閆 飛 馮仲科 王瑞瑞

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083)

面向林業(yè)的“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革初探

閆 飛 馮仲科 王瑞瑞

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083)

結(jié)合我國林業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)飛速發(fā)展和應(yīng)用的需求，為了使“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程講授更加生動便于理解，使學(xué)生在掌握經(jīng)典衛(wèi)星技術(shù)理論體系的基礎(chǔ)上提升學(xué)生實踐動手能力和探索創(chuàng)新意識，對“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程改革的必要性進行了探討，并從改進教學(xué)內(nèi)容，合理安排理論、實驗課程，強化實習(xí)實踐環(huán)節(jié)，加強人文思考4個方面提出了教學(xué)改革的措施。經(jīng)過筆者的初步實踐，學(xué)生在理論知識的理解、實踐技能的提高等方面取得了較好的成效。

衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用；北斗系統(tǒng)；林業(yè)院校；教學(xué)改革

自20世紀70年代以來，隨著人類空間探測技術(shù)的飛速發(fā)展，目前已形成了由美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo和我國自行研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(compass navigation satellite system，簡稱CNSS)所組成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，簡稱GNSS)，該系統(tǒng)在軍事、測繪、通信、交通運輸、資源調(diào)查、農(nóng)林牧漁、時間比對、大氣研究、氣象預(yù)報、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。其中，就林業(yè)而言，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在林業(yè)精細化監(jiān)測和管理方面發(fā)揮著巨大作用，能夠為林業(yè)資源調(diào)查、森林防火和應(yīng)急指揮、病蟲害監(jiān)測和防治等林業(yè)核心業(yè)務(wù)提供實時準確的位置定位信息、發(fā)生范圍信息和導(dǎo)航服務(wù)[1-2]。

“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程作為北京林業(yè)大學(xué)地理信息系統(tǒng)學(xué)科的核心專業(yè)課程之一，其內(nèi)容主要包括衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的系統(tǒng)組成、導(dǎo)航定位基本原理、數(shù)據(jù)的采集和處理以及其在各行業(yè)中的應(yīng)用，并一直以美國的GPS系統(tǒng)為主。近年來，由于新技術(shù)、新系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)，尤其是我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的使用，致使原來“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程的教學(xué)內(nèi)容更新不及時、相對陳舊。同時，由于該課程理論知識涉及的專業(yè)面較廣、理論與實踐銜接的不夠緊密等原因，學(xué)生難以抓住學(xué)習(xí)的重點，從而影響了學(xué)生對衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。為此，筆者對“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革的必要性和教學(xué)改革的具體措施進行了探討。

一、“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革的必要性

(一)適應(yīng)我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的需求

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(CNSS)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2014年11月23日，國際海事組織海上安全委員會正式將中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)納入全球無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是繼美國GPS、俄羅斯GLONASS之后第3個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[3]。建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，對于提高我國的國際地位，促進經(jīng)濟社會的發(fā)展，保障國家安全等許多方面具有重大特殊的意義。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為國家的基礎(chǔ)設(shè)施，既是一項長期推進的計劃，又是國家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的支撐和保障。由此可見，向當代大學(xué)生及時講授和普及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是非常必要的。

(二)適應(yīng)我國衛(wèi)星導(dǎo)航林業(yè)應(yīng)用的要求

自1995年美國宣布GPS具有完全工作能力以來，衛(wèi)星導(dǎo)航在林業(yè)上的應(yīng)用研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。然而，我國林業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用一直以來多依賴于美國的GPS系統(tǒng)，且受限于該系統(tǒng)衛(wèi)星星座布網(wǎng)的特殊性和我國林地的復(fù)雜性，使得衛(wèi)星導(dǎo)航在林區(qū)的實際應(yīng)用存在衛(wèi)星信號差或信號失鎖、多路徑效應(yīng)強等問題，致使林區(qū)定位精度低或者無法進行衛(wèi)星定位[4]。而我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于其特有的GEO(地球同步軌道)和IGSO(傾斜地球同步軌道)高軌道衛(wèi)星布網(wǎng)特點，能使我國全境域內(nèi)接收到更多更穩(wěn)定的衛(wèi)星數(shù)量和信號，即使在受樹木、高樓等阻擋的惡劣環(huán)境下也可以較美國的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)接收到更多的可視衛(wèi)星[5]，從而提高林下定位的準確性和精密度。為此，2012年國家林業(yè)局在全國林業(yè)工作會議上提出，加快推進北斗衛(wèi)星導(dǎo)航林業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)，黑龍江、內(nèi)蒙古等省份相繼開展了“林業(yè)生態(tài)建設(shè)與保護北斗示范應(yīng)用系統(tǒng)工程”“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在林業(yè)中的示范應(yīng)用工程”等重大示范項目的建設(shè)工作，并取得了良好的效果。

