新工科背景下“GNSS原理與應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

管慶林　樊春明　徐瑩

摘要：“GNSS原理與應(yīng)用”是測繪類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在新工科建設(shè)背景下，針對(duì)現(xiàn)行“GNSS原理與應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，將科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、健全實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)方式，旨在探索高素質(zhì)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)途徑。教學(xué)實(shí)踐表明：所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系能夠提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：新工科;GNSS原理與應(yīng)用;實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）07-0135-03

為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，適應(yīng)以新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)和新模式為特征的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，服務(wù)國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求， 從2017年起，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”三部曲，奏響了人才培養(yǎng)主旋律，開拓了工程教育改革新路徑[1-3]。在代表我國工程教育最新發(fā)展方向的新工科建設(shè)背景下，高校應(yīng)面向未來，在教學(xué)理念、內(nèi)容、方法和技術(shù)等方面進(jìn)行改革創(chuàng)新，積極探索能夠適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)和新模式下的高素質(zhì)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)途徑[4]。

衛(wèi)星導(dǎo)航是關(guān)乎國家戰(zhàn)略的高新企業(yè)，2020年7月31日，習(xí)近平總書記向世界宣布北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）正式建成開通，標(biāo)志著北斗已成為繼美國的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLObal NAvigation Satellite System，GLONASS）后，能為全球用戶提供全天候定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System， GNSS）[5，6]。當(dāng)前，與衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域已極大拓展，并進(jìn)入了大眾消費(fèi)、共享經(jīng)濟(jì)和人工智能領(lǐng)域，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活方式，位置信息作為萬物互聯(lián)的核心基礎(chǔ)之一，對(duì)即將到來的人工智能時(shí)代起著舉足輕重的作用[7]。“北斗+”融合創(chuàng)新和“+北斗”時(shí)空應(yīng)用將成為進(jìn)一步推進(jìn)北斗技術(shù)創(chuàng)新，推進(jìn)北斗產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新模式[8]。

閩江學(xué)院作為2002年新建的地方本科院校，以“建設(shè)高水平、有特色的應(yīng)用型大學(xué)”為辦學(xué)目標(biāo)，有測繪工程、導(dǎo)航工程及地理信息科學(xué)等與衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)相關(guān)的本科專業(yè)開設(shè)了“GNSS原理與應(yīng)用”課程?！癎NSS原理與應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)按新工科建設(shè)要求推進(jìn)教學(xué)改革，努力提高學(xué)生工程能力水平。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是深化理論知識(shí)理解和掌握的重要途徑，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9-11]，將前沿、先進(jìn)的科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力具有重要的意義[12，13]。本文以閩江學(xué)院測繪工程系“GNSS原理與應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，歸納總結(jié)了該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題與不足，結(jié)合新工科建設(shè)理念，將科研成果融入課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法和考核方式，設(shè)計(jì)了旨在激發(fā)學(xué)生專業(yè)興趣，提高學(xué)生實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1 “GNSS原理與應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

“GNSS原理與應(yīng)用”作為測繪類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。近年來，國內(nèi)很多高校老師對(duì)衛(wèi)星定位導(dǎo)航原理及相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革探索，如鄧岳川等引入“慕課”教學(xué)理念，改進(jìn)了教學(xué)方法并取得了良好效果[14];章迪等通過實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[15];王華等建議不斷更新實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要[16，17]。于秀麗等人也指出，目前本科工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)大部分還停留在按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)階段，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不全面等問題[18]。對(duì)照以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來為理念的新工科建設(shè)，我?！癎NSS原理與應(yīng)用”課程的現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系仍存在實(shí)驗(yàn)課程依附于理論課程，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少，設(shè)計(jì)性及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法單一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源投入不足，實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資隊(duì)伍建設(shè)乏力等方面問題。具體為：

（1） 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容老舊。以接收機(jī)的認(rèn)識(shí)、使用，數(shù)據(jù)采集等為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，與行業(yè)需求脫節(jié)。實(shí)驗(yàn)類型以演示型和驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，缺乏綜合型、設(shè)計(jì)型及創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，不能支撐學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng);8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)偏少，不適應(yīng)我?！案咚?、有特色的應(yīng)用型大學(xué)”的辦學(xué)目標(biāo)。

