“GPS原理”教學實踐與探討

摘要：全球定位系統(GPS)原理是測繪與地理類相關專業的專業基礎課，對相關學科的人才培養具有直觀重要的作用。然而該學科起步晚，發展快，在教學方面仍然存在許多問題與不足。本文首先分析了大學本科“GPS原理”課程教學中存在的不足，然后針對這些問題根據自己的教學體會提出了相關對策與建議。

關鍵詞：GPS原理 教學內容 實踐

1 概述

GPS（全球定位系統）源于美國上世紀70年代發展的衛星導航與定位系統，具有全天候作業、觀測站之間無需通視、定位速度快、精度高、自動化程度高以及可直接測定點的三維坐標等優勢，已經廣泛應用于車輛導航、大地測量、資源勘查等多個領域[1，2]。基于此，近年來，國內外大多數高等院校均開設了“GPS原理”課程。然而，考慮到該課程理論與公式計算復雜，內容專業性強，涉及知識面廣泛，同時其理論、技術、方法與應用均在不斷發展更新[3]。因此，面向工程應用領域，對該課程教學方法與模式開展探討，有助于培養學生對該課程的興趣，加強課程的教學質量，并深入開展GPS的廣泛應用。

2 “GPS原理”教學目標與特點

2.1 課堂教學目標

①明確課程的定位：“GPS原理”課程屬于測繪與地理類專業基礎課，學生需要掌握基本的數學知識以及空間思維，同時也與后續專業課程具有密切聯系。另一方面，這門課程強調學生綜合能力，設計實驗、完成實驗并最終獲得獨立思考、分析和解決實際問題的能力。

②培養學生空間思考的能力：“GPS原理”課程涉及到的內容不僅僅包括局部小范圍區域，同時需要學生綜合掌握地球表面、地球中心以及天球、衛星軌道面等多個嶄新的概念，對學生的空間思維能力是一種極大的拓展。

③掌握GPS工作的基本知識：本課程要求學生理論與實踐相結合，掌握GPS定位技術的基本概念、基本理論以及基本應用，理解GPS定位的基本原理，并明確GPS網的設計與實施。理論與實踐相結合。

④培養學生GPS應用的能力：GPS的基本功能在于定位，課程要求學生在定位的基礎之上，發揮創造性思維，結合GPS的發展趨勢，以面向應用，為進一步的發展夯下堅實的基礎。

2.2 “GPS原理”課程特點

①基礎理論重要，實驗技能必不可少：這是GPS課程的顯著特點之一，不僅要講授基礎理論與公式，使學生掌握定位原理、誤差來源以及數據處理等基本技能，同時要求學生在實驗方面掌握GPS基線解算、控制網的外業實施與作業以及手持GPS、差分GPS等一起的基本操作。

②多學科交叉，知識面廣：GPS技術是在理論上依托于數學、測量、地學、計算機技術、地理信息系統等學科，同時在應用上依賴于具體應用學科如導航、城市建設、交通工程等理論和技術的發展。另一方面，GPS課程的學習涉及到天文學、信號學、坐標系統與時間系統等多方面的基礎知識，這都要求教師與學生具備廣泛的知識面與扎實的基礎。

③發展迅速、內容更新快：GPS的發展歷史雖然只有30多年，然而近年來的“3S”（全球定位系統、地理信息系統、遙感）技術的蓬勃發展，以及手機GPS、車載GPS的廣泛應用，GPS已經成為人們日常生活中重要的信息來源，并在此基礎上發展出基于位置服務（LBS）等多種創新里面。基于此，GPS內容與技術的快速更新，對學科的教學方法與教學模式也提出了更高的要求。

3 當前教學中存在的主要問題

3.1 傳統教學模式的問題

“GPS原理”課程的傳統教學模式為“傳遞——接受”教學模式，主要為教師講授為主，本質上屬于教師為中心的教學模式。這種模式的優點是有利于教師主導作用的發揮，有利于教師對課堂教學的組織、管理與控制。然而把學生當作灌輸的對象、外部刺激的接受器，學生在教學過程中難以發揮主體作用，強調學生的任務就是要消化、理解教師講授的內容，并導致學生養成了不問“為什么”，甚至不知道要問“為什么”的習慣。

3.2 教學內容的問題

“GPS原理”課程教學內容、教學重點存在極大的隨意性。目前GPS原理方面的教科書種類繁多，然而不同學科存在著不同角度的理解，其內容與側重點往往存在極大的差異。同時，目前各高校上課時往往由任課教師選擇某種參考書中的某些內容組織教學，其自身的知識背景與理解均存在較大的差異，導致課程講授存在極大的隨意性，進而導致學生學習效果不佳。另一方面，GPS的發展日新月異，而目前的教學內容中仍然重點偏向于傳統GPS測量的部分，對新的GPS進展方面往往涉及不多。教師同一套教案沿用多年，這些均導致當前教學內容與時代的發展不對應。

