《GPS原理與應(yīng)用》課程教學(xué)研究與實(shí)踐

李金平，楊 昆，洪 亮（云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明650500）

GPS技術(shù)是美國(guó)19世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。近年來(lái)，美國(guó)GPS現(xiàn)代化的實(shí)施，使得GPS衛(wèi)星技術(shù)得到迅猛發(fā)展，該系統(tǒng)具有全天候作業(yè)、觀測(cè)站之間無(wú)需通視、定位速度快、精度高、自動(dòng)化程度高以及可直接測(cè)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。隨著GPS接收機(jī)和后處理軟件的發(fā)展和完善，GPS定位技術(shù)由單點(diǎn)定位、靜態(tài)相對(duì)定位發(fā)展到差分定位、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK），滿足各種交通、導(dǎo)航、陸地和水下測(cè)量等的要求。GPS導(dǎo)航定位技術(shù)以高精度、各種尺度范圍的直接定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)功能，已被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、大地測(cè)量、工程測(cè)量、國(guó)土資源調(diào)查、城市規(guī)劃、資源環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理等領(lǐng)域，并已成為地理信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，《GPS原理與應(yīng)用》成為許多高校的測(cè)繪類專業(yè)和相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的必修課程[1-4]。

《GPS原理與應(yīng)用》課程內(nèi)容理論深，實(shí)踐性強(qiáng)，多學(xué)科交叉，涉及的知識(shí)面廣，同時(shí)其內(nèi)容也在不斷豐富之中，因此，如何根據(jù)高校自身的專業(yè)特色和實(shí)際情況開展該課程的教學(xué)研究，不斷提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，是每位任課教師必須認(rèn)真面對(duì)和認(rèn)真思考的問(wèn)題。下面，筆者結(jié)合云南師范大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)本科生開設(shè)的 《GPS原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)工作，圍繞如何提高課程教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段及實(shí)踐性教學(xué)等方面做了一些有益的研究和實(shí)踐?。

1 精選教材，合理安排教學(xué)內(nèi)容

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的蓬勃發(fā)展使得GPS導(dǎo)航定位技術(shù)在理論及技術(shù)設(shè)備更新上都得到改進(jìn)和發(fā)展，GPS接收機(jī)逐漸發(fā)展為雙星(多星）GPS接收機(jī)。我國(guó)許多院校設(shè)置的地理信息系統(tǒng)專業(yè)是依托測(cè)繪工程、地理學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展建立起來(lái)的新專業(yè)，不同院校的地理信息系統(tǒng)專業(yè)課程設(shè)置各有特點(diǎn)。目前，適用于 《GPS原理與應(yīng)用》課程的教材版本較多，側(cè)重點(diǎn)各有不同，《GPS原理與應(yīng)用》課程教材的選擇應(yīng)注重專業(yè)特點(diǎn)，體現(xiàn)既立足當(dāng)前又能著眼于未來(lái)發(fā)展，注重實(shí)用性和前瞻性。結(jié)合云南師范大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)特點(diǎn)，選用 《GPS測(cè)量原理與應(yīng)用(第3版）》（徐紹銓，張華海等編著）作為該課程的教材[5]，《GPS測(cè)量原理與應(yīng)用》（張勤、李家權(quán)等編著）、《GPS原理及應(yīng)用》（李天文編著）作為主要參考教材[6-7]。

云南師范大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)是依托地理學(xué)設(shè)置的，針對(duì) 《GPS原理與應(yīng)用》課程中涉及大量的測(cè)繪專業(yè)知識(shí)及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理方法，為使學(xué)生正確理解和掌握課堂教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)增補(bǔ)了一些與課程有關(guān)的測(cè)繪專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)：測(cè)量常用坐標(biāo)系、測(cè)量誤差的基本知識(shí)、最小二乘平差原理、間接平差原理。這樣，使學(xué)生便于理解GPS測(cè)量誤差、精度的概念、GPS絕對(duì)定位原理和靜態(tài)相對(duì)定位原理中觀測(cè)方程解算、GPS網(wǎng)平差計(jì)算中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等方面的知識(shí)。

