導(dǎo)航專業(yè)研究生案例式教學(xué)探索與實(shí)踐

潘獻(xiàn)飛 何曉峰 張禮廉 呂云霄

摘要案例式教學(xué)是提高研究生主觀能動性和綜合科研能力的有效方法。針對現(xiàn)有導(dǎo)航專業(yè)研究生實(shí)踐教學(xué)以知識點(diǎn)驗(yàn)證為主而綜合性不足的問題，開展案例式教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式的改革探索，建成了一套開放式的導(dǎo)航案例庫，同時在教學(xué)實(shí)踐中形成了一套導(dǎo)航專業(yè)案例式教學(xué)的教學(xué)組織和實(shí)踐方法，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉科研思維，取得了很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 導(dǎo)航專業(yè) 研究生 案例式教學(xué) 教學(xué)改革

中圖分類號：G643文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.22.011

Exploration and Practice of Case Teaching for Navigation Postgraduates

PAN Xianfei， HE Xiaofeng， ZHANG Lilian， LV Yunxiao

（College of Intelligence Science and Technology， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073）

AbstractCase teaching is an effective way to improve the subjective initiative and comprehensive research ability of postgraduates. In order to solve the problem that the current practice teaching of navigation postgraduates is mainly based on knowledge point verification but not comprehensive enough， the reform and exploration of teaching content， teaching methods and assessment methods of case-based teaching are carried out， and a set of open navigation case database is built. At the same time， a set of teaching organization and practice methods of navigation case-based teaching are formed in teaching practice， effectively stimulate students’ interest in learning， exercise scientific research thinking， and achieved good teaching results.

KeywordsNavigation major； postgraduate； case teaching； teachign reform

0引言

現(xiàn)代教學(xué)方法中提倡突出學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，把學(xué)生的被動式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃邮綄W(xué)習(xí)。而如何在教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生思考，提高其主觀能動性，培養(yǎng)其分析問題、解決問題的實(shí)際能力一直是國內(nèi)教學(xué)研究的重點(diǎn)。研究生專業(yè)課教學(xué)在高校教學(xué)中占有非常重要的地位，與本科教學(xué)注重基礎(chǔ)知識不同的是，研究生專業(yè)課教學(xué)應(yīng)該加強(qiáng)廣度和深度，更注重科學(xué)性和實(shí)踐性，要為研究生轉(zhuǎn)入科研狀態(tài)、進(jìn)入課題研究奠定基礎(chǔ)。

導(dǎo)航技術(shù)近年發(fā)展迅速，隨著不同慣性傳感器的出現(xiàn)，從軍用到民用，從天上到水下，導(dǎo)航技術(shù)日益滲透到軍事和生活的方方面面。研究生課程“自主導(dǎo)航”是以慣性導(dǎo)航為基礎(chǔ)，研究其他多種自主導(dǎo)航方式并進(jìn)行組合導(dǎo)航的課程。教學(xué)目的是希望通過本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能掌握自主導(dǎo)航技術(shù)的基本理論和組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計、分析方法，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)性地研究、解決自主導(dǎo)航方法和工程應(yīng)用問題的能力，掌握實(shí)驗(yàn)研究中的數(shù)據(jù)處理與分析方法，為自主導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計、試驗(yàn)、使用等工作奠定良好的理論基礎(chǔ)。

