基于“新工科”要求的GNSS創新人才實踐能力培養探討

張榮春 ，岳建平，樂 洋，苗立志，衣雪峰，焦東來，郭獻濤

（1.南京郵電大學 地理與生物信息學院，南京 210023；2.南京郵電大學 江蘇省智慧健康大數據分析與位置服務工程實驗室，南京 210023；3.河海大學 地球科學與工程學院，南京 211100；4.南京郵電大學 通信與信息工程學院，南京 210023）

0 引言

全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）能夠為地表和近地空間的廣大用戶提供全天時、高精度、全天候的導航、授時和定位服務，是促進人類活動及社會發展的重要基礎設施之一。衛星導航系統在國外得到較早且較成熟的發展，典型的如：美國的全球定位系統（global positioning system, GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system,GLONASS）、歐洲的伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system, Galileo）。2020年 7月，我國北斗三號全球衛星導航系統即北斗三號（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）建成開通，并向全世界提供定位、導航及授時服務。《中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》（2021年）顯示，北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）將于2022年進入綜合時空體系發展的新階段，有望形成數萬億的市場規模，到 2025年預計將形成 8 000億元至1萬億元人民幣規模的芯片及終端市場，到2035年，BDS總體產值預計可達到3萬億元人民幣。長期以來，GNSS相關產業的核心技術和應用研究人員一直被美國的GPS占據，而BDS作為我國的重大戰略工程，僅少數高校開設了GNSS相關專業。在人才培養方面，我國高校 GNSS相關專業教育模式顯然已經無法滿足國家戰略和市場的需求。如何培養具有多學科交叉融合與創新實踐能力的國際化人才，以滿足社會發展和行業需求，成為GNSS實踐教育改革所面臨的重要問題。

我國于 2017年開始推動“新工科”建設。“新工科”建設是應對新經濟的挑戰，從服務國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展的高度，來持續深化工程教育改革的重大行動計劃。“新工科”強調學科的實用性、交叉性與綜合性，“新工科”背景下的導航與定位人才應具備較強的實踐能力、創新能力和國際競爭力，能夠引領未來技術和產業的發展。2018年教育部在“三全育人”綜合改革試點工作的通知文件中，提出了全員育人、全程育人、全方位育人的“三全育人”概念。

在以上思想指引下，對GNSS創新人才實踐能力培養進行探索，圍繞南京郵電大學GNSS實驗室對人才培養的具體實踐以及相應的教學改革保障措施進行深入探討與分析，以期達到培養具有多學科交叉融合與創新實踐能力的國際化人才的目的。

1 培養模式的改革

對GNSS創新人才實踐教育培養模式改革的探索主要從實踐能力培養理念改革、多學科知識結構融合及實踐教學改革模式保障措施等方面展開。

1.1 培養理念的改革

1）由單一專業培養向交叉學科融合培養轉變。傳統教育多以單一專業為實踐教育單元，不同專業分別執行各自的實踐培養方案，但 GNSS涉及測繪、電子、通信、物聯網等多個學科，如從BDS測控、應用與研發能力等方面要求出發，“全方位”的多專業學科融合是必然趨勢。

以導航與定位專業實驗室為平臺，開展內容靈活的多元化實踐項目，面向測繪、電子、通信、物聯網等多學科專業的學生共同開展項目，通過GNSS融合實踐教育模式，培養學生團隊合作的能力，促進不同學科背景的學生在實踐項目中實現優勢互補，相互學習，以達到培養GNSS復合型跨界人才的目的。

2）由內容固定的實踐大綱向自由探索項目實踐轉變。傳統面向單一學科專業的實踐教育模式，很難滿足“新工科”培育交叉性、綜合性人才的要求，也難以滿足多個學科專業的同步實踐教學。

將傳統的封閉、內容固定的實踐教學大綱形式，調整為相關專業協同培養的模式，共享導航與定位專業實驗室平臺，開展課題豐富、類型多樣的創新培育、科學研究等項目，面向不同專業學生開放選題，使學生能夠結合自身興趣與專業背景進行項目選擇與實踐。通過該方式加強相關專業學生對于交叉學科知識的積累和專業綜合能力的培養，培育更多的具備交叉學科背景的專業型人才。

