面向OBE模式的“GNSS原理與應用”課程教學改革與實踐

湯 俊

(華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013)

“GNSS原理與應用”是測繪工程本科專業(yè)的一門專業(yè)必修課程，學生對該課程的掌握程度直接關系到測繪專業(yè)人才的培養(yǎng)質量。在該課程教學過程中，如何提高測繪工程人才培養(yǎng)質量已成為測繪專業(yè)院校教學改革探索的關鍵，為此，很多學者對該課程提出了改革措施。郭敏等從課程名稱、實習基地、實習方法與考核等方面進行全面改革[1]；王華和陶葉庭從課程的教學內容和模式等方面進行了改革和創(chuàng)新[2]；蔣廷臣等分析了測繪專業(yè)教育成果導向教學設計流程，討論了該課程教學大綱的修改和完善[3]；鄧岳川等提出了采用MOOC與翻轉課堂融合的教學方式探索課程教學改革[4]；連達軍等提出了突出教學重點、設計教學內容、加強主動性學習的教學思路改革[5]；章迪等提出了將虛擬現(xiàn)實技術用于實踐教學的改革研究[6]。以上研究在一定程度上提高了該課程的教學質量。

在工程教育專業(yè)認證背景下，如何使測繪工程專業(yè)工程教育與國際接軌、與社會需求相適應，成為各院校提升測繪專業(yè)人才培養(yǎng)質量的有效途徑。為此，很多測繪工程專業(yè)院校申請工程教育專業(yè)認證，其核心是要確認該專業(yè)畢業(yè)生達到行業(yè)認可的既定質量標準要求，是一種以培養(yǎng)目標和畢業(yè)出口要求為導向的合格性評價[7-8]。成果導向教育(outcome-based education,OBE)工程教育模式是工程教育認證下人才培養(yǎng)的核心理念，是一種以學為中心導向的教育模式[9-10]。本文將OBE工程教育模式引入“GNSS原理與應用”專業(yè)課程教學中，以學為中心，從課程目標、教學設計、資源投入、課程評價方面進行改革探索，設計一套該課程達成度指標體系，并進行持續(xù)改進，結合本校的實踐，驗證該教學改革模式的可操作性和有效性。

1 “GNSS原理與應用”課程教學現(xiàn)狀

“GNSS原理與應用”是一門理論性和實踐性較強的課程，要學好該課程，不僅要理解和掌握其基本理論知識，還要通過實踐了解和掌握其工程應用和數(shù)據(jù)處理方法。隨著科技的發(fā)展，衛(wèi)星導航定位的理論與技術發(fā)展日新月異，課程理論深、實踐強、內容多、學時短。就近年來的教學效果來看，有不少環(huán)節(jié)存在問題。

1.1 知識講授與教學結果相背離

該課程教學內容多、跨度大，涉及坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)、衛(wèi)星運動基礎、衛(wèi)星信號、定位原理、誤差來源、測量設計、數(shù)據(jù)處理以及GNSS高程等許多復雜的理論和技術。學生在學習該課程之前，要了解和掌握誤差理論和測量平差、大地測量基礎等課程知識，由于課時有限，講課不能面面俱到，學生不易抓住課程主線，從而導致考核效果不理想，同時有部分學生不能將所學GNSS知識應用到實際工程中來解決復雜工程問題。

1.2 理論與實踐脫節(jié)

該課程教學是由理論和實踐兩部分組成，需通過講授原理方法與實踐操作相結合，達到理論聯(lián)系實際，掌握課程知識。但由于GNSS儀器更新快、價格高，大多高校因經費不足導致儀器配備數(shù)量有限、更新慢，另外，由于外業(yè)測量的計劃性和協(xié)作性，以及內業(yè)數(shù)據(jù)處理的靈活性，使得學生無法靈活運用所學GNSS數(shù)據(jù)處理知識來解決實際工程問題，缺乏對測繪工程項目的根本性認識。雖有實習，但教學脫離生產，不具備服務社會的能力，顯現(xiàn)實踐教學單薄，訓練達不到應有的教學效果。

