《導航工程綜合性課程設計》課程建設及應用研究

闕佳鴻 李保強

摘 要：該文分析總結了導航工程專業(yè)本科實驗教學的傳統(tǒng)教學模式存在的問題，針對當前課程設計流程面的問題走出分析研究，并提供了解決思路。重點剖析了綜合性課程設計的建設方向與相關實踐實驗內容，將本科課程設計教學進行整合，提出了創(chuàng)新型綜合型的綜合性課程設計的教學方法。旨在加強導航工程本科學生動手能力、自主探究和技術資料檢索能力，并為進一步培養(yǎng)學生綜合實踐應用能力奠定一定的技術能力基礎。

關鍵詞：綜合性課程設計;導航工程;教學改革

Abstract：This article analyzes and summarizes the problems existing in the traditional teaching mode of the undergraduate experimental teaching of navigation engineering major，analyzes and studies the problems in the current course design process，and provides solutions.It focuses on analyzing the construction direction of comprehensive curriculum design and related practical experiment content，integrates undergraduate curriculum design teaching，and proposes an innovative and comprehensive comprehensive curriculum design teaching method.It is intended to strengthen the dynamic skills of navigation engineering undergraduates，independent exploration and technical data retrieval capabilities，and to lay a certain technical ability foundation for further training students′ comprehensive practical application capabilities.

Key words：comprehensive curriculum design;navigation engineering;teaching reform

1 緒論

導航工程系列實踐課程的設計目的和主要任務是將理論教學和實踐能力培養(yǎng)相結合[1]。動手能力欠缺一直是困擾工科類大學生培養(yǎng)的難題，對于導航工程專業(yè)學生，其維修維護技能和導航規(guī)劃能力的培養(yǎng)顯得尤為重要。導航工程專業(yè)在注重理論教學的同時，強調培養(yǎng)學生的動手能力和維護維修技能，因此開設了本實踐課程。導航工程專業(yè)的綜合性實踐課程除了包含傳統(tǒng)的計算機網絡搭建、單片機應用技術和無線電通信基礎等實驗內容，還包含通信導航監(jiān)視三個維度的綜合性軟硬件系統(tǒng)設計。實踐課程將以分組的形式在學生中進行，其難度也將隨著教學的進展而層層遞進[2]，與專業(yè)結合的程度不斷加深，最后通過一個完整的系統(tǒng)性項目考查學生將理論與實踐相結合的應用能力。

安排與導航工程課程設計有關的實踐活動，不僅僅可以幫助學生鞏固專業(yè)技能，加深專業(yè)內容的思考，而且可以鍛煉學生的軟硬件操作的基本能力。課程設計的實踐實驗操作中，我們首先要求學生嘗試進行標準化的軟件開發(fā)，并在軟件開發(fā)的主題上引入引導學生自主學習研究更全面的專業(yè)項目知識，對專業(yè)技術尤其是一線底層技術問題加以研究。全面地提升專業(yè)素養(yǎng)和操作實驗能力，閱讀科研技術文件和研究技術文件、分析排除設備故障能力，技術改造尤其是軟件上的二次開發(fā)能力、項目自主探索自主研究能力、項目創(chuàng)新能力和自主組織團隊實踐合作協(xié)同領導能力。本文著重介紹了導航工程課程綜合設計的設計思路、內容選擇和實用性方面的一系列改革和探索。

2 傳統(tǒng)教學模式存在的問題及解決思路

導航工程專業(yè)的課程實踐可分為設備操作實踐和綜合性課程設計[3]。傳統(tǒng)的課程教學實踐中，我們往往選用常規(guī)化實驗充當課程實踐的主體框架，布置只針對單次教學內容的小規(guī)模訓練，要求學生自主完成編程設計、通導實驗設備操作全過程。此類實驗實踐存在兩個大方面的問題：其一是練習題涉及知識點局限于課堂教學新加新講授過的內容，學生只要直接拿來用就可以，不需要自己去考慮各種可能的解決方案并找到最合適的方法。這種驗證性質的實踐，是比較簡單直接的，缺點是學生學習所得的鍛煉相對較少。其次是要求學生獨立完成小型程序，雖然可以在一定程度上鍛煉學生編程能力，但需要注意的是實驗涉及的編程層次和設計設計對接技能方面覆蓋都比較狹窄。然而基于現(xiàn)代導航系統(tǒng)大規(guī)模的特點，絕大多部分情況下多人團隊、自組織都是當前項目運行所必須的技術要求，理論上所有的面向一線數(shù)據(jù)結構，只有在處理大規(guī)模、超大規(guī)模輸入的復雜問題、系統(tǒng)問題時才能體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，僅僅是小型項目的訓練很難培養(yǎng)學生的綜合實踐能力，更無從談起對導航系統(tǒng)存在的意義有更深刻的認識。

