系統，開展具有先進性、互動性、整體性、開放性和示范性的教學內容和課程體系改革。

2.1 面向智能物聯網的定位與導航課程實踐教學研究平臺建設

結合面向智能物聯網的定位與導航課程的理論教學內容，著重考慮結合目前已有的教學條件，建立基于定位與導航技術的教學研究平臺，從導航專業課程特色教學的角度出發，建立包含低成本微MEMS 組合系統、低成本北斗接收機等構成的綜合教學研究平臺。對陀螺儀進動性等空間幾何關系復雜抽象的關鍵特性，引導學生通過物理系統的實際操作獲得直觀的理解，在完成教學任務同時也能夠更好地激發學生對導航技術探索的熱情。

綜合教學研究平臺主要考慮從實物演示設備、多媒體演示以及學生參與設計的角度著手，進行相應的設計和制作。實物演示設備主要由慣性傳感器、航空儀表、GPS接收機等傳感器器件，以及在此基礎構建出的可以反映出導航定位技術基本原理的系統組成。具體有陀螺特性試驗儀、陀螺單軌穩定系統、基于陀螺穩定性原理的陀螺穩定平臺演示系統、低成本微MEMS組合系統、衛星導航仿真系統、慣性導航和其他導航方式組成的組合導航系統等。另外，為了展示陀螺穩定平臺和定位與導航系統的內部結構和具體的實現方式，還可以將原有的系統進行實物的解剖和展示。多媒體演示設備主要由導航定位技術原理展板和相關的多媒體演示軟件構成，通過圖形、動畫等多媒體表現方式加強學生對導航定位技術基本原理的了解和掌握。

2.2 定位與導航系統項目式實踐課程建設

如何在課堂教學過程中合理安排和使用定位與導航系統教學研究平臺，對課堂教學的效果將至關重要。因此，將在開發制作教學演示設備的基礎上，結合導航定位技術專業課程的理論教學需要，設計和安排有關的教學試驗內容。具體的試驗內容包括陀螺儀的器件級解剖和演示、基于陀螺儀穩定性原理的陀螺進動特性多媒體演示、載體姿態和航向顯示儀表的演示、低成本微MEMS組合系統的采集處理和分析及其相關特性的演示、衛星導航接收機的數據采集和分析、組合導航系統的設計及性能分析、組合濾波技術的應用及實驗分析、動量矩定理等物理知識應用到慣性系統特性分析等。圍繞以上實驗實踐內容，形成4 個綜合的課程“微項目”教學方案，具體如下。

2.2.1 慣性器件及其導航原理探究

圍繞慣性導航定位的一般概念，地面及太空失重條件下慣性器件的原理特性分析，以及慣性導航定位技術在日常生活及航空航天中的應用。結合陀螺儀的器件級解剖和演示，基于陀螺儀穩定性原理的陀螺進動特性多媒體演示，動量矩定理等物理知識應用到慣性系統特性分析，鞏固所學知識進一步了解實際慣性器件原理與特性。使學生理解導航定位的概念，知道一些生活中常見的如自平衡車等慣性導航技術應用方法，建立導航定位“無處不在”的觀念，增強學生對導航技術的興趣，為后續教學內容的學習和提前確定學習方向做鋪墊，并引導學生尋找生活中的其他慣性器件應用相關案例。

2.2.2 北斗導航及全球衛星定位系統原理探究

在介紹全球導航衛星系統（GNSS）歷史發展和原理的基礎上，重點介紹北斗導航系統及其發展特點、工作原理、進展及應用前景。結合衛星導航系統演示實驗，鞏固所學知識進一步了解實際衛星導航的信號與信息組成。擬定多個衛星定位和北斗導航定位相關的擬解決的工程問題和開放性的具有一定復雜性的工程和技術問題，分小組討論解決思路和方法。通過對擬解決的工程問題的討論，學生應能更深入地理解衛星定位的原理，以及了解科學研究的一般過程，對于開放性問題的討論，旨在激發學生科學研究的興趣，培養發散思維與創新思維。通過該部分學習，學生應該能夠理解全球衛星定位系統特別是北斗導航系統的定位原理、各種衛星導航系統的基本結構以及未來的全球衛星導航系統等，幫助學生掌握衛星導航技術的正確科學思維方法和科學研究方法。

2.2.3 室內無線定位與現代航空無線電導航原理探究

介紹室內無線電定位的基本原理，航空無線電導航的類型、功能及應用限制，以及智慧無線傳感方案的設計方法。觀看室內無線定位實驗及遠程航空無線電定位模擬，了解多種導航方法在飛行器應用中的作用，進一步理解組合導航的概念和原理。擬定多個無線電導航相關的具有一定復雜性的工程問題和開放性問題，分小組討論，要求學生提出自己的想法，但并不要求達成共識。旨在進一步提高學生運用科學研究思維和創新思維，解決問題的能力。使學生掌握多種無線電導航定位方式和基本原理，了解各種無線電導航定位方式各自特點，特別是結合不同條件下應用的各自優勢。有助于學生掌握正確的科學思維方法和科學研究方法，以及良好的多種系統綜合對比分析素養。

