面向智能物聯(lián)網(wǎng)應用的導航技術(shù)“項目式課程”教育教學改革

王融 熊智 劉建業(yè) 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(tǒng)是研究對運載體進行定位與導航的技術(shù)科學，是實現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)的基礎技術(shù)，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著極其重要的作用[1]。近年來，智能物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，已經(jīng)實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能[2-3]。在無人系統(tǒng)和智慧交通等主要應用領域，導航定位技術(shù)的發(fā)展對其具有重要意義。導航定位技術(shù)可以綜合運用物聯(lián)網(wǎng)中的智能傳感器技術(shù)、信息網(wǎng)絡技術(shù)、通信傳輸技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)實現(xiàn)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(xiàn)城市智慧型管理和運行[4-6]。

課程建設是專業(yè)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(fā)展的智能物聯(lián)網(wǎng)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(jié)合，在理論課教學內(nèi)容和實踐課教學內(nèi)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(tǒng)實踐性輔助教學演示設備，結(jié)合項目式課程方式展開教學，創(chuàng)建出一套具有智能物聯(lián)網(wǎng)特色的現(xiàn)代定位與導航系統(tǒng)實踐性與研究性教學系統(tǒng)。通過開展具有互動性和開放性的教學內(nèi)容和課程體系改革，打造具有新興智能物聯(lián)網(wǎng)特色的導航定位技術(shù)精品課程。對增強學生學習興趣，優(yōu)化實踐應用能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。

1 面向智能物聯(lián)網(wǎng)的導航技術(shù)教學改革思路

隨著智能物聯(lián)網(wǎng)在科技創(chuàng)新中地位的不斷提升，面向智能物聯(lián)網(wǎng)的導航技術(shù)教學建設和改革取得了一定的成效。但由于智能物聯(lián)網(wǎng)應用及其導航技術(shù)本身發(fā)展迅速，以及理論認識上的偏差和實踐中的矛盾，導航技術(shù)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(yōu)化導航技術(shù)教學中的項目式課程體系建設

圍繞定位與導航技術(shù)，開展了面向智能物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)項目式實踐課程建設、定位與導航系統(tǒng)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(huán)節(jié)，設計了慣性器件及其導航原理探究、北斗導航及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理探究、室內(nèi)無線定位與現(xiàn)代航空無線電導航原理探究、微型飛行器機載航電系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)日常應用的結(jié)合

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

1.3 建立適應智能物聯(lián)網(wǎng)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(yè)專家以微視頻方式參與教學輔助，教學團隊通過產(chǎn)學研結(jié)合具有顯著優(yōu)勢，有利于廣泛吸收導航、制導與控制領域先進發(fā)展動態(tài)，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(jié)合，打造具有航空航天特色的定位與導航技術(shù)精品課程。

2 面向智能物聯(lián)網(wǎng)的導航技術(shù)教學改革建設方案

從理論課教學內(nèi)容和實踐課教學內(nèi)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(tǒng)實踐性輔助教學演示設備，并通過實物演示、多媒體和網(wǎng)絡等方式展開教學，創(chuàng)建出一套具有國防專業(yè)特色的現(xiàn)代定位與導航系統(tǒng)實踐性與研究性教學系統(tǒng)，開展具有先進性、互動性、整體性、開放性和示范性的教學內(nèi)容和課程體系改革。

2.1 面向智能物聯(lián)網(wǎng)的定位與導航課程實踐教學研究平臺建設

結(jié)合面向智能物聯(lián)網(wǎng)的定位與導航課程的理論教學內(nèi)容，著重考慮結(jié)合目前已有的教學條件，建立基于定位與導航技術(shù)的教學研究平臺，從導航專業(yè)課程特色教學的角度出發(fā)，建立包含低成本微MEMS 組合系統(tǒng)、低成本北斗接收機等構(gòu)成的綜合教學研究平臺。對陀螺儀進動性等空間幾何關(guān)系復雜抽象的關(guān)鍵特性，引導學生通過物理系統(tǒng)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(fā)學生對導航技術(shù)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(gòu)建出的可以反映出導航定位技術(shù)基本原理的系統(tǒng)組成。具體有陀螺特性試驗儀、陀螺單軌穩(wěn)定系統(tǒng)、基于陀螺穩(wěn)定性原理的陀螺穩(wěn)定平臺演示系統(tǒng)、低成本微MEMS組合系統(tǒng)、衛(wèi)星導航仿真系統(tǒng)、慣性導航和其他導航方式組成的組合導航系統(tǒng)等。另外，為了展示陀螺穩(wěn)定平臺和定位與導航系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和具體的實現(xiàn)方式，還可以將原有的系統(tǒng)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(shù)原理展板和相關(guān)的多媒體演示軟件構(gòu)成，通過圖形、動畫等多媒體表現(xiàn)方式加強學生對導航定位技術(shù)基本原理的了解和掌握。

