GNSS原理及应用课程的体验式教学模式探索

杨 飞，袁德宝，阎跃观，李 军

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083）

GNSS原理及应用是测绘工程专业必修的一门主干课程，本课程旨在让学生获得进行GNSS卫星定位和导航所必需的基本概念、基本知识和基本理论，掌握基本的定位导航原理和误差分析，具备GNSS测量设计实施和数据处理的能力，充分认识GNSS测量在国民经济发展中的重要地位，为后续学习其他专业课程奠定必要的基础[1]。

然而，由于GNSS原理及应用课程具有专业性和理论性强、工程实践要求高、知识更新快等特点，再加上计算机、移动互联、社交媒体等现代技术思潮及产品对当代学生的影响，使得学生对传统教学模式下的GNSS原理及应用课程的兴趣逐渐减弱，难以扎实掌握基础知识，阻碍工程实践能力的提升[2]。

基于以上问题，体验式教学的模式受到广泛关注。它改变了以教师为中心的知识传递方式，强调以学生为中心的自主学习，从而充分调动学生的自主学习热情和个体主观能动性[3]。体验式教学过程中体现出的互动性、开放性、娱乐性，可以很好地增进学生对GNSS原理与应用课程的兴趣，夯实专业基础知识，提升学生工程实践能力。

针对新时代背景下高校专业教学面临的挑战和GNSS原理及应用的课程内容、教学任务和培养目标，本文详细总结了该课程的特点。在其他教育工作者从教学内容和考核方式等方面对GNSS原理及应用课程进行改革的基础上，探索体验式教学模式在GNSS原理及应用课程的应用，以期提高学生的参与度与学习兴趣，使学生主动积极参与学习而掌握专业基础知识和工程实践技能。

1 GNSS原理及应用课程特点

GNSS原理及应用课程内容包括坐标系统和时间系统、卫星运动基础和卫星星历简介、导航电文结构与卫星信号、GNSS卫星定位原理、GNSS测量误差来源及影响、GNSS测量的设计与实施、GNSS数据处理、GNSS的工程应用、GNSS新技术的发展和应用。该课程需要使学生掌握GNSS的基本概念、熟悉卫星定位技术的发展、系统组成和特点，掌握坐标系统和时间系统，培养学生理解开普勒卫星运动定律、导航电文结构、卫星信号的结构，熟悉GNSS接收机组成与工作原理并计算卫星的位置，掌握伪距测量、载波相位测量，具有观测方程的线性化、GNSS观测量的线性组合的能力，了解GNSS技术的新发展和新 应用。

从GNSS原理与应用的课程内容和教学任务可以看到，该课程具有以下特点：它的专业性和理论性强，GNSS数据的获取、处理、计算和应用涉及到数学、物理、信号学、误差理论、地球科学、地图学、计算机编程等相关理论知识，学生需要在上述学科具备较好的知识储备才能更好地理解GNSS原理；该课程的工程实践要求高，需要培养学生对基础测绘、矿山及地下工程测量、地理信息服务等领域中的复杂测绘工程问题进行GNSS测量的设计与实施、GNSS数据处理和复杂工程应用的能力；该课程的知识更新快，各类新建的卫星系统、不断完善的地基空基增强系统、PPP-RTK等技术的兴起和GNSS不断扩展的科研及工程应用，使得课程内容需要不断更新，学生需要及时熟悉和了解GNSS新技术、新应用。

2 GNSS原理及应用的体验式教学模式

20世纪80年代，体验式学习最早由美国组织行为学教授大卫·库伯提出[4]，它是一个以体验为基础的持续学习过程，是个体与环境不断的交互作用，创造知识的过程。体验式教学也迅速发展，它指的是根据学生的认知特点和规律，通过创造和教学内容密切相关的情境和机会，使学生在亲历的过程中理解并建构知识、发展能力，体验到相关课程学习过程中的乐趣。体验式教学与以往灌输式教学的不同之处在于，体验式教学具有过程性、亲历性和不可传授性，是一个充满个性和创造性的过程。它强调个人体验，主张教学以学生为核心，充分体现互动性、开放性和 娱乐性[5]。

因此，本文提出多个模块来进行GNSS原理及应用的体验式教学探索，包括GNSS发展应用热点讲座、手机端互动教学软件、仿真实验教学系统、教学内容与科研实际相结合、辩论课堂形式等。