面對上述的主要問題，我們必須在設計較大規(guī)模的綜合性課程設計時把重點傾注到具體存在的兩個主要因素：第一，專業(yè)課程設計題目知識點覆蓋面應盡可能擴張開，采用啟發(fā)式的設計思路[4]，全程引導學生圍繞實踐進行設計，鼓勵并誘導學生通過自主檢索與研究有關技術文檔文獻等參考資料，咨詢從業(yè)人員和一線教師，團隊合作協(xié)同進行探究開放式學習，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力。具體設計題目和實施實踐中，我們絕對不只是“手把手”式傳統(tǒng)的教學模式。一定要給學生留出發(fā)揮想象和創(chuàng)造創(chuàng)新的空間。第二，題目的項目規(guī)模規(guī)模、代碼量應控制在一定范圍的足夠大。努力增加代碼量和工作量，使學生對規(guī)范性的軟件開發(fā)工程整體有初步的自己的認知，一定程度上培養(yǎng)學生的工程化能力和團隊合作能力。

所以針對上述兩方面，課程設計必須有一套高校準確的激勵反饋機制才能有較好的實際效果。機制設計必須既可以公平地判定每個學生作為個體的研究學習能力，又能鼓勵團隊精神，培養(yǎng)出學生的合作力和領導力，增強自主研究學習能力。

3 課程設計的實驗內容

綜合性課程設計的內容需要結合導航工程專業(yè)通信導航監(jiān)視方面及與民用航空相關的主要專業(yè)課程內容。所以設計既要鞏固教學內容、運用所學理論知識以及理解導航系統(tǒng)的基本設計規(guī)范，又要與學生的就業(yè)以及今后的工作實踐聯(lián)系結合起來[5]。故此課程設計的主要內容一定要圍繞通信導航監(jiān)視三個方面必須掌握的軟硬件技能技術展開，其中包括對ADSB監(jiān)視系統(tǒng)的理解和認識、對GPS模塊的數(shù)據(jù)采集[6]，對linux平臺的操控能力、對無線電通信技術的掌握[7]、對網絡服務器的管理、對軟件無線電技術的應用，等多個方面的學習和訓練。主要分為以下五個實踐項目：

3.1 陸空通話語音信號FM回路傳輸實驗（接收機）

該實驗的主要目的是學習和掌握FM調制解調基本原理，掌握陸空通話話音信號FM回路傳輸?shù)脑砗土鞒?，從天線接收到信號以后采用非相干解調的方式對信號進行處理，建立并調試GRC框圖，通過HACKRF得到正確的話音信號。利用USRP和GNU radio實現(xiàn)FM信號接收過程仿真，從而理解FM解調基本原理。

3.2 基于Raspberry pi的遠程塔臺模擬系統(tǒng)

該實驗基于Raspberry pi 3B+硬件平臺，通過比對多種視頻傳輸方案，擇優(yōu)實現(xiàn)較穩(wěn)定的實時視頻傳輸。利用Raspberry pi 3B+搭建的平臺，可以實現(xiàn)異步視視頻傳送和較穩(wěn)定的實時視頻傳輸[8]，在Windows環(huán)境下實現(xiàn)與樹莓派的Linux操作系統(tǒng)的互聯(lián)、遠程訪問。軟件采用DiskGenius、Win32DiskImager、Advanced IP Scanner、Putty和VNC Viewer。硬件采用Raspberry Pi 3B+、Pi Camera和羅技C310 USB攝像頭。

3.3 ADSB模擬系統(tǒng)

該實驗使用DUMP 1090在連接天線并開始正常運行后，可以用于接收和分析飛行情報。這些飛行情報來自于飛機機載廣播設備ADSB[9]，其中ADSB out的主要功能是將自己的飛行情報進行廣播，提高飛機對于情報傳輸?shù)男?，并且可以有效地使多個目標同時獲得于飛機相關的飛行情報，提高效率的同時兼顧經濟性。地面接收機在收到飛行情報之后，利用DUMP 1090將接收到的數(shù)據(jù)鏈進行解析，進一步分析航班號、飛行高度、飛行速度等關于航班的飛行信息。通過這個軟件的運行，可以達到快速、便捷、高效、經濟的共享飛行信息之目的。

3.4 基于HACKRF ONE的GPS信號劫持

該實驗根據(jù)GPS的工作原理，搭建基于raspberry pi 3B plus的Linux操作系統(tǒng)平臺[10]，然后進行軟件無線電仿真實驗，操作HACKRF sdr開發(fā)板，使其發(fā)送偽造的GPS信號;而后利用手機接收GPS定位信號，在基于HACKRF的軟件無線電平臺的硬件系統(tǒng)中實現(xiàn)GPS信號的發(fā)射和接收全過程;最后分析實驗結果。

3.5 陸空通話語音信號FM回路傳輸實驗（發(fā)射機）

該實驗在SDR平臺設計FM話音通信系統(tǒng)發(fā)射機，軟件環(huán)境：使用一個能定向開發(fā)SDR的軟件平臺，相對簡單易上手。而且軟件應能在沒有硬件設備的前提下完成純軟件操作，便于分析理解過程原理。硬件環(huán)境：一臺功能較強大的計算機;一個完成軟硬件互聯(lián)的物理設備，通過軟硬件實現(xiàn)通信系統(tǒng)的實際運行;一個已經驗證設計正確的FM接收機，接收解調發(fā)射出的信號，檢測發(fā)射機的功能。

