測量學課程中“GNSS技術與應用”的教學研究與實踐

王廣興，李 瑋，張紹成，丁開華

(中國地質大學(武漢)測繪工程系，湖北 武漢 430074)

測量學是地質、資源、石油與天然氣工程、地球物理工程、土木工程、環境工程、工程管理、GIS等專業的技術基礎課程。了解和掌握測量學的基本理論、技術、方法，可以為本專業后續課程學習奠定良好的技術基礎。實際上，大學生從測量學課程中學到的不止是一門技能和工藝，更是一種認識世界的方法論，認真系統地學習測量學知識，有助于培養科學思維和科學素養，這對于任何專業的學生都有益處。

隨著市場經濟的深化發展，新時代市場對人才的知識結構也有了更全面的要求。這就要求大學生不僅要具備解決本專業領域科學問題的能力，而且還要能綜合運用相關領域的知識[1]。培養“寬口徑、厚基礎、高素質、強能力”的創新型人才，體現了立德樹人的基本要求。在這樣的背景下，非測繪類專業測量學課程的重要性愈加凸顯，在中國地質大學(武漢)，不僅在地質工程這樣的“雙一流”專業開設了測量學課程，甚至在經濟管理和公共管理專業也開設了測量學課程，且均為專業必修課程。非測繪專業測量學課程的教學質量直接影響測量學新技術在相關領域的推廣和應用程度。針對非測繪專業測量學課程教學中存在的問題，國內許多學者結合自身教學經驗和教學改革方向，從教學模式、教學方法和考核方式等角度進行了研究和探討[2-7]。

GPS極大地滿足了人類探索未知領域和獲取精確位置的需求，推動了地球空間信息技術的革命，隨著世界各主要國家和地區積極研發和建設衛星導航系統，出現了全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)的概念，用于泛指所有的衛星導航系統。GNSS技術使測繪科學從理論到手段發生了根本性的變化，促進了測繪的智能化、自動化發展，因此GNSS技術及應用是測量學課程中的重要章節之一，一般安排4課時課堂講授和2課時實習，主要介紹GPS技術的基本原理和應用[1]。圍繞從GPS到GNSS教學的轉變、測繪專業認證背景下的GNSS教學、面向卓越測繪工程師教育和非測繪專業GNSS教學等問題，國內相關高校學者開展了較多研究[8-11]。

本文在已有研究基礎上，結合土木工程、地質工程、海洋工程、資源勘探工程等非測繪專業的測量學教學實踐，討論非測繪類專業測量學課程中GNSS技術與應用的教學改革與實踐問題。

1 測量學課程中GNSS教學現狀

近年來，世界各主要國家和地區積極研發和建設衛星導航系統，俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo系統和中國的北斗衛星導航系統相繼建設并提供服務。與此同時，衛星導航新技術、新應用、新概念不斷涌現[12]，這對測量學課程中GNSS內容的教學提出了新的要求，同時也暴露出現有教學過程中的一些問題。

1.1 教材更新慢

GNSS技術的迅猛發展使得相關教材顯著滯后，對于非測繪類專業的測量學課程，該問題更為突出。2012年底，中國的北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)開始向亞太地區提供定位、測速、授時和短報文通信等服務，至今已連續運行滿六年，并將于2020年底向全球用戶提供服務[13]。

以中國地質大學(武漢)測量學課程為例，該課程采用的教材仍然以介紹GPS為主。限于教材編寫年代的客觀條件，該教材對GLONASS、Galileo和北斗系統只是簡單提及，特別是對我國北斗系統的介紹仍然停留于北斗一號，且教材中未出現GNSS的概念[1]。雖然看上去只是一個概念的問題，但是如果教科書上缺乏必要的解釋，初學者很容易因此混淆這些概念之間的相互關系，難以準確把握各系統的特點。

1.2 網絡信息繁雜

大學生對新技術和高科技通常比較感興趣，當教材內容無法滿足求知欲時，學生很自然會通過網絡來了解相關知識。移動互聯網和自媒體蓬勃發展，成為很多學生獲取課外知識和信息的重要渠道，并大量占據著學生的注意力和時間。如果學生對衛星導航、北斗等熱門技術和知識感興趣，勢必會關注互聯網、自媒體和客戶端上對北斗、GNSS的報道和介紹。

