《GPS原理與應(yīng)用》課程教學(xué)的思考

鄒蓉，黃海軍

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

1 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在測繪等行業(yè)和領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景，因此衛(wèi)星導(dǎo)航定位課程也已成為高等學(xué)校各相關(guān)專業(yè)的一門重要課程。該課程對于測繪工程專業(yè)而言，是一門專業(yè)必修課［1］;然而隨著GPS的應(yīng)用越來越廣泛，遙感、地理信息系統(tǒng)、勘探地球物理、地質(zhì)等專業(yè)也都相繼開設(shè)了《GPS原理與應(yīng)用》的選修課［2～5］。本文以中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)開設(shè)的《GPS原理與應(yīng)用》為例，介紹該課程教學(xué)中，根據(jù)教學(xué)對象的專業(yè)背景不同，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，合理安排教學(xué)實(shí)驗(yàn)，并針對性的設(shè)置課程設(shè)計(jì)。同時根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中遇到的若干問題，提出相應(yīng)課程建設(shè)的教學(xué)改革意見，與相關(guān)教學(xué)同仁共同學(xué)習(xí)討論。

2 課程教學(xué)改革的實(shí)踐

2.1 針對培養(yǎng)目標(biāo)，優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容

對于測繪工程專業(yè)的學(xué)生，本課程有40課時的課程講授和一周的教學(xué)實(shí)習(xí);對非測繪工程專業(yè)(遙感、地理信息系統(tǒng)、勘探地球物理等)學(xué)生，本課程含32課時的課程講授和8課時的教學(xué)實(shí)習(xí)。課程講授內(nèi)容主要涉及各種全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展、前景;GPS測量中涉及的坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng);衛(wèi)星運(yùn)動的基礎(chǔ)知識;GPS系統(tǒng)的組成與衛(wèi)星信號;GPS定位的誤差源;距離測量與定位方法原理;GPS測量的設(shè)計(jì)與實(shí)施;GPS數(shù)據(jù)采集與GPS數(shù)據(jù)處理;GPS在各領(lǐng)域中的應(yīng)用。課程講述的難點(diǎn)主要在載波相位測量的原理和觀測值的線性組合;對于測繪工程專業(yè)的學(xué)生，還需重點(diǎn)講述周跳的探測和修復(fù)、整周模糊度的確定等難度較深的內(nèi)容;對非測繪工程專業(yè)，則重點(diǎn)講述GPS與其專業(yè)的結(jié)合以及在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。對于測繪工程專業(yè)的學(xué)生，除了開設(shè)GPS原理與應(yīng)用，還開設(shè)了相應(yīng)的配套課程，例如GPS測量數(shù)據(jù)處理、GPS測量與數(shù)據(jù)處理實(shí)習(xí)及衛(wèi)星導(dǎo)航定位算法與程序設(shè)計(jì)等;對非測繪工程專業(yè)的學(xué)生而言，不僅需要在有限的32課時課堂教學(xué)中講授GPS原理與方法，還需補(bǔ)充講述GPS測量與數(shù)據(jù)處理，并安排外業(yè)觀測和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理實(shí)習(xí)。

2.2 根據(jù)專業(yè)特色，合理安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)

測繪工程專業(yè)學(xué)生的GPS教學(xué)實(shí)習(xí)為期一周，在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)秭歸實(shí)習(xí)基地進(jìn)行，該基地布設(shè)有GPS實(shí)習(xí)控制網(wǎng)，是一個涵蓋測繪學(xué)科多門?？普n的綜合實(shí)習(xí)基地。目前秭歸實(shí)習(xí)基地有覆蓋三峽大壩庫區(qū)的14個GPS觀測墩組成的GPS實(shí)習(xí)控制網(wǎng)，是GPS靜態(tài)測量實(shí)習(xí)的主要場地;同時還開展GPS實(shí)時動態(tài)測量(RTK)，進(jìn)行地形圖測繪和放樣;上機(jī)數(shù)據(jù)處理實(shí)習(xí)包括GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)的預(yù)處理和高精度的數(shù)據(jù)處理。

非測繪專業(yè)的學(xué)生GPS教學(xué)實(shí)習(xí)在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)校園內(nèi)進(jìn)行，一共有8課時，其中4課時用于野外實(shí)習(xí)，另外4課時用于上機(jī)數(shù)據(jù)處理實(shí)習(xí)。野外實(shí)習(xí)以GPS認(rèn)知實(shí)習(xí)和簡單的操作為主，靜態(tài)觀測主要包括GPS接收機(jī)的選點(diǎn)、架設(shè)、開機(jī)測量、關(guān)機(jī)等基本操作;動態(tài)實(shí)習(xí)主要包括基準(zhǔn)站系統(tǒng)的架設(shè)、基準(zhǔn)站的設(shè)置、流動站系統(tǒng)的安裝、流動站的啟動、獨(dú)立點(diǎn)測量和連續(xù)采集地形點(diǎn)等簡單操作。由于時間有限，非測繪工程專業(yè)的外業(yè)實(shí)習(xí)不像測繪工程專業(yè)的外業(yè)實(shí)習(xí)那么仔細(xì)和全面。其相應(yīng)的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理實(shí)習(xí)，主要采用TEQC軟件進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢測和用商業(yè)軟件進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)處理，野外實(shí)習(xí)目的是了解GPS野外作業(yè)的方式和模式和用商業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測和基本的數(shù)據(jù)處理方法。

