對(duì)開設(shè)海洋技術(shù)專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程的思考

常 亮

（上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306）

0 引言

最近十年，隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，包含北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和美國GPS等系統(tǒng)在內(nèi)的GNSS技術(shù)受到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。GNSS在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，可以用于輔助各種類型的船舶導(dǎo)航、海上儀器或平臺(tái)定位、海面高度監(jiān)測(cè)、海冰厚度監(jiān)測(cè)等。GNSS原理與應(yīng)用主要講授GNSS衛(wèi)星定位、導(dǎo)航的基本原理，GNSS測(cè)量的設(shè)計(jì)與實(shí)施，常用的幾種GNSS儀器的組成及功能特點(diǎn)，通過該課程的教學(xué)，使學(xué)生了解GNSS測(cè)量的基本原理和一般方法，掌握使用常規(guī)GNSS儀器進(jìn)行測(cè)量操作和簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理等工作。GNSS原理與應(yīng)用也是上海海洋大學(xué)海洋技術(shù)專業(yè)的核心課程之一。但是，在過去八年左右的課程教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)仍停留在理論層面上，而且較為淺顯，缺乏對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的深入認(rèn)識(shí)。

本文主要針對(duì)在GNSS原理與應(yīng)用教學(xué)過程中，學(xué)生對(duì)相關(guān)重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)不夠深刻的現(xiàn)狀，探討了新開設(shè)基于Matlab專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程的可能性，以及關(guān)于該課程的相關(guān)設(shè)想，旨在推進(jìn)本專業(yè)同學(xué)對(duì)專業(yè)知識(shí)的深入理解。此外，為配合上海市教育委員會(huì)于2016年正式開展的上海大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃示范校的建設(shè)，還討論了基于本門課程的相關(guān)設(shè)想以更好地服務(wù)于本專業(yè)在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目指導(dǎo)過程。最終目的是提高海洋技術(shù)專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量，更好地培養(yǎng)專業(yè)人才。

1 GNSS原理與應(yīng)用教學(xué)過程中學(xué)生的潛在問題舉例

為了更好地探討新開設(shè)基于Matlab專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程的可能性，本文選取了幾個(gè)在GNSS原理與應(yīng)用課程教學(xué)過程中，在學(xué)生身上發(fā)現(xiàn)的對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)理解不夠深入的例子來進(jìn)行說明。

1.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在對(duì)GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理過程中（以GPS數(shù)據(jù)為例），最經(jīng)常會(huì)碰到的一類坐標(biāo)轉(zhuǎn)換就是空間直角坐標(biāo)和大地坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換。兩者之間的轉(zhuǎn)換，在課本中分別僅列出了2個(gè)相應(yīng)的公式進(jìn)行說明。但是，在實(shí)際轉(zhuǎn)換時(shí)，特別是在由空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至大地坐標(biāo)系坐標(biāo)時(shí)，需要關(guān)注的問題有很多。如最常見的迭代問題，以及在不同坐標(biāo)象限的問題等，這些問題的細(xì)節(jié)在課堂上對(duì)照公式進(jìn)行講解時(shí)，往往難以讓同學(xué)深刻認(rèn)識(shí)到公式轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該密切關(guān)注的問題。

1.2 衛(wèi)星位置計(jì)算

GPS衛(wèi)星的位置（坐標(biāo)）計(jì)算是開展GPS應(yīng)用的最基本工作之一，但是針對(duì)應(yīng)用的不同需求，可以選取的方法不一樣。其中，如果進(jìn)行事后高精度應(yīng)用時(shí)，可以直接選取GPS衛(wèi)星的精密星歷，然后通過拉格朗日、切比雪夫或者三角多項(xiàng)式等插值方法進(jìn)行計(jì)算即可。

但是，如果要進(jìn)行實(shí)時(shí)的GPS應(yīng)用，則需要根據(jù)廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星實(shí)時(shí)位置。在大多數(shù)GNSS教科書中，都直接給出了GPS衛(wèi)星位置的計(jì)算公式。但是，這些計(jì)算公式中的各個(gè)參數(shù)如何獲取，各個(gè)參數(shù)表達(dá)的具體意思等細(xì)節(jié)問題，還難以直接通過公式進(jìn)行深入認(rèn)識(shí)。

1.3 數(shù)據(jù)文件理解和認(rèn)識(shí)

RINEX（Receiver Independent Exchange Format）是GNSS領(lǐng)域內(nèi)最為重要的國際通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式之一，主要用于存儲(chǔ)和交換衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，是目前衛(wèi)星導(dǎo)航高精度接收機(jī)和相關(guān)軟件所必須遵循的一類標(biāo)準(zhǔn)。此外，GPS衛(wèi)星的精密軌道數(shù)據(jù)也有專門的儲(chǔ)存格式SP3。

在進(jìn)行GPS定位原理及相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行講授的過程中，需要用到GPS不同波段的各種觀測(cè)值，以及衛(wèi)星的坐標(biāo)，由于同學(xué)們對(duì)GPS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)格式與內(nèi)容的了解都不夠深刻，往往容易把多種與GPS相關(guān)的數(shù)據(jù)混淆，使得對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)容易出現(xiàn)偏差。