來自于網絡的信息比較及時、廣泛，確實可以從一定程度上彌補教材知識滯后的不足，可以增加趣味性，把高深的科學知識講的通俗易懂；但同時也必須注意到網絡信息為了吸引受眾眼球或者是為了某種商業目的，通常會有一定的夸張，或者為了追求通俗而不惜以科學的嚴謹性為代價。例如，對我國北斗系統就出現過很多不實的報道。課程知識應當是客觀的、準確的、系統的，對于GNSS新技術的普及不能完全依賴于網上的碎片化知識和快餐式閱讀，對于初學者而言，尤其如此。

這些現實情況直接導致了兩組矛盾：一方面是滯后的教材不能滿足課堂教學和生產實踐的需求，另一方面是魚龍混雜的網絡信息很容易誤導學生，耽誤甚至磨滅學生的求知欲。正確處理好這兩組矛盾，有助于測量學教師提升教學質量，有助于相關專業學生更加全面地了解測量學課程，有助于測量學新技術及時推廣應用到相關行業。

2 教學研究與實踐

作為課堂教學和實習的主導者，測量學教師既要以教學大綱為出發點，又要著眼于教學質量的不斷提高，充分發揮主觀能動性，不被教材束縛。隨著測量技術的不斷發展，測量學教師要面向未來，讓課堂與時俱進，在教學實踐中著力解決上文提到的兩組矛盾。

2.1 擴充教材內容

教材的編寫和更新有一定的周期，任何一本教材都會存在或多或少的滯后。然而，GNSS領域知識的增長和技術的發展一日千里，如果因為教材滯后就裹足不前，輕則無法保證教學質量，重則課本知識與生產實踐嚴重脫節，不利于學生成才和就業而誤人子弟。

這一現實情況對教師提出了更高的要求，測量學教師在教學過程中要立足于教材，但不可拘泥于教材，更不能照本宣科，采用一成不變的課件和教案。特別是對于GNSS技術與應用相關章節，教師首先要不斷學習，廣泛閱讀文獻，把握最新的理論、技術及其發展趨勢。比如，現有測量學教材中對GPS空間部分的描述仍然停留在24顆在軌衛星且未提及GPS現代化[1]。另外，對GNSS的介紹至少還應該覆蓋GLONASS、Galileo和BDS，特別是我國的北斗衛星導航系統，發展速度快、特色鮮明，應該作為重點教授內容之一。這些內容是國內外學者的研究熱點，且已有不少較為成熟的結論。事實上，在測繪工程專業GNSS原理與應用課程所采用的核心教材中，已經增加了相關內容，并對北斗衛星導航系統進行了系統介紹[14]。非測繪專業測量學教材中尚未及時補充相關內容，則需要教師發揮能動性，對教案和課件進行及時更新，在教學課程中對教學內容進行擴充和替換。

2.2 與科研實際相結合

科研和教學是相互促進、相得益彰的，測量學課程中GNSS技術與應用相關內容不僅與生產實踐緊密結合，還應該反映新近科研成果。在教學過程中要使GNSS基礎理論知識更加具體化、立體化，就需要結合GNSS技術的最新發展及其應用。

教師需要對GNSS知識具備較強的敏感性，最好自己也從事相關科研工作，經常參加國內外學術交流活動，并能夠找到適當的切入點，把科研過程的問題、方法和成果等深入淺出地引入到課堂中。近年來，與GNSS或北斗相關的科研工程有很多，如基于GNSS技術建立的中國大陸構造環境監測網絡(簡稱陸態網絡)[14]，以及為支持衛星導航技術試驗、服務科學研究和各類應用而建設的國際GNSS監測評估系統(iGMAS)[15]。相比于簡單的科普，科研和工程實例有一定深度，并與教材知識結合緊密，有助于學生更好地理解GNSS技術與應用的研究背景、現狀和發展趨勢。將其作為教學素材，不僅可以激發學生的學習興趣，還為興趣濃厚且學有余力的學生創造了自學和鉆研提高的空間。