4 綜合性課程設計的考核模式

課程設計過程中由學生自行選擇分組，每組4—5人，在實踐課程規(guī)定的時間內，完成所選項目的研究和實現(xiàn)工作。各組通過各個項目的實踐工作，要求學會衛(wèi)星定位基本原理，掌握GPS模塊采集數(shù)據(jù)的解析方法以及無線模塊的使用;掌握Linux操作系統(tǒng)的常用操作，理解民航計算機網絡的構成，能夠對網絡數(shù)據(jù)進行分析;理解調制解調的基本原理，掌握軟件無線電的工作機制，數(shù)量掌握Python語言的基本語法;認識ADSB監(jiān)視系統(tǒng)，認識遠程塔臺和導航數(shù)據(jù)服務器，能夠自己動手利用開發(fā)工具進行搭建對應的模擬系統(tǒng);最后按規(guī)范撰寫課程設計說明書。所有項目均按照以下流程進行：

（1）指導老師下達課程設計任務書;

（2）完成實踐項目的系統(tǒng)設計;

（3）完成系統(tǒng)制作和調試;

（4）繪制系統(tǒng)框圖;

（5）撰寫課程設計說明書。

課程設計的考評綜合計算學生考勤參與度，系統(tǒng)設計方案正確性和思維廣度深度，系統(tǒng)設計和開發(fā)效果以及最終項目小組課程設計報告書的質量。具體參照設置五個評分點：

（1）設計方案正確，具有可行性、創(chuàng)新性;

（2）方案設計合理，達到使用效果;

（3）課程設計報告規(guī)范、質量高、參考文獻充分;

（4）課程設計答辯概念清晰，內容正確;

（5）課程設計期間的課堂考勤、答疑與統(tǒng)籌考慮。

按上述五項分別記分后求和，總分按五級記分法記載最后成績。優(yōu)秀（100～90分），良好（80～89分），中等（70～79分），及格（60～69分），不及格（0～59分）。

5 結語

教學實踐表明，以真實導航設備項目環(huán)境構建的綜合性課程設計作為專業(yè)課課程設計教學模式，使學生擺脫了教條式的學習過程，激發(fā)了學生進行實際設計和創(chuàng)造性設計的欲望，發(fā)揮了主觀能動性，也得到了綜合能力和創(chuàng)新思維方式的培養(yǎng)與訓練。將課程設計轉化為生產力產生強烈的成就感和責任感，真正實現(xiàn)了滿足了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)要求，也實實在在提高了學生的基本知識水平。

參考文獻：

[1]趙興旺，余學祥，劉超.新工科背景下導航工程專業(yè)人才培養(yǎng)探索[J].長春工程學院學報（社會科學版），2020，21（02）：129132.

[2]王玲玲，富立，胡曉光，段海濱.工程項目及問題驅動的導航方向實踐課程教學探討[J].實驗室研究與探索，2018，37（06）：153157+211.

[3]于瑞航，張禮廉，吳美平.“導航工程概論”課程的教學方法和手段探索[J].科教導刊（上旬刊），2020（02）：130131.

[4]皮亦鳴，李晉，曹宗杰，閔銳.《衛(wèi)星導航定位》專業(yè)課程教學改革[J].實驗科學與技術，2013，11（04）：198200.

[5]孫偉，耿詩涵，王宇航.多學科交叉對促進“慣導和組合導航原理與應用”課程改革的影響[J].測繪與空間地理信息，2019，42（02）：3435+38+43.

[6]劉萬科，張小紅，李征航，黃勁松，魏二虎，王甫紅.衛(wèi)星導航定位系列課程建設[J].測繪地理信息，2016，41（05）：8992+96.

[7]郭斐，劉萬科，樓益棟，張小紅.導航工程專業(yè)衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)處理方法課程建設與思考[J].全球定位系統(tǒng)，2016，41（04）：120122.

[8]王慧.嵌入式信號系統(tǒng)設計[J].科學技術創(chuàng)新，2020（33）：7274.

[9]董立超，李樹平.基于SDR與RTL2832的民航飛機航向信息采集[J].牡丹江師范學院學報（自然科學版），2016（01）：2729.

[10]潘興華.測繪工程技術中GPS技術分析[J].產業(yè)科技創(chuàng)新，2019，1（04）：7374.

掛名項目：E2020029“以《導航工程綜合性課程設計》為牽引的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程建設”

作者簡介：闕佳鴻（1987— ），男，漢族，四川廣漢人，碩士研究生，講師，研究方向：交通運輸、通信導航;李保強（1996— ），男，漢族，山西朔州人，碩士研究生，研究方向：飛行程序設計、通信導航。