新工科背景下“GNSS原理與應用”課程實驗教學改革探索

管慶林　樊春明　徐瑩

摘要：“GNSS原理與應用”是測繪類專業的學科基礎課程，其實驗教學是培養學生創新能力的關鍵環節。在新工科建設背景下，針對現行“GNSS原理與應用”課程實驗教學存在的問題，將科研成果融入實驗教學，更新實驗內容、改進實驗教學方法、健全實驗考核評價方式，旨在探索高素質創新型工程技術人才培養途徑。教學實踐表明：所設計的實驗教學體系能夠提高學生的自主學習能力、團隊協作能力和創新應用能力。

關鍵詞：新工科;GNSS原理與應用;實驗教學;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）07-0135-03

為應對新一輪科技革命與產業變革，適應以新技術、新產品、新業態和新模式為特征的新經濟發展要求，服務國家戰略發展新需求， 從2017年起，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”三部曲，奏響了人才培養主旋律，開拓了工程教育改革新路徑[1-3]。在代表我國工程教育最新發展方向的新工科建設背景下，高校應面向未來，在教學理念、內容、方法和技術等方面進行改革創新，積極探索能夠適應新技術、新產業和新模式下的高素質創新型工程技術人才培養途徑[4]。

衛星導航是關乎國家戰略的高新企業，2020年7月31日，習近平總書記向世界宣布北斗三號全球衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）正式建成開通，標志著北斗已成為繼美國的全球定位系統（Global Positioning System，GPS），俄羅斯的格洛納斯系統（GLObal NAvigation Satellite System，GLONASS）后，能為全球用戶提供全天候定位導航授時服務的全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System， GNSS）[5，6]。當前，與衛星導航相關的應用領域已極大拓展，并進入了大眾消費、共享經濟和人工智能領域，深刻改變著人們的生產生活方式，位置信息作為萬物互聯的核心基礎之一，對即將到來的人工智能時代起著舉足輕重的作用[7]。“北斗+”融合創新和“+北斗”時空應用將成為進一步推進北斗技術創新，推進北斗產業轉型升級的新模式[8]。

閩江學院作為2002年新建的地方本科院校，以“建設高水平、有特色的應用型大學”為辦學目標，有測繪工程、導航工程及地理信息科學等與衛星導航產業相關的本科專業開設了“GNSS原理與應用”課程。“GNSS原理與應用”課程實驗教學應按新工科建設要求推進教學改革，努力提高學生工程能力水平。實驗教學是深化理論知識理解和掌握的重要途徑，也是培養學生創新能力的關鍵環節[9-11]，將前沿、先進的科研成果轉化為實驗教學資源，對培養學生的創新能力具有重要的意義[12，13]。本文以閩江學院測繪工程系“GNSS原理與應用”課程實驗教學為例，歸納總結了該課程實驗教學中存在的問題與不足，結合新工科建設理念，將科研成果融入課程實驗教學中，更新實驗內容，改進教學方法和考核方式，設計了旨在激發學生專業興趣，提高學生實踐能力和團隊協作能力，鍛煉學生創新應用能力的實驗教學體系。

1 “GNSS原理與應用”課程實驗教學現狀

“GNSS原理與應用”作為測繪類專業的基礎課程，具有很強的理論性和實踐性。近年來，國內很多高校老師對衛星定位導航原理及相關課程的實驗教學進行了改革探索，如鄧岳川等引入“慕課”教學理念，改進了教學方法并取得了良好效果[14];章迪等通過實驗室建設及實驗平臺開發，豐富了實驗教學內容[15];王華等建議不斷更新實驗室設備，以滿足實驗教學需要[16，17]。于秀麗等人也指出，目前本科工科實驗教學大部分還停留在按實驗指導書機械地完成實驗階段，且實驗內容陳舊、評價標準不全面等問題[18]。對照以應對變化、塑造未來為理念的新工科建設，我校“GNSS原理與應用”課程的現行實驗教學體系仍存在實驗課程依附于理論課程，實驗學時較少，設計性及創新性實驗內容缺乏，實驗教學方法單一，實驗教學資源投入不足，實驗教學師資隊伍建設乏力等方面問題。具體為：