由此可見，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)得到了我國的高度重視。但在林業(yè)類高校中，與衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)的教學(xué)工作未得到有效的開展，很多高校僅僅簡單地介紹相關(guān)的內(nèi)容，這嚴重地阻礙了衛(wèi)星導(dǎo)航這一高新技術(shù)在林業(yè)中的推廣和應(yīng)用。

二、“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革的探索

GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)涉及衛(wèi)星軌道理論、偽噪聲編碼技術(shù)、微波與天線、鎖相環(huán)路技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)和大地測量技術(shù)等諸多內(nèi)容，是一門綜合性的高新技術(shù)[6]。筆者調(diào)研旁聽了多個高校的“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程，發(fā)現(xiàn)普遍存在教師講解生硬、知識體系復(fù)雜、重點不夠突出等問題，致使學(xué)生難以理解該門課程的教學(xué)內(nèi)容。因此，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并與當下需要精準位置信息的熱門技術(shù)，如車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、增強現(xiàn)實技術(shù)(augmented reality，簡稱AR)等，有效地結(jié)合，是筆者重點探討的教改內(nèi)容之一。

(一)結(jié)合林業(yè)專業(yè)特點，改革教學(xué)內(nèi)容

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是一種涉及多學(xué)科的綜合性高新技術(shù)，學(xué)生完全透徹地掌握其原理體系需要具備多學(xué)科的相關(guān)知識。此外，全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，上至航空、航天，下至工業(yè)、漁業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活，已經(jīng)無所不在，可以說“僅受人類想象力的制約”。因此，如何在有限的課程學(xué)時內(nèi)，在教學(xué)內(nèi)容上做出相應(yīng)的改進，使學(xué)生掌握經(jīng)典的GPS理論知識的同時，結(jié)合林業(yè)應(yīng)用的發(fā)展需求，有重點地突出我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)和工作中的應(yīng)用，是“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革的重要環(huán)節(jié)。

目前，“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容主要包括：緒論、GNSS測量中所涉及的時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)、GPS中的誤差源、距離測量與定位方法、GPS測量與數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。筆者依據(jù)教學(xué)改革的需要，增加了新的教學(xué)內(nèi)容，并對經(jīng)典的GPS內(nèi)容進行了適當?shù)膭h減，具體改進措施如下。①第一章緒論。在現(xiàn)有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)介紹中大篇幅地加入了我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及與美國GPS相比所具有的優(yōu)勢等內(nèi)容，增加了1學(xué)時的內(nèi)容。②第二章GNSS測量。在GNSS測量所涉及的時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)中，加入了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所采用的時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)，并講解了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與美國GPS的不同點及相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。③第四章GPS中的誤差源。將電離層、對流層對GPS信號時延模型的內(nèi)容進行了適當刪減，并將刪減的部分作為課后拓展閱讀的內(nèi)容。④增加了新的章節(jié)內(nèi)容。在講授完第五章距離測量和定位方法后，增加了1課時的全球定位系統(tǒng)在各行業(yè)應(yīng)用情況的介紹，尤其重點介紹和講解其在林業(yè)中的應(yīng)用。

(二)合理安排理論教學(xué)與課程實驗，使兩者相輔相成

“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革，改變了原有的理論知識內(nèi)容講完后再進行實驗教學(xué)的模式?，F(xiàn)在邊教學(xué)邊實驗的教學(xué)模式，使理論實驗緊密聯(lián)系、相輔相成，有利于及時加強和鞏固學(xué)生對知識的理解和掌握。例如，第五章距離測量和定位方法，教師在講授相應(yīng)的理論知識后，應(yīng)當緊跟實驗教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生體會偽距碼測距和載波相位測距方法之間的異同點以及絕對單點定位和相對定位模式之間的差異；又例如，教師在講授北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在林業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用后，為學(xué)生安排了林下北斗定位、模擬森林火災(zāi)發(fā)生位置定位等相關(guān)實驗，讓學(xué)生了解、認識北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用。

由于北京林業(yè)大學(xué)地理信息系統(tǒng)學(xué)科近年來引進了一批先進的衛(wèi)星測量儀器，包括GPS手持接收機、三鼎T-23型GNSS多頻多星接收機等，所以教師應(yīng)鼓勵學(xué)生充分利用這些先進的衛(wèi)星測量儀器，不限實驗時間、地點進行多練多想，培養(yǎng)他們勤于動手、勤于思考的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣。

(三)強化實習(xí)環(huán)節(jié)，提升專業(yè)應(yīng)用能力

在“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”理論與實驗課程結(jié)束后，北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院專門為學(xué)生安排了1周的“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程綜合實習(xí)。在實習(xí)過程中，教師要求學(xué)生自行整合所學(xué)的知識內(nèi)容，在劃定的實驗條件下(如實驗儀器、實驗場地安排)，以小組為單位進行實習(xí)內(nèi)容的設(shè)計，并開展實習(xí)活動。從衛(wèi)星定位前期規(guī)劃和準備、外業(yè)數(shù)據(jù)的采集和工作調(diào)度、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的精度檢驗和坐標解算到最終的成果輸出、報告上交，均由學(xué)生親自設(shè)計和完成。教師在該過程中僅輔以相應(yīng)的把關(guān)和指導(dǎo)，允許學(xué)生犯錯誤，但一定要督促學(xué)生找出犯錯的原因，并對犯錯的原因進行詳細地分析和反思。筆者相信，經(jīng)過1周緊張嚴格的實習(xí)訓(xùn)練，學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用能力得到了提升，為其今后從事本專業(yè)學(xué)習(xí)和工作奠定了扎實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)技能。

