“北斗高性能导航与应用”教学模式创新、实践与思考

王志鹏， 刘 凯

(北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京100191)

0 引言

北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和社会经济发展需要，自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。北斗卫星导航系统从20世纪80年代开始建设，北斗一号系统于2000年年底建成，并向中国提供区域导航服务；北斗二号系统于2012年年底建成，并向亚太地区提供服务；北斗三号系统已于2020年7月31日正式开通，可为全球用户提供基本导航(定位、测速、授时)、全球短报文通信、国际搜救服务，中国及周边地区用户还可享有区域短报文通信、地基增强、星基增强、精密单点定位等服务[1]。

北斗系统的航空导航应用作为北斗系统应用皇冠上的明珠，必将迎来高速发展。但是，全球航空导航应用市场长期被美国全球定位系统GPS(Global Positioning System)占领，在GPS先发优势明显、技术封锁以及产品垄断的国际形势下，对于推进北斗航空导航的全球应用、夺回GPS占领的全球卫星导航系统GNSS(Global Navigation Satellite System)应用市场，这既是挑战，同时也是机遇。一方面，北斗航空导航应用的全球化推广，能有力地冲击GPS应用的垄断市场，夺回北斗航空导航应用的市场份额，促进北斗航空导航系统标准国际化；另一方面，北斗航空导航应用起步较晚，北斗航空导航产业刚刚起步，航空导航专业技术人才储备严重不足，关于北斗航空导航教学实践的内容更是少之又少，严重影响了我国北斗航空导航人才的培养以及北斗航空导航技术的发展。

为此，根据我国北斗航空导航的现实需求以及未来北斗航空导航专业的发展规划，开展北斗航空导航专业教学和实践迫在眉睫。针对当前北斗航空导航教学方面的空白，要勇于踏出第一步，促进教学改革，推进基础、实践和创新并行的课程理念，为培养高素质的、专业的北斗航空导航一流人才而努力，从而进一步促进各大高校开展北斗航空导航以及相关科学技术前沿学科的人才培养。

依托北京航空航天大学电子信息工程学院国家空管新航行系统技术重点实验室在北斗航空导航与应用上的理论研究基础，科研实践成果以及相关研究平台，将重大科研实践项目转变成教学实践创新平台。将北斗航空导航与应用教学实践纳入实验研究体系中，构建了北斗航空导航与应用创新实践实验室，给学生提供全面的实验研究平台。在夯实学生基础理论知识的同时，提高学生将专业知识应用于应用实践的能力，开拓学生眼界，促进北斗航空导航相关课程的全面发展。

本文以“学生学习为本”的教学基本思想，通过“四学一评”的创新教学模式，引导实现学生从被动式的“领学”到主动式的“自学”的转化，在教学过程中使用陪同式的“伴学”培养学生的基础专业理论知识到科研实践的应用能力，利用交互式的“互学”培养学生的团队协作和创新思维能力，进而采用“全过程加权”的形式对学生的学习成果进行全面客观的评价，针对我校“北斗高性能导航与应用”课程教学中的问题，提出了在教学观念、教学模式等方面的思考。

1 “四学一评”模式的创新与实践

“北斗高性能导航与应用”课程是主要面向电子信息、通信及交通运输等专业高年级本科生的一门专业研讨课程。该课程以北斗发展和特色介绍为切入点，让学生了解、熟悉我国的北斗；以北斗的高精度和高完好性应用为核心，通过基本原理介绍、典型示例展示，使得学生了解北斗在测绘、航空等领域的重要作用，并激发学生对北斗及其航空导航应用技术的兴趣[2]。为培养学生的学习能力、表达能力、实践能力，丰富课程内容，提升学生自主学习的积极性和效率，以学校现有资源最大限度地开拓学生视野，我们将课堂和课下学习时间划分为领学、伴学、自学、互学四个部分，并制定了针对性的评价方案，激励和督促学生主动高效地完成课程任务。

