王　華，陶庭葉

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院測繪工程系，廣東 廣州 510006；2. 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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“GPS測量原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革實踐

王華1，陶庭葉2

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院測繪工程系，廣東 廣州 510006；2. 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

摘要：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，“GPS測量原理與應(yīng)用”課程也一直是測繪工程專業(yè)本科生的主干課，具有理論深、更新快、知識面廣、實踐性強(qiáng)等特點，對教與學(xué)都有很高的要求。本文分析了筆者在廣東工業(yè)大學(xué)與合肥工業(yè)大學(xué)講授該課程過程中所發(fā)現(xiàn)的一些問題，包括教材更新慢、內(nèi)容抽象、授課方式以“填鴨式”為主、實踐時間不足、程序設(shè)計能力弱等。針對這些問題，筆者在教學(xué)過程中將學(xué)術(shù)研究前沿與課本知識有機(jī)結(jié)合，采取教師授課、學(xué)生自主學(xué)習(xí)交流、穿插專家學(xué)術(shù)講座等教學(xué)形式，完善實驗儀器設(shè)備和校內(nèi)外實習(xí)基地，協(xié)調(diào)與其他課程的內(nèi)容安排等措施，從教學(xué)的內(nèi)容和模式等方面進(jìn)行了改革和創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：GPS；教學(xué)改革；教材更新；實驗平臺；程序設(shè)計

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)和歐洲伽利略系統(tǒng)的日臻完善，目前全球基本形成了GPS、GLONASS、北斗、伽利略四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并存共用的格局。全球?qū)Ш蕉ㄎ痪炔粩嗵岣?，?yīng)用領(lǐng)域日益廣闊，GNSS產(chǎn)業(yè)已成為繼移動通信和互聯(lián)網(wǎng)之后的第3個發(fā)展最快的新興信息產(chǎn)業(yè)。近年來GPS技術(shù)越來越廣泛地深入到人們的日常生活中，如目前絕大部分汽車和智能手機(jī)均配備有GPS定位功能。作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，我國政府和領(lǐng)導(dǎo)高度重視衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》和《信息產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃和2020 年中長期規(guī)劃綱要》中均將衛(wèi)星導(dǎo)航地面系統(tǒng)、接收機(jī)、用戶終端及其他若干相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)列為發(fā)展重點，預(yù)計2020年我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到4000億元。巨大的市場發(fā)展前景需要培養(yǎng)大量的高質(zhì)量導(dǎo)航定位相關(guān)人才[1]。

“GPS測量原理與應(yīng)用”多年來一直是測繪工程專業(yè)的主干課程，其理論性和實踐性都很強(qiáng)，涉及諸多學(xué)科的專業(yè)知識，并且全球定位技術(shù)發(fā)展日新月異。隨著北斗等新系統(tǒng)的建設(shè)，衛(wèi)星導(dǎo)航定位的模式發(fā)生了較大的變化，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢和市場對創(chuàng)新型人才的需求，“GPS測量原理與應(yīng)用”的授課方式和內(nèi)容都有必要進(jìn)行一系列的革新。目前，我國很多高校的相關(guān)教師針對這一課程進(jìn)行了較多的改革嘗試[2-4]。本文針對筆者分別在廣東工業(yè)大學(xué)和合肥工業(yè)大學(xué)講授“GPS測量原理與應(yīng)用”課程時發(fā)現(xiàn)的一些問題，提出相應(yīng)的改革措施，供同行參考借鑒。

一、教學(xué)改革措施

“GPS測量原理與應(yīng)用”課程要求學(xué)生既要掌握GPS的理論基礎(chǔ)知識，了解GPS的產(chǎn)生、優(yōu)點和廣泛用途，掌握GPS的組成及信號結(jié)構(gòu)、GPS定位中的誤差源、距離測量和定位方法，又要熟悉GPS的實際操作與應(yīng)用，具備獨立運用GPS技術(shù)進(jìn)行科研和生產(chǎn)實踐的能力。然而，由于學(xué)時短、內(nèi)容多、理論深、實踐強(qiáng)，要想達(dá)到這個目標(biāo)有一些難度。本文結(jié)合筆者分別在廣東工業(yè)大學(xué)和合肥工業(yè)大學(xué)任課的情況，針對目前筆者所在學(xué)?！癎PS測量原理與應(yīng)用”課程存在的問題作了如下幾個方面改革。