實(shí)踐教學(xué)均以小組為單位進(jìn)行，每個小組5人～6人，要求小組成員之間團(tuán)結(jié)協(xié)作、共同完成實(shí)習(xí)任務(wù)，進(jìn)而培養(yǎng)和提高利用所學(xué)理論知識解決實(shí)際問題以及通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成復(fù)雜項(xiàng)目的能力。

2.3 結(jié)合學(xué)生興趣，設(shè)置課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

本課程的教學(xué)內(nèi)容中，增加了課程設(shè)計(jì)，這是相對傳統(tǒng)教學(xué)的創(chuàng)新之處，目的是為了充分調(diào)動不同專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的積極性。課程設(shè)計(jì)以5人～6人的小組為單位，成員自由組合，分成兩種形式:形式Ⅰ是搜集自己感興趣的GPS應(yīng)用方面的資料，制作幻燈片，選派一名代表在課堂上進(jìn)行演講(15 min以內(nèi))，小組全體成員共同回答其他同學(xué)和老師的提問，每小組提交一篇與演講內(nèi)容相關(guān)的GPS應(yīng)用綜述論文;形式Ⅱ是結(jié)合自己的興趣點(diǎn)與專業(yè)特長，基于某個開發(fā)平臺，完成GPS應(yīng)用的實(shí)例并進(jìn)行演示，每小組提交一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告，內(nèi)容涵蓋每個小組成員的分工、設(shè)計(jì)架構(gòu)、完成效果等內(nèi)容。從提交的課程報(bào)告來看，選擇上述兩種形式的學(xué)生各占一半，選取形式Ⅰ的小組查閱了大量文獻(xiàn)資料，分析了國內(nèi)外的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，并進(jìn)行全面的歸納總結(jié);選取形式Ⅱ的小組普遍具有較強(qiáng)的動手能力，基于遙感、地理信息系統(tǒng)等相關(guān)平臺，自己編程實(shí)現(xiàn)了GPS在旅游、物流、公共安全、智能公交、車載定位、尋人系統(tǒng)、管線巡檢、車輛監(jiān)控調(diào)度、導(dǎo)航電子地圖、農(nóng)田洪澇災(zāi)害、暴雨預(yù)報(bào)、水質(zhì)污染監(jiān)測、時間同步系統(tǒng)等多領(lǐng)域的應(yīng)用。新采用的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，極大地調(diào)動了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，通過查閱資料或者動手編程，很直觀地將GPS應(yīng)用到所學(xué)的或者感興趣的領(lǐng)域。

2.4 改變考核模式，全面提高教學(xué)質(zhì)量

隨著教學(xué)模式的調(diào)整，考核方式也需要隨之改變，進(jìn)而保證良好的教學(xué)效果。最終的課程成績不再以單一的統(tǒng)考為標(biāo)準(zhǔn)，而是采取平時成績、實(shí)習(xí)成績和課程設(shè)計(jì)成績相結(jié)合的方式，分別占20%，30%和50%的比例。平時成績主要包括上課考勤、課堂紀(jì)律、課堂作業(yè)和課堂表現(xiàn)，其中課堂表現(xiàn)占平時成績的一半，包括提問、回答問題和對課堂演講的點(diǎn)評，鼓勵學(xué)生在課堂上積極思考問題，增強(qiáng)主動學(xué)習(xí)意識;實(shí)習(xí)成績包括GPS外業(yè)實(shí)習(xí)、GPS數(shù)據(jù)處理內(nèi)業(yè)實(shí)習(xí)和實(shí)習(xí)報(bào)告;課程設(shè)計(jì)成績占總成績的一半，比重大幅度增加，該部分主要考查學(xué)生自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)的能力，該部分成績以小組為單位考核，根據(jù)課堂演示和課程報(bào)告綜合給分，對于有突出表現(xiàn)的小組，實(shí)行加分制?？己四Ｊ降母淖?，可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有利于更好地發(fā)揮團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，更重要的是可以全面提高教學(xué)質(zhì)量。

