王融 熊智 劉建業(yè) 趙偉

(南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院導(dǎo)航研究中心 江蘇南京 211106)

定位與導(dǎo)航系統(tǒng)是研究對運載體進行定位與導(dǎo)航的技術(shù)科學(xué)，是實現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著極其重要的作用[1]。近年來，智能物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，已經(jīng)實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能[2-3]。在無人系統(tǒng)和智慧交通等主要應(yīng)用領(lǐng)域，導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展對其具有重要意義。導(dǎo)航定位技術(shù)可以綜合運用物聯(lián)網(wǎng)中的智能傳感器技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信傳輸技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)實現(xiàn)實時高精度目標位置估計，并將其應(yīng)用到整個城市體系中，實現(xiàn)城市智慧型管理和運行[4-6]。

課程建設(shè)是專業(yè)建設(shè)的核心之一，在廣泛吸收導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制領(lǐng)域國際先進研究成果的基礎(chǔ)上，將當前蓬勃發(fā)展的智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與南京航空航天大學(xué)導(dǎo)航研究中心多年來的積累有機結(jié)合，在理論課教學(xué)內(nèi)容和實踐課教學(xué)內(nèi)容兩方面開展導(dǎo)航課程教學(xué)改革與實踐。通過制作定位與導(dǎo)航系統(tǒng)實踐性輔助教學(xué)演示設(shè)備，結(jié)合項目式課程方式展開教學(xué)，創(chuàng)建出一套具有智能物聯(lián)網(wǎng)特色的現(xiàn)代定位與導(dǎo)航系統(tǒng)實踐性與研究性教學(xué)系統(tǒng)。通過開展具有互動性和開放性的教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革，打造具有新興智能物聯(lián)網(wǎng)特色的導(dǎo)航定位技術(shù)精品課程。對增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，優(yōu)化實踐應(yīng)用能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。

1 面向智能物聯(lián)網(wǎng)的導(dǎo)航技術(shù)教學(xué)改革思路

隨著智能物聯(lián)網(wǎng)在科技創(chuàng)新中地位的不斷提升，面向智能物聯(lián)網(wǎng)的導(dǎo)航技術(shù)教學(xué)建設(shè)和改革取得了一定的成效。但由于智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及其導(dǎo)航技術(shù)本身發(fā)展迅速，以及理論認識上的偏差和實踐中的矛盾，導(dǎo)航技術(shù)教學(xué)建設(shè)和改革亟待進行改革[7-8]。其思路主要采取以下方面。

1.1 優(yōu)化導(dǎo)航技術(shù)教學(xué)中的項目式課程體系建設(shè)

圍繞定位與導(dǎo)航技術(shù)，開展了面向智能物聯(lián)網(wǎng)的定位與導(dǎo)航課程實踐教學(xué)研究平臺建設(shè)、定位與導(dǎo)航系統(tǒng)項目式實踐課程建設(shè)、定位與導(dǎo)航系統(tǒng)課程項目式教學(xué)實踐與分析這3個部分組成。在課程項目式教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，設(shè)計了慣性器件及其導(dǎo)航原理探究、北斗導(dǎo)航及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理探究、室內(nèi)無線定位與現(xiàn)代航空無線電導(dǎo)航原理探究、微型飛行器機載航電系統(tǒng)中的綜合導(dǎo)航探究這4個課程微項目。

1.2 強化理論教學(xué)與智能物聯(lián)網(wǎng)日常應(yīng)用的結(jié)合

通過基礎(chǔ)導(dǎo)航知識的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解導(dǎo)航技術(shù)在日常生產(chǎn)生活中的重要性和廣泛性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，再通過北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、民用大型客機、室內(nèi)定位等熱點技術(shù)將日常生活中可見的導(dǎo)航技術(shù)與航空航天應(yīng)用聯(lián)系起來，逐步深入地向?qū)W生展示導(dǎo)航定位技術(shù)的原理和應(yīng)用，不僅涉及了衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、無線電導(dǎo)航技術(shù)及組合導(dǎo)航技術(shù)等，也涵蓋組合導(dǎo)航的實現(xiàn)思想與導(dǎo)航定位算法。

