“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革實(shí)踐

王　華，陶庭葉

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院測(cè)繪工程系，廣東 廣州 510006；2. 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革實(shí)踐

王華1，陶庭葉2

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院測(cè)繪工程系，廣東 廣州 510006；2. 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

摘要：衛(wèi)星導(dǎo)航定位是測(cè)繪工作中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”課程也一直是測(cè)繪工程專業(yè)本科生的主干課，具有理論深、更新快、知識(shí)面廣、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)教與學(xué)都有很高的要求。本文分析了筆者在廣東工業(yè)大學(xué)與合肥工業(yè)大學(xué)講授該課程過(guò)程中所發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題，包括教材更新慢、內(nèi)容抽象、授課方式以“填鴨式”為主、實(shí)踐時(shí)間不足、程序設(shè)計(jì)能力弱等。針對(duì)這些問(wèn)題，筆者在教學(xué)過(guò)程中將學(xué)術(shù)研究前沿與課本知識(shí)有機(jī)結(jié)合，采取教師授課、學(xué)生自主學(xué)習(xí)交流、穿插專家學(xué)術(shù)講座等教學(xué)形式，完善實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和校內(nèi)外實(shí)習(xí)基地，協(xié)調(diào)與其他課程的內(nèi)容安排等措施，從教學(xué)的內(nèi)容和模式等方面進(jìn)行了改革和創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：GPS；教學(xué)改革；教材更新；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；程序設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)和歐洲伽利略系統(tǒng)的日臻完善，目前全球基本形成了GPS、GLONASS、北斗、伽利略四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并存共用的格局。全球?qū)Ш蕉ㄎ痪炔粩嗵岣?，?yīng)用領(lǐng)域日益廣闊，GNSS產(chǎn)業(yè)已成為繼移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)之后的第3個(gè)發(fā)展最快的新興信息產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)GPS技術(shù)越來(lái)越廣泛地深入到人們的日常生活中，如目前絕大部分汽車和智能手機(jī)均配備有GPS定位功能。作為我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，我國(guó)政府和領(lǐng)導(dǎo)高度重視衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》和《信息產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃和2020 年中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要》中均將衛(wèi)星導(dǎo)航地面系統(tǒng)、接收機(jī)、用戶終端及其他若干相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)列為發(fā)展重點(diǎn)，預(yù)計(jì)2020年我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到4000億元。巨大的市場(chǎng)發(fā)展前景需要培養(yǎng)大量的高質(zhì)量導(dǎo)航定位相關(guān)人才[1]。

“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”多年來(lái)一直是測(cè)繪工程專業(yè)的主干課程，其理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，涉及諸多學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，并且全球定位技術(shù)發(fā)展日新月異。隨著北斗等新系統(tǒng)的建設(shè)，衛(wèi)星導(dǎo)航定位的模式發(fā)生了較大的變化，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)對(duì)創(chuàng)新型人才的需求，“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”的授課方式和內(nèi)容都有必要進(jìn)行一系列的革新。目前，我國(guó)很多高校的相關(guān)教師針對(duì)這一課程進(jìn)行了較多的改革嘗試[2-4]。本文針對(duì)筆者分別在廣東工業(yè)大學(xué)和合肥工業(yè)大學(xué)講授“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”課程時(shí)發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題，提出相應(yīng)的改革措施，供同行參考借鑒。

一、教學(xué)改革措施

“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”課程要求學(xué)生既要掌握GPS的理論基礎(chǔ)知識(shí)，了解GPS的產(chǎn)生、優(yōu)點(diǎn)和廣泛用途，掌握GPS的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)、GPS定位中的誤差源、距離測(cè)量和定位方法，又要熟悉GPS的實(shí)際操作與應(yīng)用，具備獨(dú)立運(yùn)用GPS技術(shù)進(jìn)行科研和生產(chǎn)實(shí)踐的能力。然而，由于學(xué)時(shí)短、內(nèi)容多、理論深、實(shí)踐強(qiáng)，要想達(dá)到這個(gè)目標(biāo)有一些難度。本文結(jié)合筆者分別在廣東工業(yè)大學(xué)和合肥工業(yè)大學(xué)任課的情況，針對(duì)目前筆者所在學(xué)?！癎PS測(cè)量原理與應(yīng)用”課程存在的問(wèn)題作了如下幾個(gè)方面改革。