(四)注重人文思考，發(fā)掘?qū)W生的興趣點和激發(fā)創(chuàng)新意識

高等教育不僅重在“教書”更要“樹人”，只有充分激發(fā)當代大學(xué)生的求知欲望和探索精神，才能為我國科技創(chuàng)新事業(yè)不斷輸送新鮮血液。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是人類對自身空間信息獲取的又一項革命性技術(shù)，它使人類更清晰、精確、便捷地了解自己所處的位置，包括在地球中的位置以及在宇宙中的位置，了解自己與周圍人、事物的關(guān)系，從而進一步完善對自我的認知。

因此，教師對這門融合了多專業(yè)知識的“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程的講授，也絕不應(yīng)當僅僅停留在書本知識、滿足于學(xué)生考試卷面成績的優(yōu)秀上，而應(yīng)發(fā)掘每一位學(xué)生的專業(yè)結(jié)合點、興趣點，使他們在該門課程中找到屬于自己的“樂園”，勇于探索和突破，具體做法如下。①教師在講授第二章GNSS測量內(nèi)容時，可向?qū)W生推薦涉及時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)概念的《時間簡史》讀物，并要求學(xué)生撰寫關(guān)于時間和空間的論文；②在講授第四章GPS定位中的誤差源內(nèi)容時，由于涉及相對論效應(yīng)對衛(wèi)星鐘差的影響問題，為了使學(xué)生更容易理解其內(nèi)容，教師可在課堂上為學(xué)生播放影片《和霍金一起探索宇宙》的片段，并向?qū)W生推薦《超越時空：通過平行宇宙、時間卷曲和第十維度的科學(xué)之旅》等物理科普讀物，讓學(xué)生以小組為單位進行討論與分享；③在講授第六章全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應(yīng)用內(nèi)容時，教師可讓學(xué)生結(jié)合當今熱門的大數(shù)據(jù)云計算、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、增強現(xiàn)實技術(shù)(augmented reality，簡稱AR)等高新技術(shù)，探討衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在其中的作用，進一步拓展學(xué)生的思維和眼界。

三、“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革的效果

2014年9月，筆者開始從事“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程的教學(xué)工作。為了使學(xué)生更好地掌握該門課程的教學(xué)內(nèi)容，筆者不定期地與學(xué)生進行溝通和交流，及時地解決學(xué)生遇到的難點和疑點問題，經(jīng)過2年的教學(xué)探索，收到了較好的教學(xué)效果，具體表現(xiàn)如下。①學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性得到了很大的提高。從學(xué)生上交的課后作業(yè)和教學(xué)反饋情況可以看出，學(xué)生均進行了主動認真的思考，有些學(xué)生偏重理論技術(shù)上的思考，有些學(xué)生則偏重自身人文素養(yǎng)的提高。②學(xué)生上課的精神面貌有所改善，對教師授課的滿意度評價提高。在“衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用”課程教學(xué)過程中，教師不再費勁講、學(xué)生不再使勁聽，師生之間的溝通、互動增多，知識變得生動有趣，學(xué)生對教師授課的滿意度評價提高。

[1] 陳改英.GPS技術(shù)及其在林業(yè)中的應(yīng)用[J].北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報，2004，19(3)：46-48.

[2] 賈會迅，邢懷玉，賈會申.淺談GPS技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計，2009，32(3)：78-80.

[3] 李征航.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2015：1-3.

[4] YAN F，GONG Y X，F(xiàn)ENG Z K. Study on the position drift of GPS single point and improving the accuracy of positioning[C].Vico Information and Industry Research Center.2013 2nd International Conference on Measurement，Instrumentation and Automation.Kreuzstr，Switzerland：Trans Tech Publications Inc，2013：492-498.

[5] 劉基余.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].遙感測控，2013，34(3)：1-8.

[6] 劉基余.關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)標準化的幾點建議[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2013(1)：101-107.

(責(zé)任編輯 孫艷玲)

北京林業(yè)大學(xué)2016年教學(xué)改革研究項目“基于大數(shù)據(jù)理念的測量學(xué)教學(xué)改革研究”，項目編號BJFU2016JG002；北京林業(yè)大學(xué)2015年教學(xué)改革研究項目——面向市場的開放式教學(xué)模式在“遙感圖像處理”課程中的實踐研究，項目編號BJFU2015JG004。