1)领学：“被动式”学习

“领学”是教学的主体部分，教师利用大部分课时时间，以传统授课形式向学生教授本课程主要知识，其关键在于一个“领”字。“北斗高性能导航与应用”先修课程为数学分析、概率论、信号与系统等数学理论类课程，而本课程自身具有很强的前沿性、工程性、专业性。教师教授本课程需注重将基础知识与专业知识相结合，理论推导与工程实现相结合，课本知识与高新应用相结合。

考虑到学生当前正处于由基础理论课程学习到专业课程学习的转换期，教师须重视引领学生将所学的自然科学、工程基础和专业知识应用于解决复杂工程问题，在领学中重点突出以下三点：第一，巩固学生基础知识，加深对其中重点难点的理解；第二，将基础理论中的抽象问题具象化，增强学生对本课程理论学习的直观感受；第三，培养学生灵活运用数学手段及专业知识解决实际问题的能力，为以后的学习、研究和就业打下良好的基础。

2)伴学：“陪同式”学习

为做到学生与课程内容“零距离”接触，使书本知识“看得见”、前沿成果“摸得着”，本课程充分利用实验室现有的科研资源与前沿研究成果，安排学生进实验基地参观学习。目前开放的参观内容主要包括：北斗高精度位置网及其在交通领域的应用(该成果获2018年国家科技进步一等奖)、全球电离层监测预测系统、空基增强系统完好性预测系统(该系统已应用于中国民用航空局空管局和多个机场/航空公司)、地基增强系统(GBAS)完好性监测系统(该系统已安装于山东东营胜利机场)、完好性评估系统(对标美国联邦航空局FAA建设的GBAS完好性测评系统)，涉及理论知识覆盖了本课程主要开设内容，且综合度高，前沿性强。

参观环节先由实验基地工作人员进行讲解和操作演示，再由学生实机操作体会，鼓励学生在参观过程中积极提问、质疑，由教师解答。讲解力求源于课本而高于课本、有深度、有广度；操作演示做到步骤清晰、目标明确；摒弃传统参观“第三人称”式旁听，使学生以实验室一员的身份，融入到科研一线。

3)自学：“主动式”学习

本课程增加学生实验环节，以课堂介绍的高精度处理方法和高完好性处理方法为基础，提供北斗实测数据和飞行测试数据，培养学生初步数据处理的能力，加深对相关方法的理解，并鼓励提出改进。设计实验如：根据数据的物理含义，利用高精度处理方法，选择误差消除模型，进行星历、星钟、对流层、电离层、多路径等误差的消除；对单频或多频信号进行整周模糊度解算等。

课外教学要求学生研读北斗、GPS、GLONASS、Galileo及与本课程相关的前沿技术研究相关文献，引导学生查找并撰写综述性论文，使学生能初步掌握一般科技论文的写作技巧，为以后从事研究性学习和工作奠定基础。自北航开设本课程以来，学生就量子导航、脉冲星导航等前沿技术研究现状、存在问题及未来发展展望充分调研，撰写结课报告，教学效果显著。

4)互学：“交互式”学习

“互学”以“自学”为基础，是“自学”的补充和发展。“互”体现在师生位置互换、学生之间互助。展示交流环节将学生以4-5人/组进行划分，根据“自学”过程中实验内容选择不同的数据，或者课堂教学环节中提出的主题进行小组探究。教师对小组提供指导意见，并监督各小组进展情况。各小组可以利用ppt、视频等形式做展示演讲，由教师和其他小组成员进行提问和讨论，鼓励学生采用不同的展示形式有效展示自己团队的风采。培养学生具有良好总结能力、表达能力和协作能力，充分体现了“学生主体、教学相长”的教学思想，发挥学生在教学过程中的主动性、思辨性和实验性，积极培养学生研究性学习习惯。

5)评价机制：全过程精细化加权

针对教学的各阶段设计精细化的考核方式。考核项目分为集中教学、实验成果、小组讨论、结课论文及个人表示五部分，对上述每个学习部分进行全过程精细化加权评价。具体评价标准如表1所示。

