CDIO理念下“衛星導航與定位技術”教學改革探討

王潛心，鄒 艷，2，姚麗慧，高井祥，吳 飛

（1.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.北京建筑大學 文法學院，北京 100000）

CDIO理念下“衛星導航與定位技術”教學改革探討

王潛心1，鄒 艷1，2，姚麗慧1，高井祥1，吳 飛1

（1.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.北京建筑大學 文法學院，北京 100000）

隨著衛星導航與定位技術的迅猛發展及其應用范圍的不斷拓寬，衛星導航與定位技術已成為測繪工程及相關專業本科生的核心課程，有著較強的理論性和實踐性。為提高學生的專業實踐能力和發揮主觀能動性，本文引入國際先進的CDIO教育理念，從教學內容的設置、教學手段的優化和考核方式的改進幾個方面探討教學改革，旨在促進學生將理論應用到實踐，提高學生的專業實踐能力和主觀能動性，使其成為滿足社會需求的專業技術人才。

CDIO；衛星導航與定位技術；教學改革

1　CDIO工程教育理念

CDIO工程教育理念是近年來國際工程教育與人才培養的創新模式，從2000年起，麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所工程大學發起，經過幾年的探索研究，提出并持續發展和倡導了全新的CDIO工程教育理念，在2004年成立了以CDIO命名的國際合作組織。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate），它以產品的研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習和獲取工程能力、技術知識、終身學習以及與社會團體交流合作的能力。至今，已有幾十所世界著名大學加入了CDIO組織，這些學校的機械系和航天航空系已全面采用CDIO工程教育理念和教學大綱，取得了良好效果，按CDIO模式培養的學生深受社會與企業歡迎。

2　衛星導航與定位技術課程的現狀及主要問題

衛星導航與定位技術作為本校測繪工程及相關專業的核心基礎課程，多年來遵循“厚基礎、寬口徑、強能力、高素質”的基本指導思想，在教學、實驗和科研上都取得了一定的成績，但與工程教育的目標還有很大的差距。綜合近年的教學效果及對測繪工程及相關專業的畢業生調查反饋情況，筆者發現還存在許多需要改進的地方。主要表現在以下幾個方面。

（1）教學內容不斷增加，而授課學時相對較少。隨著GPS（全球定位系統）發展到GNSS（全球導航衛星系統），以及RTK（實時動態差分法）和PPP（精密單點定位）等新定位技術的出現與應用，很多新知識成了課程必講內容，如果繼續沿襲原來的32課時，教師在講解內容時就會顧此失彼。

（2）教學方法偏重理論授課且方法單一。由于衛星導航與定位技術理論性較強，授課教師過于偏重理論教學，實際工程案例講授較少；傳統的填鴨式教學及多媒體的使用使課堂缺少師生互動的氛圍，難以調動學生積極思考和對專業知識的興趣，導致學生消化吸收知識效果差，對于如何將所學理論知識運用到實際工程中理解得不夠透徹；

（3）實踐教學達不到預期效果。實踐教學環節的好壞直接影響到該門課程的教學質量。目前，衛星導航與定位技術課程有6個課時實驗，時間較少；實驗內容沒有和生產實際緊密聯系，導致實驗報告大同小異。

3　CDIO理念下衛星導航與定位技術課程改革

3.1內容體系的設置與教材的選擇

根據中國礦業大學制定的課程大綱，衛星導航與定位技術作為以GPS為主的空間定位技術原理、方法和應用，主要內容包括5部分：衛星定位的基本原理和幾種定位方法、GPS定位的誤差及其影響、GPS網的設計及實施、GPS數據處理、GPS的應用與發展，延伸配套課程還有衛星導航與定位算法與程序設計。為了體現CDIO工程教育理念，盡量減少理論課學時，增加實踐課學時，使學生在“學中做”和“做中學”。在學習基礎理論的同時培養工程應用能力，需要結合專業培養大綱，與其前后課程有機結合，避免過多知識重疊，增加衛星導航與定位技術的新發展、新理論與新應用等內容。