1. 更新授課內(nèi)容

目前市面上GPS教材種類繁多，其中武漢大學(xué)李征航、黃勁松編著的《GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理》[5]及魏二虎、黃勁松編著的配套實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)教材《GPS測(cè)量操作與數(shù)據(jù)處理》[6]被開設(shè)測(cè)繪工程專業(yè)的學(xué)校廣泛采用。該教材融入了作者在衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域多年的研究和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)容豐富，理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，對(duì)于經(jīng)典的GPS測(cè)量和定位原理，如誤差源、相對(duì)定位、絕對(duì)定位等作了詳細(xì)的介紹。另外，周忠謨[7]、徐紹銓[8]等專家學(xué)者編著的教材也比較受歡迎。由于這些教材大多編寫于5～10年之前，對(duì)于位置服務(wù)和高頻GPS等新的應(yīng)用領(lǐng)域和伽利略、北斗等新的導(dǎo)航定位系統(tǒng)介紹得比較少。另外，廣東工業(yè)大學(xué)和合肥工業(yè)大學(xué)等高校在講授“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”課程之前，并沒(méi)有開設(shè)相應(yīng)的“空間大地測(cè)量理論基礎(chǔ)”之類的課程，因此，學(xué)生對(duì)于李征航、黃勁松[5]教材中涉及的衛(wèi)星軌道、信號(hào)傳播和誤差源等知識(shí)較難理解，需要授課教師補(bǔ)充很多相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。

為了解決上述問(wèn)題，筆者在教學(xué)過(guò)程中，以李征航、黃勁松編著的《GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理》[5]為基礎(chǔ)進(jìn)行講授。該書從衛(wèi)星定位原理、GPS外業(yè)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理3個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹。在課時(shí)安排上，廣東工業(yè)大學(xué)“GPS測(cè)量原理及應(yīng)用”課程設(shè)置了50學(xué)時(shí)理論課、6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)、8學(xué)時(shí)上機(jī)，另外安排了2周的實(shí)習(xí)。相對(duì)于其他學(xué)校，廣東工業(yè)大學(xué)的GPS理論課時(shí)較多，保證了學(xué)生有比較充足的時(shí)間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和小組討論。

為了更新教學(xué)內(nèi)容，筆者給學(xué)生推薦了國(guó)際上最新的GPS綜述論文[9]，并結(jié)合每一章節(jié)的主要知識(shí)點(diǎn)，為學(xué)生推薦相關(guān)的國(guó)際期刊發(fā)表的論文作為課外閱讀資料，如大氣延遲誤差及其改正方法[10-11]、GPS多路徑效應(yīng)及其在水文等方面的應(yīng)用[12]、高頻GPS定位及其在地震中的應(yīng)用[13]等。

除此之外，筆者會(huì)利用課余時(shí)間為學(xué)生講授GPS在地震、形變監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用案例，并且每學(xué)期會(huì)邀請(qǐng)數(shù)名在GPS領(lǐng)域有多年研究經(jīng)驗(yàn)的學(xué)者到校進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，要求本科生參加這些學(xué)術(shù)講座，拓寬視野。

2. 豐富教學(xué)手段

相對(duì)于過(guò)去的黑板板書，采用多媒體教學(xué)能夠在相同的時(shí)間內(nèi)為學(xué)生提供更加豐富的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并且能夠做到圖文并茂。但是“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”涉及測(cè)繪、電子信息等不同學(xué)科的專業(yè)背景知識(shí)，覆蓋面非常廣，一堂課的課件往往涉及很多新的知識(shí)點(diǎn)，“填鴨式”的教學(xué)形式很容易使得學(xué)生無(wú)法跟上教師演示PPT的節(jié)奏，從而游離于課程之外。此外，與“測(cè)量平差”等能夠通過(guò)課后作業(yè)強(qiáng)化訓(xùn)練的課程不同，“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”更多需要對(duì)概念的理解和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，單純的課堂講授學(xué)生往往難以理解。

另一方面，由于教師已經(jīng)具有很好的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和理解能力，在演示課件時(shí)容易不自覺(jué)地出現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)推理的跳躍，學(xué)生經(jīng)常跟不上老師的思路。為了使課件更容易被學(xué)生理解和接受，筆者嘗試設(shè)立一項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，讓已經(jīng)學(xué)完GPS課程的優(yōu)秀學(xué)生組成一個(gè)興趣小組，以筆者上課時(shí)使用的課件為基礎(chǔ)，從學(xué)生的角度來(lái)收集材料制作課件，收到了非常好的效果。這種形式的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：①興趣小組中匯集了幾位多才多藝的學(xué)生，制作出來(lái)的多媒體課件圖文并茂；②課件的風(fēng)格由學(xué)生設(shè)計(jì)，更容易被同齡人接受；③課件內(nèi)容的難度從學(xué)生的角度來(lái)審視，能做到深入淺出，不會(huì)出現(xiàn)跳躍式的公式推導(dǎo)等。