1.3 考核評價與能力不匹配

OBE工程教育是以對學生能力的培養(yǎng)為目標，要求學生對專業(yè)知識進行理解和應用，而不是單純的死記硬背。目前，傳統(tǒng)的“GNSS原理與應用”課程考試，大多停留在對知識點記憶情況的考查?？己朔椒ㄊ怯善綍r成績和考試成績組成，這種考核方式不能有效地評定課程目標的實現(xiàn)，考核評價與課程要求能力不匹配，難以評定學生是否養(yǎng)成該課程要求達到的能力。

2 基于OBE教育模式的課程改革

在OBE以學為中心的教育模式下，圍繞“定義預期學習產出—實現(xiàn)預期學習產出—評估學習產出”的主線，從課程目標、教學設計、資源投入、課程評價幾個方面構成了教育質量以學生課程評價持續(xù)改進的閉環(huán)。面向OBE工程教育模式的課程建設模型如圖1所示。

圖1 面向OBE模式的課程建模模型

2.1 以能力為核心，定位教學目標

OBE教學模式強調以能力培養(yǎng)為中心的教學目標。結合工程教育認證專業(yè)畢業(yè)要求的12條通用標準，根據(jù)測繪工程專業(yè)培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、“GNSS原理與應用”課程特點，確定了該課程具體教學目標。從而建立了本課程支撐測繪工程專業(yè)的相應指標點，見表1。

調整后的教學目標要求通過“GNSS原理與應用”課程，使學生了解GNSS的產生與發(fā)展概況，注重培養(yǎng)學生綜合運用GNSS網建立、GNSS測量的技術設計、GNSS外業(yè)測量、GNSS基線解算、GNSS網平差等專業(yè)理論知識解決實際工程問題；使學生學會編制區(qū)域控制測量的技術設計，能夠利用GNSS布設控制網，掌握GNSS后數(shù)據(jù)處理軟件的使用。通過分組進行實驗方案設計、討論和實施，體現(xiàn)團隊的協(xié)作性和溝通性。以OBE工程教育認證標準設定的教學目標，更好地支撐測繪工程專業(yè)畢業(yè)要求的相應指標點。

表1 “GNSS原理與應用”課程支撐測繪工程專業(yè)畢業(yè)要求課程教學目標

2.2 以目標為導向，設計教學內容

根據(jù)測繪工程專業(yè)畢業(yè)要求以及該課程對畢業(yè)要求的貢獻度，面向OBE工程教育模式，設計合理可行的“GNSS原理與應用”課程教學內容。在理論教學方面，加強教學內容之間的聯(lián)系，結合案例，注重教學過程中理論聯(lián)系實際，做到教學內容新、教學手段多。在實踐教學方面，考慮實驗內容的綜合性、設計性和研究性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力，充分調動學生的學習主動性。結合本校實際情況，設計了一套課堂理論教學、實踐環(huán)境設計與教學的方法。

2.2.1 理論教學形式改革

首先，進行知識整合，提煉課程與生產實際緊密結合的理論知識要點，包括GNSS測量中所涉及的時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)、系統(tǒng)的組成及信號結構、定位中的誤差來源、距離測量與定位方法、技術設計、基線解算、網平差等，而對于衛(wèi)星定軌、誤差模型等內容只作簡單介紹。其次，采用實際GNSS工程案例，以自主學習和課堂小組討論進行教學。最后，由于GNSS內容更新快，教材內容更新相對滯后，結合學生實際情況，下載最新GNSS論文，包括綜述性、大氣延遲誤差改正、多路徑效應、周跳探測、模糊度估計、精密定位以及應用等相關的論文，供學生課后閱讀，課堂討論或在線討論，拓寬學生的理論知識和研究能力。

2.2.2 實踐教學形式改革

在實踐教學模式的改革探索中，摒棄“教師講解、學生操作、結果分析”的傳統(tǒng)實驗形式，根據(jù)OBE工程教育模式調整為“討論設計、方案實施、成果驗收”的新式實驗教學形式。面向OBE教學形式改革，以學為中心，充分發(fā)揮學生的積極主動性。討論設計階段，為了達到設計性和研究型的教學效果，學生分組對該課程的教學環(huán)境進行設計，包括對實際工程或科研項目的理論知識準備，實習場地設計、布網方案設計；方案實施階段，按組分配任務，由于測量區(qū)域、地形要素、觀測時間甚至儀器不盡相同，從每組的布網方案、控制測量到最終獲取的數(shù)據(jù)，各組都不相同，為了獲取最佳結果，需要分析問題和解決問題的能力；成果驗收，分組進行實驗結果的驗收，教師現(xiàn)場檢查和詢問。在整個實驗環(huán)節(jié)，老師是輔助指導者，學生是實驗主導者。學生通過實驗發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，從而培養(yǎng)和提高其綜合運用該課程知識解決工程問題的能力。

