“北斗高性能導航與應用”教學模式創(chuàng)新、實踐與思考

王志鵬， 劉 凱

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京100191)

0 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國著眼于國家安全和社會經(jīng)濟發(fā)展需要，自主建設、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)從20世紀80年代開始建設，北斗一號系統(tǒng)于2000年年底建成，并向中國提供區(qū)域?qū)Ш椒?；北斗二號系統(tǒng)于2012年年底建成，并向亞太地區(qū)提供服務；北斗三號系統(tǒng)已于2020年7月31日正式開通，可為全球用戶提供基本導航(定位、測速、授時)、全球短報文通信、國際搜救服務，中國及周邊地區(qū)用戶還可享有區(qū)域短報文通信、地基增強、星基增強、精密單點定位等服務[1]。

北斗系統(tǒng)的航空導航應用作為北斗系統(tǒng)應用皇冠上的明珠，必將迎來高速發(fā)展。但是，全球航空導航應用市場長期被美國全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)占領，在GPS先發(fā)優(yōu)勢明顯、技術(shù)封鎖以及產(chǎn)品壟斷的國際形勢下，對于推進北斗航空導航的全球應用、奪回GPS占領的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satellite System)應用市場，這既是挑戰(zhàn)，同時也是機遇。一方面，北斗航空導航應用的全球化推廣，能有力地沖擊GPS應用的壟斷市場，奪回北斗航空導航應用的市場份額，促進北斗航空導航系統(tǒng)標準國際化；另一方面，北斗航空導航應用起步較晚，北斗航空導航產(chǎn)業(yè)剛剛起步，航空導航專業(yè)技術(shù)人才儲備嚴重不足，關(guān)于北斗航空導航教學實踐的內(nèi)容更是少之又少，嚴重影響了我國北斗航空導航人才的培養(yǎng)以及北斗航空導航技術(shù)的發(fā)展。

為此，根據(jù)我國北斗航空導航的現(xiàn)實需求以及未來北斗航空導航專業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，開展北斗航空導航專業(yè)教學和實踐迫在眉睫。針對當前北斗航空導航教學方面的空白，要勇于踏出第一步，促進教學改革，推進基礎、實踐和創(chuàng)新并行的課程理念，為培養(yǎng)高素質(zhì)的、專業(yè)的北斗航空導航一流人才而努力，從而進一步促進各大高校開展北斗航空導航以及相關(guān)科學技術(shù)前沿學科的人才培養(yǎng)。

依托北京航空航天大學電子信息工程學院國家空管新航行系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室在北斗航空導航與應用上的理論研究基礎，科研實踐成果以及相關(guān)研究平臺，將重大科研實踐項目轉(zhuǎn)變成教學實踐創(chuàng)新平臺。將北斗航空導航與應用教學實踐納入實驗研究體系中，構(gòu)建了北斗航空導航與應用創(chuàng)新實踐實驗室，給學生提供全面的實驗研究平臺。在夯實學生基礎理論知識的同時，提高學生將專業(yè)知識應用于應用實踐的能力，開拓學生眼界，促進北斗航空導航相關(guān)課程的全面發(fā)展。

本文以“學生學習為本”的教學基本思想，通過“四學一評”的創(chuàng)新教學模式，引導實現(xiàn)學生從被動式的“領學”到主動式的“自學”的轉(zhuǎn)化，在教學過程中使用陪同式的“伴學”培養(yǎng)學生的基礎專業(yè)理論知識到科研實踐的應用能力，利用交互式的“互學”培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作和創(chuàng)新思維能力，進而采用“全過程加權(quán)”的形式對學生的學習成果進行全面客觀的評價，針對我?！氨倍犯咝阅軐Ш脚c應用”課程教學中的問題，提出了在教學觀念、教學模式等方面的思考。

1 “四學一評”模式的創(chuàng)新與實踐

“北斗高性能導航與應用”課程是主要面向電子信息、通信及交通運輸?shù)葘I(yè)高年級本科生的一門專業(yè)研討課程。該課程以北斗發(fā)展和特色介紹為切入點，讓學生了解、熟悉我國的北斗；以北斗的高精度和高完好性應用為核心，通過基本原理介紹、典型示例展示，使得學生了解北斗在測繪、航空等領域的重要作用，并激發(fā)學生對北斗及其航空導航應用技術(shù)的興趣[2]。為培養(yǎng)學生的學習能力、表達能力、實踐能力，豐富課程內(nèi)容，提升學生自主學習的積極性和效率，以學?，F(xiàn)有資源最大限度地開拓學生視野，我們將課堂和課下學習時間劃分為領學、伴學、自學、互學四個部分，并制定了針對性的評價方案，激勵和督促學生主動高效地完成課程任務。

