面向OBE模式的“GNSS原理与应用”课程教学改革与实践

汤 俊

(华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013)

“GNSS原理与应用”是测绘工程本科专业的一门专业必修课程，学生对该课程的掌握程度直接关系到测绘专业人才的培养质量。在该课程教学过程中，如何提高测绘工程人才培养质量已成为测绘专业院校教学改革探索的关键，为此，很多学者对该课程提出了改革措施。郭敏等从课程名称、实习基地、实习方法与考核等方面进行全面改革[1]；王华和陶叶庭从课程的教学内容和模式等方面进行了改革和创新[2]；蒋廷臣等分析了测绘专业教育成果导向教学设计流程，讨论了该课程教学大纲的修改和完善[3]；邓岳川等提出了采用MOOC与翻转课堂融合的教学方式探索课程教学改革[4]；连达军等提出了突出教学重点、设计教学内容、加强主动性学习的教学思路改革[5]；章迪等提出了将虚拟现实技术用于实践教学的改革研究[6]。以上研究在一定程度上提高了该课程的教学质量。

在工程教育专业认证背景下，如何使测绘工程专业工程教育与国际接轨、与社会需求相适应，成为各院校提升测绘专业人才培养质量的有效途径。为此，很多测绘工程专业院校申请工程教育专业认证，其核心是要确认该专业毕业生达到行业认可的既定质量标准要求，是一种以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价[7-8]。成果导向教育(outcome-based education,OBE)工程教育模式是工程教育认证下人才培养的核心理念，是一种以学为中心导向的教育模式[9-10]。本文将OBE工程教育模式引入“GNSS原理与应用”专业课程教学中，以学为中心，从课程目标、教学设计、资源投入、课程评价方面进行改革探索，设计一套该课程达成度指标体系，并进行持续改进，结合本校的实践，验证该教学改革模式的可操作性和有效性。

1 “GNSS原理与应用”课程教学现状

“GNSS原理与应用”是一门理论性和实践性较强的课程，要学好该课程，不仅要理解和掌握其基本理论知识，还要通过实践了解和掌握其工程应用和数据处理方法。随着科技的发展，卫星导航定位的理论与技术发展日新月异，课程理论深、实践强、内容多、学时短。就近年来的教学效果来看，有不少环节存在问题。

1.1 知识讲授与教学结果相背离

该课程教学内容多、跨度大，涉及坐标系统和时间系统、卫星运动基础、卫星信号、定位原理、误差来源、测量设计、数据处理以及GNSS高程等许多复杂的理论和技术。学生在学习该课程之前，要了解和掌握误差理论和测量平差、大地测量基础等课程知识，由于课时有限，讲课不能面面俱到，学生不易抓住课程主线，从而导致考核效果不理想，同时有部分学生不能将所学GNSS知识应用到实际工程中来解决复杂工程问题。

1.2 理论与实践脱节

该课程教学是由理论和实践两部分组成，需通过讲授原理方法与实践操作相结合，达到理论联系实际，掌握课程知识。但由于GNSS仪器更新快、价格高，大多高校因经费不足导致仪器配备数量有限、更新慢，另外，由于外业测量的计划性和协作性，以及内业数据处理的灵活性，使得学生无法灵活运用所学GNSS数据处理知识来解决实际工程问题，缺乏对测绘工程项目的根本性认识。虽有实习，但教学脱离生产，不具备服务社会的能力，显现实践教学单薄，训练达不到应有的教学效果。

1.3 考核评价与能力不匹配

OBE工程教育是以对学生能力的培养为目标，要求学生对专业知识进行理解和应用，而不是单纯的死记硬背。目前，传统的“GNSS原理与应用”课程考试，大多停留在对知识点记忆情况的考查。考核方法是由平时成绩和考试成绩组成，这种考核方式不能有效地评定课程目标的实现，考核评价与课程要求能力不匹配，难以评定学生是否养成该课程要求达到的能力。

2 基于OBE教育模式的课程改革

在OBE以学为中心的教育模式下，围绕“定义预期学习产出—实现预期学习产出—评估学习产出”的主线，从课程目标、教学设计、资源投入、课程评价几个方面构成了教育质量以学生课程评价持续改进的闭环。面向OBE工程教育模式的课程建设模型如图1所示。

图1 面向OBE模式的课程建模模型

2.1 以能力为核心，定位教学目标

OBE教学模式强调以能力培养为中心的教学目标。结合工程教育认证专业毕业要求的12条通用标准，根据测绘工程专业培养目标、毕业要求、“GNSS原理与应用”课程特点，确定了该课程具体教学目标。从而建立了本课程支撑测绘工程专业的相应指标点，见表1。

调整后的教学目标要求通过“GNSS原理与应用”课程，使学生了解GNSS的产生与发展概况，注重培养学生综合运用GNSS网建立、GNSS测量的技术设计、GNSS外业测量、GNSS基线解算、GNSS网平差等专业理论知识解决实际工程问题；使学生学会编制区域控制测量的技术设计，能够利用GNSS布设控制网，掌握GNSS后数据处理软件的使用。通过分组进行实验方案设计、讨论和实施，体现团队的协作性和沟通性。以OBE工程教育认证标准设定的教学目标，更好地支撑测绘工程专业毕业要求的相应指标点。