1當(dāng)前存在的問題

導(dǎo)航定位技術(shù)是信息化社會的核心技術(shù)之一，也是無人系統(tǒng)的重要傳感技術(shù)。國外研究生教學(xué)注重案例式、研究性教學(xué)方式，其特點(diǎn)是課堂授課內(nèi)容精煉、速度快、覆蓋面大，而課后作業(yè)任務(wù)量大，對知識的綜合運(yùn)用能力要求高。案例式教學(xué)正是培養(yǎng)學(xué)生知識綜合應(yīng)用能力的有效方式。國內(nèi)導(dǎo)航專業(yè)研究生教學(xué)一般以慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航為主，雖然日益注重實(shí)踐式教學(xué)，但大多以針對不同知識點(diǎn)設(shè)計的試驗(yàn)方式開展，綜合性試驗(yàn)也以原理檢驗(yàn)為主，對學(xué)生分析能力、設(shè)計能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)不夠深入。因此，針對不同應(yīng)用環(huán)境、不同應(yīng)用需求，基于不同精度和成本的傳感器，基于科研成果設(shè)計代表性強(qiáng)的教學(xué)案例，對于進(jìn)一步提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生綜合科研能力具有重要意義。

2教學(xué)改革

在現(xiàn)有導(dǎo)航專業(yè)研究生課程教育的基礎(chǔ)上，結(jié)合本專業(yè)科研特色和典型科研成果，建立面向無人系統(tǒng)的不同導(dǎo)航模式、不同應(yīng)用環(huán)境和不同使用需求的組合導(dǎo)航案例庫，設(shè)計基于導(dǎo)航案例庫的教學(xué)組織和實(shí)踐方法，把當(dāng)前以知識點(diǎn)驗(yàn)證為主的教學(xué)試驗(yàn)設(shè)計模式升級為面向?qū)嶋H導(dǎo)航需求的綜合性案例教學(xué)和實(shí)踐模式，探索形成一套開放式的、面向無人系統(tǒng)需求的典型導(dǎo)航案例庫及對應(yīng)的教學(xué)組織和實(shí)踐方法，從而進(jìn)一步深化和創(chuàng)新導(dǎo)航專業(yè)研究生創(chuàng)新性和實(shí)踐性能力的培養(yǎng)模式。

教學(xué)改革中，主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核方式等方面開展案例式教學(xué)的探索與實(shí)踐。

2.1教學(xué)內(nèi)容改革

教學(xué)內(nèi)容上，核心是導(dǎo)航案例庫建設(shè)，按照強(qiáng)化理論基礎(chǔ)，貼近工程應(yīng)用，拓展最新成果，優(yōu)化綜合實(shí)踐的思路對具體案例進(jìn)行設(shè)計。主要著眼于知識點(diǎn)的綜合應(yīng)用，讓學(xué)員對如何綜合應(yīng)用所學(xué)知識，對分析實(shí)際導(dǎo)航問題，解決工程問題有切身的體會。教學(xué)案例建設(shè)的主要內(nèi)容如下：

設(shè)計基于計算機(jī)的導(dǎo)航模擬仿真系統(tǒng)，并由此設(shè)計不同條件下的虛擬導(dǎo)航案例。實(shí)際導(dǎo)航案例固然有其真實(shí)的優(yōu)點(diǎn)，但往往只能體現(xiàn)某種特定條件下的導(dǎo)航特點(diǎn)，有特征不夠全面、干擾因素較多的局限性?；趍atlab設(shè)計導(dǎo)航模擬仿真系統(tǒng)，主要包括軌跡發(fā)生器模塊、傳感器信號模擬模塊（慣性傳感器信號、衛(wèi)星信號、里程計信號、多普勒測速儀信號等）、慣性導(dǎo)航計算模塊、組合導(dǎo)航計算模塊、導(dǎo)航精度評估模塊等。

基于設(shè)計的模擬仿真系統(tǒng)，從工作環(huán)境上，可模擬車載環(huán)境下的慣性/里程計/衛(wèi)星初始對準(zhǔn)及組合導(dǎo)航，模擬水下無人潛航器的慣性/多普勒測速儀/衛(wèi)星組合導(dǎo)航，模擬飛行條件下的慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航等多種環(huán)境下的導(dǎo)航計算與精度評估。從傳感器性能上，可模擬高、中、低精度的激光陀螺、光纖陀螺，可模擬低精度的MEMS陀螺，不同精度的加速度計，以及不同精度水平的衛(wèi)星、測速儀等信號。

