面向OBE模式的“GNSS原理與應用”課程教學改革與實踐

湯 俊

(華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013)

“GNSS原理與應用”是測繪工程本科專業的一門專業必修課程，學生對該課程的掌握程度直接關系到測繪專業人才的培養質量。在該課程教學過程中，如何提高測繪工程人才培養質量已成為測繪專業院校教學改革探索的關鍵，為此，很多學者對該課程提出了改革措施。郭敏等從課程名稱、實習基地、實習方法與考核等方面進行全面改革[1]；王華和陶葉庭從課程的教學內容和模式等方面進行了改革和創新[2]；蔣廷臣等分析了測繪專業教育成果導向教學設計流程，討論了該課程教學大綱的修改和完善[3]；鄧岳川等提出了采用MOOC與翻轉課堂融合的教學方式探索課程教學改革[4]；連達軍等提出了突出教學重點、設計教學內容、加強主動性學習的教學思路改革[5]；章迪等提出了將虛擬現實技術用于實踐教學的改革研究[6]。以上研究在一定程度上提高了該課程的教學質量。

在工程教育專業認證背景下，如何使測繪工程專業工程教育與國際接軌、與社會需求相適應，成為各院校提升測繪專業人才培養質量的有效途徑。為此，很多測繪工程專業院校申請工程教育專業認證，其核心是要確認該專業畢業生達到行業認可的既定質量標準要求，是一種以培養目標和畢業出口要求為導向的合格性評價[7-8]。成果導向教育(outcome-based education,OBE)工程教育模式是工程教育認證下人才培養的核心理念，是一種以學為中心導向的教育模式[9-10]。本文將OBE工程教育模式引入“GNSS原理與應用”專業課程教學中，以學為中心，從課程目標、教學設計、資源投入、課程評價方面進行改革探索，設計一套該課程達成度指標體系，并進行持續改進，結合本校的實踐，驗證該教學改革模式的可操作性和有效性。

1 “GNSS原理與應用”課程教學現狀

“GNSS原理與應用”是一門理論性和實踐性較強的課程，要學好該課程，不僅要理解和掌握其基本理論知識，還要通過實踐了解和掌握其工程應用和數據處理方法。隨著科技的發展，衛星導航定位的理論與技術發展日新月異，課程理論深、實踐強、內容多、學時短。就近年來的教學效果來看，有不少環節存在問題。

1.1 知識講授與教學結果相背離

該課程教學內容多、跨度大，涉及坐標系統和時間系統、衛星運動基礎、衛星信號、定位原理、誤差來源、測量設計、數據處理以及GNSS高程等許多復雜的理論和技術。學生在學習該課程之前，要了解和掌握誤差理論和測量平差、大地測量基礎等課程知識，由于課時有限，講課不能面面俱到，學生不易抓住課程主線，從而導致考核效果不理想，同時有部分學生不能將所學GNSS知識應用到實際工程中來解決復雜工程問題。

1.2 理論與實踐脫節

該課程教學是由理論和實踐兩部分組成，需通過講授原理方法與實踐操作相結合，達到理論聯系實際，掌握課程知識。但由于GNSS儀器更新快、價格高，大多高校因經費不足導致儀器配備數量有限、更新慢，另外，由于外業測量的計劃性和協作性，以及內業數據處理的靈活性，使得學生無法靈活運用所學GNSS數據處理知識來解決實際工程問題，缺乏對測繪工程項目的根本性認識。雖有實習，但教學脫離生產，不具備服務社會的能力，顯現實踐教學單薄，訓練達不到應有的教學效果。

1.3 考核評價與能力不匹配

OBE工程教育是以對學生能力的培養為目標，要求學生對專業知識進行理解和應用，而不是單純的死記硬背。目前，傳統的“GNSS原理與應用”課程考試，大多停留在對知識點記憶情況的考查。考核方法是由平時成績和考試成績組成，這種考核方式不能有效地評定課程目標的實現，考核評價與課程要求能力不匹配，難以評定學生是否養成該課程要求達到的能力。

2 基于OBE教育模式的課程改革

在OBE以學為中心的教育模式下，圍繞“定義預期學習產出—實現預期學習產出—評估學習產出”的主線，從課程目標、教學設計、資源投入、課程評價幾個方面構成了教育質量以學生課程評價持續改進的閉環。面向OBE工程教育模式的課程建設模型如圖1所示。

圖1 面向OBE模式的課程建模模型

2.1 以能力為核心，定位教學目標

OBE教學模式強調以能力培養為中心的教學目標。結合工程教育認證專業畢業要求的12條通用標準，根據測繪工程專業培養目標、畢業要求、“GNSS原理與應用”課程特點，確定了該課程具體教學目標。從而建立了本課程支撐測繪工程專業的相應指標點，見表1。

調整后的教學目標要求通過“GNSS原理與應用”課程，使學生了解GNSS的產生與發展概況，注重培養學生綜合運用GNSS網建立、GNSS測量的技術設計、GNSS外業測量、GNSS基線解算、GNSS網平差等專業理論知識解決實際工程問題；使學生學會編制區域控制測量的技術設計，能夠利用GNSS布設控制網，掌握GNSS后數據處理軟件的使用。通過分組進行實驗方案設計、討論和實施，體現團隊的協作性和溝通性。以OBE工程教育認證標準設定的教學目標，更好地支撐測繪工程專業畢業要求的相應指標點。