1.3 建立適應(yīng)智能物聯(lián)網(wǎng)為背景的項目式課程混合式教學(xué)團隊

該課程組除負責理論和實驗課程的專任教師以外，還邀請企業(yè)專家以微視頻方式參與教學(xué)輔助，教學(xué)團隊通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合具有顯著優(yōu)勢，有利于廣泛吸收導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制領(lǐng)域先進發(fā)展動態(tài)，并與南京航空航天大學(xué)導(dǎo)航研究中心多年來的積累有機結(jié)合，打造具有航空航天特色的定位與導(dǎo)航技術(shù)精品課程。

2 面向智能物聯(lián)網(wǎng)的導(dǎo)航技術(shù)教學(xué)改革建設(shè)方案

從理論課教學(xué)內(nèi)容和實踐課教學(xué)內(nèi)容兩方面開展導(dǎo)航課程教學(xué)改革與實踐，制作定位與導(dǎo)航系統(tǒng)實踐性輔助教學(xué)演示設(shè)備，并通過實物演示、多媒體和網(wǎng)絡(luò)等方式展開教學(xué)，創(chuàng)建出一套具有國防專業(yè)特色的現(xiàn)代定位與導(dǎo)航系統(tǒng)實踐性與研究性教學(xué)系統(tǒng)，開展具有先進性、互動性、整體性、開放性和示范性的教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革。

2.1 面向智能物聯(lián)網(wǎng)的定位與導(dǎo)航課程實踐教學(xué)研究平臺建設(shè)

結(jié)合面向智能物聯(lián)網(wǎng)的定位與導(dǎo)航課程的理論教學(xué)內(nèi)容，著重考慮結(jié)合目前已有的教學(xué)條件，建立基于定位與導(dǎo)航技術(shù)的教學(xué)研究平臺，從導(dǎo)航專業(yè)課程特色教學(xué)的角度出發(fā)，建立包含低成本微MEMS 組合系統(tǒng)、低成本北斗接收機等構(gòu)成的綜合教學(xué)研究平臺。對陀螺儀進動性等空間幾何關(guān)系復(fù)雜抽象的關(guān)鍵特性，引導(dǎo)學(xué)生通過物理系統(tǒng)的實際操作獲得直觀的理解，在完成教學(xué)任務(wù)同時也能夠更好地激發(fā)學(xué)生對導(dǎo)航技術(shù)探索的熱情。

綜合教學(xué)研究平臺主要考慮從實物演示設(shè)備、多媒體演示以及學(xué)生參與設(shè)計的角度著手，進行相應(yīng)的設(shè)計和制作。實物演示設(shè)備主要由慣性傳感器、航空儀表、GPS接收機等傳感器器件，以及在此基礎(chǔ)構(gòu)建出的可以反映出導(dǎo)航定位技術(shù)基本原理的系統(tǒng)組成。具體有陀螺特性試驗儀、陀螺單軌穩(wěn)定系統(tǒng)、基于陀螺穩(wěn)定性原理的陀螺穩(wěn)定平臺演示系統(tǒng)、低成本微MEMS組合系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航仿真系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航和其他導(dǎo)航方式組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)等。另外，為了展示陀螺穩(wěn)定平臺和定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和具體的實現(xiàn)方式，還可以將原有的系統(tǒng)進行實物的解剖和展示。多媒體演示設(shè)備主要由導(dǎo)航定位技術(shù)原理展板和相關(guān)的多媒體演示軟件構(gòu)成，通過圖形、動畫等多媒體表現(xiàn)方式加強學(xué)生對導(dǎo)航定位技術(shù)基本原理的了解和掌握。

2.2 定位與導(dǎo)航系統(tǒng)項目式實踐課程建設(shè)