1. 更新授課內(nèi)容

目前市面上GPS教材種類繁多，其中武漢大學(xué)李征航、黃勁松編著的《GPS測量與數(shù)據(jù)處理》[5]及魏二虎、黃勁松編著的配套實驗實習(xí)教材《GPS測量操作與數(shù)據(jù)處理》[6]被開設(shè)測繪工程專業(yè)的學(xué)校廣泛采用。該教材融入了作者在衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域多年的研究和教學(xué)經(jīng)驗，內(nèi)容豐富，理論性和實踐性都很強(qiáng)，對于經(jīng)典的GPS測量和定位原理，如誤差源、相對定位、絕對定位等作了詳細(xì)的介紹。另外，周忠謨[7]、徐紹銓[8]等專家學(xué)者編著的教材也比較受歡迎。由于這些教材大多編寫于5～10年之前，對于位置服務(wù)和高頻GPS等新的應(yīng)用領(lǐng)域和伽利略、北斗等新的導(dǎo)航定位系統(tǒng)介紹得比較少。另外，廣東工業(yè)大學(xué)和合肥工業(yè)大學(xué)等高校在講授“GPS測量原理與應(yīng)用”課程之前，并沒有開設(shè)相應(yīng)的“空間大地測量理論基礎(chǔ)”之類的課程，因此，學(xué)生對于李征航、黃勁松[5]教材中涉及的衛(wèi)星軌道、信號傳播和誤差源等知識較難理解，需要授課教師補(bǔ)充很多相關(guān)的基礎(chǔ)知識。

為了解決上述問題，筆者在教學(xué)過程中，以李征航、黃勁松編著的《GPS測量與數(shù)據(jù)處理》[5]為基礎(chǔ)進(jìn)行講授。該書從衛(wèi)星定位原理、GPS外業(yè)測量和數(shù)據(jù)處理3個方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹。在課時安排上，廣東工業(yè)大學(xué)“GPS測量原理及應(yīng)用”課程設(shè)置了50學(xué)時理論課、6學(xué)時實驗、8學(xué)時上機(jī)，另外安排了2周的實習(xí)。相對于其他學(xué)校，廣東工業(yè)大學(xué)的GPS理論課時較多，保證了學(xué)生有比較充足的時間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和小組討論。

為了更新教學(xué)內(nèi)容，筆者給學(xué)生推薦了國際上最新的GPS綜述論文[9]，并結(jié)合每一章節(jié)的主要知識點，為學(xué)生推薦相關(guān)的國際期刊發(fā)表的論文作為課外閱讀資料，如大氣延遲誤差及其改正方法[10-11]、GPS多路徑效應(yīng)及其在水文等方面的應(yīng)用[12]、高頻GPS定位及其在地震中的應(yīng)用[13]等。

除此之外，筆者會利用課余時間為學(xué)生講授GPS在地震、形變監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用案例，并且每學(xué)期會邀請數(shù)名在GPS領(lǐng)域有多年研究經(jīng)驗的學(xué)者到校進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，要求本科生參加這些學(xué)術(shù)講座，拓寬視野。

2. 豐富教學(xué)手段

相對于過去的黑板板書，采用多媒體教學(xué)能夠在相同的時間內(nèi)為學(xué)生提供更加豐富的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并且能夠做到圖文并茂。但是“GPS測量原理與應(yīng)用”涉及測繪、電子信息等不同學(xué)科的專業(yè)背景知識，覆蓋面非常廣，一堂課的課件往往涉及很多新的知識點，“填鴨式”的教學(xué)形式很容易使得學(xué)生無法跟上教師演示PPT的節(jié)奏，從而游離于課程之外。此外，與“測量平差”等能夠通過課后作業(yè)強(qiáng)化訓(xùn)練的課程不同，“GPS測量原理與應(yīng)用”更多需要對概念的理解和實踐經(jīng)驗，單純的課堂講授學(xué)生往往難以理解。

另一方面，由于教師已經(jīng)具有很好的專業(yè)基礎(chǔ)知識和理解能力，在演示課件時容易不自覺地出現(xiàn)知識點推理的跳躍，學(xué)生經(jīng)常跟不上老師的思路。為了使課件更容易被學(xué)生理解和接受，筆者嘗試設(shè)立一項大學(xué)生創(chuàng)新項目，讓已經(jīng)學(xué)完GPS課程的優(yōu)秀學(xué)生組成一個興趣小組，以筆者上課時使用的課件為基礎(chǔ)，從學(xué)生的角度來收集材料制作課件，收到了非常好的效果。這種形式的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：①興趣小組中匯集了幾位多才多藝的學(xué)生，制作出來的多媒體課件圖文并茂；②課件的風(fēng)格由學(xué)生設(shè)計，更容易被同齡人接受；③課件內(nèi)容的難度從學(xué)生的角度來審視，能做到深入淺出，不會出現(xiàn)跳躍式的公式推導(dǎo)等。