GPS導(dǎo)航定位技術(shù)作為一種主要的空間信息科學(xué)技術(shù)，它為GIS提供空間數(shù)據(jù)源和技術(shù)支撐，GPS與GIS集成應(yīng)用，高效實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)、管理等綜合服務(wù)。在地理信息系統(tǒng)專業(yè)開設(shè) 《GPS原理與應(yīng)用》課程教學(xué)中，充分注意教學(xué)內(nèi)容的層次設(shè)計(jì)，使教學(xué)內(nèi)容可根據(jù)人才培養(yǎng)需要自成一體，擴(kuò)大課程教學(xué)內(nèi)容的適應(yīng)面，使之滿足GIS專業(yè)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)需要。課程的教學(xué)內(nèi)容安排上包括以下主要知識(shí)：GPS系統(tǒng)的構(gòu)成及其發(fā)展現(xiàn)狀、GPS定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系、GPS衛(wèi)星信號(hào)、GPS靜態(tài)定位原理、GPS動(dòng)態(tài)定位原理、GPS測(cè)量誤差主要來(lái)源、GPS導(dǎo)航、GPS控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)與觀測(cè)數(shù)據(jù)采集、GPS定位測(cè)量中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、GPS基線向量解算與網(wǎng)平差、GPS高程、GPS定位技術(shù)的應(yīng)用等。

2 改善教學(xué)方法和手段，提高教學(xué)質(zhì)量

《GPS原理與應(yīng)用》課程涉及的知識(shí)面廣，其理論知識(shí)涵蓋天文學(xué)、信息科學(xué)、測(cè)繪及遙感科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)等多門學(xué)科，同時(shí)課程又涉及GPS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等實(shí)踐知識(shí)。教學(xué)中，對(duì)于課程中大量的概念、公式、圖表、儀器操作和數(shù)據(jù)處理過(guò)程，采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)很難將一些概念及過(guò)程清晰地展現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生難以理解和掌握，應(yīng)用多媒體教學(xué)可使枯燥、難懂的GPS原理與應(yīng)用知識(shí)變得形象、直觀、易于理解，可大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效地提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)于現(xiàn)代GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成及發(fā)展、坐標(biāo)系、衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)、GPS衛(wèi)星信號(hào)及其格式、GPS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)、觀測(cè)數(shù)據(jù)采集等內(nèi)容，結(jié)合大量文字、表格、圖形、圖像通過(guò)多媒體技術(shù)講解便于學(xué)生理解和掌握；對(duì)于GPS基線向量解算及網(wǎng)平差，利用實(shí)際案例結(jié)合GPS數(shù)據(jù)處理軟件，利用多媒體技術(shù)演示基線向量解算過(guò)程及網(wǎng)平差過(guò)程，說(shuō)明基線解算的一些參數(shù)控制過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)GPS數(shù)據(jù)處理過(guò)程的理解；對(duì)于GPS絕對(duì)定位原理和相對(duì)原理、測(cè)碼偽距和載波相位觀測(cè)方程及線性化、觀測(cè)量的線性組合、基線向量的解算模型、基線向量網(wǎng)平差模型、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及GPS高程等內(nèi)容，涉及公式推演過(guò)程較多，這部分內(nèi)容則采用多媒體與傳統(tǒng)的板書相結(jié)合的教學(xué)方法，快慢結(jié)合，條理性好，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

采用多媒體教學(xué)課件教學(xué)時(shí)，課堂教學(xué)內(nèi)容較多，信息量大，對(duì)學(xué)生知識(shí)的消化和吸收有一定影響。將多媒體與多種教學(xué)手段相結(jié)合，控制語(yǔ)速，掌握每一堂課的教學(xué)容量，對(duì)于重要的知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生做筆記，加強(qiáng)學(xué)生的記憶和理解，克服單純依賴一種教學(xué)手段的局限，擴(kuò)大學(xué)生的學(xué)習(xí)知識(shí)面，增進(jìn)學(xué)生信息量的獲取力度。教學(xué)過(guò)程中，配合教學(xué)內(nèi)容，在講完一章內(nèi)容后，都針對(duì)課堂內(nèi)容和書上的內(nèi)容出一些思考題和作業(yè)題，并要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間交作業(yè)，然后，在課堂上針對(duì)出錯(cuò)多的問(wèn)題進(jìn)行集中講解。注重教學(xué)方法和教學(xué)手段的不斷完善，克服由于GPS定位技術(shù)涉及學(xué)科多，導(dǎo)致教學(xué)中存在內(nèi)容多、難度大，使學(xué)生難以學(xué)習(xí)掌握等問(wèn)題，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)高級(jí)技術(shù)人才的目的。

3 加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，注重能力培養(yǎng)

