新工科背景下“GNSS定位測量”課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

【摘" 要】 當(dāng)前，新工科建設(shè)對高校人才的培養(yǎng)提出了更高的要求，新工科的“GNSS定位測量”是一門實(shí)用性很強(qiáng)的課程。文章結(jié)合泰山科技學(xué)院近年來“GNSS定位測量”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，圍繞優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、更新教學(xué)模式和方法、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)和完善全過程學(xué)業(yè)評價機(jī)制等方面，進(jìn)行了教學(xué)改革探索和實(shí)踐，旨在探索理論扎實(shí)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)和創(chuàng)新能力強(qiáng)的復(fù)合型“新工科”人才的培養(yǎng)途徑。實(shí)踐表明，該教學(xué)改革增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和實(shí)踐動手的能力，改善了學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。

【關(guān)鍵詞】 新工科；“GNSS定位測量”；智能測繪方法

新工科建設(shè)是我國高等工程教育對未來相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的嶄新思維和深度思考，是我國高等工程教育主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命的戰(zhàn)略行動。新工科的建設(shè)，既是一項(xiàng)全新的機(jī)遇，又是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)的要求，高校需要在教學(xué)理念、內(nèi)容、方法和技術(shù)等方面進(jìn)行改革創(chuàng)新，積極探索工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)和具備國際競爭力的復(fù)合型“新工科”人才的培養(yǎng)途徑。

GNSS，即全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強(qiáng)的，如美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略（GALILEO）衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS），以及相關(guān)的增強(qiáng)系統(tǒng)，還涵蓋了在建和將要建設(shè)的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。正在到來的第四次工業(yè)革命，將使人類進(jìn)入人工智能時代，而信息的位置發(fā)揮著重要的作用，將使全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在各個行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。

新工科建設(shè)促進(jìn)了土木工程專業(yè)新的發(fā)展，針對新工科建設(shè)的新要求，泰山科技學(xué)院建筑工程學(xué)院為土木工程專業(yè)開設(shè)了“GNSS定位測量”課程，該課程是土木工程專業(yè)的一門實(shí)用性很強(qiáng)的課程。GNSS技術(shù)在道路橋梁、房屋建筑、基坑工程、隧道工程和巖土工程等方面有著重要作用。文章以泰山科技學(xué)院建筑工程學(xué)院的“GNSS定位測量”課程為例，引入了新工科的建設(shè)理念，總結(jié)了土木工程專業(yè)的發(fā)展趨勢和特點(diǎn)，探索了課程的教學(xué)現(xiàn)狀、教學(xué)改革意義并結(jié)合該校的教學(xué)改革實(shí)踐，檢驗(yàn)了該課程的教學(xué)改革成效。

一、“GNSS定位測量”課程的教學(xué)現(xiàn)狀

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息化的教學(xué)手段越來越多樣化，出現(xiàn)了各種信息化的教學(xué)平臺，不斷地對教師的信息化教學(xué)能力提出了新的要求。與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，信息化教學(xué)方法的明顯優(yōu)勢在于，學(xué)生在上課前能夠參考預(yù)習(xí)、理解課堂中的知識點(diǎn)，在課后能夠鞏固課堂所學(xué)的內(nèi)容?！癎NSS定位測量”課程的信息化教學(xué)，可以采用不同的教學(xué)平臺，通過課程的詳細(xì)設(shè)計和建設(shè)，實(shí)現(xiàn)信息化教學(xué)手段的靈活運(yùn)用。

“GNSS定位測量”是一門理論性和技術(shù)性較強(qiáng)的課程，內(nèi)容豐富，要求學(xué)生既要掌握基本的理論知識，又要加強(qiáng)實(shí)踐、掌握其工程項(xiàng)目應(yīng)用的技術(shù)方法。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位理論與技術(shù)的快速發(fā)展，GNSS技術(shù)與多學(xué)科進(jìn)行了交叉融合，使得教師的實(shí)際的授課過程具有一定的難度、存在一些不足。

（一）基礎(chǔ)理論較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性不高

一方面，“GNSS定位測量”課程基本理論的知識點(diǎn)繁多、概念較抽象、教學(xué)內(nèi)容多以及跨度大，特別是衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理較復(fù)雜；另一方面，土木工程專業(yè)開設(shè)的“GNSS定位測量”課時較少，教師在講課時不能面面俱到，學(xué)生對知識點(diǎn)的理解差距較大，在一定程度上降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性不高。

（二）理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)不夠緊密，實(shí)踐教學(xué)差強(qiáng)人意