3）由統一概略培養向個性化精準培養轉變。按照以專業為單位的傳統培養方式，學生較難有機會深入接觸并掌握相關交叉學科知識。以創新實踐項目為依托，結合不同項目背景和需求，使導航與定位相關專業的學生通過參與不同專題的項目實踐，在學習自身專業知識的同時，獲取與專業相關的跨學科專業知識，從而實現多元化知識學習的個性化精準培養。

1.2 知識結構的改革

寬口徑、厚基礎的復合型人才是當今社會急需的應用型人才，為實現這類人才的培養，需對學生的知識結構進行改革和精心設計，以達到多學科知識的融合，為復合型、創新型人才的培養打下基礎。具體做法如下：

1）實踐教學目標的轉變。突出面向多學科交叉的 GNSS創新人才實踐能力培養，以具體實踐項目參與為導向，將測繪、電子、通信、物聯網等相關專業人才培養進行有機關聯，共同設立多學科融合實踐能力培養目標。GNSS創新人才實踐能力培養模式側重于培養學生學科交叉融合、創新、實踐等能力。

2）課程體系融合的個性化定制：①加強自由探索的跨界創新。學生可根據所學專業知識與自身興趣跨專業自主選擇實踐項目課題，鼓勵自由探索，與不同專業學生以跨學科團隊合作形式完成項目實踐，培養學生的交叉學科創新能力；②提供多學科課程共享。建立 GNSS項目實踐與理論課程教學的映射關聯，通過設立模塊化的選修課程，為學生全面掌握實踐類項目所需的基礎知識和相關專業知識提供條件；③注重多學科綜合型實踐項目鍛煉。鼓勵學生積極參與高校、研究所及企業等不同類型的實際科研和創新比賽培育等涉及多學科綜合型項目實踐，在實踐中培養學生的創新意識和思維，以實現 GNSS科技復合型人才的培養。

1.3 實施方案的改革

為滿足行業發展需求和國家“新工科”建設要求，結合GNSS 實驗室平臺，對GNSS 創新人才實踐能力培養模式進行探索。多層次、多節點能力培養的具體實施方案如圖1所示。圖1中，5G（thefifth generation of mobile technologies）為第5代移動技術；無人系統指無人機系統、無人車駕駛系統等。多層次、多節點能力培養的具體實施方案如圖1所示。通過該方案的有效實施，來保障人才實踐能力培養模式改革切實可行。該方案具體由以下五個重要保障節點構成：1）通過多種類型的比賽形式進行創新創業實踐項目培育；2）通過GNSS與測繪工程、物聯網工程等多學科交叉融合實現實踐應用拓展；3）通過研究結合、產學結合等一體化實現產學研協同育人；4）結合國際化的工程專業認證標準進行規范化培養和持續改進；5）將GNSS與5G、智慧城市等人工智能新技術融合應用。

圖1 GNSS創新人才實踐能力培養實施方案

2 GNSS實驗室建設

南京郵電大學“導航與定位”實驗室（如圖2所示）承擔全校GNSS相關課程實踐教學工作，同時，該實驗室對GNSS創新訓練提供有力支撐。

圖2 南京郵電大學導航與定位實驗室

作為學生系統學習掌握衛星導航知識的必要實習場所，實驗室主要圍繞衛星信號傳輸機理、導航信息獲取與處理和地球空間信息綜合集成與應用等方向進行實驗室建設。實驗室具有 GNSS教學實驗平臺、GNSS接收機開發平臺、GNSS衛星信號模擬器、GNSS導航中頻信號采集器、高精度差分源、實時動態差分（real time kinematic, RTK）等GNSS設備及電腦、無人機等相關硬件和軟件。

衛星導航教學實驗室可在深度和廣度上促進本校測繪工程、地理信息科學、物聯網工程、信息與通信工程及計算機科學與技術等專業學生深入掌握有關衛星導航知識的理論框架；相對于課堂演示性和驗證性實驗以及計算機理論仿真實驗等教學方式，衛星導航實驗室能夠使學生親身參與到實際實驗項目中，以更直觀、真實的實訓方式將所學理論知識應用到實踐中，真正理解理論源于實踐，實踐反哺理論，進一步深化學生對專業知識的理解，并培養其專業實踐能力。依托GNSS導航與定位實驗室平臺，學生可以進行相關開發實驗和創新實踐，有助于培養學生的創新意識和實踐能力，使其成為掌握 GNSS技術的創新實踐型專業人才，以適應國家和地方人才需求發展。