3.3 實驗與實習中存在的問題

實踐教學是教學過程中的重要組成部分之一。GPS應用非常廣泛，涉及內容多，同時時間緊，儀器設備條件有限，往往導致學生在具體實踐與應用過程中一知半解，蒙混過關。尤其在課間上機實驗的過程中，部分學生對GPS基線解算和GPS網平差的數據處理過程完全不明白其原理，理論與實踐的脫節也是目前教學過程中存在的較大問題之一。

4 教學改革的思路與方法

4.1 結合多媒體技術，豐富教學內容

“GPS原理”課程內容包括衛星運動基礎、信號傳播理論、空間坐標與時間系統等多個方面的內容，涉及到衛星、天體、空間等抽象概念。傳統的板書難以清晰明確地展示這些內容。多媒體技術在傳播圖形、圖像以及視頻等教學內容方面具有無可比擬的優勢，可以直觀地展示抽象內容，如天球坐標系統與地球坐標系統的圖片講解，以及通過flash播放的衛星運動圖片，可以有效地提升學生對課堂學習的興趣，同時也有助于對抽象內容的深入理解。

同時，必須考慮多媒體教學過程中存在的不足。如利用多媒體技術推導偽距觀測方程公式，存在速度難以控制，學生思路易打斷等方面的不足。傳統板書的模式速度慢，條理性強，可以引導學生一起進行公式的推導，進一步加強學生的基本功。

4.2 野外實踐教學與計算機輔助教學相結合

現代教育心理學認為，學習情境存在著各種不同的刺激，學生對不同刺激會產生相應的反映。在教學中，采用不同的教學手段，使學生對學習產生興趣，能激發學生的思維潛能[4]。“GPS原理”課程是建立在“測量學”課程的學習基礎之上，對野外作業、團隊配合已經具備一定的基礎。這門課程同樣需要在野外教學，可以在此培養學生觀察自然，表達自然的能力。同時，在野外的過程中讓學生設計實驗、每個同學參與實驗的安排與組織，熟悉靜態GPS接收機的安置、外業操作及數據采集方法，進而在上機實驗中做到有的放矢，使學生對GPS測量過程有一個全面、系統地了解。

4.3 改變傳統授課模式，合理組織教學內容

考慮由單向授課模式變為討論、聽課相結合，具體問題逐步向師生共同討論轉變。如每間隔一段時間，在課前確定討論主題，下來后給學生留出足夠的時間查找文獻與準備主題發言。主題一般確定為GPS領域中較前沿的問題，開展全班討論。這個過程不僅有助于培養學生自學與創新的能力，同時也是對教師學術水平的一種考驗。同時，在教學中，不拘泥于一本教材，而是廣泛收集各種類型的教學資料，并在條件成熟的時候給學生展示較新的學術論文，盡早讓學生接觸論文、了解論文，并善于從論文中找到科學問題。

4.4 教學中吸收新的研究成果，著重培養學生的創新意識

GPS已經廣泛深入人們的日常生活之中，教學中在注重基礎知識教育的同時，還適當地將科研成果及時地轉化到課堂上，使學生們了解科技動態。在專業應用領域之外，現在的大部分智能手機都有自己的GPS模塊，具備定位功能。然而，在定位的基礎之上發展出來的LBS已經成為無線通訊領域的熱點。教師在備課時，應該注意收集多種教學資料，引導學生在定位的基礎上，結合GIS數據，提出基于定位信息的服務，并在課堂上引導學生討論，以此培養學生創新意識。同時，可以介紹一些LBS應用的典型案例，讓學生思考該應用中可能涉及的內容，并讓學生明確在哪些方面可以改進。

5 結束語

隨著中國北斗系統，歐洲伽利略系統的應用，GPS的應用必將越來越廣泛，是一個方興未艾的朝陽產業，GPS課程的大學教育是促進這一行業發展的基本保障。然而目前在該課程的教學中仍然存在一定的問題，課程建設仍然不夠完善，導致其教學質量受到影響。因此，有必要通過規范教學體系、提高師資隊伍的理論與實踐水平，達到提高辦學質量的目的，進一步推動GPS這一朝陽產業的快速發展。

參考文獻：

[1]黃聲享，郭英起，易慶林.GPS在測量工程中的應用[M].2007:測繪出版社.

[2]李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理[M].2005:武漢大學出版社.

[3]黃聲享，向東.GPS系列化教學實習的設計與實踐[J].測繪通報，2004，10:64-66.

[4]祝國瑞，戴雙華，劉化.《地圖分析》多媒體CAI軟件的研制[J]. 地圖，2001，3.

[5]郭秋英，趙吉濤.“GPS原理及應用”課程教學實踐與探討[J]. 測繪工程，2008，17(1):75-77.