空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)實踐教學模式探討

［摘 要］ 以培養(yǎng)高素質(zhì)的空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)人才為目標，針對空間信息綜合實踐教學，結(jié)合空間信息科學專業(yè)知識面廣、系統(tǒng)性強、與工程結(jié)合緊密和新技術(shù)發(fā)展迅速等特點，設(shè)計了層次化的人才培養(yǎng)模式，構(gòu)筑了由綜合設(shè)計實驗層和創(chuàng)新實驗層構(gòu)成的雙層實驗實踐教學體系。采用軟件仿真與階段實物實踐相融合的實驗教學模式，培養(yǎng)學生理論與實踐緊密結(jié)合的綜合能力，并能夠運用辯證思維，分析科學問題和工程實際問題，從而培養(yǎng)學生科學思維和解決復雜工程問題的能力。

［關(guān)鍵詞］ 軟硬件融合；空間信息與數(shù)字技術(shù)；實踐教學

［基金項目］ 2024年度教育部供需對接就業(yè)育人項目“新工科背景下電子信息領(lǐng)域人才培養(yǎng)實踐”（2024012309020）；2023年度教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“航天宏圖-西電空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)產(chǎn)教融合實踐基地建設(shè)”（230902313183709）

［作者簡介］ 韋 娟（1973—），女，陜西渭南人，工學博士，西安電子科技大學通信工程學院教授，碩士生導師，主要從事空間信息處理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）38-0129-04 ［收稿日期］ 2023-05-17

2005年，西安電子科技大學為適應(yīng)我國現(xiàn)代化對空間信息領(lǐng)域人才的迫切需要，創(chuàng)設(shè)了空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)。旨在培養(yǎng)能服務(wù)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要的德智體全面發(fā)展，愛國進取、創(chuàng)新思辨，厚基礎(chǔ)、寬口徑、強能力、高素質(zhì)，具有空間信息科學、現(xiàn)代通信理論、計算機網(wǎng)絡(luò)與軟件、可視化、數(shù)字化技術(shù)、空間信息傳輸系統(tǒng)設(shè)計和集成電路設(shè)計等方面的基礎(chǔ)理論知識和技術(shù)綜合能力，以及國際視野的工程技術(shù)人才及行業(yè)骨干?！暗乩硇畔⑾到y(tǒng)”（geographic information system， GIS）、“空間通信系統(tǒng)”，以及“衛(wèi)星導航定位原理與方法”“空間信息網(wǎng)絡(luò)綜合開發(fā)實驗”等成了該專業(yè)的特色課程。這些課程結(jié)合空間技術(shù)、信息技術(shù)和各類應(yīng)用技術(shù)，主要研究空間信息的采集、存儲、管理、運算、分析、顯示等理論、方法與技術(shù)［1-3］。通過這些課程教學展現(xiàn)我國空間信息技術(shù)的燦爛成就，增強文化自信。教師要運用辯證思維，分析科學問題和工程實際問題，培養(yǎng)學生的科學思維能力和解決復雜工程問題的能力［4-6］。

一、建設(shè)實踐教學體系

根據(jù)空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)實驗教學的特點［7-8］，設(shè)計了層次化的人才培養(yǎng)模式，構(gòu)建了由綜合設(shè)計實驗層和創(chuàng)新實驗層組成的雙層實踐教學體系。該體系可根據(jù)學生本身情況實行因材施教、個性培養(yǎng)，保證了學生大面積成才和優(yōu)秀生、拔尖生的脫穎而出。綜合設(shè)計實驗采用自主或團隊模式，讓學生帶著問題和任務(wù)、懷著強烈的求知欲和興趣在基礎(chǔ)驗證實驗的基礎(chǔ)上，對所學的專業(yè)課程進行綜合應(yīng)用，提高學生解決復雜工程問題的能力。對科學研究的全過程有一次切身的體會，對綜合實驗進行需求分析、資料檢索、方案論證、器件選型、模塊設(shè)計、編程實現(xiàn)、測試驗證、撰寫報告或科技論文，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度及科學作風。創(chuàng)新實驗層為提升學生的綜合創(chuàng)新能力，通過各類學科競賽、大學生科研訓練計劃項目、企業(yè)聯(lián)合項目等方式培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力。

