《GPS原理與應(yīng)用》課程教學(xué)研究與實踐

李金平，楊 昆，洪 亮（云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明650500）

GPS技術(shù)是美國19世紀(jì)70年代發(fā)展起來的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。近年來，美國GPS現(xiàn)代化的實施，使得GPS衛(wèi)星技術(shù)得到迅猛發(fā)展，該系統(tǒng)具有全天候作業(yè)、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(biāo)等優(yōu)點。隨著GPS接收機和后處理軟件的發(fā)展和完善，GPS定位技術(shù)由單點定位、靜態(tài)相對定位發(fā)展到差分定位、實時動態(tài)定位(RTK），滿足各種交通、導(dǎo)航、陸地和水下測量等的要求。GPS導(dǎo)航定位技術(shù)以高精度、各種尺度范圍的直接定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)功能，已被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、大地測量、工程測量、國土資源調(diào)查、城市規(guī)劃、資源環(huán)境監(jiān)測、交通管理等領(lǐng)域，并已成為地理信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，《GPS原理與應(yīng)用》成為許多高校的測繪類專業(yè)和相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的必修課程[1-4]。

《GPS原理與應(yīng)用》課程內(nèi)容理論深，實踐性強，多學(xué)科交叉，涉及的知識面廣，同時其內(nèi)容也在不斷豐富之中，因此，如何根據(jù)高校自身的專業(yè)特色和實際情況開展該課程的教學(xué)研究，不斷提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，是每位任課教師必須認(rèn)真面對和認(rèn)真思考的問題。下面，筆者結(jié)合云南師范大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)本科生開設(shè)的 《GPS原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)工作，圍繞如何提高課程教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段及實踐性教學(xué)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(xué)內(nèi)容

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的蓬勃發(fā)展使得GPS導(dǎo)航定位技術(shù)在理論及技術(shù)設(shè)備更新上都得到改進和發(fā)展，GPS接收機逐漸發(fā)展為雙星(多星）GPS接收機。我國許多院校設(shè)置的地理信息系統(tǒng)專業(yè)是依托測繪工程、地理學(xué)、計算機學(xué)科發(fā)展建立起來的新專業(yè)，不同院校的地理信息系統(tǒng)專業(yè)課程設(shè)置各有特點。目前，適用于 《GPS原理與應(yīng)用》課程的教材版本較多，側(cè)重點各有不同，《GPS原理與應(yīng)用》課程教材的選擇應(yīng)注重專業(yè)特點，體現(xiàn)既立足當(dāng)前又能著眼于未來發(fā)展，注重實用性和前瞻性。結(jié)合云南師范大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)特點，選用 《GPS測量原理與應(yīng)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(yīng)用》（張勤、李家權(quán)等編著）、《GPS原理及應(yīng)用》（李天文編著）作為主要參考教材[6-7]。

云南師范大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)是依托地理學(xué)設(shè)置的，針對 《GPS原理與應(yīng)用》課程中涉及大量的測繪專業(yè)知識及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理方法，為使學(xué)生正確理解和掌握課堂教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)過程中適當(dāng)增補了一些與課程有關(guān)的測繪專業(yè)基礎(chǔ)知識：測量常用坐標(biāo)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(xué)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(tài)相對定位原理中觀測方程解算、GPS網(wǎng)平差計算中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等方面的知識。