如何在課堂教學(xué)過程中合理安排和使用定位與導(dǎo)航系統(tǒng)教學(xué)研究平臺，對課堂教學(xué)的效果將至關(guān)重要。因此，將在開發(fā)制作教學(xué)演示設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合導(dǎo)航定位技術(shù)專業(yè)課程的理論教學(xué)需要，設(shè)計和安排有關(guān)的教學(xué)試驗內(nèi)容。具體的試驗內(nèi)容包括陀螺儀的器件級解剖和演示、基于陀螺儀穩(wěn)定性原理的陀螺進動特性多媒體演示、載體姿態(tài)和航向顯示儀表的演示、低成本微MEMS組合系統(tǒng)的采集處理和分析及其相關(guān)特性的演示、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的數(shù)據(jù)采集和分析、組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計及性能分析、組合濾波技術(shù)的應(yīng)用及實驗分析、動量矩定理等物理知識應(yīng)用到慣性系統(tǒng)特性分析等。圍繞以上實驗實踐內(nèi)容，形成4 個綜合的課程“微項目”教學(xué)方案，具體如下。

2.2.1 慣性器件及其導(dǎo)航原理探究

圍繞慣性導(dǎo)航定位的一般概念，地面及太空失重條件下慣性器件的原理特性分析，以及慣性導(dǎo)航定位技術(shù)在日常生活及航空航天中的應(yīng)用。結(jié)合陀螺儀的器件級解剖和演示，基于陀螺儀穩(wěn)定性原理的陀螺進動特性多媒體演示，動量矩定理等物理知識應(yīng)用到慣性系統(tǒng)特性分析，鞏固所學(xué)知識進一步了解實際慣性器件原理與特性。使學(xué)生理解導(dǎo)航定位的概念，知道一些生活中常見的如自平衡車等慣性導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用方法，建立導(dǎo)航定位“無處不在”的觀念，增強學(xué)生對導(dǎo)航技術(shù)的興趣，為后續(xù)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和提前確定學(xué)習(xí)方向做鋪墊，并引導(dǎo)學(xué)生尋找生活中的其他慣性器件應(yīng)用相關(guān)案例。

2.2.2 北斗導(dǎo)航及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理探究

在介紹全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）歷史發(fā)展和原理的基礎(chǔ)上，重點介紹北斗導(dǎo)航系統(tǒng)及其發(fā)展特點、工作原理、進展及應(yīng)用前景。結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)演示實驗，鞏固所學(xué)知識進一步了解實際衛(wèi)星導(dǎo)航的信號與信息組成。擬定多個衛(wèi)星定位和北斗導(dǎo)航定位相關(guān)的擬解決的工程問題和開放性的具有一定復(fù)雜性的工程和技術(shù)問題，分小組討論解決思路和方法。通過對擬解決的工程問題的討論，學(xué)生應(yīng)能更深入地理解衛(wèi)星定位的原理，以及了解科學(xué)研究的一般過程，對于開放性問題的討論，旨在激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究的興趣，培養(yǎng)發(fā)散思維與創(chuàng)新思維。通過該部分學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該能夠理解全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)特別是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理、各種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及未來的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等，幫助學(xué)生掌握衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的正確科學(xué)思維方法和科學(xué)研究方法。

2.2.3 室內(nèi)無線定位與現(xiàn)代航空無線電導(dǎo)航原理探究

介紹室內(nèi)無線電定位的基本原理，航空無線電導(dǎo)航的類型、功能及應(yīng)用限制，以及智慧無線傳感方案的設(shè)計方法。觀看室內(nèi)無線定位實驗及遠程航空無線電定位模擬，了解多種導(dǎo)航方法在飛行器應(yīng)用中的作用，進一步理解組合導(dǎo)航的概念和原理。擬定多個無線電導(dǎo)航相關(guān)的具有一定復(fù)雜性的工程問題和開放性問題，分小組討論，要求學(xué)生提出自己的想法，但并不要求達成共識。旨在進一步提高學(xué)生運用科學(xué)研究思維和創(chuàng)新思維，解決問題的能力。使學(xué)生掌握多種無線電導(dǎo)航定位方式和基本原理，了解各種無線電導(dǎo)航定位方式各自特點，特別是結(jié)合不同條件下應(yīng)用的各自優(yōu)勢。有助于學(xué)生掌握正確的科學(xué)思維方法和科學(xué)研究方法，以及良好的多種系統(tǒng)綜合對比分析素養(yǎng)。

