測量學(xué)課程中“GNSS技術(shù)與應(yīng)用”的教學(xué)研究與實踐

王廣興，李 瑋，張紹成，丁開華

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)測繪工程系，湖北 武漢 430074)

測量學(xué)是地質(zhì)、資源、石油與天然氣工程、地球物理工程、土木工程、環(huán)境工程、工程管理、GIS等專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程。了解和掌握測量學(xué)的基本理論、技術(shù)、方法，可以為本專業(yè)后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。實際上，大學(xué)生從測量學(xué)課程中學(xué)到的不止是一門技能和工藝，更是一種認(rèn)識世界的方法論，認(rèn)真系統(tǒng)地學(xué)習(xí)測量學(xué)知識，有助于培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)素養(yǎng)，這對于任何專業(yè)的學(xué)生都有益處。

隨著市場經(jīng)濟(jì)的深化發(fā)展，新時代市場對人才的知識結(jié)構(gòu)也有了更全面的要求。這就要求大學(xué)生不僅要具備解決本專業(yè)領(lǐng)域科學(xué)問題的能力，而且還要能綜合運用相關(guān)領(lǐng)域的知識[1]。培養(yǎng)“寬口徑、厚基礎(chǔ)、高素質(zhì)、強(qiáng)能力”的創(chuàng)新型人才，體現(xiàn)了立德樹人的基本要求。在這樣的背景下，非測繪類專業(yè)測量學(xué)課程的重要性愈加凸顯，在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，不僅在地質(zhì)工程這樣的“雙一流”專業(yè)開設(shè)了測量學(xué)課程，甚至在經(jīng)濟(jì)管理和公共管理專業(yè)也開設(shè)了測量學(xué)課程，且均為專業(yè)必修課程。非測繪專業(yè)測量學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量直接影響測量學(xué)新技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用程度。針對非測繪專業(yè)測量學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，國內(nèi)許多學(xué)者結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗和教學(xué)改革方向，從教學(xué)模式、教學(xué)方法和考核方式等角度進(jìn)行了研究和探討[2-7]。

GPS極大地滿足了人類探索未知領(lǐng)域和獲取精確位置的需求，推動了地球空間信息技術(shù)的革命，隨著世界各主要國家和地區(qū)積極研發(fā)和建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，出現(xiàn)了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的概念，用于泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GNSS技術(shù)使測繪科學(xué)從理論到手段發(fā)生了根本性的變化，促進(jìn)了測繪的智能化、自動化發(fā)展，因此GNSS技術(shù)及應(yīng)用是測量學(xué)課程中的重要章節(jié)之一，一般安排4課時課堂講授和2課時實習(xí)，主要介紹GPS技術(shù)的基本原理和應(yīng)用[1]。圍繞從GPS到GNSS教學(xué)的轉(zhuǎn)變、測繪專業(yè)認(rèn)證背景下的GNSS教學(xué)、面向卓越測繪工程師教育和非測繪專業(yè)GNSS教學(xué)等問題，國內(nèi)相關(guān)高校學(xué)者開展了較多研究[8-11]。

本文在已有研究基礎(chǔ)上，結(jié)合土木工程、地質(zhì)工程、海洋工程、資源勘探工程等非測繪專業(yè)的測量學(xué)教學(xué)實踐，討論非測繪類專業(yè)測量學(xué)課程中GNSS技術(shù)與應(yīng)用的教學(xué)改革與實踐問題。

1 測量學(xué)課程中GNSS教學(xué)現(xiàn)狀

近年來，世界各主要國家和地區(qū)積極研發(fā)和建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相繼建設(shè)并提供服務(wù)。與此同時，衛(wèi)星導(dǎo)航新技術(shù)、新應(yīng)用、新概念不斷涌現(xiàn)[12]，這對測量學(xué)課程中GNSS內(nèi)容的教學(xué)提出了新的要求，同時也暴露出現(xiàn)有教學(xué)過程中的一些問題。

1.1 教材更新慢

GNSS技術(shù)的迅猛發(fā)展使得相關(guān)教材顯著滯后，對于非測繪類專業(yè)的測量學(xué)課程，該問題更為突出。2012年底，中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)開始向亞太地區(qū)提供定位、測速、授時和短報文通信等服務(wù)，至今已連續(xù)運行滿六年，并將于2020年底向全球用戶提供服務(wù)[13]。