在授課過程中，除教師講授外，筆者將學(xué)生分成若干小組，結(jié)合每一章的知識點為每組推薦或讓學(xué)生自選一篇國際頂級期刊發(fā)表的英文GPS學(xué)術(shù)論文進(jìn)行課外學(xué)習(xí)。在每章上完后，為學(xué)生預(yù)留30min的時間，由小組代表就論文的內(nèi)容進(jìn)行15min的演講，由全班同學(xué)就其演講內(nèi)容進(jìn)行提問，并給出改進(jìn)意見，最后老師進(jìn)行點評。這種自主學(xué)習(xí)、模擬學(xué)術(shù)報告、現(xiàn)場回答問題和點評等環(huán)節(jié)既豐富了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，也提高了學(xué)生的自學(xué)能力、表達(dá)能力、分析能力，同時還增強(qiáng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力。

3. 改善儀器和實習(xí)基地，加強(qiáng)實踐環(huán)節(jié)

在廣東工業(yè)大學(xué)和合肥工業(yè)大學(xué)均開設(shè)兩周的GPS實習(xí)課，在此期間，一周安排靜態(tài)測量，另一周安排RTK測量。但是受學(xué)校儀器設(shè)備的影響，實際上每個小組真正做GPS靜態(tài)和動態(tài)的外業(yè)時間各只有1天，而且一般5個學(xué)生為一組，部分學(xué)生在靜態(tài)實習(xí)中不需要進(jìn)行遷站等操作，很多實踐環(huán)節(jié)需要注意的問題并沒有在實習(xí)中遇到，導(dǎo)致經(jīng)驗積累不足。另外，GPS數(shù)據(jù)處理能力是學(xué)習(xí)GPS課程的核心，短暫的實習(xí)時間和校園小范圍內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)無法真正提高學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力。

為了提高學(xué)生的實踐能力，必須不斷改善測量儀器，完善校內(nèi)外實習(xí)基地，規(guī)范測量流程，并為學(xué)生提供充分的實習(xí)實踐機(jī)會。近幾年，廣東工業(yè)大學(xué)與廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司密切合作，在廣東工業(yè)大學(xué)建立了GPS單基準(zhǔn)站，大大提高了GPSRTK測量的效率；并且購買了10臺GPS接收機(jī)，保證在實驗時每個小組能夠有一臺GPS接收機(jī)，而實習(xí)時兩組同時作業(yè)，一組動態(tài)、一組靜態(tài)，每個同學(xué)能獨立操作一臺GPS接收機(jī)。

廣東工業(yè)大學(xué)地處廣州，為測量儀器公司的集散地，包括廣州中海達(dá)、南方測繪等著名的測繪企業(yè)。為了充分發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢，利用好社會資源，與這些企業(yè)建立了良好的合作交流機(jī)制，并建立了幾個比較成熟的校外實習(xí)基地，經(jīng)常為感興趣的學(xué)生提供到企業(yè)實習(xí)的機(jī)會。在參與企業(yè)工程實踐的過程中，學(xué)生的動手能力和對GPS理解的深度不斷提高。

4. 建設(shè)實驗演示平臺

目前大部分學(xué)校使用的GPS接收機(jī)或0EM模塊都是封裝好的產(chǎn)品，學(xué)生接觸不到其工作過程及工作原理，只能從書本上了解抽象的理論及公式，無法對GPS形成真正的認(rèn)識，反過來又制約我國GPS產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員，影響我國GPS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在GPS教學(xué)過程中，學(xué)生普遍遇到的問題是：基本原理沒有很好掌握，如不了解衛(wèi)星信號的獲取過程、不清楚各種誤差的規(guī)律、定位過程認(rèn)識模糊等。因此，亟需一套教學(xué)實驗平臺展示GPS相關(guān)原理和定位過程。

雖然國內(nèi)的一些公司推出了類似的教學(xué)平臺，可提供實驗和編程，展示單向測距原理、GPS測量誤差、信號傳輸誤差特性、GPS衛(wèi)星軌道計算方法等技術(shù)。但這些實驗系統(tǒng)單機(jī)價格較高，如果學(xué)生數(shù)量較多，需要購置多臺設(shè)備，需要的經(jīng)費投入較多。