2 海洋技術(shù)專業(yè)特點(diǎn)

2.1 培養(yǎng)目標(biāo)

海洋技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)具備海洋科學(xué)與技術(shù)的基本理論知識(shí)，掌握海洋遙感地理信息、海洋測(cè)繪、水聲探測(cè)技術(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，能夠在海洋信息、遙感和地理信息系統(tǒng)（GIS），或海洋測(cè)繪、海洋勘察領(lǐng)域，或水下搜救與安全、水下施工等領(lǐng)域，利用各種海洋技術(shù)獲取海洋信息并展開行業(yè)應(yīng)用的應(yīng)用型人才，具備初步科學(xué)研究與管理能力的高素質(zhì)復(fù)合型人才?？梢钥闯?，GNSS相關(guān)課程是海洋技術(shù)的重點(diǎn)專業(yè)基礎(chǔ)課之一，因此，有必要基于此課程的改革方法進(jìn)行深入的探討。

2.2 培養(yǎng)規(guī)格

海洋技術(shù)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)海洋科學(xué)、遙感、GIS、測(cè)繪、水聲等方面的基本理論和基本知識(shí)，系統(tǒng)接受海洋信息探測(cè)、處理、分析、應(yīng)用的基本方法和技能訓(xùn)練。在此基礎(chǔ)上，按海洋信息處理與應(yīng)用、海洋測(cè)繪、水聲探測(cè)三個(gè)特色方向?qū)W(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)，畢業(yè)生應(yīng)獲得以下幾方面的知識(shí)和能力：

（1）掌握數(shù)學(xué)、物理和計(jì)算機(jī)等方面的基本理論和基本知識(shí)；

（2）掌握海洋科學(xué)、測(cè)繪學(xué)、水聲學(xué)、地理信息的基本理論和基本知識(shí)；

（3）掌握從事海洋探測(cè)和信息處理、分析和應(yīng)用的基本方法和技能；

（4）海洋信息方向應(yīng)掌握衛(wèi)星遙感、GIS、海洋信息獲取、處理的專業(yè)技術(shù)，具備利用衛(wèi)星遙感和GIS手段探測(cè)海洋的技能；海洋測(cè)繪方向應(yīng)掌握各類海洋測(cè)繪技術(shù)、海圖編制技術(shù)，具備海圖數(shù)據(jù)的采集、處理與成圖的技能；海洋水聲探測(cè)方向應(yīng)掌握水聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、水聲探測(cè)技術(shù)，具備利用水聲探測(cè)技術(shù)獲取和處理水下信息的技能；

（5）熟悉海洋和測(cè)繪的管理、政策和法規(guī)；

（6）了解海洋技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向及行業(yè)需求；

（7）在本專業(yè)領(lǐng)域具有一定的科學(xué)研究和實(shí)踐工作能力，具有較強(qiáng)的空間思考能力，具有一定的創(chuàng)新精神。

2.3 專業(yè)特色與特點(diǎn)

海洋技術(shù)專業(yè)學(xué)生在一年級(jí)主要學(xué)習(xí)并掌握計(jì)算機(jī)、數(shù)理及海洋學(xué)科的基本知識(shí)，為學(xué)習(xí)海洋技術(shù)核心課奠定基礎(chǔ)；二年級(jí)主要掌握遙感與GIS、測(cè)繪、水聲、海洋類基礎(chǔ)性課程；三年級(jí)開始分海洋信息、海洋測(cè)繪、水聲探測(cè)三個(gè)專業(yè)方向培養(yǎng)。

海洋信息方向重在通過遙感和GIS技術(shù)，進(jìn)行海洋觀測(cè)與資源環(huán)境調(diào)查，獲取近海和大洋的信息并進(jìn)行處理、分析與應(yīng)用；海洋測(cè)繪方向重在通過各種測(cè)繪工程和技術(shù)手段，進(jìn)行海洋測(cè)繪、海洋資源勘察、管理及海洋制圖等工作；水聲探測(cè)方向重在應(yīng)用掌握水聲探測(cè)技術(shù)，初步掌握水下機(jī)器人原理與設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)利用各類水聲設(shè)備和技術(shù)獲取和處理水下目標(biāo)信息。

同時(shí)，海洋技術(shù)專業(yè)中涉及的遙感、GIS、測(cè)繪等技術(shù)也適用于陸地和淡水資源勘測(cè)、地表信息調(diào)查與工程建設(shè)等。海洋技術(shù)專業(yè)入選了首批國家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，具有本、碩、博一體化人才培養(yǎng)體系。

3 教學(xué)改革方法

除了GNSS原理與應(yīng)用課程外，在海洋技術(shù)專業(yè)的海洋大地測(cè)量這門課程中也有類似的情況，也就是學(xué)生覺得書本上講授的內(nèi)容還不夠具體，影響了學(xué)生對(duì)相關(guān)問題的深入理解?？紤]到GNSS原理與應(yīng)用及相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)過程中因?yàn)閷?duì)數(shù)據(jù)格式等的認(rèn)識(shí)不夠具體，導(dǎo)致的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用存在的偏差問題，本文探討在專業(yè)課程講授過程中新增一門專業(yè)程序課程的必要性。