2.1 GNSS发展应用热点讲座

与所学课程相关的时事、热点新闻会引起学生的极大兴趣。2020珠穆朗玛峰的高程测量、习近平主席宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通都是与该课程息息相关的国家大事，以讲座形式给学生讲解高程测量中的GNSS技术、北斗三号全球卫星导航系统的发展历程及其特点优势，播放相关影视资料和记录片，不仅可以丰富课堂形式、增强学习过程中的娱乐性，还可以让学生真切了解到所学课程的重要性，感受到GNSS技术在国家发展和战略上的重要意义，进而提高学生的积极性。

2.2 手机端互动教学软件

GNSS原理与应用课程包含的时间坐标系统、卫星信号调制、导航定位原理、数据处理方法等内容需要很强的数学、物理及地球科学知识基础，传统的教学模式难以将其中涉及的抽象的理论知识形象地展示，是学生对课程缺乏兴趣、学习吃力的主要原因之一。本文提出利用网络已有的或开发能展示那些抽象理论点的手机端互动教学软件和程序，如坐标系统的变换、卫星轨道参量、信号的调制过程等。互动教学软件可以让学生在交互式操作过程中更形象地理解知识要点、理解其背后的数理原理[6]。手机端的操作可以减少学生对翻阅书本的枯燥性，让学生更加自主、便利地对知识点进行学习，提升对整体课程的学习 兴趣。

2.3 仿真实验教学系统

在GNSS应用实践教学中往往存在缺乏仪器、室内示教困难、室外观测场地不足等问题，严重影响学生对该课程的积极性和利用GNSS解决实际工程问题的能力。本文提出可以利用虚拟现实技术，采用Quest3D、Vega或Unity3D等软件，构建GNSS仿真实验教学系统，让学生可以在该系统中自主学习，了解各种仪器的结构和外观，进行GNSS仿真测量，熟悉GNSS静态、动态观测的操作步骤[7]。这样的教学系统充分体现了体验式教学的特点，学生可以不受仪器、场地等限制，随时在仿真实验教学系统中自主设置GNSS观测任务。该系统不仅可以提高学生对GNSS仪器和观测流程学习的积极性，还为学生实习打下良好的基础，提高实际操作的 效率。

2.4 教学内容与科研实际相结合

枯燥的课本知识往往让学生产生倦意，而最新的科学研究成果往往会令学生产生兴趣，激发学生学习和探索的热情。体验式教学模式提倡教学内容与科研实际相结合。一方面，教师可以将自己从事的相关科研工作，从科研问题的引出、研究方法的提出到成果的获取等方面深入浅出地引入到课堂中，令学生思考并讨论上述科研工作和课程基础知识之间的联系。另一方面，学生可以通过网络等形式搜集当前GNSS技术发展及应用热点。课堂讨论课程基础知识点对于这些热点研究的支撑，并由教师进行点评和总结。这样的模式，有利于学生进一步理解GNSS的现状、发展趋势，激发学生学习兴趣，为学生创造了自主学习和钻研提高的空间。矿大北京开展本科生导师制，为每位本科生配备专业导师，鼓励本科学生参与科研、进行创新，有利于学生更好地在教学内容与科研实际的结合中成长。

2.5 辩论课堂形式

辩论的形式可以增强课程的开放性和娱乐性，充分调动学生的参与性，全面培养学生的思辨能力，是体验式教学中重要的课程形式。我们在GNSS原理及应用的教学实践中将辩论引入课堂，如在课堂开展以“中国应当发展自己的卫星导航系统还是利用已有卫星导航系统”为主题的辩论[8]。正反双方学生分别从国家安全、大国重器自主可控、北斗系统特点和用户使用习惯、成本、兼容性两个角度展开陈述和辩论。这种形式不仅让学生自主深入学习辩题涉及的学科内容，还要亲身搜集相关材料并进行筛选、整理和组织。通过辩论，学生不仅掌握了学科基础知识、深入了解到GNSS各个系统的特点和最新发展，还锻炼了思辨能力和团队合作能力，达到体验式教学的 目的。

3 结 语

本文阐述了GNSS原理和应用课程的特点以及其在新时代背景下教学面临的挑战，探索了体验式教学模式在GNSS原理及应用课程的应用。提出了利用GNSS发展应用热点讲座、手机端互动教学软件、仿真实验教学系统、教学内容与科研实际相结合，辩论课堂形式等模块进行体验式教学，以期提高学生的参与度与学习兴趣，使学生主动积极地参与学习，掌握专业知识和工程实践技能。