以中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)測量學(xué)課程為例，該課程采用的教材仍然以介紹GPS為主。限于教材編寫年代的客觀條件，該教材對GLONASS、Galileo和北斗系統(tǒng)只是簡單提及，特別是對我國北斗系統(tǒng)的介紹仍然停留于北斗一號，且教材中未出現(xiàn)GNSS的概念[1]。雖然看上去只是一個概念的問題，但是如果教科書上缺乏必要的解釋，初學(xué)者很容易因此混淆這些概念之間的相互關(guān)系，難以準(zhǔn)確把握各系統(tǒng)的特點。

1.2 網(wǎng)絡(luò)信息繁雜

大學(xué)生對新技術(shù)和高科技通常比較感興趣，當(dāng)教材內(nèi)容無法滿足求知欲時，學(xué)生很自然會通過網(wǎng)絡(luò)來了解相關(guān)知識。移動互聯(lián)網(wǎng)和自媒體蓬勃發(fā)展，成為很多學(xué)生獲取課外知識和信息的重要渠道，并大量占據(jù)著學(xué)生的注意力和時間。如果學(xué)生對衛(wèi)星導(dǎo)航、北斗等熱門技術(shù)和知識感興趣，勢必會關(guān)注互聯(lián)網(wǎng)、自媒體和客戶端上對北斗、GNSS的報道和介紹。

來自于網(wǎng)絡(luò)的信息比較及時、廣泛，確實可以從一定程度上彌補(bǔ)教材知識滯后的不足，可以增加趣味性，把高深的科學(xué)知識講的通俗易懂；但同時也必須注意到網(wǎng)絡(luò)信息為了吸引受眾眼球或者是為了某種商業(yè)目的，通常會有一定的夸張，或者為了追求通俗而不惜以科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性為代價。例如，對我國北斗系統(tǒng)就出現(xiàn)過很多不實的報道。課程知識應(yīng)當(dāng)是客觀的、準(zhǔn)確的、系統(tǒng)的，對于GNSS新技術(shù)的普及不能完全依賴于網(wǎng)上的碎片化知識和快餐式閱讀，對于初學(xué)者而言，尤其如此。

這些現(xiàn)實情況直接導(dǎo)致了兩組矛盾：一方面是滯后的教材不能滿足課堂教學(xué)和生產(chǎn)實踐的需求，另一方面是魚龍混雜的網(wǎng)絡(luò)信息很容易誤導(dǎo)學(xué)生，耽誤甚至磨滅學(xué)生的求知欲。正確處理好這兩組矛盾，有助于測量學(xué)教師提升教學(xué)質(zhì)量，有助于相關(guān)專業(yè)學(xué)生更加全面地了解測量學(xué)課程，有助于測量學(xué)新技術(shù)及時推廣應(yīng)用到相關(guān)行業(yè)。

2 教學(xué)研究與實踐

作為課堂教學(xué)和實習(xí)的主導(dǎo)者，測量學(xué)教師既要以教學(xué)大綱為出發(fā)點，又要著眼于教學(xué)質(zhì)量的不斷提高，充分發(fā)揮主觀能動性，不被教材束縛。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，測量學(xué)教師要面向未來，讓課堂與時俱進(jìn)，在教學(xué)實踐中著力解決上文提到的兩組矛盾。

2.1 擴(kuò)充教材內(nèi)容

教材的編寫和更新有一定的周期，任何一本教材都會存在或多或少的滯后。然而，GNSS領(lǐng)域知識的增長和技術(shù)的發(fā)展一日千里，如果因為教材滯后就裹足不前，輕則無法保證教學(xué)質(zhì)量，重則課本知識與生產(chǎn)實踐嚴(yán)重脫節(jié)，不利于學(xué)生成才和就業(yè)而誤人子弟。