（2） 實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念滯后。實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用傳統(tǒng)教師演示，學(xué)生訓(xùn)練的“被動(dòng)式”教學(xué)方法。學(xué)生只是參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟，機(jī)械地按部就班地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、觀察和記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在整個(gè)過程中學(xué)生是被動(dòng)的，僅能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)７潞陀?xùn)練的目的，不能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性，啟發(fā)學(xué)生批判性思維。

（3） 實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)不全面。實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)時(shí)把實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核作為理論教學(xué)的附屬，依據(jù)單一的實(shí)驗(yàn)報(bào)告來評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績。實(shí)驗(yàn)報(bào)告忽視過程，存在抄襲實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的現(xiàn)象，這種考核評(píng)價(jià)結(jié)果既不能準(zhǔn)確、客觀、地反映出學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握程度，也很難反映出學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)思考和努力程度。

2? 構(gòu)建科教融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

針我校GNSS原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，本文按照新工科建設(shè)要求，更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)教法，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)方式，以提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新應(yīng)用能力。表1是改進(jìn)后GNSS原理與應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。具體的，將原先8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增加至20學(xué)時(shí)，將科研成果與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容融合，增加綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例，以此培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)、提高學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力;以學(xué)生為中心，改變教學(xué)理念，把學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力;面向?qū)嶒?yàn)過程，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)考核方式，以實(shí)驗(yàn)成果為導(dǎo)向，同時(shí)把學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等納入實(shí)驗(yàn)考核體系，以鍛煉學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提成學(xué)生工程管理能力。

2.1 科教融合，全面更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將科研項(xiàng)目發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和申請(qǐng)的發(fā)明專利與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，以工程項(xiàng)目為導(dǎo)向更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在工程實(shí)踐能力培養(yǎng)方面，設(shè)計(jì) “接收機(jī)配置與數(shù)據(jù)采集”驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，充分利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有硬件設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場地，使學(xué)生掌握接收機(jī)操作與配置，達(dá)到實(shí)踐訓(xùn)練目標(biāo)。在創(chuàng)新應(yīng)用能力培養(yǎng)方面，設(shè)計(jì) “接收機(jī)觀測量質(zhì)量評(píng)估”和 “靜態(tài)定位算法與精度評(píng)定”綜合型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生利用開源軟件或基于開源軟件進(jìn)行二次開發(fā)，掌握接收機(jī)數(shù)據(jù)獲取與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與評(píng)估，定位解算配置與過程，定位精度評(píng)定與分析方面的能力，達(dá)到深刻理解和領(lǐng)會(huì)課程內(nèi)容的目的。在工程管理與團(tuán)隊(duì)合作能力培養(yǎng)方面，設(shè)計(jì) “動(dòng)態(tài)定位性能測試與評(píng)價(jià)”設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生以小組的形式，自選設(shè)備和場地，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施，使學(xué)生掌握文獻(xiàn)查閱方法，提高科技協(xié)作能力，鍛煉項(xiàng)目管理和溝通協(xié)調(diào)能力，適應(yīng)新工科建設(shè)的要求。