3 實踐能力培養保障措施

3.1 創新創業實踐項目培育

2015年李克強總理提出“大眾創業、萬眾創新”的新要求。創新創業實踐需要學生掌握創新創業項目的基本知識，使學生學習創造思維，培養其創新創業能力和團隊合作能力，并提高綜合素質。GNSS涉及測繪、電子、通信等多個學科，如何培養綜合素質高的 GNSS多學科復合型人才一直是個難題。

充分利用測繪、電子、通信等多個學科的師資隊伍、實踐教學與科研項目進行全方位資源優勢互補融合，通過多學科課程共享、科研實踐項目和雙創類型大賽項目培育等形式組織學生參與創新實訓；建立相關專業師生聯盟的綜合型實踐項目培育機制，以充分挖掘測繪、電子、通信等相關專業的潛在融合優勢，達到培養創新綜合型導航與定位科技人才的目的。

綜合型實踐項目培育機制主要依托實驗室平臺，實踐內容主要源于 GNSS相關主題和內容的科學研究項目及創新創業類實踐項目、比賽等。將實踐教學內容與各種國家、省部級學科競賽、創新創業競賽進行無縫銜接，通過實踐教學孵化競賽項目，并鼓勵不同學科背景的學生合作參與項目，加強學生對理論知識的深入理解，并培養其創新實踐能力和團隊合作能力。

目前，GNSS創新實踐能力培養模式在南京郵電大學的實施已初見成效，由地理與生物信息學院承辦的“南京郵電大學‘北斗杯’大學生科技創新大賽”已舉辦近10屆，吸引了地理與生物信息

學院、電子與光學工程學院、通信與信息工程學院、自動化學院、物聯網學院、計算機學院等多個學院相關學科千余名學生和老師參加，通過競賽優中選優，為“北斗杯全國青少年科技創新大賽”提供了優質競賽項目資源。

3.2 學科交叉融合的實踐應用拓展

多學科交叉融合是學科人才培養的必然趨勢。“雙一流”建設指導意見中指出：“以‘雙一流’建設學科為核心，以優勢特色學科為主體，以相關學科為支撐，整合相關傳統學科資源，促進基礎學科、應用學科交叉融合”。GNSS具有快速定位、實時導航、位置報告、精確授時等功能，其在交通運輸、基礎測繪、通信、電力、工程勘測、國防建設、農業、地震監測、全球搜救及智慧物流等方面發揮著重要作用。

GNSS在諸多行業領域中發揮著重要作用，多學科交叉融合是 GNSS人才培養模式的重要考慮內容。學科分類規則不同，導致學科交叉難以明確界定，如按學科建制可分為門類、領域與多級學科間交叉等；按內容可分為理論、方法、技術以及工具上的相互借鑒、混合及融合；按主體對象可根據問題的多領域廣泛涉獵、小范圍及大規模的集體合作等進行分類。可見，學科交叉融合的準確定性與實施是個難題。利用實驗室平臺為 GNSS實踐應用項目提供開放實驗和創新實踐條件及資源，通信工程等多學科進行融合實踐，為GNSS創新科技人才的有效培養提供可靠途徑。

3.3 產學研協同育人

高校在基礎理論教育方面具有一定的優勢，企業、科研院所面向一線生產、科研和應用實踐，因此，GNSS創新人才實踐能力培養模式要取得成效，需要高校與企業及科研院所進行高效對接。構建產學研協同育人的復合型培養模式，使高校基礎理論教育緊跟行業應用前沿，聯合企業及科研院所資源進行共同培育，理論結合實踐，將為GNSS創新人才培養提供切實可行的有效措施。

產學研協同育人的 GNSS創新人才實踐能力培養模式主要包括研教結合、產學結合及產知（“產業+知識”）鏈一體化三個方面的內容。研教結合主要是以學校、企業及科研院所的科研項目等為依托，并將其與GNSS創新實踐教學結合，使實踐教學能夠真正落地，提高學生的實踐能力；產學結合是將學校與行業產業結合，相互支持、相互促進、優勢互補。通過與導航與定位技術相關領域的企業開展實踐合作項目，充分發揮高校的理論教學與科研優勢，促使學生利用學習到的理論知識和所具備的科研能力，協助企業行業解決其存在的實際問題；產知鏈一體化是在研教結合、產學結合的基礎上，實現生產、知識、鏈接一體化的復合型GNSS創新人才培養模式。