這一現(xiàn)實情況對教師提出了更高的要求，測量學(xué)教師在教學(xué)過程中要立足于教材，但不可拘泥于教材，更不能照本宣科，采用一成不變的課件和教案。特別是對于GNSS技術(shù)與應(yīng)用相關(guān)章節(jié)，教師首先要不斷學(xué)習(xí)，廣泛閱讀文獻(xiàn)，把握最新的理論、技術(shù)及其發(fā)展趨勢。比如，現(xiàn)有測量學(xué)教材中對GPS空間部分的描述仍然停留在24顆在軌衛(wèi)星且未提及GPS現(xiàn)代化[1]。另外，對GNSS的介紹至少還應(yīng)該覆蓋GLONASS、Galileo和BDS，特別是我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，發(fā)展速度快、特色鮮明，應(yīng)該作為重點教授內(nèi)容之一。這些內(nèi)容是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，且已有不少較為成熟的結(jié)論。事實上，在測繪工程專業(yè)GNSS原理與應(yīng)用課程所采用的核心教材中，已經(jīng)增加了相關(guān)內(nèi)容，并對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹[14]。非測繪專業(yè)測量學(xué)教材中尚未及時補(bǔ)充相關(guān)內(nèi)容，則需要教師發(fā)揮能動性，對教案和課件進(jìn)行及時更新，在教學(xué)課程中對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)充和替換。

2.2 與科研實際相結(jié)合

科研和教學(xué)是相互促進(jìn)、相得益彰的，測量學(xué)課程中GNSS技術(shù)與應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容不僅與生產(chǎn)實踐緊密結(jié)合，還應(yīng)該反映新近科研成果。在教學(xué)過程中要使GNSS基礎(chǔ)理論知識更加具體化、立體化，就需要結(jié)合GNSS技術(shù)的最新發(fā)展及其應(yīng)用。

教師需要對GNSS知識具備較強(qiáng)的敏感性，最好自己也從事相關(guān)科研工作，經(jīng)常參加國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流活動，并能夠找到適當(dāng)?shù)那腥朦c，把科研過程的問題、方法和成果等深入淺出地引入到課堂中。近年來，與GNSS或北斗相關(guān)的科研工程有很多，如基于GNSS技術(shù)建立的中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(簡稱陸態(tài)網(wǎng)絡(luò))[14]，以及為支持衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)試驗、服務(wù)科學(xué)研究和各類應(yīng)用而建設(shè)的國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)(iGMAS)[15]。相比于簡單的科普，科研和工程實例有一定深度，并與教材知識結(jié)合緊密，有助于學(xué)生更好地理解GNSS技術(shù)與應(yīng)用的研究背景、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。將其作為教學(xué)素材，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還為興趣濃厚且學(xué)有余力的學(xué)生創(chuàng)造了自學(xué)和鉆研提高的空間。

2.3 充分利用新媒體

移動互聯(lián)網(wǎng)和自媒體的發(fā)展，為教學(xué)提供了更多輔助手段，在測量學(xué)課程中充分發(fā)揮新媒體的優(yōu)勢，可以顯著改善GNSS技術(shù)與應(yīng)用的教學(xué)效果。當(dāng)今的大學(xué)生，成長在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的時代，他們思維活躍、個性強(qiáng)，對知識的內(nèi)容和形式要求較高。

在擴(kuò)充教材內(nèi)容、介紹GNSS新技術(shù)和新發(fā)展時，要充分利用新媒體的便利，使知識的形式更加生動。如網(wǎng)絡(luò)上有關(guān)于北斗系統(tǒng)組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射的最新消息，還有介紹北斗系統(tǒng)特點的視頻，可以把這些網(wǎng)絡(luò)資源以二維碼的形式嵌入到課件中，使學(xué)生通過掃描二維碼就可以在線瀏覽。此外，還可以把擴(kuò)充的GNSS知識點通過微信公眾號平臺推送給學(xué)生，學(xué)生在課后通過移動終端就可以隨時隨地學(xué)習(xí)相關(guān)知識。