表1 “GNSS原理與應用”課程支撐測繪工程專業畢業要求課程教學目標

2.2 以目標為導向，設計教學內容

根據測繪工程專業畢業要求以及該課程對畢業要求的貢獻度，面向OBE工程教育模式，設計合理可行的“GNSS原理與應用”課程教學內容。在理論教學方面，加強教學內容之間的聯系，結合案例，注重教學過程中理論聯系實際，做到教學內容新、教學手段多。在實踐教學方面，考慮實驗內容的綜合性、設計性和研究性，培養學生的創新、創造能力，充分調動學生的學習主動性。結合本校實際情況，設計了一套課堂理論教學、實踐環境設計與教學的方法。

2.2.1 理論教學形式改革

首先，進行知識整合，提煉課程與生產實際緊密結合的理論知識要點，包括GNSS測量中所涉及的時間系統和坐標系統、系統的組成及信號結構、定位中的誤差來源、距離測量與定位方法、技術設計、基線解算、網平差等，而對于衛星定軌、誤差模型等內容只作簡單介紹。其次，采用實際GNSS工程案例，以自主學習和課堂小組討論進行教學。最后，由于GNSS內容更新快，教材內容更新相對滯后，結合學生實際情況，下載最新GNSS論文，包括綜述性、大氣延遲誤差改正、多路徑效應、周跳探測、模糊度估計、精密定位以及應用等相關的論文，供學生課后閱讀，課堂討論或在線討論，拓寬學生的理論知識和研究能力。

2.2.2 實踐教學形式改革

在實踐教學模式的改革探索中，摒棄“教師講解、學生操作、結果分析”的傳統實驗形式，根據OBE工程教育模式調整為“討論設計、方案實施、成果驗收”的新式實驗教學形式。面向OBE教學形式改革，以學為中心，充分發揮學生的積極主動性。討論設計階段，為了達到設計性和研究型的教學效果，學生分組對該課程的教學環境進行設計，包括對實際工程或科研項目的理論知識準備，實習場地設計、布網方案設計；方案實施階段，按組分配任務，由于測量區域、地形要素、觀測時間甚至儀器不盡相同，從每組的布網方案、控制測量到最終獲取的數據，各組都不相同，為了獲取最佳結果，需要分析問題和解決問題的能力；成果驗收，分組進行實驗結果的驗收，教師現場檢查和詢問。在整個實驗環節，老師是輔助指導者，學生是實驗主導者。學生通過實驗發現問題和解決問題，從而培養和提高其綜合運用該課程知識解決工程問題的能力。

2.3 以目標為導向，整合教學資源

該課程的實踐性較強，目前大部分高校使用的GNSS接收機都是封裝好的產品，學生接觸不到接收機的工作過程和工作原理，只能從教材上了解抽象的理論和公式，無法對GNSS接收機形成真正的認識。在教學過程中，整合信息工程專業信號仿真系統，讓學生從根本上了解接收機工作原理。同時，利用教學實驗平臺展示GNSS相關原理和定位過程，展示單向測距原理、測量誤差、信號傳輸特性等技術。目前，GNSS教學組根據實驗內容開發了一套適用于GNSS仿真實驗平臺，該平臺可以開展衛星坐標計算、定位原理驗證、延遲誤差影響分析。同時，該平臺具有編程接口，供學生自主開發實驗，提高學生的科研能力。

2.4 以結果為導向，構建評價機制

摒棄傳統的“考試成績、實驗成績、平時成績”的評分形式，遵循以學為中心的工程教育模式，構建了面向OBE工程教育的“GNSS原理與應用”課程的教學考核辦法。考核評分點覆蓋該課程需要考核的工程知識、問題分析、研究、使用現代工具、個人和團隊、溝通等幾項畢業要求。通過考核評分點支撐該課程對應的畢業要求指標點，制定細化的考核評分標準，分配不同的分數來區分對指標點的貢獻度，使其規范且更具可操作性，可以合理有效地評定學生對該課程的達成度。考核環節與工程教育認證下畢業指標體系的關聯度如表2所示。

表2 考核環節與指標體系的關聯度

3 實踐效果

“GNSS原理與應用”教學過程中，通過構建評價反饋機制來評價該課程的學習產出，對該課程進行反思，以便進行持續改進。以本校測繪工程專業2014級學生為例，表3是2014級“GNSS原理與應用”課程達成度統計表，通過分析和統計可以發現，課程總達成度為0.80，達到了預期教學目標。其中工程知識、使用現代工具、個人和團隊等4項指標超過0.75的預期目標。但問題分析、研究、溝通指標點達成度相對較低，需要進行針對性的改進。

表3 2014級測繪工程專業課程指標點達成度統計表

針對上述的統計分析數據，尤其是達成度較低的畢業指標點，對該課程進行了改進。表3中有3個相對薄弱的指標點，第一個指標點屬于工程能力，通過分析發現部分學生基礎知識薄弱，理論轉化為應用的能力不足，需要進一步提高。因此要加強教學資源建設，收集GNSS技術應用于復雜工程問題的案例以及建立“GNSS原理與應用”的試題庫，加大學生對復雜工程問題分析和仿真平臺的比重以及增加考試環節等措施來強化和改善教學過程。針對學生研究能力薄弱，在課程的教學過程中增加一些創新性設計和數據處理中的小程序開發。針對學生溝通能力弱，在實驗過程中增加答辯環節，要求以圖表的形式進行說明。

4 結束語

OBE工程教育模式是對傳統教育模式的革新，其在課程目標、教學設計、資源投入、課程評價上具有重要的指導意義。結合本校的具體實踐，采用OBE教育模式進行“GNSS原理與應用”課程教學改革，構成了教育質量以學生課程評價持續改進的閉環，取得了良好的教學改革效果。在OBE的教育模式下，以學為中心，激發了學生學習興趣，加深了對“GNSS原理與應用”的理論的理解與掌握，使畢業生可以更快地適應實際工作環境。通過課堂實踐和信息反饋，驗證教學改革模式的可操作性和有益效果。