筆者通過對GPS衛(wèi)星坐標(biāo)計算、各種誤差計算、定位原理等實驗內(nèi)容的統(tǒng)一整合，構(gòu)建了GPS實踐教學(xué)的內(nèi)容和實踐性教學(xué)模式，根據(jù)實驗內(nèi)容開發(fā)了一套適用于GPS教學(xué)的實驗平臺軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)旨在演示GPS相關(guān)原理，能基本滿足GPS教學(xué)需要。系統(tǒng)利用已有的標(biāo)準(zhǔn)化格式的數(shù)據(jù)能夠開展以下實驗：①衛(wèi)星坐標(biāo)計算；②選擇不同的衛(wèi)星對定位結(jié)果的影響；③電離層延遲影響及規(guī)律；④定位原理的驗證；⑤提供編程接口，實現(xiàn)實驗者手動編程。

5. 提高研發(fā)能力

市場對高水平的GPS程序員需求旺盛，而且通過程序設(shè)計也能增進(jìn)學(xué)生對GPS理論和算法的理解。以廣東工業(yè)大學(xué)為例，為了考慮學(xué)生就業(yè)面等因素，在教學(xué)大綱中開設(shè)的課程名目繁多，除了數(shù)字測圖、測量平差、遙感、GPS、GIS等測繪核心課之外，還開設(shè)了土木工程、工程地質(zhì)等其他專業(yè)的課程。但是“GPS測量原理與應(yīng)用”課程主要強(qiáng)調(diào)基本理論和外業(yè)測量，沒有任何GPS程序設(shè)計方面的課程和實踐環(huán)節(jié)，與市場有一定的脫節(jié)。

由于課時數(shù)的限制，“GPS測量原理與應(yīng)用”課程本身已經(jīng)無法安排程序設(shè)計的時間。為了提高學(xué)生的GPS程序設(shè)計能力，優(yōu)化了GPS理論課與“測量程序設(shè)計”課程的內(nèi)容安排，在“測量程序設(shè)計”課程中，除了安排一部分常規(guī)測量數(shù)據(jù)處理內(nèi)容外，還增加了GPS數(shù)據(jù)處理算法部分，從而進(jìn)一步加深了學(xué)生對GPS概念的理解，提高了程序設(shè)計的能力。此外，還為有興趣作GPS研發(fā)的同學(xué)介紹到相關(guān)企業(yè)進(jìn)行研發(fā)實習(xí)，從而進(jìn)一步提高了學(xué)生的研發(fā)能力。

二、尚待改進(jìn)的工作

廣東工業(yè)大學(xué)與合肥工業(yè)大學(xué)測繪工程專業(yè)具有較多的共同點，如共同隸屬于工業(yè)大學(xué)的土木學(xué)院；與武漢大學(xué)等將測繪細(xì)分為大地測量、工程測量、導(dǎo)航工程、遙感、地理信息等不同[14]，其在辦學(xué)方向上只有測繪工程一個專業(yè)。為了拓寬學(xué)生的就業(yè)面，在課程設(shè)置上需要兼顧土木、水利、建筑、規(guī)劃等學(xué)科的課程，同時又要涵蓋測繪所有方向的課程，因此學(xué)生的課程安排太多，課程之間銜接不一定合理，如在“GPS測量原理與應(yīng)用”之前沒有“空間大地測量理論基礎(chǔ)”，在其后也沒有“GPS程序設(shè)計”等課程。因此，如何合理設(shè)置相關(guān)課程，使“GPS測量原理與應(yīng)用”能夠比較自然和諧地融入整個課程體系中是今后仍需要改進(jìn)的地方。

三、結(jié)束語

本文結(jié)合筆者多年擔(dān)任“GPS測量原理與應(yīng)用”課程的實踐經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)通過將前沿學(xué)術(shù)論文、學(xué)術(shù)講座和現(xiàn)有教材有機(jī)結(jié)合，能夠較好地改進(jìn)課程內(nèi)容老舊的問題；通過將學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研討與教師授課相結(jié)合能夠最大限度地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；通過完善測量儀器和實習(xí)基地、校企聯(lián)合培養(yǎng)，能夠提高學(xué)生的實踐能力。由于所在院系和學(xué)科的特點，課程體系在一定程度上存在大而全的問題，如何科學(xué)合理地設(shè)置與“GPS測量原理與應(yīng)用”相關(guān)的課程是今后努力改進(jìn)的地方。

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Reform of the Curriculum of GPS Surveying and Its Applications

WANG Hua，TAO Tingye

收稿日期：2015-05-13

作者簡介：王華(1978—)，男，教授，研究方向為InSAR、大陸形變與地震周期。E-mail：ehwang@163.com

中圖分類號：G64

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0138-04

引文格式： 王華，陶庭葉. “GPS測量原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革實踐[J].測繪通報，2016(6)：138-141.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0210.