在授課過程中，涉及的人造軌道理論、無線電載波信號調制、電磁波傳播等需要大地測量學、物理學和電工學基礎；涉及的導航定位原理與方法需要線性代數、高等數學和測量平差基礎；涉及的GPS控制測量數據處理與分析需要編程語言、計算機基礎，等等。而這些課程都已經講授，為了知識的完整性，在衛星導航與定位技術中只進行簡要的復習，而不再作為要點大篇幅講解。如課程中天體運行的基本理論和知識，要點有：二體問題、攝動理論、歲差、章動與極移等，這些內容在專業基礎課大地測量學中已詳細介紹過，只需做簡單回憶和總結。所以在教材選擇上，也要考慮本課程與專業前后課程的有機結合，避免過多的重復。中國礦業大學選擇了武漢大學李征航教授 等編著的《GPS測量與數據處理（第二版）》，該書結合了教學、科研和生產實踐從定位原理、測量作業、數據處理等方面對衛星導航與定位技術作了詳細有序的介紹。

另外，衛星導航定位與原理課程的核心內容主要是從國外的英文課程或資料中翻譯引進的，很多概念也是直接援引過來的，包括人們經常采用的“GPS”“GDOP”等名詞，可以引導學生去引申閱讀以英文為主的介紹衛星導航定位原理的書籍和專著，同時關注國際上有關衛星導航定位與原理的研究機構和大學在網站上提供的英文介紹資料。

3.2教學手段的優化

傳統的“滿堂灌”教學方法已不適合衛星導航與定位技術課程教學的要求，采用啟發式、討論式的教學方法，由以教師為中心向以學生為中心轉變，使課堂討論更加生動，變施教為共同學習，例如：在講授不同定位方法時可以布置課程作業，讓學生分組收集整理不同定位方法的原理和應用方面的資料，然后進行課堂討論，這樣培養了學生的自主學習能力，教學效果會更顯著。

衛星導航與定位技術是與空間與時間有關的領域，描述四維（空間三維+時間維）定位技術，在原理與方法的講解中，采用多媒體方式教學科研展示直觀的三維視覺和時間的動態變化，有助于學生的理解。定位方法的數學模型等公式推導和定位精度分析等內容，涉及原理圖及公式較多，建議采用多媒體+黑板板書相結合的教學方式，有利于引導學生的思路，加深他們對聽課內容的理解。

在實踐教學環節，教師應注重學生動手能力、創新能力的培養。衛星導航與定位技術課程安排了6個課時進行GPS實驗，包括GPS的認識、GPS測量設計與實施、GPS測量數據處理。根據本校實驗室的實際情況，筆者認為將幾次單獨的實驗整合為一項GPS項目且分組作業，包括GPS施測項目的計劃制訂、數據采集、數據處理、精度分析和成果輸出等一系列步驟，學生可通過實踐鞏固衛星導航與定位技術的基本理論知識，鍛煉GPS接收機的操作和數據處理軟件的使用技能，培養了學生的獨立工作能力、組織管理能力、團結協作和合作競爭意識。

3.3考核方式的改革

改革考核形式，可以采取半開卷考試和平時作業成績綜合的考核方式，其中平時作業包括實驗報告和讀書報告。

（1）半開卷考試，改進考試題型，要求學生定時在考場獨立完成，可以攜帶一張A4紙大小自己總結的參考資料。以基本概念、數學模型、算法流程和程序設計為知識考點，主要考察學生的理解、分析和解決問題的綜合能力，占總成績的70%。

（2）讀書報告占總成績的10%，旨在要求學生養成讀課外參考文獻的習慣，通過閱讀相關的參考文獻，加深對課程的理解。

（3）上機操作，在有限時間內，對所給數據文件進行數據處理，按照要求提交處理結果報告，占總成績的20%。

主要參考文獻

［1］顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（上）［J］.高等工程教育研究，2012（3）.

［2］匡翠林，戴吾蛟，蔡昌盛，等.《GPS定位原理與應用》課程教學改革——面向卓越測繪工程師教育［J］.礦山測量，2013（4）.

［3］李征航.GPS測量與數據處理［M］.武漢：武漢大學出版社，2010.

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.16.151

G642；TN967.1

A

1673-0194（2016）16-0229-02

2016-07-02

中國礦業大學教育教學改革與建設課題（2015YB23）；中國礦業大學研究生教育教學改革研究與實踐項目（2015Y04）；卓越工程師計劃背景下測繪工程專業核心能力培養模式研究（2014YB24）；中國建設教育協會教育教學科研課題（2015005）；江蘇高校品牌專業建設工程（PPZY2015B144）；測繪工程教育部卓越工程師培養項目（152121508G）。