“GPS 測(cè)量與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)與改革

盧立果， 魯鐵定， 王勝平， 王建強(qiáng)， 肖根如

(東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)能夠?yàn)榈厍虮砻婧徒乜臻g的廣大用戶提供全天時(shí)、全天候、高精度的定位、導(dǎo)航、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，已逐步滲透到社會(huì)生產(chǎn)和人們生活的方方面面，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空航天、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、測(cè)繪地理信息、森林防火、通信時(shí)統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域。因此，培養(yǎng)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的專業(yè)工程技術(shù)人才已成為社會(huì)發(fā)展的迫切需要[1]。

作為測(cè)繪類專業(yè)基礎(chǔ)課程，講授衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理及應(yīng)用的GPS課程在測(cè)繪課程體系中越來(lái)越重要，被作為《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》設(shè)置的測(cè)繪工程本科專業(yè)的主干課程之一。該課程要求學(xué)生既要掌握GPS的理論基礎(chǔ)知識(shí)，又要熟悉GPS的實(shí)際操作與應(yīng)用，具備獨(dú)立運(yùn)用GPS技術(shù)從事科研和生產(chǎn)實(shí)踐的能力。然而，由于該課程內(nèi)容多、學(xué)科交叉性強(qiáng)，在有限的課時(shí)內(nèi)想要達(dá)到以上目標(biāo)難度較大，因此部分高校教師針對(duì)這一課程進(jìn)行了教改嘗試[2-4]。本文針對(duì)東華理工大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)本科生的培養(yǎng)目標(biāo)和專業(yè)需求，結(jié)合筆者個(gè)人的教學(xué)、科研和生產(chǎn)實(shí)踐等經(jīng)驗(yàn)，嘗試從授課內(nèi)容、授課方式、實(shí)踐教學(xué)及考核模式等方面進(jìn)行GPS課程教改方面的探討。

1 篩選并拓展授課內(nèi)容

課程教材選用武漢大學(xué)出版的《GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理》(第三版)[5]，該教材為“十二五”普通高等教育本科規(guī)劃教材和國(guó)家精品課程教材，全書(shū)從定位原理、測(cè)量作業(yè)、數(shù)據(jù)處理等方面對(duì)GPS定位技術(shù)作了較詳細(xì)的介紹。由于該教材內(nèi)容豐富且具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，講授時(shí)若想涵蓋全部的知識(shí)點(diǎn)，僅依賴于有限的課時(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，筆者結(jié)合測(cè)繪工程專業(yè)的性質(zhì)、學(xué)時(shí)數(shù)和學(xué)生的層次，選擇性的講授所需內(nèi)容，具體見(jiàn)表1。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)迅速發(fā)展，由于主客觀條件的限制，教師講課內(nèi)容不可避免地存在觀念固化以及教材內(nèi)容更新滯后等問(wèn)題。鑒于此，筆者在授課時(shí)為學(xué)生推薦國(guó)內(nèi)外經(jīng)典的GPS教學(xué)教材、權(quán)威期刊出版有代表性的論文作為課后補(bǔ)充材料；同時(shí)，推薦關(guān)注有關(guān)行業(yè)新聞發(fā)布網(wǎng)站、論壇和公眾號(hào)以便及時(shí)了解衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。具體信息獲取途徑見(jiàn)表2。

表1 《GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理》章節(jié)課時(shí)講授安排

表2 知識(shí)拓展獲取途徑

2 豐富授課方式

GPS課程涉及了導(dǎo)航工程、電子信息科學(xué)、地球科學(xué)、氣象學(xué)、天體動(dòng)力學(xué)以及數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的背景知識(shí)，制作的課件中包含了大量交叉學(xué)科的信息，如果教師通過(guò)照本宣科、全程朗讀PPT這種“填鴨式”的教學(xué)方式向?qū)W生傳授抽象的教條知識(shí)，課堂枯燥無(wú)味，導(dǎo)致教師疲倦，學(xué)生厭學(xué)。此外，教師相比于學(xué)生具有更好的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和理解能力，在演示課件時(shí)容易不自覺(jué)的出現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的跳躍，導(dǎo)致學(xué)生跟不上教師講授的節(jié)奏。因此，教師在授課時(shí)一定要注意掌控節(jié)奏，以保證良好的課堂教學(xué)效果，另外在制作多媒體課件時(shí)也需認(rèn)真對(duì)待[6]，注意完善以下兩個(gè)方面的內(nèi)容。

(1)多種媒體，合理選擇。借助PPT設(shè)計(jì)軟件，教師可以利用文字、圖片、圖表、聲音、視頻、動(dòng)畫(huà)等多種媒體表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，把晦澀難懂的GPS抽象理論轉(zhuǎn)化為由多種媒體所構(gòu)成的生動(dòng)場(chǎng)景，增加課程的趣味性，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如錄制并演示STK軟件生成的GPS衛(wèi)星運(yùn)行軌跡視頻，幫助學(xué)生更形象直觀地理解24顆GPS衛(wèi)星在6個(gè)軌道面上的空間分布；采用動(dòng)畫(huà)形式逐步演示GPS基線解算的流程(參見(jiàn)圖1)，幫助學(xué)生加深理解GPS數(shù)據(jù)處理的基本原理，同時(shí)增強(qiáng)前后理論知識(shí)的貫穿和銜接。