2.2.4 民用飛行器機載航電系統(tǒng)中的綜合導(dǎo)航探究

結(jié)合移動定位平臺，分析智能手機中常見導(dǎo)航用傳感器的工作原理，各自的特點以及基于GPS/INS 組合方式實現(xiàn)的手機導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理及其在飛行器中的應(yīng)用。使用手機導(dǎo)航，了解GPS 定位與慣性器件各自的定位性能，以及GPS/INS 組合導(dǎo)航在手機平臺上實現(xiàn)的原理與方法。根據(jù)手機導(dǎo)航的特點，擬定多個應(yīng)用背景和需求，分小組分析應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的工程性問題，并討論解決方案。旨在提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。使學(xué)生掌握基于手機平臺實現(xiàn)的慣性導(dǎo)航和慣性/GPS 組合導(dǎo)航的原理和方法，在特定的環(huán)境下選用合適的導(dǎo)航方案，以滿足特定的導(dǎo)航應(yīng)用需求。

3 定位與導(dǎo)航系統(tǒng)課程項目式教學(xué)改革實施路徑

該課程的建設(shè)目標主要分3 個階段：第一個階段主要是對定位與導(dǎo)航系統(tǒng)在理論教學(xué)內(nèi)容上進行改革與實踐，不僅使學(xué)生在面向智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的定位與導(dǎo)航的理論和方法方面樹立正確的概念，同時培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)抽象、邏輯思維能力；第二個階段在第一個階段的基礎(chǔ)上，通過整合實踐性教學(xué)手段和實驗內(nèi)容，形成一套具有自身特色的實踐性輔助教學(xué)系統(tǒng)；第三階段是在前兩個階段的基礎(chǔ)上，進行課程的網(wǎng)絡(luò)化，實施開放性教學(xué)。具體采用以下的實施路徑。

（1）改革課程內(nèi)容編排，建立適應(yīng)智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的導(dǎo)航技術(shù)項目式課程的教學(xué)大綱。針對面向智能物聯(lián)網(wǎng)的定位與導(dǎo)航系統(tǒng)課程的特點，在教學(xué)大綱編排和教學(xué)任務(wù)分配上，采用導(dǎo)航理論知識介紹和導(dǎo)航系統(tǒng)演示相結(jié)合、理論要點和實際應(yīng)用同步教學(xué)的思想，幫助學(xué)生從抽象到具體、從理論到實踐，逐步了解并掌握定位與導(dǎo)航的相關(guān)知識概念及其在智能物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。同時還將基于建設(shè)完成的綜合教學(xué)研究平臺，安排一定的定位與導(dǎo)航技術(shù)的實踐內(nèi)容，切實讓學(xué)生參與到導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計和性能驗證中來，便于他們更深入和更全面地熟練和掌握組合導(dǎo)航理論和實踐應(yīng)用能力，取得更好的教學(xué)效果。

（2）強化教學(xué)輔助材料，面向智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在定位與導(dǎo)航系統(tǒng)實踐性輔助教學(xué)設(shè)備的制作方面，主要以現(xiàn)有的傳統(tǒng)導(dǎo)航教學(xué)設(shè)備為基礎(chǔ)，對傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航教學(xué)設(shè)備進行改造，并在此基礎(chǔ)上引入定位與導(dǎo)航技術(shù)的新應(yīng)用，進而實現(xiàn)從傳統(tǒng)導(dǎo)航到面向智能物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代導(dǎo)航的演示，從單獨的器件到導(dǎo)航系統(tǒng)的全面的演示。在定位與導(dǎo)航系統(tǒng)實踐性輔助教學(xué)試驗內(nèi)容的設(shè)計和安排方面，注重對新型慣導(dǎo)系統(tǒng)性能演示，通過傳感器器件的解剖和演示、陀螺儀工作原理的多媒體演示、陀螺儀和GPS 接收機等導(dǎo)航設(shè)備的數(shù)據(jù)采集分析，組合濾波技術(shù)的應(yīng)用與分析，實現(xiàn)理論與實踐緊密結(jié)合的教學(xué)模式，以拓寬學(xué)生的知識面，增加對該專業(yè)認識的深度和提高學(xué)習(xí)興趣，獲得最佳的教學(xué)效果。