表1 “北斗高性能导航与应用”考核方式

2 创新教学模式的再思考

通过“四学一评”教学模式，能够大大促进师生之间的交流，提升学生学习的积极性。但任何一种教学模式，都不可能尽善尽美，适用于所有学生和教师。只有在现有教学模式的基础上，通过教师和学生的不断磨合，通过对创新学习模式的再思考，才能不断在教学模式创新的路上收获经验，并找到最适合当前教师、学生、包括所授课程的教学模式[3]。此外，合理应用更多的教育资源有利于教师引进新的教学模式，并进一步提升教学观念，优化教学进程。具体的措施包括：

1)交流互鉴找差距

北斗航空导航应用知识涉及面宽且更新速度快。不同授课教师的专精领域有所差别。不局限于本课程，很多学科都有类似的特点。因此同一课程不同教师之间的交流、同类课程不同学校之间的交流以及国际交流都能充分促进教师对整个课程的融合贯通，充分发挥教师在不同专精领域的前沿优势。教师间交流效率高、平台高，有利于促进教师基于同行教师的专精领域从不同的切入点重新审视自己的专精领域，并提升对学科的进一步理解。

2)以赛促学抓落实

目前北京市教育工会定期举办的各类教学比赛规模逐渐扩大，赛事规则逐渐完善。例如北京市青年教师教学基本功大赛，作为北京市教育工会的品牌活动，历经22年工作的打磨，目前每一届都吸引着各大名校的教师参加比赛。带领学生，参加学校、北京市等组织的各类教学比赛，能帮助教师聚焦课堂教学，提升教学水平，通过比赛的形式助力青年教师的发展和成长，并全面提升教学质量和培养水平。习近平总书记在2018年全国教育大会上强调，做教师就要执着于教书育人。每个教师都要爱惜这份职业，心存敬畏，不断完善自己。同时，高校青年教师教学能力的培养与提高，对于提高高校整体的教学质量和人才培养质量，加强师资队伍建设，促进高校的可持续发展具有极其重要的意义。通过参加教学比赛，能够在一定程度上弥补青年教师育人经验的缺乏以及教学艺术和技巧等方面的不足，同时也引导他们关注和了解现代教育理念和教学现状，培育他们的责任意识，创新意识和服务意识。

3)学以致用促教学

在新的教学模式下，只有课本上的理论学习是远远不够的，通过参加各种学生应用(如：“北斗杯”全国青少年科技创新大赛、“北斗+”创新创业大赛等)中有利于学生发现课本、教材中的不足，并反馈给老师，以此反过来促进教学，构成良性循环。同时，参加应用比赛能促进学生大胆创意、动手创造、勇于创业，进一步提高学生的科技创新能力和意识，服务于“两领”人才的培养工作。开展学生应用活动，对于传承和发扬创新和实践精神、营造科技创新实践氛围、提高学生科技创新实践意识和能力起着不可替代的积极作用。此外，良好的校园科技文化氛围有利于培养优秀的学生科技骨干，由学生科技骨干领导新的科技小组，形成健康的科技学术生态圈，在合作与竞争中充分利用书本上学习的知识，事半功倍，并为日后的继续深造学习提供源动力。

3 结语

本文主要针对“北斗高性能导航与应用”教学中的教学模式创新和实践问题，提出“四学一评”的教学创新与实践模式，利用“被动式”的领学，夯实学生的北斗航空导航基础和专业知识；采用“陪伴式”的伴学为学生搭建北斗航空导航基础专业知识与北斗航空导航应用科研创新应用实践之间桥梁；提倡“主动式”的自学，引导学生自主学习，提高学生独自思考和解决问题的能力；开展“交互式”的互学，教学相长，学学相长，促进学生和教师共同进步；进一步采用全过程加权的评价机制，对学生的学习成果进行科学客观全面的评价。“北斗高性能导航与应用”教学模式的创新与实践，目的在于让学生亲身参与从北斗航空导航基础专业知识学习到北斗航空导航科研应用实践的全过程，将学生培养成北斗航空导航方面的专业性人才和创新性人才。同时，要在现有教学模式的基础上，通过教师和学生之间的交流反馈推进创新学生学习模式的再思考，不断在教学模式创新的路上收获经验，合理应用各类教学资源提升教学观念、优化教学进程，找到最适合当前教师、学生及课程的教学模式。