《衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)與應(yīng)用》課程復(fù)雜工程問題教學(xué)研究

吳繼忠李明峰

(南京工業(yè)大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京211800)

0 引 言

工程教育認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度,也是當(dāng)前我國高等教育正在開展的一項(xiàng)合格性評價(jià)工作。評價(jià)強(qiáng)調(diào)工科專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量達(dá)到行業(yè)提出的基本質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求,其目的在于構(gòu)建工程教育監(jiān)控體系,推進(jìn)工程教育改革,建立與工程師制度相銜接的工程教育認(rèn)證體系,增強(qiáng)工程教育人才培養(yǎng)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性,提升我國工程技術(shù)人才的國際競爭力。

近年來,南京工業(yè)大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院測繪工程專業(yè)以培養(yǎng)創(chuàng)新型高級工程技術(shù)人才為目標(biāo),通過科學(xué)設(shè)置課程模塊、構(gòu)建多層次實(shí)踐教學(xué)體系、堅(jiān)持學(xué)生暑期生產(chǎn)實(shí)踐和搭建實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練平臺等一系列舉措,堅(jiān)持強(qiáng)化實(shí)踐能力培養(yǎng),增強(qiáng)了核心競爭力。2017年6月,院測繪工程專業(yè)接受了專業(yè)認(rèn)證專家的現(xiàn)場考察,并以有效期6年通過了專業(yè)認(rèn)證。根據(jù)工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)的畢業(yè)要求,培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題的能力是工科專業(yè)教育的核心要求,因此需要準(zhǔn)確理解和把握復(fù)雜工程問題并在教學(xué)體系中貫徹實(shí)施。本文首先對復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵及實(shí)施方法進(jìn)行了闡述,討論了專業(yè)核心課程《衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)與應(yīng)用》(以下簡稱“GNSS課程”)的教學(xué)目標(biāo),給出了解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施案例。

1 復(fù)雜工程問題的理解和實(shí)施

1.1 復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵

工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)的畢業(yè)要求包含了12項(xiàng),其中有8項(xiàng)涉及復(fù)雜工程問題。區(qū)別于傳統(tǒng)的教學(xué)理念和方法,復(fù)雜工程問題并不等同于高難度、工作量大的問題,它有特定的內(nèi)涵。《華盛頓協(xié)議》是目前國際上最具權(quán)威性和影響力的工程教育本科學(xué)位互認(rèn)協(xié)議之一。根據(jù)該協(xié)議,工程是包括數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程知識、技術(shù)和技能整體的、有目的性的應(yīng)用。復(fù)雜工程問題的核心特征是必須運(yùn)用深入的工程原理進(jìn)行分析才能得到解決。這一特點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了學(xué)生需要掌握工程原理的分析和運(yùn)用兩大基本技能,更注重知識深度,強(qiáng)調(diào)從掌握知識到運(yùn)用知識的轉(zhuǎn)變。運(yùn)用工程原理不是簡單套用或照搬方法,而是從基本工程原理出發(fā),經(jīng)過分析以后才能解決問題。

復(fù)雜工程問題有以下6個(gè)選擇性特征。

(1)涉及多方面技術(shù)、工程和其他因素,并可能相互有一定沖突。工程的復(fù)雜性使得問題的解決必須綜合考慮包括技術(shù)、工程等多方面因素,而工程問題內(nèi)部各要素間可能存在矛盾與沖突,因此需要理清各要素的關(guān)聯(lián)和沖突,找到突破口。

(2)需要通過建立合適的抽象模型才能解決,在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性。復(fù)雜工程問題通常沒有顯而易見的解決方案,往往需要運(yùn)用抽象思維和原創(chuàng)性分析對復(fù)雜工程問題進(jìn)行提煉、定義、建模、分析,從實(shí)際工程問題建立合適的抽象模型,體現(xiàn)出創(chuàng)造性。

(3)不是僅靠常用方法就可以完全解決的。常用方法解決的工程問題本身就已失去復(fù)雜性,解決復(fù)雜工程問題要突破方法和學(xué)科上的思維定勢,需要多學(xué)科知識、方法和手段的綜合運(yùn)用,對已有方法進(jìn)行改造或綜合多種方法。