1)領學：“被動式”學習

“領學”是教學的主體部分，教師利用大部分課時時間，以傳統(tǒng)授課形式向?qū)W生教授本課程主要知識，其關(guān)鍵在于一個“領”字。“北斗高性能導航與應用”先修課程為數(shù)學分析、概率論、信號與系統(tǒng)等數(shù)學理論類課程，而本課程自身具有很強的前沿性、工程性、專業(yè)性。教師教授本課程需注重將基礎知識與專業(yè)知識相結(jié)合，理論推導與工程實現(xiàn)相結(jié)合，課本知識與高新應用相結(jié)合。

考慮到學生當前正處于由基礎理論課程學習到專業(yè)課程學習的轉(zhuǎn)換期，教師須重視引領學生將所學的自然科學、工程基礎和專業(yè)知識應用于解決復雜工程問題，在領學中重點突出以下三點：第一，鞏固學生基礎知識，加深對其中重點難點的理解；第二，將基礎理論中的抽象問題具象化，增強學生對本課程理論學習的直觀感受；第三，培養(yǎng)學生靈活運用數(shù)學手段及專業(yè)知識解決實際問題的能力，為以后的學習、研究和就業(yè)打下良好的基礎。

2)伴學：“陪同式”學習

為做到學生與課程內(nèi)容“零距離”接觸，使書本知識“看得見”、前沿成果“摸得著”，本課程充分利用實驗室現(xiàn)有的科研資源與前沿研究成果，安排學生進實驗基地參觀學習。目前開放的參觀內(nèi)容主要包括：北斗高精度位置網(wǎng)及其在交通領域的應用(該成果獲2018年國家科技進步一等獎)、全球電離層監(jiān)測預測系統(tǒng)、空基增強系統(tǒng)完好性預測系統(tǒng)(該系統(tǒng)已應用于中國民用航空局空管局和多個機場/航空公司)、地基增強系統(tǒng)(GBAS)完好性監(jiān)測系統(tǒng)(該系統(tǒng)已安裝于山東東營勝利機場)、完好性評估系統(tǒng)(對標美國聯(lián)邦航空局FAA建設的GBAS完好性測評系統(tǒng))，涉及理論知識覆蓋了本課程主要開設內(nèi)容，且綜合度高，前沿性強。

參觀環(huán)節(jié)先由實驗基地工作人員進行講解和操作演示，再由學生實機操作體會，鼓勵學生在參觀過程中積極提問、質(zhì)疑，由教師解答。講解力求源于課本而高于課本、有深度、有廣度；操作演示做到步驟清晰、目標明確；摒棄傳統(tǒng)參觀“第三人稱”式旁聽，使學生以實驗室一員的身份，融入到科研一線。

3)自學：“主動式”學習

本課程增加學生實驗環(huán)節(jié)，以課堂介紹的高精度處理方法和高完好性處理方法為基礎，提供北斗實測數(shù)據(jù)和飛行測試數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學生初步數(shù)據(jù)處理的能力，加深對相關(guān)方法的理解，并鼓勵提出改進。設計實驗如：根據(jù)數(shù)據(jù)的物理含義，利用高精度處理方法，選擇誤差消除模型，進行星歷、星鐘、對流層、電離層、多路徑等誤差的消除；對單頻或多頻信號進行整周模糊度解算等。

課外教學要求學生研讀北斗、GPS、GLONASS、Galileo及與本課程相關(guān)的前沿技術(shù)研究相關(guān)文獻，引導學生查找并撰寫綜述性論文，使學生能初步掌握一般科技論文的寫作技巧，為以后從事研究性學習和工作奠定基礎。自北航開設本課程以來，學生就量子導航、脈沖星導航等前沿技術(shù)研究現(xiàn)狀、存在問題及未來發(fā)展展望充分調(diào)研，撰寫結(jié)課報告，教學效果顯著。

4)互學：“交互式”學習

“互學”以“自學”為基礎，是“自學”的補充和發(fā)展?！盎ァ斌w現(xiàn)在師生位置互換、學生之間互助。展示交流環(huán)節(jié)將學生以4-5人/組進行劃分，根據(jù)“自學”過程中實驗內(nèi)容選擇不同的數(shù)據(jù)，或者課堂教學環(huán)節(jié)中提出的主題進行小組探究。教師對小組提供指導意見，并監(jiān)督各小組進展情況。各小組可以利用ppt、視頻等形式做展示演講，由教師和其他小組成員進行提問和討論，鼓勵學生采用不同的展示形式有效展示自己團隊的風采。培養(yǎng)學生具有良好總結(jié)能力、表達能力和協(xié)作能力，充分體現(xiàn)了“學生主體、教學相長”的教學思想，發(fā)揮學生在教學過程中的主動性、思辨性和實驗性，積極培養(yǎng)學生研究性學習習慣。

5)評價機制：全過程精細化加權(quán)

針對教學的各階段設計精細化的考核方式?？己隧椖糠譃榧薪虒W、實驗成果、小組討論、結(jié)課論文及個人表示五部分，對上述每個學習部分進行全過程精細化加權(quán)評價。具體評價標準如表1所示。