2.3 充分利用新媒體

移動互聯網和自媒體的發展，為教學提供了更多輔助手段，在測量學課程中充分發揮新媒體的優勢，可以顯著改善GNSS技術與應用的教學效果。當今的大學生，成長在互聯網技術飛速發展的時代，他們思維活躍、個性強，對知識的內容和形式要求較高。

在擴充教材內容、介紹GNSS新技術和新發展時，要充分利用新媒體的便利，使知識的形式更加生動。如網絡上有關于北斗系統組網衛星發射的最新消息，還有介紹北斗系統特點的視頻，可以把這些網絡資源以二維碼的形式嵌入到課件中，使學生通過掃描二維碼就可以在線瀏覽。此外，還可以把擴充的GNSS知識點通過微信公眾號平臺推送給學生，學生在課后通過移動終端就可以隨時隨地學習相關知識。

需要注意的是，利用網絡資源時，教師不能淪為網絡信息的搬運工，相反，這對教師備課工作提出了更高的要求。現在網絡上關于GNSS技術及應用有很多信息，特別是有很多關于北斗的信息，但是仔細閱讀會發現，這些信息有的是借北斗之名進行商業炒作，對技術的介紹不夠專業，甚至會誤導讀者，還有的雖然專業，但是主要針對科研工作者，不適合作為本科生教學素材。因此，教師要結合課堂實際，對網絡資源進行甄別和篩選，需要以網絡資源為素材，進行講解、評價和討論，實現網絡資源、多媒體手段和課堂教學目標的有機結合。

2.4 精心設計課堂

在課堂的形式上也要敢于創新，傳統的課堂學生參與度低，無法達到最佳教學效果；而且，從知識獲取的角度看，學生處于被動接受狀態，對知識的理解不夠深刻。GNSS技術及應用屬于測繪學科前沿知識，適合學生開展研究性學習，教師在備課時，應該充分利用這些特點，精心設計課堂情境，調動學生自主學習的積極性。

筆者在GNSS教學實踐中嘗試了將辯論引入課堂教學，把學生分為兩組，圍繞“中國應當發展自己的衛星導航系統還是利用已有衛星導航系統”的辯題展開辯論。正方學生從國家安全、大國重器自主可控、北斗系統的特色等方面陳述觀點，反方學生則從用戶使用習慣、成本、兼容性等方面陳述。通過辯論，學生可以深入了解北斗和GPS等衛星導航系統的特點，既增強了民族自豪感，又能讓學生通過冷靜思考意識到開展GNSS技術研究的必要性，從而找到今后努力的方向。

辯題是事先布置的，學生在為本方論點搜集支撐材料的過程中自主學習了北斗和GPS的系統構成、信號體制、應用場景等。自主學習的過程是面向問題的，而且還要對搜集到的材料進行篩選、加工和組織，這樣學生對GNSS相關知識的掌握效果會比單純課堂講授和課后習題效果更好。由于辯論過程中學生自主發揮的空間大，需要知己知彼，靈活應變，因此學生不僅需要掌握課本上的GNSS基礎知識，還要廣泛涉獵，了解GNSS最新發展，擴大知識面。同時，學生還鍛煉了邏輯思維、語言表達能力和團隊協作能力，增強了科學素養。

3 結 語

非測繪專業測量學課程教學質量的提高有助于增進相關專業學生對測量技術的了解，促進不同學科之間的交叉融合，有助于提升GNSS等測量學新技術在相關行業的應用水平。教師是課堂教學的主導者，既是教學大綱的實踐者，也是教學大綱和教材修訂的推動者。測量學課程中GNSS技術日新月異，教師需要在教學過程中不斷把握新趨勢、適應新變化， 妥善化解技術快速更新與教材相對滯后之間的矛盾，平衡傳統測繪技能與學科前沿知識之間的關系。

對待新媒體和網絡信息，教師要本著揚長避短的原則，善于去粗取精、去偽存真，真正讓移動互聯網助力課堂教學。在與時俱進的過程中避免盲目跟風，堅持學術和教學的嚴謹性和規范性，對于學科健康持續發展意義重大。在講授專業知識的過程中，注重學生基本能力和基本素養的全面提升，注重立德樹人，無論對于學生就業和繼續深造，還是對于GNSS新技術推廣和應用水平的提升都大有益處。