(4)問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中。復(fù)雜工程問題受多種因素制約,可能涉及生態(tài)、健康、安全、文化、法律等因素,現(xiàn)有的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不可能完全包含所有要素。為解決復(fù)雜工程問題,可以突破現(xiàn)有方式、方法和手段的限制,但要注重經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人與自然和諧,注重工程倫理準(zhǔn)則和職業(yè)道德規(guī)范。

(5)問題相關(guān)各方利益不完全一致。復(fù)雜工程問題涉及多方面的利益,不同利益間還存在不協(xié)調(diào)和沖突,需要把握主要矛盾,協(xié)調(diào)并處理各方的利益訴求,在各方利益中尋求平衡點(diǎn)。

(6)具有較高的綜合性,包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問題。復(fù)雜工程問題是一個(gè)受多種因素制約的復(fù)雜系統(tǒng),系統(tǒng)各組成部分相互關(guān)聯(lián)、相互依賴、相互制約、相互作用。要處理好各組成部分與整體系統(tǒng)的關(guān)系,須遵循局部服從整體的原則,并以實(shí)現(xiàn)整體目標(biāo)要求為出發(fā)點(diǎn)處理好局部之間的關(guān)系。

具備核心特征和6個(gè)選擇性特征中一項(xiàng)或多項(xiàng)的工程問題都屬于復(fù)雜工程問題。工程原理的分析和運(yùn)用是所有復(fù)雜工程問題的核心,支持畢業(yè)要求的達(dá)成需要課程體系中包含數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類、工程基礎(chǔ)類、專業(yè)基礎(chǔ)類、專業(yè)類、人文社會科學(xué)類、工程實(shí)踐類等相關(guān)課程,并圍繞復(fù)雜工程問題設(shè)計(jì)和實(shí)施主要教學(xué)環(huán)節(jié)。因此,解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作,貫穿于從低年級到高年級的整個(gè)教學(xué)體系,而非一項(xiàng)專門的教學(xué)內(nèi)容。

1.2 復(fù)雜工程問題的教學(xué)實(shí)施

復(fù)雜工程問題是畢業(yè)要求中具體呈現(xiàn)的一種要求,最終落實(shí)在畢業(yè)要求的指標(biāo)點(diǎn)上。解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)必須通過課程體系的教學(xué)實(shí)施得以實(shí)現(xiàn),其過程分為如下幾個(gè)步驟。

(1)分析討論。把每項(xiàng)畢業(yè)要求分解成若干可考核指標(biāo)點(diǎn),制定課程體系與畢業(yè)要求的關(guān)系矩陣圖,明確每個(gè)指標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)的支撐課程及權(quán)重,在此基礎(chǔ)上確定畢業(yè)要求哪些指標(biāo)點(diǎn)與復(fù)雜工程問題相關(guān)。

(2)大綱修訂。依據(jù)每門課程的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)修訂教學(xué)大綱,大綱中需要明確指標(biāo)點(diǎn)與課程目標(biāo)對應(yīng)關(guān)系,復(fù)雜工程問題的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等。

(3)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施。以工程實(shí)際問題為基礎(chǔ),提煉和設(shè)計(jì)復(fù)雜工程問題,通過課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)、小組學(xué)習(xí)等多種形式開展教學(xué)。

(4)達(dá)成度評價(jià)。對學(xué)生的考試、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)成果、實(shí)驗(yàn)操作等考核結(jié)果進(jìn)行考察,形成復(fù)雜工程問題相關(guān)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)支撐課程的達(dá)成度評價(jià)值。

(5)持續(xù)改進(jìn)。根據(jù)達(dá)成度評價(jià)結(jié)果,分析達(dá)成度評價(jià)薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生原因,提出各個(gè)環(huán)節(jié)的持續(xù)改進(jìn)措施。上述步驟關(guān)系如下所示(圖1)。