表1 “北斗高性能導航與應用”考核方式

2 創(chuàng)新教學模式的再思考

通過“四學一評”教學模式，能夠大大促進師生之間的交流，提升學生學習的積極性。但任何一種教學模式，都不可能盡善盡美，適用于所有學生和教師。只有在現(xiàn)有教學模式的基礎上，通過教師和學生的不斷磨合，通過對創(chuàng)新學習模式的再思考，才能不斷在教學模式創(chuàng)新的路上收獲經(jīng)驗，并找到最適合當前教師、學生、包括所授課程的教學模式[3]。此外，合理應用更多的教育資源有利于教師引進新的教學模式，并進一步提升教學觀念，優(yōu)化教學進程。具體的措施包括：

1)交流互鑒找差距

北斗航空導航應用知識涉及面寬且更新速度快。不同授課教師的專精領域有所差別。不局限于本課程，很多學科都有類似的特點。因此同一課程不同教師之間的交流、同類課程不同學校之間的交流以及國際交流都能充分促進教師對整個課程的融合貫通，充分發(fā)揮教師在不同專精領域的前沿優(yōu)勢。教師間交流效率高、平臺高，有利于促進教師基于同行教師的專精領域從不同的切入點重新審視自己的專精領域，并提升對學科的進一步理解。

2)以賽促學抓落實

目前北京市教育工會定期舉辦的各類教學比賽規(guī)模逐漸擴大，賽事規(guī)則逐漸完善。例如北京市青年教師教學基本功大賽，作為北京市教育工會的品牌活動，歷經(jīng)22年工作的打磨，目前每一屆都吸引著各大名校的教師參加比賽。帶領學生，參加學校、北京市等組織的各類教學比賽，能幫助教師聚焦課堂教學，提升教學水平，通過比賽的形式助力青年教師的發(fā)展和成長，并全面提升教學質(zhì)量和培養(yǎng)水平。習近平總書記在2018年全國教育大會上強調(diào)，做教師就要執(zhí)著于教書育人。每個教師都要愛惜這份職業(yè)，心存敬畏，不斷完善自己。同時，高校青年教師教學能力的培養(yǎng)與提高，對于提高高校整體的教學質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量，加強師資隊伍建設，促進高校的可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的意義。通過參加教學比賽，能夠在一定程度上彌補青年教師育人經(jīng)驗的缺乏以及教學藝術(shù)和技巧等方面的不足，同時也引導他們關(guān)注和了解現(xiàn)代教育理念和教學現(xiàn)狀，培育他們的責任意識，創(chuàng)新意識和服務意識。

3)學以致用促教學

在新的教學模式下，只有課本上的理論學習是遠遠不夠的，通過參加各種學生應用(如：“北斗杯”全國青少年科技創(chuàng)新大賽、“北斗+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等)中有利于學生發(fā)現(xiàn)課本、教材中的不足，并反饋給老師，以此反過來促進教學，構(gòu)成良性循環(huán)。同時，參加應用比賽能促進學生大膽創(chuàng)意、動手創(chuàng)造、勇于創(chuàng)業(yè)，進一步提高學生的科技創(chuàng)新能力和意識，服務于“兩領”人才的培養(yǎng)工作。開展學生應用活動，對于傳承和發(fā)揚創(chuàng)新和實踐精神、營造科技創(chuàng)新實踐氛圍、提高學生科技創(chuàng)新實踐意識和能力起著不可替代的積極作用。此外，良好的校園科技文化氛圍有利于培養(yǎng)優(yōu)秀的學生科技骨干，由學生科技骨干領導新的科技小組，形成健康的科技學術(shù)生態(tài)圈，在合作與競爭中充分利用書本上學習的知識，事半功倍，并為日后的繼續(xù)深造學習提供源動力。

3 結(jié)語

本文主要針對“北斗高性能導航與應用”教學中的教學模式創(chuàng)新和實踐問題，提出“四學一評”的教學創(chuàng)新與實踐模式，利用“被動式”的領學，夯實學生的北斗航空導航基礎和專業(yè)知識；采用“陪伴式”的伴學為學生搭建北斗航空導航基礎專業(yè)知識與北斗航空導航應用科研創(chuàng)新應用實踐之間橋梁；提倡“主動式”的自學，引導學生自主學習，提高學生獨自思考和解決問題的能力；開展“交互式”的互學，教學相長，學學相長，促進學生和教師共同進步；進一步采用全過程加權(quán)的評價機制，對學生的學習成果進行科學客觀全面的評價?！氨倍犯咝阅軐Ш脚c應用”教學模式的創(chuàng)新與實踐，目的在于讓學生親身參與從北斗航空導航基礎專業(yè)知識學習到北斗航空導航科研應用實踐的全過程，將學生培養(yǎng)成北斗航空導航方面的專業(yè)性人才和創(chuàng)新性人才。同時，要在現(xiàn)有教學模式的基礎上，通過教師和學生之間的交流反饋推進創(chuàng)新學生學習模式的再思考，不斷在教學模式創(chuàng)新的路上收獲經(jīng)驗，合理應用各類教學資源提升教學觀念、優(yōu)化教學進程，找到最適合當前教師、學生及課程的教學模式。