實(shí)踐教學(xué)是 《GPS原理與應(yīng)用》課程教學(xué)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，對(duì)提高課程的教學(xué)質(zhì)量具有重要作用，通過(guò)實(shí)踐性教學(xué)，理論聯(lián)系實(shí)際，真正掌握GPS導(dǎo)航定位技術(shù)。《GPS原理與應(yīng)用》課程共安排18學(xué)時(shí)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，項(xiàng)目的設(shè)置有：GPS靜態(tài)、動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位數(shù)據(jù)采集(2學(xué)時(shí)）；GPS靜態(tài)相對(duì)定位數(shù)據(jù)采集(4學(xué)時(shí)）；GPS RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分?jǐn)?shù)據(jù)采集(4學(xué)時(shí)）；GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理(2學(xué)時(shí)）；GPS基線向量解算及網(wǎng)平差(6學(xué)時(shí)）。通過(guò)實(shí)踐性教學(xué)，使學(xué)生掌握靜態(tài)GPS接收機(jī)的安置、外業(yè)操作及數(shù)據(jù)采集方法，GPS RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分?jǐn)?shù)據(jù)采集方法，熟悉GPS基線解算和GPS網(wǎng)平差的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

在 《GPS原理與應(yīng)用》課程實(shí)踐性教學(xué)中，由于GPS接收機(jī)的臺(tái)數(shù)以及學(xué)生操作熟練程度的限制，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)完整的GPS控制網(wǎng)比較困難，因此，實(shí)習(xí)基地建設(shè)非常重要。利用學(xué)校和周邊環(huán)境，布設(shè)10個(gè)GPS點(diǎn)構(gòu)成邊角混合網(wǎng)，GPS控制網(wǎng)采用3臺(tái)萊卡GX1230GPS接收機(jī)同步觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)段一般30～40min，觀測(cè)獲取所有GPS網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)預(yù)處理，外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)符合規(guī)范要求，利用配套的數(shù)據(jù)處理軟件，提供GPS基線向量解算和網(wǎng)平差，得到1954個(gè)北京坐標(biāo)系所有GPS點(diǎn)坐標(biāo)，為實(shí)踐性教學(xué)建立了實(shí)習(xí)基地。實(shí)習(xí)基地產(chǎn)出的GPS觀測(cè)成果既能滿足所有GPS測(cè)量實(shí)習(xí)要求，同時(shí)也為數(shù)字測(cè)圖實(shí)習(xí)提供高等級(jí)控制點(diǎn)。GPS靜態(tài)絕對(duì)定位數(shù)據(jù)采集實(shí)習(xí)時(shí)，要求學(xué)生將手持GPS接收機(jī)放置在GPS網(wǎng)點(diǎn)上，將觀測(cè)坐標(biāo)與已知坐標(biāo)比對(duì)，加深精度概念的理解。靜態(tài)相對(duì)定位數(shù)據(jù)采集實(shí)習(xí)時(shí)，利用3臺(tái)GPS接收機(jī)，根據(jù)實(shí)習(xí)基地上建立的GPS網(wǎng)點(diǎn)，要求每組(6人，2人1臺(tái)GPS接收機(jī)）至少觀測(cè)2個(gè)同步閉合環(huán)，構(gòu)成局部邊點(diǎn)混合網(wǎng)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)預(yù)處理。GPS基線向量解算及網(wǎng)平差實(shí)習(xí)利用已獲取的高精度觀測(cè)數(shù)據(jù)完成實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。

為能順利完成實(shí)習(xí)內(nèi)容，根據(jù)每個(gè)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，編寫相應(yīng)的 《GPS原理與應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》，實(shí)習(xí)前將實(shí)習(xí)計(jì)劃和實(shí)習(xí)指導(dǎo)書發(fā)給學(xué)生，熟悉實(shí)習(xí)內(nèi)容，便于實(shí)習(xí)指導(dǎo)。為促使學(xué)生重視實(shí)踐性教學(xué)，實(shí)習(xí)課成績(jī)?cè)谄谀┛荚嚦煽?jī)?cè)u(píng)定中占課程總成績(jī)的10%，根據(jù)考勤、實(shí)習(xí)態(tài)度、外業(yè)及上機(jī)操作熟練程度、實(shí)習(xí)報(bào)告內(nèi)容、實(shí)習(xí)考查等各方面綜合評(píng)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

在 《GPS原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)中，應(yīng)精選教材，理論教學(xué)應(yīng)注重教學(xué)方法、手段的實(shí)用性和先進(jìn)性相結(jié)合；在實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)加強(qiáng)實(shí)習(xí)基地建設(shè)，完善實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過(guò)多年的教學(xué)改革和實(shí)踐，使學(xué)生真正地理解GPS導(dǎo)航定位原理與方法，能夠熟練進(jìn)行GPS設(shè)計(jì)，并利用GPS接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掌握內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法，取得了較好的教學(xué)效果。

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