圖1 復(fù)雜工程問題的教學(xué)實(shí)施流程

2 GNSS課程的教學(xué)特點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)

2.1 GNSS課程教學(xué)特點(diǎn)

衛(wèi)星導(dǎo)航定位是測繪工作中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一,尤其是GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)的普及,極大改變了測繪的應(yīng)用領(lǐng)域和傳統(tǒng)測繪技術(shù)作業(yè)方式。GNSS課程作為測繪工程專業(yè)核心課程,其教學(xué)具有以下特點(diǎn)。

(1)知識面廣。課程涉及衛(wèi)星運(yùn)動軌道計(jì)算、測距碼和載波信號測距、誤差的產(chǎn)生和應(yīng)對及不同定位模式下數(shù)據(jù)處理等,這些知識與前期課程知識、思維方式有較大區(qū)別。例如,在“信號測距”教學(xué)中,只有理解了不同信號在構(gòu)成、測距原理上的區(qū)別,才能深刻體會定位原理和數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的差異。

(2)理論性和實(shí)踐性強(qiáng)。衛(wèi)星定位涉及的坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星運(yùn)動與GNSS衛(wèi)星信號、衛(wèi)星定位原理以及GNSS數(shù)據(jù)處理等各個(gè)內(nèi)容均需要較好的理論基礎(chǔ)。在理論知識基礎(chǔ)上,要結(jié)合實(shí)踐鞏固理論知識,培養(yǎng)硬件軟件操作技能、工程設(shè)計(jì)應(yīng)用能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的能力。

(3)技術(shù)更新快。GNSS定位技術(shù)從偽距單點(diǎn)定位、靜態(tài)相對定位、RTK測量逐步發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)RTK、精密單點(diǎn)定位等;隨著單系統(tǒng)到多系統(tǒng)的發(fā)展,還需考慮不同系統(tǒng)時(shí)空基準(zhǔn)的統(tǒng)一、不同觀測值組合等相關(guān)問題。

2.2 課程教學(xué)目標(biāo)及支撐的畢業(yè)要求

通過分析討論,將各項(xiàng)畢業(yè)要求分解成若干指標(biāo)點(diǎn),明確了本課程的教學(xué)目標(biāo)及對應(yīng)的畢業(yè)要求(圖2)。

通過本課程教學(xué),使學(xué)生了解GNSS產(chǎn)生和發(fā)展的過程,掌握GNSS的組成及信號測量原理和主要誤差源的產(chǎn)生機(jī)制以及應(yīng)對措施,深入理解并熟練應(yīng)用GNSS定位原理和定位模式,熟悉GNSS相關(guān)儀器和軟件實(shí)際操作與應(yīng)用,具備獨(dú)立運(yùn)用GNSS技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)和實(shí)踐的能力。

圖2 GNSS課程的教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系

3 GNSS課程復(fù)雜工程問題教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施案例

3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)計(jì)是落實(shí)解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)的首要原則是確保內(nèi)容源于工程實(shí)際問題,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均具有實(shí)際的應(yīng)用背景,可以從實(shí)際工程問題中提煉出抽象模型,但要避免憑空臆想或單純進(jìn)行理論推導(dǎo)的問題;其次要密切圍繞教學(xué)目標(biāo),選取有針對性的內(nèi)容重點(diǎn)實(shí)施教學(xué)活動;最后要注意課程之間的橫向聯(lián)系,做到不同課程工程原理的綜合應(yīng)用、工程原理與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展及職業(yè)道德規(guī)范的聯(lián)系。

在復(fù)雜性和難度上循序漸進(jìn),從單科知識綜合應(yīng)用到初步設(shè)計(jì)能力訓(xùn)練。在本課程教學(xué)中,設(shè)計(jì)了衛(wèi)星位置計(jì)算、接收機(jī)設(shè)備操作、RTK測量點(diǎn)校正、控制網(wǎng)設(shè)計(jì)、控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與處理等一系列內(nèi)容,在這些內(nèi)容的教學(xué)方法上將課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂等多種形式有機(jī)結(jié)合,提高學(xué)生的興趣和參與度。