需要注意的是，利用網(wǎng)絡(luò)資源時，教師不能淪為網(wǎng)絡(luò)信息的搬運工，相反，這對教師備課工作提出了更高的要求?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于GNSS技術(shù)及應(yīng)用有很多信息，特別是有很多關(guān)于北斗的信息，但是仔細(xì)閱讀會發(fā)現(xiàn)，這些信息有的是借北斗之名進(jìn)行商業(yè)炒作，對技術(shù)的介紹不夠?qū)I(yè)，甚至?xí)`導(dǎo)讀者，還有的雖然專業(yè)，但是主要針對科研工作者，不適合作為本科生教學(xué)素材。因此，教師要結(jié)合課堂實際，對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行甄別和篩選，需要以網(wǎng)絡(luò)資源為素材，進(jìn)行講解、評價和討論，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源、多媒體手段和課堂教學(xué)目標(biāo)的有機(jī)結(jié)合。

2.4 精心設(shè)計課堂

在課堂的形式上也要敢于創(chuàng)新，傳統(tǒng)的課堂學(xué)生參與度低，無法達(dá)到最佳教學(xué)效果；而且，從知識獲取的角度看，學(xué)生處于被動接受狀態(tài)，對知識的理解不夠深刻。GNSS技術(shù)及應(yīng)用屬于測繪學(xué)科前沿知識，適合學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)，教師在備課時，應(yīng)該充分利用這些特點，精心設(shè)計課堂情境，調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

筆者在GNSS教學(xué)實踐中嘗試了將辯論引入課堂教學(xué)，把學(xué)生分為兩組，圍繞“中國應(yīng)當(dāng)發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還是利用已有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”的辯題展開辯論。正方學(xué)生從國家安全、大國重器自主可控、北斗系統(tǒng)的特色等方面陳述觀點，反方學(xué)生則從用戶使用習(xí)慣、成本、兼容性等方面陳述。通過辯論，學(xué)生可以深入了解北斗和GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點，既增強(qiáng)了民族自豪感，又能讓學(xué)生通過冷靜思考意識到開展GNSS技術(shù)研究的必要性，從而找到今后努力的方向。

辯題是事先布置的，學(xué)生在為本方論點搜集支撐材料的過程中自主學(xué)習(xí)了北斗和GPS的系統(tǒng)構(gòu)成、信號體制、應(yīng)用場景等。自主學(xué)習(xí)的過程是面向問題的，而且還要對搜集到的材料進(jìn)行篩選、加工和組織，這樣學(xué)生對GNSS相關(guān)知識的掌握效果會比單純課堂講授和課后習(xí)題效果更好。由于辯論過程中學(xué)生自主發(fā)揮的空間大，需要知己知彼，靈活應(yīng)變，因此學(xué)生不僅需要掌握課本上的GNSS基礎(chǔ)知識，還要廣泛涉獵，了解GNSS最新發(fā)展，擴(kuò)大知識面。同時，學(xué)生還鍛煉了邏輯思維、語言表達(dá)能力和團(tuán)隊協(xié)作能力，增強(qiáng)了科學(xué)素養(yǎng)。

3 結(jié) 語

非測繪專業(yè)測量學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的提高有助于增進(jìn)相關(guān)專業(yè)學(xué)生對測量技術(shù)的了解，促進(jìn)不同學(xué)科之間的交叉融合，有助于提升GNSS等測量學(xué)新技術(shù)在相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用水平。教師是課堂教學(xué)的主導(dǎo)者，既是教學(xué)大綱的實踐者，也是教學(xué)大綱和教材修訂的推動者。測量學(xué)課程中GNSS技術(shù)日新月異，教師需要在教學(xué)過程中不斷把握新趨勢、適應(yīng)新變化， 妥善化解技術(shù)快速更新與教材相對滯后之間的矛盾，平衡傳統(tǒng)測繪技能與學(xué)科前沿知識之間的關(guān)系。

對待新媒體和網(wǎng)絡(luò)信息，教師要本著揚長避短的原則，善于去粗取精、去偽存真，真正讓移動互聯(lián)網(wǎng)助力課堂教學(xué)。在與時俱進(jìn)的過程中避免盲目跟風(fēng)，堅持學(xué)術(shù)和教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性和規(guī)范性，對于學(xué)科健康持續(xù)發(fā)展意義重大。在講授專業(yè)知識的過程中，注重學(xué)生基本能力和基本素養(yǎng)的全面提升，注重立德樹人，無論對于學(xué)生就業(yè)和繼續(xù)深造，還是對于GNSS新技術(shù)推廣和應(yīng)用水平的提升都大有益處。