新形势下的GPS原理及应用课程教学改革与探索

夏开旺 李大华 林 鹏 高旭光

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601)

1 概述

安徽建筑大学测绘工程专业开设于2006年，《GPS原理及应用》一直作为核心课程进行开设，本文结合作者对该门课程的多年授课实践经验和认知，瞻顾多种客观现状要求以及全球卫星导航定位技术自身的发展，针对当前《GPS原理及应用》课程教学中存在的不足，从以下几个方面提出教学改革与探索，以期取得良好的教学效果，满足新形势下的教学要求。

2 新形势下课程教学改革与探索

2.1 课程设置改革

随着多个国家和地区组建新的卫星导航系统，已经形成GPS,GLONASS,GALILEO，北斗等为主四大卫星导航系统，导航卫星星座的组成已经发生了翻天覆地变化[1]。尤其是我国建设的北斗卫星导航系统，近几年迅猛发展，已经进入最后的组网阶段，国内已经掀起北斗应用的热潮。很多生产单选择使用多系统、多频的多功能GNSS接收机。GNSS数据处理软件越来越复杂，功能越来越完善。多功能的GNSS接收机的体积越来越小，重量越来越轻，自动化的程度越来越高，GNSS卫星定位技术使得测量人员从繁重的野外测量体力劳动中解放出来。我国当前仍处于大规模的基础设施建设进程中，在高铁、特大型桥梁、核电站、大坝等大型精密工程的建设中，高精度控制测量成果对于工程的顺利施工，确保工程施工质量都有着重要的作用。而大规模高精度内业GNSS数据处理与分析成为工程技术骨干人员亟待掌握的关键技术之一。

针对上述情况的改变，为适应新技术发展趋势和市场对创新人才的需求，我校测绘工程专业在新的培养方案中对原有的GPS课程设置进行了改革，尝试了从GPS到GNSS教学的转变，将之前的《GPS原理及应用》分解成《GNSS原理及其应用》与《GNSS数据处理》两门课程，在大学三年级第一学期开设《GNSS原理及其应用》课程，课程讲授内容主要涉及多种全球卫星导航定位系统发展、组成、系统参数、应用情况；坐标系统和时间系统;卫星运动与位置计算;卫星信号;GNSS测量误差源;单点定位;基线向量解算;基线向量网平差;大地水准面精化及应用；卫星控制测量及实施；实时动态定位；GNSS在各领域中的应用。教学实验主要是GNSS静态测量和动态测量。《GNSS数据处理》开设在大学四年级第一学期，作为一门专业选修课，课程讲授内容主要讲述商用GNSS软件与研究型软件的安装、操作、处理与分析。这样的课程设置突出了内业数据处理的重要，尤其是高精度的内业数据处理，使得学生既掌握了GNSS原理又能处理好内业数据，很好的满足当前社会的需求。

2.2 教材的优选及授课内容由GPS到GNSS转变

目前，GNSS相关教材种类繁多，从国内出版的GPS教材来看，大多编写较早，有的甚至出版于5年～10年前[2]，讲解的内容大多仅局限于GPS，存在知识陈旧的现象，没有考虑当前GNSS发展的现状；其中有的教材内容理论过于深厚，并不适合初学的本科生。

为了解决上述问题，作者选取了王坚主编测绘出版社出版的《卫星定位原理与应用》一书作为上课教材。该书出版于2017年9月，内容新颖，符合当前GNSS发展现状，该书紧密结合测绘工程专业学生知识结构特点，以问题为导向，强调案例教学，作为测绘专业学生的专业课教材，涵盖了卫星定位的基础理论、模型与应用的主要内容，对不同的卫星导航定位的系统差异进行了详细阐述，针对我国组建的北斗卫星导航系统的相关内容，吸纳了部分卫星定位技术在不同行业领域的应用案例，同时该书概念清晰，并不过于强调复杂的理论公式推导，特别适合于本科生教学。另外，一本教材往往难以满足教学内容的需求，除了上课所用的教材之外，我校选用武汉大学李征航、黄劲松编著的《GPS测量与数据处理》作为参考用书，该教材针对卫星轨道、周跳探测与修复、整周模糊度确定、大气折射理论模型、网平差以及数据成果转换等理论性、研究性很强的内容，都有详细的论述与公式推导，特别适合于对GNSS感兴趣及日后想在这一领域继续深造的学生，课后进行深入自主学习。

