GNSS原理及應(yīng)用課程的體驗(yàn)式教學(xué)模式探索

楊 飛，袁德寶，閻躍觀(guān)，李 軍

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083）

GNSS原理及應(yīng)用是測(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)主干課程，本課程旨在讓學(xué)生獲得進(jìn)行GNSS衛(wèi)星定位和導(dǎo)航所必需的基本概念、基本知識(shí)和基本理論，掌握基本的定位導(dǎo)航原理和誤差分析，具備GNSS測(cè)量設(shè)計(jì)實(shí)施和數(shù)據(jù)處理的能力，充分認(rèn)識(shí)GNSS測(cè)量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要地位，為后續(xù)學(xué)習(xí)其他專(zhuān)業(yè)課程奠定必要的基礎(chǔ)[1]。

然而，由于GNSS原理及應(yīng)用課程具有專(zhuān)業(yè)性和理論性強(qiáng)、工程實(shí)踐要求高、知識(shí)更新快等特點(diǎn)，再加上計(jì)算機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)、社交媒體等現(xiàn)代技術(shù)思潮及產(chǎn)品對(duì)當(dāng)代學(xué)生的影響，使得學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式下的GNSS原理及應(yīng)用課程的興趣逐漸減弱，難以扎實(shí)掌握基礎(chǔ)知識(shí)，阻礙工程實(shí)踐能力的提升[2]。

基于以上問(wèn)題，體驗(yàn)式教學(xué)的模式受到廣泛關(guān)注。它改變了以教師為中心的知識(shí)傳遞方式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)，從而充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情和個(gè)體主觀(guān)能動(dòng)性[3]。體驗(yàn)式教學(xué)過(guò)程中體現(xiàn)出的互動(dòng)性、開(kāi)放性、娛樂(lè)性，可以很好地增進(jìn)學(xué)生對(duì)GNSS原理與應(yīng)用課程的興趣，夯實(shí)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，提升學(xué)生工程實(shí)踐能力。

針對(duì)新時(shí)代背景下高校專(zhuān)業(yè)教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)和GNSS原理及應(yīng)用的課程內(nèi)容、教學(xué)任務(wù)和培養(yǎng)目標(biāo)，本文詳細(xì)總結(jié)了該課程的特點(diǎn)。在其他教育工作者從教學(xué)內(nèi)容和考核方式等方面對(duì)GNSS原理及應(yīng)用課程進(jìn)行改革的基礎(chǔ)上，探索體驗(yàn)式教學(xué)模式在GNSS原理及應(yīng)用課程的應(yīng)用，以期提高學(xué)生的參與度與學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生主動(dòng)積極參與學(xué)習(xí)而掌握專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和工程實(shí)踐技能。

1 GNSS原理及應(yīng)用課程特點(diǎn)

GNSS原理及應(yīng)用課程內(nèi)容包括坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)和衛(wèi)星星歷簡(jiǎn)介、導(dǎo)航電文結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星信號(hào)、GNSS衛(wèi)星定位原理、GNSS測(cè)量誤差來(lái)源及影響、GNSS測(cè)量的設(shè)計(jì)與實(shí)施、GNSS數(shù)據(jù)處理、GNSS的工程應(yīng)用、GNSS新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。該課程需要使學(xué)生掌握GNSS的基本概念、熟悉衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展、系統(tǒng)組成和特點(diǎn)，掌握坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生理解開(kāi)普勒衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)定律、導(dǎo)航電文結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星信號(hào)的結(jié)構(gòu)，熟悉GNSS接收機(jī)組成與工作原理并計(jì)算衛(wèi)星的位置，掌握偽距測(cè)量、載波相位測(cè)量，具有觀(guān)測(cè)方程的線(xiàn)性化、GNSS觀(guān)測(cè)量的線(xiàn)性組合的能力，了解GNSS技術(shù)的新發(fā)展和新 應(yīng)用。

從GNSS原理與應(yīng)用的課程內(nèi)容和教學(xué)任務(wù)可以看到，該課程具有以下特點(diǎn)：它的專(zhuān)業(yè)性和理論性強(qiáng)，GNSS數(shù)據(jù)的獲取、處理、計(jì)算和應(yīng)用涉及到數(shù)學(xué)、物理、信號(hào)學(xué)、誤差理論、地球科學(xué)、地圖學(xué)、計(jì)算機(jī)編程等相關(guān)理論知識(shí)，學(xué)生需要在上述學(xué)科具備較好的知識(shí)儲(chǔ)備才能更好地理解GNSS原理；該課程的工程實(shí)踐要求高，需要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)測(cè)繪、礦山及地下工程測(cè)量、地理信息服務(wù)等領(lǐng)域中的復(fù)雜測(cè)繪工程問(wèn)題進(jìn)行GNSS測(cè)量的設(shè)計(jì)與實(shí)施、GNSS數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜工程應(yīng)用的能力；該課程的知識(shí)更新快，各類(lèi)新建的衛(wèi)星系統(tǒng)、不斷完善的地基空基增強(qiáng)系統(tǒng)、PPP-RTK等技術(shù)的興起和GNSS不斷擴(kuò)展的科研及工程應(yīng)用，使得課程內(nèi)容需要不斷更新，學(xué)生需要及時(shí)熟悉和了解GNSS新技術(shù)、新應(yīng)用。