表1 “GNSS原理与应用”课程支撑测绘工程专业毕业要求课程教学目标

2.2 以目标为导向，设计教学内容

根据测绘工程专业毕业要求以及该课程对毕业要求的贡献度，面向OBE工程教育模式，设计合理可行的“GNSS原理与应用”课程教学内容。在理论教学方面，加强教学内容之间的联系，结合案例，注重教学过程中理论联系实际，做到教学内容新、教学手段多。在实践教学方面，考虑实验内容的综合性、设计性和研究性，培养学生的创新、创造能力，充分调动学生的学习主动性。结合本校实际情况，设计了一套课堂理论教学、实践环境设计与教学的方法。

2.2.1 理论教学形式改革

首先，进行知识整合，提炼课程与生产实际紧密结合的理论知识要点，包括GNSS测量中所涉及的时间系统和坐标系统、系统的组成及信号结构、定位中的误差来源、距离测量与定位方法、技术设计、基线解算、网平差等，而对于卫星定轨、误差模型等内容只作简单介绍。其次，采用实际GNSS工程案例，以自主学习和课堂小组讨论进行教学。最后，由于GNSS内容更新快，教材内容更新相对滞后，结合学生实际情况，下载最新GNSS论文，包括综述性、大气延迟误差改正、多路径效应、周跳探测、模糊度估计、精密定位以及应用等相关的论文，供学生课后阅读，课堂讨论或在线讨论，拓宽学生的理论知识和研究能力。

2.2.2 实践教学形式改革

在实践教学模式的改革探索中，摒弃“教师讲解、学生操作、结果分析”的传统实验形式，根据OBE工程教育模式调整为“讨论设计、方案实施、成果验收”的新式实验教学形式。面向OBE教学形式改革，以学为中心，充分发挥学生的积极主动性。讨论设计阶段，为了达到设计性和研究型的教学效果，学生分组对该课程的教学环境进行设计，包括对实际工程或科研项目的理论知识准备，实习场地设计、布网方案设计；方案实施阶段，按组分配任务，由于测量区域、地形要素、观测时间甚至仪器不尽相同，从每组的布网方案、控制测量到最终获取的数据，各组都不相同，为了获取最佳结果，需要分析问题和解决问题的能力；成果验收，分组进行实验结果的验收，教师现场检查和询问。在整个实验环节，老师是辅助指导者，学生是实验主导者。学生通过实验发现问题和解决问题，从而培养和提高其综合运用该课程知识解决工程问题的能力。

2.3 以目标为导向，整合教学资源

该课程的实践性较强，目前大部分高校使用的GNSS接收机都是封装好的产品，学生接触不到接收机的工作过程和工作原理，只能从教材上了解抽象的理论和公式，无法对GNSS接收机形成真正的认识。在教学过程中，整合信息工程专业信号仿真系统，让学生从根本上了解接收机工作原理。同时，利用教学实验平台展示GNSS相关原理和定位过程，展示单向测距原理、测量误差、信号传输特性等技术。目前，GNSS教学组根据实验内容开发了一套适用于GNSS仿真实验平台，该平台可以开展卫星坐标计算、定位原理验证、延迟误差影响分析。同时，该平台具有编程接口，供学生自主开发实验，提高学生的科研能力。

2.4 以结果为导向，构建评价机制

摒弃传统的“考试成绩、实验成绩、平时成绩”的评分形式，遵循以学为中心的工程教育模式，构建了面向OBE工程教育的“GNSS原理与应用”课程的教学考核办法。考核评分点覆盖该课程需要考核的工程知识、问题分析、研究、使用现代工具、个人和团队、沟通等几项毕业要求。通过考核评分点支撑该课程对应的毕业要求指标点，制定细化的考核评分标准，分配不同的分数来区分对指标点的贡献度，使其规范且更具可操作性，可以合理有效地评定学生对该课程的达成度。考核环节与工程教育认证下毕业指标体系的关联度如表2所示。

表2 考核环节与指标体系的关联度

3 实践效果

“GNSS原理与应用”教学过程中，通过构建评价反馈机制来评价该课程的学习产出，对该课程进行反思，以便进行持续改进。以本校测绘工程专业2014级学生为例，表3是2014级“GNSS原理与应用”课程达成度统计表，通过分析和统计可以发现，课程总达成度为0.80，达到了预期教学目标。其中工程知识、使用现代工具、个人和团队等4项指标超过0.75的预期目标。但问题分析、研究、沟通指标点达成度相对较低，需要进行针对性的改进。

表3 2014级测绘工程专业课程指标点达成度统计表

针对上述的统计分析数据，尤其是达成度较低的毕业指标点，对该课程进行了改进。表3中有3个相对薄弱的指标点，第一个指标点属于工程能力，通过分析发现部分学生基础知识薄弱，理论转化为应用的能力不足，需要进一步提高。因此要加强教学资源建设，收集GNSS技术应用于复杂工程问题的案例以及建立“GNSS原理与应用”的试题库，加大学生对复杂工程问题分析和仿真平台的比重以及增加考试环节等措施来强化和改善教学过程。针对学生研究能力薄弱，在课程的教学过程中增加一些创新性设计和数据处理中的小程序开发。针对学生沟通能力弱，在实验过程中增加答辩环节，要求以图表的形式进行说明。

4 结束语

OBE工程教育模式是对传统教育模式的革新，其在课程目标、教学设计、资源投入、课程评价上具有重要的指导意义。结合本校的具体实践，采用OBE教育模式进行“GNSS原理与应用”课程教学改革，构成了教育质量以学生课程评价持续改进的闭环，取得了良好的教学改革效果。在OBE的教育模式下，以学为中心，激发了学生学习兴趣，加深了对“GNSS原理与应用”的理论的理解与掌握，使毕业生可以更快地适应实际工作环境。通过课堂实践和信息反馈，验证教学改革模式的可操作性和有益效果。