在實踐環(huán)節(jié)后，學生將學會和掌握空間信息系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)組成、性能指標和技術(shù)參數(shù)，能夠通過調(diào)整方案優(yōu)化系統(tǒng)工作性能，并且能夠進行分析；在解決空間信息系統(tǒng)的相關(guān)問題過程中，能基于空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)相關(guān)背景知識進行合理分析，具備空間信息工程的專業(yè)知識，并能夠?qū)⑵溆糜诳臻g信息工程領(lǐng)域復雜工程問題的建模與求解；具有跨學科的適應(yīng)能力和合作意識；理解用技術(shù)手段降低其負面影響的作用與其局限性；能在團隊中扮演好自己承擔的角色；對空間信息相關(guān)工程領(lǐng)域的國際狀況有基本了解；認識空間信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅速、技術(shù)更新周期短的特點，對于自我探索和學習的必要性有正確的認識。

二、軟硬件相融合的實踐教學模式

在實踐教學中，通過講授、演示、提問、翻轉(zhuǎn)、討論、互助等教學方法和手段，充分利用空間信息實驗室條件，結(jié)合軟件和硬件條件，讓學生將所學的理論知識綜合運用，為空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)的學生從事相關(guān)工程技術(shù)工作打好專業(yè)基礎(chǔ)，并使他們接受必要的基本技能訓練和拓展訓練?？臻g信息實驗課程涉及的知識覆蓋面廣、工程實用性強，對培養(yǎng)學生辯證思維能力、理論與實踐緊密結(jié)合的能力、分析問題及解決問題的能力等都有著重要的作用，并落腳于學生人格塑造，養(yǎng)成正確的人生觀和職業(yè)態(tài)度，并達到以課程思政和課堂育人為本的教學目的。同時，在整個實踐過程中，注重培養(yǎng)學生自主學習能力、團隊合作發(fā)現(xiàn)問題及解決問題的能力、獲取和整理相關(guān)文獻信息的能力、準確運用語言文字的表達能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。下面以北斗/GPS教學實驗平臺和GIS軟件為基礎(chǔ)進行闡述。

（一）北斗/GPS教學實驗平臺

1.北斗軟件接收機設(shè)計。要求學生針對基于電腦端（personal computer， PC）的北斗信號處理軟件進行設(shè)計、實現(xiàn)和優(yōu)化。軟件主要包括并行碼相位捕獲、信號跟蹤、同步、數(shù)據(jù)解碼和位置計算五個模塊。首先，接收機獲取中頻信號用于參數(shù)捕獲，捕獲的信號有偽隨機碼、并行碼相位和載波頻率，并對這些捕獲參數(shù)進行保存；其次，提取捕獲結(jié)果，初始化跟蹤通道，進行跟蹤處理；然后依據(jù)跟蹤通道的導航電文進行同步，找到子幀頭和數(shù)據(jù)位的轉(zhuǎn)換點；最后，進行解碼、位置解算、計算偽距、衛(wèi)星位置和用戶的位置。

圖1給出了基于電腦端的軟件接收機的整體結(jié)構(gòu)，主要包括天線、中頻信號采樣器和基于PC的軟件三部分。其中，天線接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號后傳送至中頻信號采樣器，采樣器對該信號進行放大、濾波、模數(shù)采樣和緩沖等一系列的處理后得到中頻采樣信號，在PC機上對中頻采樣信號進行基帶處理（包括捕獲、跟蹤、位同步和幀同步）以及位置解算，計算出定位結(jié)果。