“GNSS定位測量”課程包含理論和實(shí)驗(yàn)兩個部分。理論課程是學(xué)生主要學(xué)習(xí)衛(wèi)星導(dǎo)航定位的基本原理知識，實(shí)驗(yàn)課程是學(xué)生主要練習(xí)和掌握GNSS接收機(jī)的使用及GNSS數(shù)據(jù)的處理方法，理論與實(shí)踐相結(jié)合。一方面，在理論課程的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)知識不求甚解、淺嘗輒止，大部分學(xué)生往往只掌握了一些基礎(chǔ)知識；另一方面，GNSS接收機(jī)技術(shù)的發(fā)展日新月異，價格較高，而學(xué)校實(shí)驗(yàn)室GNSS儀器的數(shù)量有限、更新慢以及實(shí)驗(yàn)課時不足，出現(xiàn)了理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)聯(lián)系不緊密、教學(xué)脫離了生產(chǎn)的現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)際的工程項(xiàng)目認(rèn)識不足，無法靈活地運(yùn)用所學(xué)的理論知識以及經(jīng)歷過的綜合實(shí)踐解決實(shí)際工程問題，使實(shí)踐教學(xué)達(dá)不到預(yù)期的效果。

（三）考核方式單一，考核的評價方式與培養(yǎng)目標(biāo)不匹配

當(dāng)前，傳統(tǒng)的“GNSS定位測量”課程考核評價機(jī)制一般包括期末考試成績和平時成績，期末考試主要考核學(xué)生對知識點(diǎn)的記憶，平時成績主要考查學(xué)生的考勤、作業(yè)和平時的課堂表現(xiàn)等，這些指標(biāo)復(fù)雜，體現(xiàn)在整個教學(xué)過程中。如果在學(xué)生人數(shù)較多的情況下，教師往往不能進(jìn)行客觀、公正地評價，期末的理論考試成績占據(jù)了絕大的比重，這種“一考定成績”的考核方式單一，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，不能有效地實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)，使得考核評價與課程培養(yǎng)的目標(biāo)不匹配，無法客觀、準(zhǔn)確地評價學(xué)生的綜合能力。

二、“GNSS定位測量”課程教學(xué)改革的意義

（一）有利于調(diào)動學(xué)生的興趣，提高自主學(xué)習(xí)的能力

“GNSS定位測量”課程教學(xué)改革可以優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，使教師從日常生活中的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的應(yīng)用入手，貼近應(yīng)用需求，引入汽車自動駕駛、智能手機(jī)連接衛(wèi)星信號和導(dǎo)航定位等前沿?zé)狳c(diǎn)案例，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，整個教學(xué)過程以學(xué)生為中心，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

（二）有利于加強(qiáng)多學(xué)科的交叉融合，拓展了學(xué)生的就業(yè)領(lǐng)域

一些傳統(tǒng)的工程因?yàn)榧夹g(shù)的原因，往往難以實(shí)施。隨著信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，行業(yè)革新了土木工程的設(shè)計和施工技術(shù)。在新時代信息化建設(shè)快速發(fā)展的背景下，GNSS技術(shù)提供了導(dǎo)航和定位功能，在智能測繪、智能建造等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，通過“GNSS定位測量”課程的教學(xué)改革，有利于加強(qiáng)多學(xué)科的交叉融合、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，進(jìn)而拓展了學(xué)生的就業(yè)領(lǐng)域。

（三）有利于培養(yǎng)理論扎實(shí)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)和創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)“新工科”人才

新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)提出了新的要求，“GNSS定位測量”的課程教學(xué)改革，結(jié)合了新工科的建設(shè)理念，優(yōu)化了課程目標(biāo)，教師在整個教學(xué)的過程中，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和討論解決問題，提高了學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力；加強(qiáng)了案例教學(xué)，緊扣生產(chǎn)實(shí)踐的要求，提升了學(xué)生工程實(shí)踐的能力。

三、“GNSS導(dǎo)航與定位原理”課程教學(xué)改革的實(shí)踐與探索

（一）優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建高效課堂

學(xué)校要以提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和課程體系。針對土木工程專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，在有限的課時內(nèi)，教師應(yīng)提取“GNSS定位測量”的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容開展教學(xué)，努力地為學(xué)生提供個性化的教學(xué)服務(wù)。鑒于土木工程專業(yè)開設(shè)的“GNSS定位測量”課程課時占比較少，加之該專業(yè)學(xué)生的測繪學(xué)知識掌握得不夠豐富，結(jié)合土木工程專業(yè)的發(fā)展趨勢、特點(diǎn)，文章重新整合了知識體系，將教學(xué)內(nèi)容調(diào)整為六個部分：第一，緒論。主要講解GNSS的定義，GPS、GLONASS、GALIEO和BDS的發(fā)展歷程，以及GNSS在生活中的應(yīng)用。第二，GNSS接收機(jī)的認(rèn)識與使用。教師主要講解GNSS接收機(jī)的工作原理、類型和基本配置。第三，衛(wèi)星星歷。教師主要講解天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系、衛(wèi)星星歷的作用、衛(wèi)星星歷的類型以及各類衛(wèi)星星歷的來源及特點(diǎn)。第四，單點(diǎn)定位。教師主要講解單點(diǎn)定位的原理，講述偽距單點(diǎn)定位和載波相位單點(diǎn)定位的原理與方法，絕對定位和相對定位的區(qū)別，七參數(shù)轉(zhuǎn)換、三參數(shù)轉(zhuǎn)換的意義與方法。第五，GNSS靜態(tài)控制測量。教師主要講解控制網(wǎng)的概念及作用，介紹國家大地控制網(wǎng)和工程控制網(wǎng)的具體類型與布設(shè)方法，講解GNSS控制網(wǎng)的布設(shè)原理及方法，介紹GNSS控制網(wǎng)的方案設(shè)計、技術(shù)內(nèi)容、外業(yè)作業(yè)流程、數(shù)據(jù)處理流程以及最終控制網(wǎng)的成果。第六，GNSS-RTK地形和地籍測量。教師主要講解RTK的定位原理，介紹偽距差分、載波相位差分和位置差分的區(qū)別，介紹RTK技術(shù)在地形、地籍測量中的具體應(yīng)用。