3.2 教學(xué)實(shí)施案例

以本課程教學(xué)中一次課程設(shè)計(jì)為例。為設(shè)計(jì)某一山區(qū)公路工程GPS施工控制網(wǎng),該施工控制網(wǎng)前期已收集了測區(qū)及周邊地區(qū)可用的已知點(diǎn)和該公路走向沿線的概略高程。公路沿東西走向且遠(yuǎn)離國家3°高斯投影帶中央子午線,高程變化較大,施工控制網(wǎng)設(shè)計(jì)的完整內(nèi)容包括基準(zhǔn)、精度、密度、網(wǎng)形及作業(yè)綱要等內(nèi)容。

根據(jù)復(fù)雜工程問題特征,本案例具備特征如下。

(1)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)要考慮到項(xiàng)目遠(yuǎn)離中央子午線的現(xiàn)狀和工程施工投影變形的限制,需要綜合運(yùn)用測繪專業(yè)知識經(jīng)過相應(yīng)計(jì)算才能完成,具備了復(fù)雜工程問題的核心特征。

(2)投影變形量的計(jì)算需要結(jié)合中央子午線的選取、測區(qū)高程變化趨勢建立模型,體現(xiàn)出創(chuàng)新思維,具備選擇性特征第2條。

(3)該案例中公路走向沿東西方向,且跨度較長,僅建立一個(gè)施工坐標(biāo)系還無法滿足投影變形達(dá)到的規(guī)范要求,同一項(xiàng)目多個(gè)施工坐標(biāo)系并存的情況下如何確定最佳方案,體現(xiàn)了多方案的選擇與決策,具備選擇性特征第3條。

(4)作業(yè)綱要的確定不僅要考慮精度,還要顧及后續(xù)施工測量作業(yè)的便利性、作業(yè)效率和成本等問題,體現(xiàn)了不同部門沖突與協(xié)調(diào)的特征,具備選擇性特征第5條。

(5)本案例中涉及較多的技術(shù)問題,例如投影計(jì)算、施工坐標(biāo)系劃分、起算基準(zhǔn)確定、觀測點(diǎn)分布、接收機(jī)硬件和數(shù)據(jù)處理軟件選擇等,不同問題相互關(guān)聯(lián)相互影響,具備選擇性特征第6條。

由分析可知,該案例具備復(fù)雜工程問題的核心特征及4個(gè)選擇性特征,屬于典型復(fù)雜工程問題。

首先,授課教師通過對詳細(xì)介紹該案例的已知條件和任務(wù),讓學(xué)生認(rèn)識該項(xiàng)目的實(shí)施流程和關(guān)鍵問題;其次,針對該案例中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行講解和分析,例如對投影變形量的計(jì)算方法和同一項(xiàng)目多個(gè)施工坐標(biāo)系并存的處理策略進(jìn)行分析,要求學(xué)生獨(dú)立完成該案例的設(shè)計(jì);再次,學(xué)生在課堂上對完成成果進(jìn)行展示并接收質(zhì)詢,教師點(diǎn)評該方案的可行性,并對成果進(jìn)行記錄及評價(jià)考核,形成達(dá)成度評價(jià)結(jié)果;最后,教師根據(jù)結(jié)果反饋工程原理理解和應(yīng)用的薄弱環(huán)節(jié),在后續(xù)工作中持續(xù)改進(jìn)。通過該案例的實(shí)施,使學(xué)生能夠掌握與GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)的基本原理,同時(shí)運(yùn)用相關(guān)專業(yè)知識,并與工程實(shí)踐問題有機(jī)結(jié)合,探討應(yīng)用方法,具有較好代表性,提高了對工程原理的理解和應(yīng)用能力。

4 結(jié) 語

(1)解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作,貫穿于整個(gè)教學(xué)體系,同時(shí)也是一個(gè)動態(tài)的、循序漸進(jìn)的工作。該工作是工程教育認(rèn)證背景下所有工科專業(yè)課程教學(xué)的核心任務(wù)之一。只有準(zhǔn)確理解和把握復(fù)雜工程問題,才能針對性地開展教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)活動。

(2)本文結(jié)合GNSS課程的教學(xué)目標(biāo)和畢業(yè)要求探討了課程設(shè)計(jì)思路,結(jié)合實(shí)際工程案例給出了復(fù)雜問題教學(xué)實(shí)施和評價(jià)方法,對其他涉及復(fù)雜工程問題的課程教學(xué)有一定啟發(fā)作用。

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