2.2.4 民用飛行器機載航電系統中的綜合導航探究

結合移動定位平臺，分析智能手機中常見導航用傳感器的工作原理，各自的特點以及基于GPS/INS 組合方式實現的手機導航系統的基本原理及其在飛行器中的應用。使用手機導航，了解GPS 定位與慣性器件各自的定位性能，以及GPS/INS 組合導航在手機平臺上實現的原理與方法。根據手機導航的特點，擬定多個應用背景和需求，分小組分析應用過程中可能出現的工程性問題，并討論解決方案。旨在提高學生發現問題和解決問題的能力。使學生掌握基于手機平臺實現的慣性導航和慣性/GPS 組合導航的原理和方法，在特定的環境下選用合適的導航方案，以滿足特定的導航應用需求。

3 定位與導航系統課程項目式教學改革實施路徑

該課程的建設目標主要分3 個階段：第一個階段主要是對定位與導航系統在理論教學內容上進行改革與實踐，不僅使學生在面向智能物聯網應用的定位與導航的理論和方法方面樹立正確的概念，同時培養學生科學抽象、邏輯思維能力；第二個階段在第一個階段的基礎上，通過整合實踐性教學手段和實驗內容，形成一套具有自身特色的實踐性輔助教學系統；第三階段是在前兩個階段的基礎上，進行課程的網絡化，實施開放性教學。具體采用以下的實施路徑。

（1）改革課程內容編排，建立適應智能物聯網應用的導航技術項目式課程的教學大綱。針對面向智能物聯網的定位與導航系統課程的特點，在教學大綱編排和教學任務分配上，采用導航理論知識介紹和導航系統演示相結合、理論要點和實際應用同步教學的思想，幫助學生從抽象到具體、從理論到實踐，逐步了解并掌握定位與導航的相關知識概念及其在智能物聯網的應用。同時還將基于建設完成的綜合教學研究平臺，安排一定的定位與導航技術的實踐內容，切實讓學生參與到導航系統的設計和性能驗證中來，便于他們更深入和更全面地熟練和掌握組合導航理論和實踐應用能力，取得更好的教學效果。

（2）強化教學輔助材料，面向智能物聯網應用在定位與導航系統實踐性輔助教學設備的制作方面，主要以現有的傳統導航教學設備為基礎，對傳統慣性導航教學設備進行改造，并在此基礎上引入定位與導航技術的新應用，進而實現從傳統導航到面向智能物聯網的現代導航的演示，從單獨的器件到導航系統的全面的演示。在定位與導航系統實踐性輔助教學試驗內容的設計和安排方面，注重對新型慣導系統性能演示，通過傳感器器件的解剖和演示、陀螺儀工作原理的多媒體演示、陀螺儀和GPS 接收機等導航設備的數據采集分析，組合濾波技術的應用與分析，實現理論與實踐緊密結合的教學模式，以拓寬學生的知識面，增加對該專業認識的深度和提高學習興趣，獲得最佳的教學效果。

（3）創新教學組織形式，突出理論教學與物聯網應用下實踐性教學環節的結合。在課程組織形式與教師指導方法方面，該課程以演示實驗與課外活動相結合的方式進行。導航系統分析具有較強的理論性，導航系統的實踐操作對于初學者具備較高的難度。教學采用講座與討論結合的方式進行，每堂課首先通過講座形式，講解導航技術相關的基礎理論，再以此為基礎提出一些開放性和啟發性的問題，由學生思考解決方法，進行小組內討論，后由其他小組進行和主講教師點評。通過課堂討論，要求學生了解科學研究的一般方法和過程，培養學生思考問題與解決問題的能力，從而提高學生科學抽象和邏輯思維能力，同時激發學生的發散性思維和創新性思維。課程組織形式分為演示實驗及課外活動兩種。演示實驗以任課教師獨立演示、學生分組實驗的方式進行。教師指導方式為分析、解答實驗過程，鼓勵同學思考和提問，引導學生將理論知識應用于演示實驗的分析。課外活動組織形式則以參觀為主，由任課教師帶領學生參觀導航系統專業實驗室及大學生創新實踐實驗室，提高學生熱情。

（4）改革考核方式，針對智能物聯網應用和項目式課程特點，建立調研、討論、分析、交互報告于一體的綜合考核模式。考核方式采取分小組的方式完成某一子課題調研或實驗工作，并以小組為單位進行半公開性綜合答辯，最終按小組提交研究報告。考核重點為學生對于導航定位技術中某一關鍵點的理解和認識，以及在團隊協作方面對學生的協作能力和團隊貢獻或影響力的綜合考核。通過分組考核方法，培養學生團隊協作能力，逐步發掘學生的個人潛能，增強學生的溝通能力、責任感、團隊榮譽感，以及團隊的領導能力。

4 總結與展望

通過改革方案的實施，使得學生掌握定位與導航的基本原理，掌握目前常見導航系統和一些新興導航系統的基本原理和各自的特點，了解智能物聯網中組合導航系統的基礎知識和應用。同時為進一步學習后續課程以及從事相關專業技術工作、科學研究工作、管理工作提供重要的理論基礎。在上述研究內容基礎上，完成了定位與導航系列課程教學研究平臺建設，建立起一套完整的集理論教學、實踐教學為一體的智能物聯網導航技術綜合教學研究系統，從而滿足課堂教學對于理論和實踐相結合的需要，實現在新一代科技后備人才的培養中導航技術課堂教學與智能物聯網新興應用趨勢相融合的教育教學模式。