3 GPS原理與應(yīng)用教學(xué)進(jìn)一步改革的思考

通過近幾年的教學(xué)實(shí)踐，《GPS原理與應(yīng)用》的教學(xué)改革在學(xué)生中引起了較大的反響，收到了明顯的效果，但也存在一些問題，需要進(jìn)一步加大改革的力度。

3.1 加強(qiáng)實(shí)習(xí)基地建設(shè)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)科研資源共享

目前GPS實(shí)習(xí)的控制網(wǎng)主要集中在三峽大壩上游庫區(qū)，計(jì)劃在三峽大壩下游也建設(shè)相應(yīng)的GPS觀測敦，GPS埋石布點(diǎn)充分考慮結(jié)合利用中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在秭歸實(shí)習(xí)基地內(nèi)的GNSS基準(zhǔn)站。新的GPS實(shí)習(xí)控制網(wǎng)的建立，將對三峽大壩形成全覆蓋，而三峽工程庫區(qū)又是中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)的重要科研基地，其課題研究需要大量的測繪成果資料。實(shí)習(xí)成果資料不能局限于評定學(xué)生的成績，合理利用學(xué)生的實(shí)習(xí)資料成果，將學(xué)生每年實(shí)習(xí)的成果數(shù)據(jù)累積起來，可用于三峽大壩變形監(jiān)測和地質(zhì)災(zāi)害等相關(guān)研究。因此加強(qiáng)實(shí)習(xí)基地建設(shè)，建立一個優(yōu)化、實(shí)用、多功能、數(shù)字化、開放型的測繪實(shí)習(xí)基地，實(shí)現(xiàn)教學(xué)科研數(shù)據(jù)共享，真正做到教學(xué)科研相結(jié)合。

3.2 瞄準(zhǔn)學(xué)科發(fā)展前沿，更新教學(xué)內(nèi)容

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)近幾年的發(fā)展非常迅速，教材更新速度較慢，教師的講述不能只局限于教材內(nèi)容，尤其在GPS應(yīng)用方面，因此要瞄準(zhǔn)學(xué)科發(fā)展前沿，將全球衛(wèi)星定位技術(shù)的最新進(jìn)展引入教學(xué)。例如，中國自主發(fā)展的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其在軌衛(wèi)星每年都在增加，相應(yīng)的應(yīng)用也不斷更新，這就要求將教學(xué)與學(xué)科發(fā)展前沿有效地進(jìn)行銜接。鼓勵老師在備課中，結(jié)合GPS最新的技術(shù)與應(yīng)用給學(xué)生講解，及時更新教學(xué)內(nèi)容;同時也應(yīng)該激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，鼓勵學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)、圖書館等平臺查閱相應(yīng)的補(bǔ)充知識。

3.3 提高教師綜合素質(zhì)，改善教師梯隊(duì)

《GPS原理與應(yīng)用》課程的講述對教師的要求比較全面，其中GPS原理部分的講授涉及較多公式推導(dǎo)，如載波相位測量的原理、觀測值的線性組合等內(nèi)容，這些既是難點(diǎn)也是重點(diǎn)，教師不容易清晰表述，學(xué)生也難以掌握;GPS應(yīng)用方面，要求教師關(guān)注研究動態(tài)，能結(jié)合學(xué)生的興趣點(diǎn)將最新的應(yīng)用以學(xué)生能接納的形式講好。因此，教師綜合素質(zhì)的提高，對于課程教學(xué)有著相當(dāng)重要的意義。充分發(fā)揮老教師在教學(xué)方面的優(yōu)勢，建設(shè)好課程小組，加強(qiáng)對青年教師的培養(yǎng)，以老帶新，建立完善的教師梯隊(duì)，全面提升青年教師的指教能力，為教師提供更多外出交流學(xué)習(xí)的機(jī)會，全面提高老師的整理理論和教學(xué)水平。

4 結(jié)語

當(dāng)前全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)展迅猛，尤其是中國北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的迅速發(fā)展，全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)多個領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要作用。《GPS原理與應(yīng)用》課程教學(xué)需要不斷改革創(chuàng)新，緊跟行業(yè)和時代發(fā)展的需要，為社會培養(yǎng)更多“基礎(chǔ)厚、素質(zhì)高、能力強(qiáng)”的人才作貢獻(xiàn)。

［1］魏二虎，暢柳，李征航.GPS測量與數(shù)據(jù)處理系列課程教學(xué)的若干思考［J］.測繪信息與工程，2012，37(3):44～46.

［2］魏二虎，黃勁松.GPS測量操作與數(shù)據(jù)處理［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2008.

［3］李征航，黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2009.

［4］徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)等.GPS測量原理及應(yīng)用［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2004.

［5］李征航，魏二虎，黃勁松.關(guān)于衛(wèi)星應(yīng)用專業(yè)設(shè)置及其定位的若干思考［J］.測繪信息與工程，2005，30(2):49～51.