以上方法避免了照本宣科、一本教材講到底，選取了能較好體現(xiàn)基本原理知識和前沿技術(shù)的參考教材，及時地將GNSS定位技術(shù)的前沿成果、現(xiàn)實(shí)案例等有機(jī)地融入了課堂教學(xué)，淘汰了一些舊技術(shù)，提高了課堂教學(xué)效率。

（二）更新教學(xué)模式和方法，提高教學(xué)質(zhì)量

新工科背景下，“GNSS定位測量”課程的教學(xué)改革轉(zhuǎn)變了教學(xué)模式，由傳統(tǒng)的注重知識傳授的“以教為中心”，轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸R+思維方式+想象力”并重的“以學(xué)為中心”，整個教學(xué)過程采用任務(wù)驅(qū)動、自主學(xué)習(xí)、問題啟發(fā)、研究討論和翻轉(zhuǎn)課堂等方法，注重過程的滲透教育，方法如下：第一，教師根據(jù)班級人數(shù)分為5個小組，每個小組有7—8位學(xué)生，以小組為單位，完成研討、實(shí)驗(yàn)任務(wù)；第二，將課程中相關(guān)知識點(diǎn)作為研討的主題，例如衛(wèi)星星歷、單點(diǎn)定位、GPS和RTK工作原理等，每組學(xué)生利用課下的時間學(xué)習(xí)教材內(nèi)容，查詢文獻(xiàn)資料，結(jié)合MOOC等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源自主學(xué)習(xí)，在交流、討論和分析后，完成多媒體課件；第三，每組學(xué)生在課上分享學(xué)習(xí)、研討的成果，教師總結(jié)和點(diǎn)評。通過課堂研討的形式，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生能夠積極、主動地探究學(xué)習(xí)。

2020年6月23日，北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空。2020年7月31日上午，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成暨開通儀式在北京舉行，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習(xí)近平出席了儀式，宣布北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。這標(biāo)志著我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，已成為繼美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）和歐盟的伽利略（GALILEO）衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)后，又一個能為全球用戶提供全天候定位導(dǎo)航授時服務(wù)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與傳統(tǒng)行業(yè)的深度融合，推動了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，提高了社會生產(chǎn)效率，改善了人民的生活質(zhì)量，提升了國家的核心競爭力。

“GNSS導(dǎo)航與定位原理”課程講述了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程，以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在人們生活、國防中的重要作用，激發(fā)了學(xué)生的愛國情懷，增強(qiáng)了學(xué)生的民族自信心。

四、“GNSS導(dǎo)航與定位原理”課程教學(xué)改革實(shí)踐的效果

2022級土木工程（專升本）專業(yè)的3個班級進(jìn)行了“GNSS定位測量”課程的教學(xué)改革實(shí)踐，課程考核評價包含期末理論考試、實(shí)驗(yàn)考核、研討匯報和平時成績等4個部分。學(xué)生考核評價的優(yōu)秀率為68.18%，良好率為29.09%，中等率為1.82%，不及格率為0.91%；而2020級建筑工程技術(shù)專業(yè)使用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，學(xué)生考核評價的優(yōu)秀率為7.14%，良好率為14.29%，中等率為7.14%，及格率為35.71%，不及格率為7.14%。通過教學(xué)改革實(shí)踐可以得出，學(xué)生的優(yōu)良率和良好率都大幅提升、不及格率大幅降低，在一定程度上表明了學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力和工程實(shí)踐能力得到了提升。此外，在“GNSS定位測量”課程教學(xué)結(jié)束后，學(xué)校以問卷調(diào)查的形式，調(diào)查了學(xué)生對教學(xué)改革的建議，從調(diào)查結(jié)果看，學(xué)生對教學(xué)改革比較認(rèn)可，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和實(shí)踐動手的能力，總體學(xué)習(xí)效果較好。

五、結(jié)語

新工科建設(shè)對高校的人才培養(yǎng)提出了更高的要求?！癎NSS定位測量”的課程教學(xué)改革，有利于調(diào)動學(xué)生的興趣、提高自主學(xué)習(xí)的能力、加強(qiáng)多學(xué)科的交叉融合以及拓展了學(xué)生的就業(yè)領(lǐng)域，培養(yǎng)出了理論扎實(shí)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)和創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。文章分析了泰山科技學(xué)院“GNSS定位測量”課程近年來的教學(xué)現(xiàn)狀，在新工科建設(shè)的引導(dǎo)下，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，更新了教學(xué)模式和方法，強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)和完善了全過程學(xué)業(yè)評價機(jī)制，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

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