導(dǎo)航模擬仿真系統(tǒng)的建立，克服了真實(shí)案例庫的局限，為虛擬導(dǎo)航案例庫的設(shè)計提供了很大靈活性，從而幾乎可以模擬生成各種復(fù)雜動態(tài)環(huán)境下、各種導(dǎo)航傳感器精度、各種導(dǎo)航輔助手段下的傳感器原始數(shù)據(jù)及不同的運(yùn)動軌跡，特別是可模擬實(shí)際載體試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的極端條件下的動態(tài)試驗(yàn)，從而可根據(jù)教學(xué)目的設(shè)計虛擬導(dǎo)航案例。

基于科研項(xiàng)目的真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立不同應(yīng)用環(huán)境下的真實(shí)導(dǎo)航案例；建立基于不同慣性傳感器類型和精度的真實(shí)導(dǎo)航案例。依托課題組多年的科研項(xiàng)目資源，收集整理多個典型項(xiàng)目的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括基于高精度激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的車載環(huán)境、水下潛航器環(huán)境、飛行環(huán)境等的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)、車載里程計數(shù)據(jù)、水下多普勒測速儀數(shù)據(jù)、GPS/北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及基于MEMS微慣導(dǎo)系統(tǒng)的車載環(huán)境和彈載環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)教學(xué)需求對所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類和規(guī)范化，編寫了試驗(yàn)說明，提出了試驗(yàn)要求，形成了真實(shí)的導(dǎo)航案例庫，為無人系統(tǒng)的慣性/多傳感器組合導(dǎo)航教學(xué)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

如飛行環(huán)境慣性/GPS組合導(dǎo)航試驗(yàn)案例。以某次飛行試驗(yàn)為基礎(chǔ)設(shè)計教學(xué)案例，把激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)固聯(lián)于實(shí)驗(yàn)載機(jī)的機(jī)艙中，按設(shè)定的飛行路線進(jìn)行飛行。數(shù)據(jù)文件分為慣性數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)。

算法要求：

通過matlab編程實(shí)現(xiàn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)、慣導(dǎo)解算、組合導(dǎo)航解算的全過程。

（1）初始自對準(zhǔn)：利用前15分鐘飛機(jī)靜止的數(shù)據(jù)進(jìn)行慣導(dǎo)系統(tǒng)的自對準(zhǔn)。采用全部15分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行解析粗對準(zhǔn)，全部15分鐘數(shù)據(jù)用五狀態(tài)Kalman濾波器實(shí)現(xiàn)精對準(zhǔn)；為了驗(yàn)證精對準(zhǔn)性能，可在粗對準(zhǔn)結(jié)果上把航向角人為加一定幅度（如10度）的誤差，觀察精對準(zhǔn)的收斂性能。

（2）純慣導(dǎo)解算：對準(zhǔn)結(jié)束后轉(zhuǎn)入純慣性導(dǎo)航解算，要求進(jìn)行雙子樣的圓錐和劃搖補(bǔ)償，輸出完整的導(dǎo)航結(jié)果包括三個姿態(tài)、兩個水平速度和兩個水平位置（天向通道發(fā)散不必輸出），并給出姿態(tài)、速度、位置隨時間的變化曲線以及位置誤差曲線。

（3）組合導(dǎo)航解算：對準(zhǔn)結(jié)束后轉(zhuǎn)入慣性/GPS組合導(dǎo)航解算。輸出完整的導(dǎo)航結(jié)果包括三個姿態(tài)、三個方向的速度、兩個水平位置以及高度，并給出姿態(tài)、速度、位置隨時間變化曲線。