2 GNSS原理及應(yīng)用的體驗(yàn)式教學(xué)模式

20世紀(jì)80年代，體驗(yàn)式學(xué)習(xí)最早由美國(guó)組織行為學(xué)教授大衛(wèi)·庫(kù)伯提出[4]，它是一個(gè)以體驗(yàn)為基礎(chǔ)的持續(xù)學(xué)習(xí)過(guò)程，是個(gè)體與環(huán)境不斷的交互作用，創(chuàng)造知識(shí)的過(guò)程。體驗(yàn)式教學(xué)也迅速發(fā)展，它指的是根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和規(guī)律，通過(guò)創(chuàng)造和教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的情境和機(jī)會(huì)，使學(xué)生在親歷的過(guò)程中理解并建構(gòu)知識(shí)、發(fā)展能力，體驗(yàn)到相關(guān)課程學(xué)習(xí)過(guò)程中的樂(lè)趣。體驗(yàn)式教學(xué)與以往灌輸式教學(xué)的不同之處在于，體驗(yàn)式教學(xué)具有過(guò)程性、親歷性和不可傳授性，是一個(gè)充滿(mǎn)個(gè)性和創(chuàng)造性的過(guò)程。它強(qiáng)調(diào)個(gè)人體驗(yàn)，主張教學(xué)以學(xué)生為核心，充分體現(xiàn)互動(dòng)性、開(kāi)放性和 娛樂(lè)性[5]。

因此，本文提出多個(gè)模塊來(lái)進(jìn)行GNSS原理及應(yīng)用的體驗(yàn)式教學(xué)探索，包括GNSS發(fā)展應(yīng)用熱點(diǎn)講座、手機(jī)端互動(dòng)教學(xué)軟件、仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)、教學(xué)內(nèi)容與科研實(shí)際相結(jié)合、辯論課堂形式等。

2.1 GNSS發(fā)展應(yīng)用熱點(diǎn)講座

與所學(xué)課程相關(guān)的時(shí)事、熱點(diǎn)新聞會(huì)引起學(xué)生的極大興趣。2020珠穆朗瑪峰的高程測(cè)量、習(xí)近平主席宣布北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通都是與該課程息息相關(guān)的國(guó)家大事，以講座形式給學(xué)生講解高程測(cè)量中的GNSS技術(shù)、北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程及其特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，播放相關(guān)影視資料和記錄片，不僅可以豐富課堂形式、增強(qiáng)學(xué)習(xí)過(guò)程中的娛樂(lè)性，還可以讓學(xué)生真切了解到所學(xué)課程的重要性，感受到GNSS技術(shù)在國(guó)家發(fā)展和戰(zhàn)略上的重要意義，進(jìn)而提高學(xué)生的積極性。

2.2 手機(jī)端互動(dòng)教學(xué)軟件

GNSS原理與應(yīng)用課程包含的時(shí)間坐標(biāo)系統(tǒng)、衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制、導(dǎo)航定位原理、數(shù)據(jù)處理方法等內(nèi)容需要很強(qiáng)的數(shù)學(xué)、物理及地球科學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以將其中涉及的抽象的理論知識(shí)形象地展示，是學(xué)生對(duì)課程缺乏興趣、學(xué)習(xí)吃力的主要原因之一。本文提出利用網(wǎng)絡(luò)已有的或開(kāi)發(fā)能展示那些抽象理論點(diǎn)的手機(jī)端互動(dòng)教學(xué)軟件和程序，如坐標(biāo)系統(tǒng)的變換、衛(wèi)星軌道參量、信號(hào)的調(diào)制過(guò)程等?；?dòng)教學(xué)軟件可以讓學(xué)生在交互式操作過(guò)程中更形象地理解知識(shí)要點(diǎn)、理解其背后的數(shù)理原理[6]。手機(jī)端的操作可以減少學(xué)生對(duì)翻閱書(shū)本的枯燥性，讓學(xué)生更加自主、便利地對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，提升對(duì)整體課程的學(xué)習(xí) 興趣。