GPS導(dǎo)航定位技術(shù)作為一種主要的空間信息科學(xué)技術(shù)，它為GIS提供空間數(shù)據(jù)源和技術(shù)支撐，GPS與GIS集成應(yīng)用，高效實現(xiàn)導(dǎo)航、監(jiān)測、管理等綜合服務(wù)。在地理信息系統(tǒng)專業(yè)開設(shè) 《GPS原理與應(yīng)用》課程教學(xué)中，充分注意教學(xué)內(nèi)容的層次設(shè)計，使教學(xué)內(nèi)容可根據(jù)人才培養(yǎng)需要自成一體，擴大課程教學(xué)內(nèi)容的適應(yīng)面，使之滿足GIS專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)需要。課程的教學(xué)內(nèi)容安排上包括以下主要知識：GPS系統(tǒng)的構(gòu)成及其發(fā)展現(xiàn)狀、GPS定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系、GPS衛(wèi)星信號、GPS靜態(tài)定位原理、GPS動態(tài)定位原理、GPS測量誤差主要來源、GPS導(dǎo)航、GPS控制網(wǎng)的設(shè)計與觀測數(shù)據(jù)采集、GPS定位測量中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、GPS基線向量解算與網(wǎng)平差、GPS高程、GPS定位技術(shù)的應(yīng)用等。

2 改善教學(xué)方法和手段，提高教學(xué)質(zhì)量

《GPS原理與應(yīng)用》課程涉及的知識面廣，其理論知識涵蓋天文學(xué)、信息科學(xué)、測繪及遙感科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)等多門學(xué)科，同時課程又涉及GPS控制網(wǎng)設(shè)計、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等實踐知識。教學(xué)中，對于課程中大量的概念、公式、圖表、儀器操作和數(shù)據(jù)處理過程，采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)很難將一些概念及過程清晰地展現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生難以理解和掌握，應(yīng)用多媒體教學(xué)可使枯燥、難懂的GPS原理與應(yīng)用知識變得形象、直觀、易于理解，可大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效地提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。教學(xué)實踐中，對于現(xiàn)代GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成及發(fā)展、坐標(biāo)系、衛(wèi)星軌道運動、GPS衛(wèi)星信號及其格式、GPS控制網(wǎng)設(shè)計、觀測數(shù)據(jù)采集等內(nèi)容，結(jié)合大量文字、表格、圖形、圖像通過多媒體技術(shù)講解便于學(xué)生理解和掌握；對于GPS基線向量解算及網(wǎng)平差，利用實際案例結(jié)合GPS數(shù)據(jù)處理軟件，利用多媒體技術(shù)演示基線向量解算過程及網(wǎng)平差過程，說明基線解算的一些參數(shù)控制過程，加深學(xué)生對GPS數(shù)據(jù)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(wǎng)平差模型、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及GPS高程等內(nèi)容，涉及公式推演過程較多，這部分內(nèi)容則采用多媒體與傳統(tǒng)的板書相結(jié)合的教學(xué)方法，快慢結(jié)合，條理性好，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

采用多媒體教學(xué)課件教學(xué)時，課堂教學(xué)內(nèi)容較多，信息量大，對學(xué)生知識的消化和吸收有一定影響。將多媒體與多種教學(xué)手段相結(jié)合，控制語速，掌握每一堂課的教學(xué)容量，對于重要的知識點，讓學(xué)生做筆記，加強學(xué)生的記憶和理解，克服單純依賴一種教學(xué)手段的局限，擴大學(xué)生的學(xué)習(xí)知識面，增進學(xué)生信息量的獲取力度。教學(xué)過程中，配合教學(xué)內(nèi)容，在講完一章內(nèi)容后，都針對課堂內(nèi)容和書上的內(nèi)容出一些思考題和作業(yè)題，并要求學(xué)生在規(guī)定時間交作業(yè)，然后，在課堂上針對出錯多的問題進行集中講解。注重教學(xué)方法和教學(xué)手段的不斷完善，克服由于GPS定位技術(shù)涉及學(xué)科多，導(dǎo)致教學(xué)中存在內(nèi)容多、難度大，使學(xué)生難以學(xué)習(xí)掌握等問題，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)高級技術(shù)人才的目的。

3 加強實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，注重能力培養(yǎng)