2.3 信息化测绘背景下，增强GNSS研发能力培养

但近些年来，随着测绘行业自身的发展，各种测量新技术不断融合，如3S集成、机载LIDAR技术、GPS辅助无人机测量，这些新技术能不断突破，取得很好的实际应用，GPS技术起到了至关重要的作用。例如，随着GPS差分定位方法成熟，将其应用于无人机摄影测量，通过引入GNSS/INS高精度定位测姿系统，甚至可以不做控制点，节省了大量外业工作，这对于摄影测量领域是一场革命[3]。要想实现GNSS技术和其他新技术完美的融合，必然要求从业人员具备很高的科研能力。

当前，GNSS技术已经广泛应用于无人驾驶、共享单车、车辆导航等日常生活，未来会有更多领域需求大量的卫星定位导航研发人员。为了能提高学生的研发能力，同时拓宽学生的就业面，在现有的课程本身已经无法安排程序设计的时间，因此在相应的章节课后，我校安排了一些GNSS程序设计内容作为课程作业，具体的程序设计内容有卫星坐标计算、单点定位、相对定位、坐标转换、网平差、高程拟合，程序设计作为课程考核组成部分。通过这样的教学安排，使得学生在本科阶段就能进入科学研究学习状态。通过近些年来的实际情况来看，学生普遍反映，深奥难懂的相关理论，仅凭课堂无法理解的内容，通过编程实现彻底理解消化，取得了很好的教学效果。

2.4 多种教学模式相结合，充分发挥网络资源自助学习

当前，国内高校课堂教学普遍采用多媒体教学方式，相对于传统的板书教学来说，多媒体教学优势明显，然而，由于该课程理论性、实践性极强，教学内容十分丰富，涉及到天文学、人造卫星轨道理论、时间系统、电子通信、大气学、应用数学等多种学科，单独从每门学科内容来看似乎关联性很低，存在较大的跨度，导致其在实际教学中存在较大的难度，学生普遍反映课程逻辑性强，公式推导众多，实际操作环节不容易和课程理论相联系，不容易掌握，单纯的多媒体课堂讲授学生往往难以理解，公式推导部分逻辑性强的章节这部分内容，由于多媒体教学往往不适合这些内容的，通常采用板书讲解，同时进行详细的公式推导，课堂教学总的来看我校是采用多媒体为主，板书为辅的教学模式。

高校课堂教学普遍存在课时不足的现象，新的教学大纲对原有课时进行了一定的压缩，势必导致单纯的课堂教学并不能真正完全达到教学目标，因此课后自学与复习显得非常必要。当前，网络教育资源十分丰富，例如腾讯QQ课堂、慕课等方式可提供很好的自学资源，利用网络资源进行学习已经成为高校课堂教学十分有效的补充，通过利用网络资源作为辅助的教学手段，非常有效的提高了学习效果，从而真正达到教学大纲的教学要求。

2.5 改进考评方法，增加实践分数比重

高校课程的传统考评办法一般是采用期末考试成绩和平时成绩两部分组成，期末考试成绩占比过大，由于一张试卷的考核内容毕竟容量有限，这样的考核办法并不能客观反映学生真正的掌握程度，由于GNSS课程最终的教学目的是学以致用用于实际测量工作，因此有必要适当提高实践分数比重。为了期末试卷出题的合理、全面性，期末试卷由课程组共同命题，改变仅有任课老师命题的状况，对于该课程采用两位老师分题阅卷，再由第三位老师复核检查，以防批改错误，总分累计错误等现象。

3 结语

进入21世纪以来，测绘行业日新月异，卫星导航定位技术在很多方面取得了突破，测绘行业对于卫星导航定位技术依赖性更强，新的变化必然催生测绘工程专业对于该门课程教学做出改革，本文结合我校几点具体改革的措施与办法：对原有的GPS原理及应用课程设置为GNSS原理及应用与GNSS数据处理；教材的优选及授课内容由GPS到GNSS转变；信息化测绘背景下，增强GNSS研发能力培养；多种教学模式相结合，充分发挥网络资源自助学习；改进考评方法，增加实践分数比重。符合当前形势下课程教学的要求，在课程教学改革过程中，难免会有新的问题出现，经验与教训仍需要进一步的总结。