2.3 以目標為導向，整合教學資源

該課程的實踐性較強，目前大部分高校使用的GNSS接收機都是封裝好的產品，學生接觸不到接收機的工作過程和工作原理，只能從教材上了解抽象的理論和公式，無法對GNSS接收機形成真正的認識。在教學過程中，整合信息工程專業(yè)信號仿真系統(tǒng)，讓學生從根本上了解接收機工作原理。同時，利用教學實驗平臺展示GNSS相關原理和定位過程，展示單向測距原理、測量誤差、信號傳輸特性等技術。目前，GNSS教學組根據(jù)實驗內容開發(fā)了一套適用于GNSS仿真實驗平臺，該平臺可以開展衛(wèi)星坐標計算、定位原理驗證、延遲誤差影響分析。同時，該平臺具有編程接口，供學生自主開發(fā)實驗，提高學生的科研能力。

2.4 以結果為導向，構建評價機制

摒棄傳統(tǒng)的“考試成績、實驗成績、平時成績”的評分形式，遵循以學為中心的工程教育模式，構建了面向OBE工程教育的“GNSS原理與應用”課程的教學考核辦法?？己嗽u分點覆蓋該課程需要考核的工程知識、問題分析、研究、使用現(xiàn)代工具、個人和團隊、溝通等幾項畢業(yè)要求。通過考核評分點支撐該課程對應的畢業(yè)要求指標點，制定細化的考核評分標準，分配不同的分數(shù)來區(qū)分對指標點的貢獻度，使其規(guī)范且更具可操作性，可以合理有效地評定學生對該課程的達成度?？己谁h(huán)節(jié)與工程教育認證下畢業(yè)指標體系的關聯(lián)度如表2所示。

表2 考核環(huán)節(jié)與指標體系的關聯(lián)度

3 實踐效果

“GNSS原理與應用”教學過程中，通過構建評價反饋機制來評價該課程的學習產出，對該課程進行反思，以便進行持續(xù)改進。以本校測繪工程專業(yè)2014級學生為例，表3是2014級“GNSS原理與應用”課程達成度統(tǒng)計表，通過分析和統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，課程總達成度為0.80，達到了預期教學目標。其中工程知識、使用現(xiàn)代工具、個人和團隊等4項指標超過0.75的預期目標。但問題分析、研究、溝通指標點達成度相對較低，需要進行針對性的改進。

表3 2014級測繪工程專業(yè)課程指標點達成度統(tǒng)計表

針對上述的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，尤其是達成度較低的畢業(yè)指標點，對該課程進行了改進。表3中有3個相對薄弱的指標點，第一個指標點屬于工程能力，通過分析發(fā)現(xiàn)部分學生基礎知識薄弱，理論轉化為應用的能力不足，需要進一步提高。因此要加強教學資源建設，收集GNSS技術應用于復雜工程問題的案例以及建立“GNSS原理與應用”的試題庫，加大學生對復雜工程問題分析和仿真平臺的比重以及增加考試環(huán)節(jié)等措施來強化和改善教學過程。針對學生研究能力薄弱，在課程的教學過程中增加一些創(chuàng)新性設計和數(shù)據(jù)處理中的小程序開發(fā)。針對學生溝通能力弱，在實驗過程中增加答辯環(huán)節(jié)，要求以圖表的形式進行說明。

4 結束語

OBE工程教育模式是對傳統(tǒng)教育模式的革新，其在課程目標、教學設計、資源投入、課程評價上具有重要的指導意義。結合本校的具體實踐，采用OBE教育模式進行“GNSS原理與應用”課程教學改革，構成了教育質量以學生課程評價持續(xù)改進的閉環(huán)，取得了良好的教學改革效果。在OBE的教育模式下，以學為中心，激發(fā)了學生學習興趣，加深了對“GNSS原理與應用”的理論的理解與掌握，使畢業(yè)生可以更快地適應實際工作環(huán)境。通過課堂實踐和信息反饋，驗證教學改革模式的可操作性和有益效果。