2.2 以學(xué)生為中心，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

新工科背景下減少被動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，將任務(wù)驅(qū)動(dòng)、問題啟發(fā)、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方法引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)類型對(duì)能力培養(yǎng)的差異設(shè)計(jì)不同的教學(xué)方法，如圖1所示。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)采用示范演示教學(xué)法，與問題啟發(fā)教學(xué)法相互配合。一方面，老師對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)場演示和示范，使學(xué)生能快速上手操作，另一方面老師演示過程中通過設(shè)置問題、啟發(fā)思考，引導(dǎo)提示來組織教學(xué)。這種教學(xué)方法理論與實(shí)驗(yàn)并重，能較好實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)，以期提高學(xué)生的獨(dú)立思考能力。綜合型實(shí)驗(yàn)采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，與問題啟發(fā)教學(xué)法相互配合。學(xué)生以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為任務(wù)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，相互交流，通過老師的引導(dǎo)和啟發(fā)，學(xué)生以發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的途徑探索完成實(shí)驗(yàn)，達(dá)到知識(shí)重構(gòu)和實(shí)踐訓(xùn)練的目的。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)采用翻轉(zhuǎn)教學(xué)法，輔以任務(wù)驅(qū)動(dòng)和問題啟發(fā)方法相互配合使用。學(xué)生利用課堂外的時(shí)間，自主學(xué)習(xí)老師實(shí)現(xiàn)提供的項(xiàng)目任務(wù)要求，自由組隊(duì)、查閱資料、撰寫方案、設(shè)計(jì)實(shí)施完成實(shí)驗(yàn)。課堂內(nèi)教學(xué)則按照任務(wù)驅(qū)動(dòng)和問題啟發(fā)方法實(shí)施，老師以提問、點(diǎn)評(píng)等方式，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新思維。

2.3 面向過程，健全實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)機(jī)制

建立有效的實(shí)驗(yàn)考核與評(píng)價(jià)機(jī)制是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。從調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)技能的掌握程度出發(fā)，本文摒棄傳統(tǒng)的以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主體的評(píng)價(jià)方式，設(shè)計(jì)了以反映學(xué)生綜合素質(zhì)為主體的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系，如圖2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)和實(shí)驗(yàn)難易程度，按百分制把驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)分別設(shè)計(jì)為10分，20分和40分。考核內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、評(píng)估報(bào)告、小組互評(píng)、測試方案、測試報(bào)告等多個(gè)方面。在各實(shí)驗(yàn)類型中，降低報(bào)告在該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成績重的比例，更加注重對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)態(tài)度、師生互動(dòng)、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新思維等方面的考查，以培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

為檢驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的效果，在2017級(jí)和2018級(jí)導(dǎo)航工程“GNSS原理與應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，其中2017級(jí)學(xué)生人數(shù)為37人，按照原先的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系教學(xué)，2018級(jí)學(xué)生人數(shù)為38人，采用本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系教學(xué)?！癎NSS原理與應(yīng)用”課程評(píng)價(jià)由平時(shí)成績、實(shí)驗(yàn)成績和考試成績?nèi)糠纸M成，三項(xiàng)成績占課程總成績的比例分別為10%、40%、50%。從期末考試成績分布看，該課程2017級(jí)優(yōu)良率和及格率分別為15.8%、92.1%，而2018級(jí)優(yōu)良率和及格率分別為31.6%、100%。教學(xué)實(shí)踐表明：學(xué)生的優(yōu)良率和及格率都得到提升，一定程度上說明文中實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)使學(xué)生動(dòng)手能力得到鍛煉，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。從與學(xué)生的訪談以及和用人單位交流的情況看，結(jié)合行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀及時(shí)更新和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能是學(xué)生和企業(yè)的共同期望，也應(yīng)該成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)新工科建要求，將科研成果與課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合，更新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)了教學(xué)方法，完善了和考核評(píng)價(jià)機(jī)制，在2017、2018級(jí)導(dǎo)航工程專業(yè)“GNSS原理與應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了實(shí)踐。對(duì)比試驗(yàn)教學(xué)前后兩個(gè)班級(jí)的課程總成績表明：在實(shí)施文中實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)后，該課程學(xué)生成績的優(yōu)良率和及格率明顯得到提高，一定程度上驗(yàn)證了文中實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的效果。接下來我們將根據(jù)學(xué)校辦學(xué)定位，緊緊圍繞新工科建設(shè)要求，繼續(xù)推進(jìn)“GNSS原理與應(yīng)用”課程教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱修訂;將結(jié)合科研成果和行業(yè)需求，持續(xù)更新綜合型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)以更好地鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維，為培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的應(yīng)用型工程技術(shù)人才做出應(yīng)用的貢獻(xiàn)。

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【通聯(lián)編輯：王力】

收稿日期：2021-05-08

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41704021）;閩江學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目（MJY20018）

作者簡介：樊春明（1961—），男，上海人，博士，教授，研究方向?yàn)镚NSS定位導(dǎo)航及應(yīng)用。