2.2 定位與導航系統(tǒng)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(tǒng)教學研究平臺，對課堂教學的效果將至關(guān)重要。因此，將在開發(fā)制作教學演示設備的基礎上，結(jié)合導航定位技術(shù)專業(yè)課程的理論教學需要，設計和安排有關(guān)的教學試驗內(nèi)容。具體的試驗內(nèi)容包括陀螺儀的器件級解剖和演示、基于陀螺儀穩(wěn)定性原理的陀螺進動特性多媒體演示、載體姿態(tài)和航向顯示儀表的演示、低成本微MEMS組合系統(tǒng)的采集處理和分析及其相關(guān)特性的演示、衛(wèi)星導航接收機的數(shù)據(jù)采集和分析、組合導航系統(tǒng)的設計及性能分析、組合濾波技術(shù)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(tǒng)特性分析等。圍繞以上實驗實踐內(nèi)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(shù)在日常生活及航空航天中的應用。結(jié)合陀螺儀的器件級解剖和演示，基于陀螺儀穩(wěn)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(tǒng)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(shù)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(shù)的興趣，為后續(xù)教學內(nèi)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(guān)案例。

2.2.2 北斗導航及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理探究

在介紹全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）歷史發(fā)展和原理的基礎上，重點介紹北斗導航系統(tǒng)及其發(fā)展特點、工作原理、進展及應用前景。結(jié)合衛(wèi)星導航系統(tǒng)演示實驗，鞏固所學知識進一步了解實際衛(wèi)星導航的信號與信息組成。擬定多個衛(wèi)星定位和北斗導航定位相關(guān)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(shù)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(wèi)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(fā)學生科學研究的興趣，培養(yǎng)發(fā)散思維與創(chuàng)新思維。通過該部分學習，學生應該能夠理解全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)特別是北斗導航系統(tǒng)的定位原理、各種衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及未來的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)等，幫助學生掌握衛(wèi)星導航技術(shù)的正確科學思維方法和科學研究方法。

2.2.3 室內(nèi)無線定位與現(xiàn)代航空無線電導航原理探究

介紹室內(nèi)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(nèi)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(guān)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(chuàng)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(jié)合不同條件下應用的各自優(yōu)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(tǒng)綜合對比分析素養(yǎng)。

2.2.4 民用飛行器機載航電系統(tǒng)中的綜合導航探究

結(jié)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(xiàn)的手機導航系統(tǒng)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(xiàn)的原理與方法。根據(jù)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(xiàn)的工程性問題，并討論解決方案。旨在提高學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。使學生掌握基于手機平臺實現(xiàn)的慣性導航和慣性/GPS 組合導航的原理和方法，在特定的環(huán)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(tǒng)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(tǒng)在理論教學內(nèi)容上進行改革與實踐，不僅使學生在面向智能物聯(lián)網(wǎng)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(yǎng)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(nèi)容，形成一套具有自身特色的實踐性輔助教學系統(tǒng)；第三階段是在前兩個階段的基礎上，進行課程的網(wǎng)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(nèi)容編排，建立適應智能物聯(lián)網(wǎng)應用的導航技術(shù)項目式課程的教學大綱。針對面向智能物聯(lián)網(wǎng)的定位與導航系統(tǒng)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(tǒng)演示相結(jié)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(guān)知識概念及其在智能物聯(lián)網(wǎng)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(shù)的實踐內(nèi)容，切實讓學生參與到導航系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)應用在定位與導航系統(tǒng)實踐性輔助教學設備的制作方面，主要以現(xiàn)有的傳統(tǒng)導航教學設備為基礎，對傳統(tǒng)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(shù)的新應用，進而實現(xiàn)從傳統(tǒng)導航到面向智能物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代導航的演示，從單獨的器件到導航系統(tǒng)的全面的演示。在定位與導航系統(tǒng)實踐性輔助教學試驗內(nèi)容的設計和安排方面，注重對新型慣導系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集分析，組合濾波技術(shù)的應用與分析，實現(xiàn)理論與實踐緊密結(jié)合的教學模式，以拓寬學生的知識面，增加對該專業(yè)認識的深度和提高學習興趣，獲得最佳的教學效果。

（3）創(chuàng)新教學組織形式，突出理論教學與物聯(lián)網(wǎng)應用下實踐性教學環(huán)節(jié)的結(jié)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(jié)合的方式進行。導航系統(tǒng)分析具有較強的理論性，導航系統(tǒng)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(jié)合的方式進行，每堂課首先通過講座形式，講解導航技術(shù)相關(guān)的基礎理論，再以此為基礎提出一些開放性和啟發(fā)性的問題，由學生思考解決方法，進行小組內(nèi)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(yǎng)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(fā)學生的發(fā)散性思維和創(chuàng)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(tǒng)專業(yè)實驗室及大學生創(chuàng)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(lián)網(wǎng)應用和項目式課程特點，建立調(diào)研、討論、分析、交互報告于一體的綜合考核模式?？己朔绞讲扇》中〗M的方式完成某一子課題調(diào)研或?qū)嶒灩ぷ?，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(shù)中某一關(guān)鍵點的理解和認識，以及在團隊協(xié)作方面對學生的協(xié)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(yǎng)學生團隊協(xié)作能力，逐步發(fā)掘?qū)W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(jié)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(tǒng)和一些新興導航系統(tǒng)的基本原理和各自的特點，了解智能物聯(lián)網(wǎng)中組合導航系統(tǒng)的基礎知識和應用。同時為進一步學習后續(xù)課程以及從事相關(guān)專業(yè)技術(shù)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(nèi)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(lián)網(wǎng)導航技術(shù)綜合教學研究系統(tǒng)，從而滿足課堂教學對于理論和實踐相結(jié)合的需要，實現(xiàn)在新一代科技后備人才的培養(yǎng)中導航技術(shù)課堂教學與智能物聯(lián)網(wǎng)新興應用趨勢相融合的教育教學模式。