依托衛(wèi)星、慣性等導(dǎo)航模擬器建立衛(wèi)星導(dǎo)航案例庫?；谛l(wèi)星模擬器、慣性模擬器等硬件模擬器資源，通過參數(shù)設(shè)計，模擬器可模擬產(chǎn)生不同的慣性和衛(wèi)星信號，據(jù)此設(shè)計真實(shí)試驗(yàn)難以做到的高動態(tài)環(huán)境的衛(wèi)星導(dǎo)航仿真試驗(yàn)和組合導(dǎo)航仿真案例，這些案例對深入學(xué)習(xí)和研究慣性/衛(wèi)星深組合算法、高動態(tài)環(huán)境的衛(wèi)星捕獲跟蹤算法等建立了基礎(chǔ)。同時，把研究生教學(xué)和科研實(shí)踐相結(jié)合，使得研究生利用試驗(yàn)室資源開展科研實(shí)踐研究，有效提高研究生的實(shí)踐能力和科研水平。

如基于衛(wèi)星模擬器的案例設(shè)計。通過多星座衛(wèi)星信號模擬器發(fā)送高大過載環(huán)境衛(wèi)星模擬信號，控制信號輸出強(qiáng)度，使其符合真實(shí)衛(wèi)星信號強(qiáng)度，并且輸出和衛(wèi)星信號相對應(yīng)的慣導(dǎo)信息，使接收機(jī)能進(jìn)行定位測速解算。

通過matlab編程實(shí)現(xiàn)大過載環(huán)境下的慣性/衛(wèi)星深組合導(dǎo)航定位算法，比較不同算法下導(dǎo)航定位的精度。

設(shè)計導(dǎo)航案例庫的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化管理模式，形成具有開放性的可擴(kuò)展的典型導(dǎo)航案例庫。根據(jù)導(dǎo)航專業(yè)研究生教學(xué)要求，選取一些典型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化后作為導(dǎo)航案例，對于以后無人系統(tǒng)的導(dǎo)航研究和教學(xué)是不夠的。因此，除了試驗(yàn)數(shù)據(jù)外，研究案例庫的建設(shè)規(guī)范，研究案例說明的要求和格式。從而使得隨著教學(xué)和科研的發(fā)展，案例庫可根據(jù)不同教學(xué)目的不斷豐富，形成導(dǎo)航專業(yè)研究生實(shí)踐教學(xué)的豐富資源庫。

2.2教學(xué)模式改革

首先，在課堂授課中，除了基本理論講授外，把一些基本教學(xué)案例融入各階段教學(xué)內(nèi)容中，以教學(xué)案例為基礎(chǔ)開展研討式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)員針對具體案例中碰到的問題進(jìn)行思考和討論，深化教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

其次，在實(shí)驗(yàn)課時中，重點(diǎn)以綜合型案例為基礎(chǔ)，通過學(xué)員自選，深入培養(yǎng)學(xué)員針對某一領(lǐng)域?qū)Ш絾栴}進(jìn)行導(dǎo)航綜合設(shè)計的能力，如通過飛行試驗(yàn)案例，學(xué)員必須解決從慣性測量單元標(biāo)定、地面/空中初始對準(zhǔn)、純慣性導(dǎo)航解算、慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航解算等關(guān)鍵問題，才能完成試驗(yàn)任務(wù)，從而大大提高學(xué)員解決項(xiàng)目中真實(shí)導(dǎo)航問題的能力。

案例式教學(xué)大大豐富了教學(xué)試驗(yàn)資源，提高了試驗(yàn)教學(xué)靈活性。試驗(yàn)教學(xué)中，每個案例安排一個教學(xué)單元。提前提供背景材料，要求學(xué)員在課前對案例有一個大概的了解。課堂上，首先對案例的背景和主要技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行介紹，然后組織學(xué)員對技術(shù)難點(diǎn)的解決展開自由討論，最后進(jìn)行歸納總結(jié)。具體流程如下：

提出問題：主講老師針對無人系統(tǒng)中的某一具體場景，提出導(dǎo)航定位問題，給出初始條件；

專題研討：以3～5人為研究小組，通過分組方式選擇導(dǎo)航案例中的某一關(guān)鍵問題進(jìn)行提前的理論推導(dǎo)、文獻(xiàn)搜集、整理與專題綜述，用1學(xué)時時間進(jìn)行關(guān)鍵問題研討和交流，整理得出該案例的導(dǎo)航理論方法；