基于PC的軟件接收機實現(xiàn)模塊如圖2所示。主要包括四部分：捕獲、跟蹤、同步及解算；信號捕獲包括捕獲及頻率的精細化；信號跟蹤過程主要實現(xiàn)初始化環(huán)路參數(shù)和跟蹤過程的閉合反饋環(huán)路；同步主要是實現(xiàn)幀同步和位同步；解算過程主要是星歷的解算、衛(wèi)星位置的計算和用戶位置的解算。

2.實驗平臺驗證。學生可以對軟件仿真的結(jié)果通過實驗平臺進行驗證，并能夠?qū)碚撜n程所包含的實物實驗進行實踐。圖3為北斗/GPS實驗平臺硬件連接圖，圖4為實驗平臺解算系統(tǒng)。

（二）GIS軟件和其他硬件設(shè)備結(jié)合

基于GIS軟件，并結(jié)合我校的學科優(yōu)勢，與電子信息、通信系統(tǒng)相融合。以我校南校區(qū)為例，展開智慧校園各子模塊的綜合實踐教學。圖5為智慧校園構(gòu)成模塊示意圖。下面列舉兩例進行展示。

1.校園公共空間可達性研究。以西安電子科技大學南校區(qū)為實際分析對象，在進行可達性分析與需求分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)影響公共空間可達性的因素，分析南校區(qū)公共空間現(xiàn)狀問題。并利用線段模型、凸狀模型、GIS網(wǎng)絡(luò)分析法等使分析結(jié)果更加簡便、精確、科學有效。部分結(jié)果如圖6、圖7所示。

2.校園道路路燈智能系統(tǒng)設(shè)計。結(jié)合我校校園路寬、人流量、車流量、日照等因子，對現(xiàn)有路燈的照明度進行評價。借助核密度分析、緩沖區(qū)分析、疊加分析等功能，結(jié)合屬性查詢、屬性分析等分析和展示成果。在多種因子的影響下，討論應(yīng)該如何布設(shè)路燈、路燈設(shè)置多高、亮度設(shè)置多少，最終給出校園路燈智能照明解決方案。結(jié)果如圖8、圖9所示。

結(jié)語

空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)的實踐教學模式探索極大地提升了學生在空間信息與數(shù)字技術(shù)方面的能力。在此基礎(chǔ)上涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的學生，能夠熟練地運用空間信息技術(shù)與方法，并發(fā)表了論文，獲得了專利、軟件著作權(quán)、競賽大獎等主要成果。此外，該實踐模式接待來訪的南京航空航天大學、吉林大學、中國海洋大學、空軍工程大學、工信部等多批次的高校教師和企業(yè)單位近百人到實驗室考察訪問，交流專業(yè)創(chuàng)新實踐教學工作，起到了重要的輻射和帶動作用。此外，結(jié)合其他專業(yè)的特色，該實踐模式可以推廣至其他學科的實驗及課程設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)。

參考文獻

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Discussion on Practical Teaching Mode of Spatial Information and Digital Technology Specialty

WEI Juan， LIU Nai-an， TIAN Bin， YANG Guo-qing

（School of Telecommunications Engineering， Xidian University， Xi’an， Shaanxi 710071， China）

Abstract： Taking cultivating high quality professional talents of spatial information and digital technology as the goal， in view of the space information comprehensive practice teaching， combining with its characteristic such as broad， strong systemic professional knowledge， combined with engineering closely and rapidly developed new technology， the hierarchical talent training mode is designed. And double experiment practice teaching system are constructed by the comprehensive design experiment and innovative experiment layer. The experimental teaching mode， which integrates software simulation and stage physical experiment， cultivates students’ comprehensive ability to closely integrate theory with practice， and to use dialectical thinking to analyze scientific problems and engineering practical problems， and then cultivates students’ scientific thinking and ability to solve complex engineering problems.

Key words： software and hardware integration; spatial information and digital technology; practical teaching