（1） 實驗教學內容老舊。以接收機的認識、使用，數據采集等為實驗內容，與行業需求脫節。實驗類型以演示型和驗證型實驗為主，缺乏綜合型、設計型及創新型實驗，不能支撐學生實踐創新能力的培養;8學時的實驗學時偏少，不適應我校“高水平、有特色的應用型大學”的辦學目標。

（2） 實驗教學理念滯后。實驗教學主要采用傳統教師演示，學生訓練的“被動式”教學方法。學生只是參照實驗指導書的步驟，機械地按部就班地進行實驗操作、觀察和記錄實驗結果。在整個過程中學生是被動的，僅能實現實驗模仿和訓練的目的，不能有效調動學生的自主性，啟發學生批判性思維。

（3） 實驗考核評價不全面。實驗考核評價時把實驗教學考核作為理論教學的附屬，依據單一的實驗報告來評價學生實驗成績。實驗報告忽視過程，存在抄襲實驗指導書的現象，這種考核評價結果既不能準確、客觀、地反映出學生對實驗的掌握程度，也很難反映出學生實驗過程中的實驗態度、實驗思考和努力程度。

2? 構建科教融合的實驗教學體系

針我校GNSS原理與應用實驗教學中存在的問題，本文按照新工科建設要求，更新實驗教學內容，改革實驗教學教法，改進實驗考核評價方式，以提高學生的工程實踐能力、團隊合作能力和創新應用能力。表1是改進后GNSS原理與應用課程實驗教學體系。具體的，將原先8學時的實驗內容增加至20學時，將科研成果與實驗內容融合，增加綜合性、設計性實驗比例，以此培養學生綜合素質、提高學生創新應用能力;以學生為中心，改變教學理念，把學生的個性化學習融入實驗教學過程中，以激發學生學習興趣，提高學生的自主學習能力;面向實驗過程，改進實驗考核方式，以實驗成果為導向，同時把學生的實驗方案、團隊協作等納入實驗考核體系，以鍛煉學生團隊協作能力，提成學生工程管理能力。

2.1 科教融合，全面更新實驗內容

將科研項目發表的學術論文和申請的發明專利與實驗教學相融合，以工程項目為導向更新實驗內容。在工程實踐能力培養方面，設計 “接收機配置與數據采集”驗證型實驗，充分利用實驗室現有硬件設備和實驗場地，使學生掌握接收機操作與配置，達到實踐訓練目標。在創新應用能力培養方面，設計 “接收機觀測量質量評估”和 “靜態定位算法與精度評定”綜合型實驗，學生利用開源軟件或基于開源軟件進行二次開發，掌握接收機數據獲取與轉換、數據質量分析與評估，定位解算配置與過程，定位精度評定與分析方面的能力，達到深刻理解和領會課程內容的目的。在工程管理與團隊合作能力培養方面，設計 “動態定位性能測試與評價”設計型實驗，要求學生以小組的形式，自選設備和場地，通過團隊協作完成實驗設計與實施，使學生掌握文獻查閱方法，提高科技協作能力，鍛煉項目管理和溝通協調能力，適應新工科建設的要求。