案例分析：基于研討的理論成果，結(jié)合該案例的載體環(huán)境、傳感器條件等實(shí)際因素，對該應(yīng)用案例進(jìn)行剖析，討論，改進(jìn)、優(yōu)化，提升學(xué)員的綜合應(yīng)用與系統(tǒng)分析能力，設(shè)計出具體可行的導(dǎo)航模式和導(dǎo)航算法，并與科研項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用的導(dǎo)航算法進(jìn)行對比分析；

實(shí)驗(yàn)實(shí)踐：對于典型應(yīng)用案例，可與實(shí)踐性教學(xué)相結(jié)合，基于案例給出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和初始條件，各研究小組設(shè)計并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航算法，并與實(shí)際案例導(dǎo)航結(jié)果相比較，檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)效果。

同時，課題組各老師把設(shè)計的教學(xué)案例不同程度的應(yīng)用于其他導(dǎo)航專業(yè)課程教學(xué)中，通過多人案例式教學(xué)的教學(xué)實(shí)踐，把建設(shè)的案例庫應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中，積累案例式教學(xué)和研討式教學(xué)的豐富經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)不同課程的教學(xué)方法。

2.3考核方式研究

對于試驗(yàn)研討后需要編寫的程序和撰寫的報告，提出以下要求：

Matlab源程序。要求程序模塊化，算法模塊最好寫成函數(shù)形式；變量定義規(guī)范化，盡可能用有意義的單詞表示；導(dǎo)航輸出的姿態(tài)結(jié)果轉(zhuǎn)換為歐拉角輸出；導(dǎo)航結(jié)果（姿態(tài)、速度、位置）實(shí)時存儲為數(shù)據(jù)文件。

實(shí)驗(yàn)報告。主要包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求、算法分析及程序編排、Matlab程序簡單說明：主要變量定義，函數(shù)模塊說明，流程圖等；實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、心得體會等內(nèi)容。

案例式教學(xué)的效果評估要綜合考慮學(xué)員在分組研討匯報、案例討論、現(xiàn)場抽簽回答問題等環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，當(dāng)然更重要的是提交的程序和試驗(yàn)報告。激發(fā)學(xué)員對各環(huán)節(jié)的參與熱情，保證學(xué)員的課外時間投入。分組研討匯報和案例式教學(xué)的評分在現(xiàn)場給出。其中分組研討匯報的分?jǐn)?shù)由現(xiàn)場匯報效果以及書面報告的質(zhì)量決定，每組給出一個分?jǐn)?shù)。案例式研討分?jǐn)?shù)由學(xué)員的發(fā)言積極性和發(fā)言質(zhì)量綜合評定。

3結(jié)論

案例式教學(xué)改革在導(dǎo)航專業(yè)研究生教學(xué)中取得了很好的應(yīng)用效果。建成了一套基于Matlab的組合導(dǎo)航仿真系統(tǒng)，建立了豐富的虛擬導(dǎo)航案例庫；建成了一套開放式的、面向無人系統(tǒng)需求的典型導(dǎo)航模式下的真實(shí)試驗(yàn)案例庫，且可隨新的教學(xué)需求和新的科研成果不斷補(bǔ)充和豐富；同時在教學(xué)實(shí)踐中形成了一套導(dǎo)航專業(yè)案例式教學(xué)的教學(xué)組織和實(shí)踐方法。案例式教學(xué)能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過案例剖析、問題研討和方案設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)性解決某一方面導(dǎo)航問題的綜合能力，鍛煉科研思維，為學(xué)生下一步進(jìn)入專業(yè)領(lǐng)域研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：2019湖南省研究生優(yōu)質(zhì)課程立項(xiàng)項(xiàng)目《自主導(dǎo)航》課程（湘教通（2019）370號-13）

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