在授課過(guò)程中，除教師講授外，筆者將學(xué)生分成若干小組，結(jié)合每一章的知識(shí)點(diǎn)為每組推薦或讓學(xué)生自選一篇國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表的英文GPS學(xué)術(shù)論文進(jìn)行課外學(xué)習(xí)。在每章上完后，為學(xué)生預(yù)留30min的時(shí)間，由小組代表就論文的內(nèi)容進(jìn)行15min的演講，由全班同學(xué)就其演講內(nèi)容進(jìn)行提問(wèn)，并給出改進(jìn)意見(jiàn)，最后老師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。這種自主學(xué)習(xí)、模擬學(xué)術(shù)報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)回答問(wèn)題和點(diǎn)評(píng)等環(huán)節(jié)既豐富了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，也提高了學(xué)生的自學(xué)能力、表達(dá)能力、分析能力，同時(shí)還增強(qiáng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力。

3. 改善儀器和實(shí)習(xí)基地，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)

在廣東工業(yè)大學(xué)和合肥工業(yè)大學(xué)均開設(shè)兩周的GPS實(shí)習(xí)課，在此期間，一周安排靜態(tài)測(cè)量，另一周安排RTK測(cè)量。但是受學(xué)校儀器設(shè)備的影響，實(shí)際上每個(gè)小組真正做GPS靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的外業(yè)時(shí)間各只有1天，而且一般5個(gè)學(xué)生為一組，部分學(xué)生在靜態(tài)實(shí)習(xí)中不需要進(jìn)行遷站等操作，很多實(shí)踐環(huán)節(jié)需要注意的問(wèn)題并沒(méi)有在實(shí)習(xí)中遇到，導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)積累不足。另外，GPS數(shù)據(jù)處理能力是學(xué)習(xí)GPS課程的核心，短暫的實(shí)習(xí)時(shí)間和校園小范圍內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法真正提高學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力。

為了提高學(xué)生的實(shí)踐能力，必須不斷改善測(cè)量?jī)x器，完善校內(nèi)外實(shí)習(xí)基地，規(guī)范測(cè)量流程，并為學(xué)生提供充分的實(shí)習(xí)實(shí)踐機(jī)會(huì)。近幾年，廣東工業(yè)大學(xué)與廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司密切合作，在廣東工業(yè)大學(xué)建立了GPS單基準(zhǔn)站，大大提高了GPSRTK測(cè)量的效率；并且購(gòu)買了10臺(tái)GPS接收機(jī)，保證在實(shí)驗(yàn)時(shí)每個(gè)小組能夠有一臺(tái)GPS接收機(jī)，而實(shí)習(xí)時(shí)兩組同時(shí)作業(yè)，一組動(dòng)態(tài)、一組靜態(tài)，每個(gè)同學(xué)能獨(dú)立操作一臺(tái)GPS接收機(jī)。

廣東工業(yè)大學(xué)地處廣州，為測(cè)量?jī)x器公司的集散地，包括廣州中海達(dá)、南方測(cè)繪等著名的測(cè)繪企業(yè)。為了充分發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢(shì)，利用好社會(huì)資源，與這些企業(yè)建立了良好的合作交流機(jī)制，并建立了幾個(gè)比較成熟的校外實(shí)習(xí)基地，經(jīng)常為感興趣的學(xué)生提供到企業(yè)實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)。在參與企業(yè)工程實(shí)踐的過(guò)程中，學(xué)生的動(dòng)手能力和對(duì)GPS理解的深度不斷提高。

4. 建設(shè)實(shí)驗(yàn)演示平臺(tái)

目前大部分學(xué)校使用的GPS接收機(jī)或0EM模塊都是封裝好的產(chǎn)品，學(xué)生接觸不到其工作過(guò)程及工作原理，只能從書本上了解抽象的理論及公式，無(wú)法對(duì)GPS形成真正的認(rèn)識(shí)，反過(guò)來(lái)又制約我國(guó)GPS產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員，影響我國(guó)GPS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在GPS教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生普遍遇到的問(wèn)題是：基本原理沒(méi)有很好掌握，如不了解衛(wèi)星信號(hào)的獲取過(guò)程、不清楚各種誤差的規(guī)律、定位過(guò)程認(rèn)識(shí)模糊等。因此，亟需一套教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展示GPS相關(guān)原理和定位過(guò)程。

雖然國(guó)內(nèi)的一些公司推出了類似的教學(xué)平臺(tái)，可提供實(shí)驗(yàn)和編程，展示單向測(cè)距原理、GPS測(cè)量誤差、信號(hào)傳輸誤差特性、GPS衛(wèi)星軌道計(jì)算方法等技術(shù)。但這些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)單機(jī)價(jià)格較高，如果學(xué)生數(shù)量較多，需要購(gòu)置多臺(tái)設(shè)備，需要的經(jīng)費(fèi)投入較多。