Matlab是目前最為流行的編程語言之一，由于其上手快，進(jìn)行矩陣運(yùn)算方便，具有較強(qiáng)的圖形顯示和處理能力，使得其在師生中的應(yīng)用比例非常高。為此，可以考慮在專業(yè)課程講授的同時(shí)，開設(shè)一門基于Matlab的專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程，讓學(xué)生拿到GNSS衛(wèi)星的相關(guān)數(shù)據(jù)后，實(shí)際動(dòng)手進(jìn)行編程操作。

同時(shí)，考慮到部分同學(xué)的程序設(shè)計(jì)能力可能比較一般，為了避免部分同學(xué)無法單獨(dú)完成相關(guān)程序設(shè)計(jì)，還可以考慮以3～4人的小組為單位，共同完成相關(guān)的程序設(shè)計(jì)工作，然后集中進(jìn)行討論，加深對(duì)GNSS定位和應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容的認(rèn)知。

值得說明的是，在部分學(xué)期的GNSS原理與應(yīng)用課程講授過程中，將部分課時(shí)設(shè)計(jì)成程序設(shè)計(jì)課程后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過程序設(shè)計(jì)鍛煉后，同學(xué)們對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解有了明顯的提升。因此，有必要今后專門開設(shè)一門海洋技術(shù)專業(yè)的專業(yè)課程序設(shè)計(jì)課程，且需要和理論講授課同步開展，而不是像現(xiàn)在不少課程在講授完成理論課程后，再開始程序設(shè)計(jì)的練習(xí)。

此外，在以往的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練中，由于部分專業(yè)教師在三年級(jí)才開始專業(yè)課的教學(xué)任務(wù)，導(dǎo)致部分專業(yè)課教師跟本專業(yè)低年級(jí)的學(xué)生聯(lián)系較少。但大一、大二等低年級(jí)的同學(xué)卻是大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的主力軍，為了讓學(xué)生充分參與到大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目中來，部分專業(yè)教師常常選擇由高年級(jí)的學(xué)生代為在低年級(jí)同學(xué)中進(jìn)行宣傳。過去這種方式不僅效率低，也使得學(xué)生和教師之間溝通和了解還不夠多。為了提高大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目的執(zhí)行力，讓更多的學(xué)生參與進(jìn)來，并且能夠通過參與項(xiàng)目提高自身的專業(yè)實(shí)踐能力，特開展了一下改革舉措：

（1）在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目申報(bào)開始之前，由專業(yè)教師提前在網(wǎng)上集中公布教師的個(gè)人簡(jiǎn)歷、聯(lián)系方式、指導(dǎo)題目、項(xiàng)目要求等，讓更多的學(xué)生綜合篩選感興趣的研究課題。

（2）為了促進(jìn)師生之間的互相了解，可以定期舉行低年級(jí)專業(yè)的師生見面會(huì)，讓教師多了解學(xué)生對(duì)本專業(yè)課程、方向等方面的認(rèn)識(shí)和想法，同時(shí)也可以讓學(xué)生對(duì)教師的研究方向、研究?jī)?nèi)容有個(gè)大體的認(rèn)識(shí)，為今后開展專業(yè)課程及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目的實(shí)施打下基礎(chǔ)。

（3）在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目的申請(qǐng)時(shí)，多建議高年級(jí)的學(xué)生尋找本專業(yè)或者相關(guān)專業(yè)的低年級(jí)的學(xué)生，形成一個(gè)跨年級(jí)的項(xiàng)目研究隊(duì)伍。此外，在項(xiàng)目實(shí)施的過程中，以項(xiàng)目為單位，加強(qiáng)項(xiàng)目組內(nèi)的學(xué)生之間的討論交流，并且與教師形成討論。

（4）以上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院創(chuàng)新班的設(shè)立為契機(jī)，加強(qiáng)創(chuàng)新班內(nèi)同學(xué)與導(dǎo)師之間的交流，為今后實(shí)施創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目的提前做好準(zhǔn)備。

4 結(jié)語

本文結(jié)合對(duì)以往GNSS原理與應(yīng)用課程的理論學(xué)習(xí)中遇到的理論知識(shí)認(rèn)識(shí)不夠深刻的問題，提出了同步開設(shè)一門專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程的構(gòu)想，并通過部分課程的改革實(shí)踐，同時(shí)服務(wù)于提高同學(xué)們?cè)诖髮W(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目中的真實(shí)參與度，以及真正地參與研究學(xué)習(xí)過程。該舉措將有利于加強(qiáng)教師與學(xué)生之間相互了解，提高教學(xué)質(zhì)量，并以此提高完善人才培養(yǎng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制、健全創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程體系和強(qiáng)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐，更好地培養(yǎng)海洋技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人才。