學校、企業及科研院所的多種優勢能夠在產學研協同育人的復合型培養模式中得到充分利用。通過研教結合、產學結合及產知鏈一體化的協同育人機制等方式實現GNSS創新人才的有效培育。

3.4 國際化工程專業認證

GNSS系統在國內外擁有廣闊的應用前景，我國BDS目前已在全球100多個國家和地區得到廣泛應用。工程教育專業認證中要求所培養的畢業生應具備國際化視野。在這種潮流下，“新工科”GNSS創新人才培育機制需要兼顧工程認證標準要求，以使其具有規范、目標、持續改進等國際化科學機制，GNSS創新人才實踐能力培養模式才能在科技迅速發展的國際化背景下科學實施。

3.5 人工智能與GNSS融合創新

人工智能與 GNSS的融合創新在眾多行業的應用優勢明顯，如在無人系統應用領域，GNSS導航具有精準的室外定位能力，人工智能則通過傳感器獲取影像信息、雷達信息來識別無人系統周圍環境，二者融合可以顯著提高無人系統的工作能力和執行效率；GNSS和5G融合則能充分發揮導航系統集網絡、技術、服務、終端和應用于一體的自然特性；物聯網、智慧城市等新興技術與GNSS的融合則能催生多種新產業和經濟增長點。

南京郵電大學在5G、物聯網、電子科學與技術、人工智能等領域具有廣泛的教學和研究基礎。將物聯網工程、計算機科學與技術、通信工程、人工智能、測繪工程、地理信息科學等不同學科專業的相關課程和實踐內容進行共享融合，以培養掌握人工智能+、5G、智慧城市等新技術與GNSS融合的復合型人才。

4 創新改革成效分析

GNSS創新人才實踐能力培養促進了GNSS技術在測繪工程、地理信息科學、電子科學與技術、信息與通信工程等多學科領域的交叉融合應用。根據“產出為導向”、“學生為中心”和“持續改進”等工程專業認證和產學研協同育人理念綜合制定GNSS創新人才培養機制。通過人工智能+、5G、智慧城市等技術的實踐教學，使學生緊跟導航與定位技術發展前沿，開拓創新思路。通過創新與創業類項目的培育，培養學生基于 GNSS技術的創新應用和創業能力。

近年來，我校在GNSS創新人才實踐能力培養模式下完成的涉及導航與定位內容的相關項目案例如表1所示。經過學習實踐，學生先后在“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、全國大學生智能汽車競賽、“北斗杯”全國青少年科技創新大賽、“北斗杯”大學生科技創新大賽、“創青春”江蘇省大學生創業大賽、江蘇省高校測繪地理信息創新創業大賽、江蘇省大學生電子設計競賽、江蘇省大學生工程訓練綜合能力競賽、全國大學生物聯網技術與應用“三創”大賽、南京郵電大學大學生創新實驗等諸多創新創業比賽中獲獎，這些獎項為“新工科”背景下GNSS創新人才實踐能力培養成效提供了有力的數據支撐，該培養模式更有利于培養具有多學科交叉融合與創新實踐能力的GNSS國際化復合型科技人才。

表1 GNSS創新人才實踐教育培養項目案例

5 結束語

為滿足 GNSS 行業迅猛發展對復合型應用人才的需求，在“新工科”和“三全育人”要求下，對GNSS 創新人才實踐能力培養進行了探索。依托南京郵電大學 GNSS實驗平臺，對創新人才實踐能力培養模式、相關保障措施和具體實施方案進行了闡述。結合學校特色，對物聯網工程、計算機科學與技術、通信工程、人工智能、測繪工程、地理信息科學等多學科進行交叉融合實踐應用拓展，將創新創業項目培育與實踐教學結合，制定產學研協同育人培養機制，執行工程專業認證體系標準，結合人工智能特色保障 GNSS創新人才培養的實施，以期達到培養具有多學科交叉融合與創新實踐能力的 GNSS復合型人才的目的，為國家GNSS行業發展和人才培養做出貢獻