筆者通過(guò)對(duì)GPS衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算、各種誤差計(jì)算、定位原理等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的統(tǒng)一整合，構(gòu)建了GPS實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容和實(shí)踐性教學(xué)模式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開發(fā)了一套適用于GPS教學(xué)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)旨在演示GPS相關(guān)原理，能基本滿足GPS教學(xué)需要。系統(tǒng)利用已有的標(biāo)準(zhǔn)化格式的數(shù)據(jù)能夠開展以下實(shí)驗(yàn)：①衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算；②選擇不同的衛(wèi)星對(duì)定位結(jié)果的影響；③電離層延遲影響及規(guī)律；④定位原理的驗(yàn)證；⑤提供編程接口，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者手動(dòng)編程。

5. 提高研發(fā)能力

市場(chǎng)對(duì)高水平的GPS程序員需求旺盛，而且通過(guò)程序設(shè)計(jì)也能增進(jìn)學(xué)生對(duì)GPS理論和算法的理解。以廣東工業(yè)大學(xué)為例，為了考慮學(xué)生就業(yè)面等因素，在教學(xué)大綱中開設(shè)的課程名目繁多，除了數(shù)字測(cè)圖、測(cè)量平差、遙感、GPS、GIS等測(cè)繪核心課之外，還開設(shè)了土木工程、工程地質(zhì)等其他專業(yè)的課程。但是“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”課程主要強(qiáng)調(diào)基本理論和外業(yè)測(cè)量，沒(méi)有任何GPS程序設(shè)計(jì)方面的課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)，與市場(chǎng)有一定的脫節(jié)。

由于課時(shí)數(shù)的限制，“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”課程本身已經(jīng)無(wú)法安排程序設(shè)計(jì)的時(shí)間。為了提高學(xué)生的GPS程序設(shè)計(jì)能力，優(yōu)化了GPS理論課與“測(cè)量程序設(shè)計(jì)”課程的內(nèi)容安排，在“測(cè)量程序設(shè)計(jì)”課程中，除了安排一部分常規(guī)測(cè)量數(shù)據(jù)處理內(nèi)容外，還增加了GPS數(shù)據(jù)處理算法部分，從而進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)GPS概念的理解，提高了程序設(shè)計(jì)的能力。此外，還為有興趣作GPS研發(fā)的同學(xué)介紹到相關(guān)企業(yè)進(jìn)行研發(fā)實(shí)習(xí)，從而進(jìn)一步提高了學(xué)生的研發(fā)能力。

二、尚待改進(jìn)的工作

廣東工業(yè)大學(xué)與合肥工業(yè)大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)具有較多的共同點(diǎn)，如共同隸屬于工業(yè)大學(xué)的土木學(xué)院；與武漢大學(xué)等將測(cè)繪細(xì)分為大地測(cè)量、工程測(cè)量、導(dǎo)航工程、遙感、地理信息等不同[14]，其在辦學(xué)方向上只有測(cè)繪工程一個(gè)專業(yè)。為了拓寬學(xué)生的就業(yè)面，在課程設(shè)置上需要兼顧土木、水利、建筑、規(guī)劃等學(xué)科的課程，同時(shí)又要涵蓋測(cè)繪所有方向的課程，因此學(xué)生的課程安排太多，課程之間銜接不一定合理，如在“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”之前沒(méi)有“空間大地測(cè)量理論基礎(chǔ)”，在其后也沒(méi)有“GPS程序設(shè)計(jì)”等課程。因此，如何合理設(shè)置相關(guān)課程，使“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”能夠比較自然和諧地融入整個(gè)課程體系中是今后仍需要改進(jìn)的地方。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合筆者多年擔(dān)任“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”課程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)將前沿學(xué)術(shù)論文、學(xué)術(shù)講座和現(xiàn)有教材有機(jī)結(jié)合，能夠較好地改進(jìn)課程內(nèi)容老舊的問(wèn)題；通過(guò)將學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研討與教師授課相結(jié)合能夠最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；通過(guò)完善測(cè)量?jī)x器和實(shí)習(xí)基地、校企聯(lián)合培養(yǎng)，能夠提高學(xué)生的實(shí)踐能力。由于所在院系和學(xué)科的特點(diǎn)，課程體系在一定程度上存在大而全的問(wèn)題，如何科學(xué)合理地設(shè)置與“GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”相關(guān)的課程是今后努力改進(jìn)的地方。

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Reform of the Curriculum of GPS Surveying and Its Applications

WANG Hua，TAO Tingye

收稿日期：2015-05-13

作者簡(jiǎn)介：王華(1978—)，男，教授，研究方向?yàn)镮nSAR、大陸形變與地震周期。E-mail：ehwang@163.com

中圖分類號(hào)：G64

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)06-0138-04

引文格式： 王華，陶庭葉. “GPS測(cè)量原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革實(shí)踐[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(6)：138-141.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0210.