（3）創(chuàng)新教學(xué)組織形式，突出理論教學(xué)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用下實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的結(jié)合。在課程組織形式與教師指導(dǎo)方法方面，該課程以演示實驗與課外活動相結(jié)合的方式進行。導(dǎo)航系統(tǒng)分析具有較強的理論性，導(dǎo)航系統(tǒng)的實踐操作對于初學(xué)者具備較高的難度。教學(xué)采用講座與討論結(jié)合的方式進行，每堂課首先通過講座形式，講解導(dǎo)航技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)理論，再以此為基礎(chǔ)提出一些開放性和啟發(fā)性的問題，由學(xué)生思考解決方法，進行小組內(nèi)討論，后由其他小組進行和主講教師點評。通過課堂討論，要求學(xué)生了解科學(xué)研究的一般方法和過程，培養(yǎng)學(xué)生思考問題與解決問題的能力，從而提高學(xué)生科學(xué)抽象和邏輯思維能力，同時激發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維和創(chuàng)新性思維。課程組織形式分為演示實驗及課外活動兩種。演示實驗以任課教師獨立演示、學(xué)生分組實驗的方式進行。教師指導(dǎo)方式為分析、解答實驗過程，鼓勵同學(xué)思考和提問，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識應(yīng)用于演示實驗的分析。課外活動組織形式則以參觀為主，由任課教師帶領(lǐng)學(xué)生參觀導(dǎo)航系統(tǒng)專業(yè)實驗室及大學(xué)生創(chuàng)新實踐實驗室，提高學(xué)生熱情。

（4）改革考核方式，針對智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和項目式課程特點，建立調(diào)研、討論、分析、交互報告于一體的綜合考核模式?？己朔绞讲扇》中〗M的方式完成某一子課題調(diào)研或?qū)嶒灩ぷ?，并以小組為單位進行半公開性綜合答辯，最終按小組提交研究報告。考核重點為學(xué)生對于導(dǎo)航定位技術(shù)中某一關(guān)鍵點的理解和認識，以及在團隊協(xié)作方面對學(xué)生的協(xié)作能力和團隊貢獻或影響力的綜合考核。通過分組考核方法，培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作能力，逐步發(fā)掘?qū)W生的個人潛能，增強學(xué)生的溝通能力、責任感、團隊榮譽感，以及團隊的領(lǐng)導(dǎo)能力。

4 總結(jié)與展望

通過改革方案的實施，使得學(xué)生掌握定位與導(dǎo)航的基本原理，掌握目前常見導(dǎo)航系統(tǒng)和一些新興導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理和各自的特點，了解智能物聯(lián)網(wǎng)中組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識和應(yīng)用。同時為進一步學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事相關(guān)專業(yè)技術(shù)工作、科學(xué)研究工作、管理工作提供重要的理論基礎(chǔ)。在上述研究內(nèi)容基礎(chǔ)上，完成了定位與導(dǎo)航系列課程教學(xué)研究平臺建設(shè)，建立起一套完整的集理論教學(xué)、實踐教學(xué)為一體的智能物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航技術(shù)綜合教學(xué)研究系統(tǒng)，從而滿足課堂教學(xué)對于理論和實踐相結(jié)合的需要，實現(xiàn)在新一代科技后備人才的培養(yǎng)中導(dǎo)航技術(shù)課堂教學(xué)與智能物聯(lián)網(wǎng)新興應(yīng)用趨勢相融合的教育教學(xué)模式。