2.2 以學生為中心，改進實驗教學方法

新工科背景下減少被動式實驗教學方法，將任務驅動、問題啟發、翻轉課堂等教學方法引入實驗教學過程。根據不同實驗類型對能力培養的差異設計不同的教學方法，如圖1所示。驗證性實驗采用示范演示教學法，與問題啟發教學法相互配合。一方面，老師對實驗內容進行現場演示和示范，使學生能快速上手操作，另一方面老師演示過程中通過設置問題、啟發思考，引導提示來組織教學。這種教學方法理論與實驗并重，能較好實現師生互動，以期提高學生的獨立思考能力。綜合型實驗采用任務驅動教學法，與問題啟發教學法相互配合。學生以實驗項目為任務，驅動學生自主學習，相互交流，通過老師的引導和啟發，學生以發現問題、分析問題和解決問題的途徑探索完成實驗，達到知識重構和實踐訓練的目的。設計型實驗采用翻轉教學法，輔以任務驅動和問題啟發方法相互配合使用。學生利用課堂外的時間，自主學習老師實現提供的項目任務要求，自由組隊、查閱資料、撰寫方案、設計實施完成實驗。課堂內教學則按照任務驅動和問題啟發方法實施，老師以提問、點評等方式，訓練學生的科學素養和創新思維。

2.3 面向過程，健全實驗考核評價機制

建立有效的實驗考核與評價機制是實驗教學中的重要環節。從調動學生積極性，客觀地評價學生對實驗技能的掌握程度出發，本文摒棄傳統的以實驗報告為主體的評價方式，設計了以反映學生綜合素質為主體的實驗評價體系，如圖2所示。根據實驗項目數和實驗難易程度，按百分制把驗證型實驗、綜合型實驗和設計型實驗分別設計為10分，20分和40分。考核內容包括實驗表現、實驗操作、實驗報告、評估報告、小組互評、測試方案、測試報告等多個方面。在各實驗類型中，降低報告在該項實驗成績重的比例，更加注重對實驗過程中的實驗態度、師生互動、動手能力、團隊協作、創新思維等方面的考查，以培養學生良好的科學素養和創新精神。

3 實驗教學效果

為檢驗教學設計的效果，在2017級和2018級導航工程“GNSS原理與應用”課程實驗教學中進行了教學實踐，其中2017級學生人數為37人，按照原先的實驗教學體系教學，2018級學生人數為38人，采用本文設計的實驗教學體系教學。“GNSS原理與應用”課程評價由平時成績、實驗成績和考試成績三部分組成，三項成績占課程總成績的比例分別為10%、40%、50%。從期末考試成績分布看，該課程2017級優良率和及格率分別為15.8%、92.1%，而2018級優良率和及格率分別為31.6%、100%。教學實踐表明：學生的優良率和及格率都得到提升，一定程度上說明文中實驗教學設計使學生動手能力得到鍛煉，加深了對理論知識的理解和掌握。從與學生的訪談以及和用人單位交流的情況看，結合行業應用現狀及時更新和完善實驗教學體系，鍛煉實踐動手能力，培養創新思維和團隊協作能是學生和企業的共同期望，也應該成為高校實驗教學改革的出發點和落腳點。

4 結束語

本文根據新工科建要求，將科研成果與課程實驗教學結合，更新了實驗教學內容，改進了教學方法，完善了和考核評價機制，在2017、2018級導航工程專業“GNSS原理與應用”課程實驗教學進行了實踐。對比試驗教學前后兩個班級的課程總成績表明：在實施文中實驗教學設計后，該課程學生成績的優良率和及格率明顯得到提高，一定程度上驗證了文中實驗教學設計的效果。接下來我們將根據學校辦學定位，緊緊圍繞新工科建設要求，繼續推進“GNSS原理與應用”課程教學大綱和實驗教學大綱修訂;將結合科研成果和行業需求，持續更新綜合型、設計型實驗以更好地鍛煉學生的實踐動手能力和創新思維，為培養適應社會需求的應用型工程技術人才做出應用的貢獻。

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【通聯編輯：王力】

收稿日期：2021-05-08

基金項目：國家自然科學基金項目（41704021）;閩江學院人才引進項目（MJY20018）

作者簡介：樊春明（1961—），男，上海人，博士，教授，研究方向為GNSS定位導航及應用。