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

在GNSS應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)中往往存在缺乏儀器、室內(nèi)示教困難、室外觀(guān)測(cè)場(chǎng)地不足等問(wèn)題，嚴(yán)重影響學(xué)生對(duì)該課程的積極性和利用GNSS解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。本文提出可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，采用Quest3D、Vega或Unity3D等軟件，構(gòu)建GNSS仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，讓學(xué)生可以在該系統(tǒng)中自主學(xué)習(xí)，了解各種儀器的結(jié)構(gòu)和外觀(guān)，進(jìn)行GNSS仿真測(cè)量，熟悉GNSS靜態(tài)、動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)的操作步驟[7]。這樣的教學(xué)系統(tǒng)充分體現(xiàn)了體驗(yàn)式教學(xué)的特點(diǎn)，學(xué)生可以不受儀器、場(chǎng)地等限制，隨時(shí)在仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中自主設(shè)置GNSS觀(guān)測(cè)任務(wù)。該系統(tǒng)不僅可以提高學(xué)生對(duì)GNSS儀器和觀(guān)測(cè)流程學(xué)習(xí)的積極性，還為學(xué)生實(shí)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，提高實(shí)際操作的 效率。

2.4 教學(xué)內(nèi)容與科研實(shí)際相結(jié)合

枯燥的課本知識(shí)往往讓學(xué)生產(chǎn)生倦意，而最新的科學(xué)研究成果往往會(huì)令學(xué)生產(chǎn)生興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和探索的熱情。體驗(yàn)式教學(xué)模式提倡教學(xué)內(nèi)容與科研實(shí)際相結(jié)合。一方面，教師可以將自己從事的相關(guān)科研工作，從科研問(wèn)題的引出、研究方法的提出到成果的獲取等方面深入淺出地引入到課堂中，令學(xué)生思考并討論上述科研工作和課程基礎(chǔ)知識(shí)之間的聯(lián)系。另一方面，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等形式搜集當(dāng)前GNSS技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用熱點(diǎn)。課堂討論課程基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)對(duì)于這些熱點(diǎn)研究的支撐，并由教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和總結(jié)。這樣的模式，有利于學(xué)生進(jìn)一步理解GNSS的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生創(chuàng)造了自主學(xué)習(xí)和鉆研提高的空間。礦大北京開(kāi)展本科生導(dǎo)師制，為每位本科生配備專(zhuān)業(yè)導(dǎo)師，鼓勵(lì)本科學(xué)生參與科研、進(jìn)行創(chuàng)新，有利于學(xué)生更好地在教學(xué)內(nèi)容與科研實(shí)際的結(jié)合中成長(zhǎng)。

2.5 辯論課堂形式

辯論的形式可以增強(qiáng)課程的開(kāi)放性和娛樂(lè)性，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與性，全面培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力，是體驗(yàn)式教學(xué)中重要的課程形式。我們?cè)贕NSS原理及應(yīng)用的教學(xué)實(shí)踐中將辯論引入課堂，如在課堂開(kāi)展以“中國(guó)應(yīng)當(dāng)發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還是利用已有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”為主題的辯論[8]。正反雙方學(xué)生分別從國(guó)家安全、大國(guó)重器自主可控、北斗系統(tǒng)特點(diǎn)和用戶(hù)使用習(xí)慣、成本、兼容性?xún)蓚€(gè)角度展開(kāi)陳述和辯論。這種形式不僅讓學(xué)生自主深入學(xué)習(xí)辯題涉及的學(xué)科內(nèi)容，還要親身搜集相關(guān)材料并進(jìn)行篩選、整理和組織。通過(guò)辯論，學(xué)生不僅掌握了學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)、深入了解到GNSS各個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)和最新發(fā)展，還鍛煉了思辨能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，達(dá)到體驗(yàn)式教學(xué)的 目的。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了GNSS原理和應(yīng)用課程的特點(diǎn)以及其在新時(shí)代背景下教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，探索了體驗(yàn)式教學(xué)模式在GNSS原理及應(yīng)用課程的應(yīng)用。提出了利用GNSS發(fā)展應(yīng)用熱點(diǎn)講座、手機(jī)端互動(dòng)教學(xué)軟件、仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)、教學(xué)內(nèi)容與科研實(shí)際相結(jié)合，辯論課堂形式等模塊進(jìn)行體驗(yàn)式教學(xué)，以期提高學(xué)生的參與度與學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生主動(dòng)積極地參與學(xué)習(xí)，掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)和工程實(shí)踐技能。