圖1 基線解算的基本流程

(2)換位思考，精心設(shè)計(jì)。高校教學(xué)的主體是學(xué)生，課件制作需要服務(wù)于學(xué)生。因此，在設(shè)計(jì)制作課件時(shí)，需要從內(nèi)容組織和案例分析等方面加以考慮。比如在講述GPS定位中的誤差源這一章時(shí)，可以結(jié)合自己的研究成果給出電離層延遲、對(duì)流層延遲和相對(duì)論效應(yīng)等系統(tǒng)誤差對(duì)定位結(jié)果的定量影響，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)誤差的認(rèn)識(shí)；采用時(shí)間和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換小工具演示不同時(shí)空基準(zhǔn)間的相互轉(zhuǎn)換，深化學(xué)生對(duì)時(shí)空基準(zhǔn)概念的理解。

3 加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)

GPS課程內(nèi)容包含兩部分：第一篇GPS定位原理、方法與數(shù)學(xué)模型和第二篇GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理，也即GPS測(cè)量的外業(yè)測(cè)量和內(nèi)業(yè)處理。因此，實(shí)踐教學(xué)是本課程十分重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)GPS測(cè)量軟硬件的實(shí)踐操作，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，掌握基本的軟硬件使用方法，保障擁有內(nèi)外業(yè)一體化的專業(yè)操作技能，達(dá)到具備獨(dú)立開(kāi)展GPS工程項(xiàng)目的能力。其中，GPS外業(yè)實(shí)踐主要包括GPS接收機(jī)的認(rèn)知、GPS靜態(tài)定位、PPK測(cè)量和RTK放樣等操作[7]；內(nèi)業(yè)處理主要介紹中海達(dá)HGO數(shù)據(jù)處理軟件的解算過(guò)程(注：其他數(shù)據(jù)處理軟件均具有相類似的解算流程，具體見(jiàn)圖2)。此外，筆者還提供部分較簡(jiǎn)單的GPS開(kāi)源代碼(如Borre教授編寫(xiě)的easy軟件[8])供感興趣的學(xué)生深入了解GPS數(shù)據(jù)解算的具體細(xì)節(jié)，包括衛(wèi)星位置計(jì)算和周跳探測(cè)等。通過(guò)內(nèi)外業(yè)一體化實(shí)踐教學(xué)能夠有效地促進(jìn)GPS定位理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力和數(shù)據(jù)處理能力的目的。

4 完善考核模式

圖2 HGO軟件處理流程圖

衛(wèi)星導(dǎo)航與定位是一門(mén)集理論性、實(shí)踐性和前沿性于一體的測(cè)繪工程專業(yè)主干課[9]。因此，需要多角度、多層次和多目標(biāo)地考查教與學(xué)的效果，為了科學(xué)合理地考核本課程的教學(xué)情況，筆者從理論基礎(chǔ)、外業(yè)接收機(jī)測(cè)量操作、內(nèi)業(yè)GPS數(shù)據(jù)處理軟件的應(yīng)用、平時(shí)成績(jī)等四個(gè)方面對(duì)學(xué)生綜合考核。理論部分采用閉卷考試的形式進(jìn)行考核，主要考察學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度；外業(yè)測(cè)量操作主要考察學(xué)生操作儀器、相互協(xié)助和解決問(wèn)題的能力；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要考察學(xué)生對(duì)專業(yè)軟件操作的能力；平時(shí)成績(jī)則根據(jù)出勤率、課堂紀(jì)律以及回答問(wèn)題的積極性來(lái)進(jìn)行綜合打分。對(duì)上述四個(gè)方面的成績(jī)分別賦予適當(dāng)?shù)臋?quán)比，用數(shù)學(xué)公式表達(dá)為：

S總=q理論×S理論+q外業(yè)×S外業(yè)+q內(nèi)業(yè)×S內(nèi)業(yè)+q平時(shí)×S平時(shí)

(1)

式中，S總、S理論、S外業(yè)、S內(nèi)業(yè)和S平時(shí)分別表示綜合考核的總成績(jī)、期末考試成績(jī)、外業(yè)測(cè)量考核成績(jī)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理考核成績(jī)和平時(shí)成績(jī)；q理論、q外業(yè)、q內(nèi)業(yè)和q平時(shí)分別表示S理論、S外業(yè)、S內(nèi)業(yè)和S平時(shí)在S總中所占的權(quán)重。

表3為教改前后學(xué)生的補(bǔ)考統(tǒng)計(jì)結(jié)果(q理論∶q外業(yè)∶q內(nèi)業(yè)∶q平時(shí)=6∶1.5∶1.5∶1)，從表中可以看到通過(guò)科學(xué)合理的評(píng)價(jià)體系，降低了學(xué)生的補(bǔ)考率，有利于全面準(zhǔn)確的衡量學(xué)生的專業(yè)綜合能力。

表3 采用綜合成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)前后的學(xué)生補(bǔ)考率

5 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代測(cè)繪高新技術(shù)日新月異的發(fā)展，以及相關(guān)學(xué)科的相互滲透與融合，GPS課程的內(nèi)容及其應(yīng)用范圍都在不斷地更新。有鑒于此，筆者結(jié)合在該課程教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題，在課程的授課內(nèi)容、授課方式、實(shí)踐教學(xué)和考核模式等方面提出了一些改革建議以供參考，其最終目的是為了改善GPS課程的教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)更多理論基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐動(dòng)手能力強(qiáng)、具備求實(shí)精神的高級(jí)工程技術(shù)人才。