實踐教學(xué)是 《GPS原理與應(yīng)用》課程教學(xué)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，對提高課程的教學(xué)質(zhì)量具有重要作用，通過實踐性教學(xué)，理論聯(lián)系實際，真正掌握GPS導(dǎo)航定位技術(shù)?！禛PS原理與應(yīng)用》課程共安排18學(xué)時實踐教學(xué)內(nèi)容，項目的設(shè)置有：GPS靜態(tài)、動態(tài)絕對定位數(shù)據(jù)采集(2學(xué)時）；GPS靜態(tài)相對定位數(shù)據(jù)采集(4學(xué)時）；GPS RTK實時動態(tài)差分?jǐn)?shù)據(jù)采集(4學(xué)時）；GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理(2學(xué)時）；GPS基線向量解算及網(wǎng)平差(6學(xué)時）。通過實踐性教學(xué)，使學(xué)生掌握靜態(tài)GPS接收機的安置、外業(yè)操作及數(shù)據(jù)采集方法，GPS RTK實時動態(tài)差分?jǐn)?shù)據(jù)采集方法，熟悉GPS基線解算和GPS網(wǎng)平差的數(shù)據(jù)處理過程。

在 《GPS原理與應(yīng)用》課程實踐性教學(xué)中，由于GPS接收機的臺數(shù)以及學(xué)生操作熟練程度的限制，在規(guī)定的時間內(nèi)完成一個完整的GPS控制網(wǎng)比較困難，因此，實習(xí)基地建設(shè)非常重要。利用學(xué)校和周邊環(huán)境，布設(shè)10個GPS點構(gòu)成邊角混合網(wǎng)，GPS控制網(wǎng)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(wǎng)觀測數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)預(yù)處理，外業(yè)觀測數(shù)據(jù)符合規(guī)范要求，利用配套的數(shù)據(jù)處理軟件，提供GPS基線向量解算和網(wǎng)平差，得到1954個北京坐標(biāo)系所有GPS點坐標(biāo)，為實踐性教學(xué)建立了實習(xí)基地。實習(xí)基地產(chǎn)出的GPS觀測成果既能滿足所有GPS測量實習(xí)要求，同時也為數(shù)字測圖實習(xí)提供高等級控制點。GPS靜態(tài)絕對定位數(shù)據(jù)采集實習(xí)時，要求學(xué)生將手持GPS接收機放置在GPS網(wǎng)點上，將觀測坐標(biāo)與已知坐標(biāo)比對，加深精度概念的理解。靜態(tài)相對定位數(shù)據(jù)采集實習(xí)時，利用3臺GPS接收機，根據(jù)實習(xí)基地上建立的GPS網(wǎng)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(huán)，構(gòu)成局部邊點混合網(wǎng)，然后進行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)預(yù)處理。GPS基線向量解算及網(wǎng)平差實習(xí)利用已獲取的高精度觀測數(shù)據(jù)完成實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。

為能順利完成實習(xí)內(nèi)容，根據(jù)每個實踐教學(xué)項目，編寫相應(yīng)的 《GPS原理與應(yīng)用課程實驗指導(dǎo)書》，實習(xí)前將實習(xí)計劃和實習(xí)指導(dǎo)書發(fā)給學(xué)生，熟悉實習(xí)內(nèi)容，便于實習(xí)指導(dǎo)。為促使學(xué)生重視實踐性教學(xué)，實習(xí)課成績在期末考試成績評定中占課程總成績的10%，根據(jù)考勤、實習(xí)態(tài)度、外業(yè)及上機操作熟練程度、實習(xí)報告內(nèi)容、實習(xí)考查等各方面綜合評定。

4 結(jié) 語

在 《GPS原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)中，應(yīng)精選教材，理論教學(xué)應(yīng)注重教學(xué)方法、手段的實用性和先進性相結(jié)合；在實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)加強實習(xí)基地建設(shè)，完善實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過多年的教學(xué)改革和實踐，使學(xué)生真正地理解GPS導(dǎo)航定位原理與方法，能夠熟練進行GPS設(shè)計，并利用GPS接收機進行數(shù)據(jù)采集，掌握內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法，取得了較好的教學(xué)效果。

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