空間信息與數字技術專業實踐教學模式探討

［摘 要］ 以培養高素質的空間信息與數字技術專業人才為目標，針對空間信息綜合實踐教學，結合空間信息科學專業知識面廣、系統性強、與工程結合緊密和新技術發展迅速等特點，設計了層次化的人才培養模式，構筑了由綜合設計實驗層和創新實驗層構成的雙層實驗實踐教學體系。采用軟件仿真與階段實物實踐相融合的實驗教學模式，培養學生理論與實踐緊密結合的綜合能力，并能夠運用辯證思維，分析科學問題和工程實際問題，從而培養學生科學思維和解決復雜工程問題的能力。

［關鍵詞］ 軟硬件融合；空間信息與數字技術；實踐教學

［基金項目］ 2024年度教育部供需對接就業育人項目“新工科背景下電子信息領域人才培養實踐”（2024012309020）；2023年度教育部產學合作協同育人項目“航天宏圖-西電空間信息與數字技術專業產教融合實踐基地建設”（230902313183709）

［作者簡介］ 韋 娟（1973—），女，陜西渭南人，工學博士，西安電子科技大學通信工程學院教授，碩士生導師，主要從事空間信息處理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）38-0129-04 ［收稿日期］ 2023-05-17

2005年，西安電子科技大學為適應我國現代化對空間信息領域人才的迫切需要，創設了空間信息與數字技術專業。旨在培養能服務社會主義現代化建設需要的德智體全面發展，愛國進取、創新思辨，厚基礎、寬口徑、強能力、高素質，具有空間信息科學、現代通信理論、計算機網絡與軟件、可視化、數字化技術、空間信息傳輸系統設計和集成電路設計等方面的基礎理論知識和技術綜合能力，以及國際視野的工程技術人才及行業骨干。“地理信息系統”（geographic information system， GIS）、“空間通信系統”，以及“衛星導航定位原理與方法”“空間信息網絡綜合開發實驗”等成了該專業的特色課程。這些課程結合空間技術、信息技術和各類應用技術，主要研究空間信息的采集、存儲、管理、運算、分析、顯示等理論、方法與技術［1-3］。通過這些課程教學展現我國空間信息技術的燦爛成就，增強文化自信。教師要運用辯證思維，分析科學問題和工程實際問題，培養學生的科學思維能力和解決復雜工程問題的能力［4-6］。

一、建設實踐教學體系

根據空間信息與數字技術專業實驗教學的特點［7-8］，設計了層次化的人才培養模式，構建了由綜合設計實驗層和創新實驗層組成的雙層實踐教學體系。該體系可根據學生本身情況實行因材施教、個性培養，保證了學生大面積成才和優秀生、拔尖生的脫穎而出。綜合設計實驗采用自主或團隊模式，讓學生帶著問題和任務、懷著強烈的求知欲和興趣在基礎驗證實驗的基礎上，對所學的專業課程進行綜合應用，提高學生解決復雜工程問題的能力。對科學研究的全過程有一次切身的體會，對綜合實驗進行需求分析、資料檢索、方案論證、器件選型、模塊設計、編程實現、測試驗證、撰寫報告或科技論文，培養學生嚴謹的科學態度及科學作風。創新實驗層為提升學生的綜合創新能力，通過各類學科競賽、大學生科研訓練計劃項目、企業聯合項目等方式培養學生的創新實踐能力。

在實踐環節后，學生將學會和掌握空間信息系統的一般結構組成、性能指標和技術參數，能夠通過調整方案優化系統工作性能，并且能夠進行分析；在解決空間信息系統的相關問題過程中，能基于空間信息與數字技術專業相關背景知識進行合理分析，具備空間信息工程的專業知識，并能夠將其用于空間信息工程領域復雜工程問題的建模與求解；具有跨學科的適應能力和合作意識；理解用技術手段降低其負面影響的作用與其局限性；能在團隊中扮演好自己承擔的角色；對空間信息相關工程領域的國際狀況有基本了解；認識空間信息系統技術發展迅速、技術更新周期短的特點，對于自我探索和學習的必要性有正確的認識。

二、軟硬件相融合的實踐教學模式

在實踐教學中，通過講授、演示、提問、翻轉、討論、互助等教學方法和手段，充分利用空間信息實驗室條件，結合軟件和硬件條件，讓學生將所學的理論知識綜合運用，為空間信息與數字技術專業的學生從事相關工程技術工作打好專業基礎，并使他們接受必要的基本技能訓練和拓展訓練。空間信息實驗課程涉及的知識覆蓋面廣、工程實用性強，對培養學生辯證思維能力、理論與實踐緊密結合的能力、分析問題及解決問題的能力等都有著重要的作用，并落腳于學生人格塑造，養成正確的人生觀和職業態度，并達到以課程思政和課堂育人為本的教學目的。同時，在整個實踐過程中，注重培養學生自主學習能力、團隊合作發現問題及解決問題的能力、獲取和整理相關文獻信息的能力、準確運用語言文字的表達能力，激發學生的創新意識和創新思維。下面以北斗/GPS教學實驗平臺和GIS軟件為基礎進行闡述。

（一）北斗/GPS教學實驗平臺

1.北斗軟件接收機設計。要求學生針對基于電腦端（personal computer， PC）的北斗信號處理軟件進行設計、實現和優化。軟件主要包括并行碼相位捕獲、信號跟蹤、同步、數據解碼和位置計算五個模塊。首先，接收機獲取中頻信號用于參數捕獲，捕獲的信號有偽隨機碼、并行碼相位和載波頻率，并對這些捕獲參數進行保存；其次，提取捕獲結果，初始化跟蹤通道，進行跟蹤處理；然后依據跟蹤通道的導航電文進行同步，找到子幀頭和數據位的轉換點；最后，進行解碼、位置解算、計算偽距、衛星位置和用戶的位置。

圖1給出了基于電腦端的軟件接收機的整體結構，主要包括天線、中頻信號采樣器和基于PC的軟件三部分。其中，天線接收到衛星發射的信號后傳送至中頻信號采樣器，采樣器對該信號進行放大、濾波、模數采樣和緩沖等一系列的處理后得到中頻采樣信號，在PC機上對中頻采樣信號進行基帶處理（包括捕獲、跟蹤、位同步和幀同步）以及位置解算，計算出定位結果。

基于PC的軟件接收機實現模塊如圖2所示。主要包括四部分：捕獲、跟蹤、同步及解算；信號捕獲包括捕獲及頻率的精細化；信號跟蹤過程主要實現初始化環路參數和跟蹤過程的閉合反饋環路；同步主要是實現幀同步和位同步；解算過程主要是星歷的解算、衛星位置的計算和用戶位置的解算。

2.實驗平臺驗證。學生可以對軟件仿真的結果通過實驗平臺進行驗證，并能夠對理論課程所包含的實物實驗進行實踐。圖3為北斗/GPS實驗平臺硬件連接圖，圖4為實驗平臺解算系統。

（二）GIS軟件和其他硬件設備結合

基于GIS軟件，并結合我校的學科優勢，與電子信息、通信系統相融合。以我校南校區為例，展開智慧校園各子模塊的綜合實踐教學。圖5為智慧校園構成模塊示意圖。下面列舉兩例進行展示。

1.校園公共空間可達性研究。以西安電子科技大學南校區為實際分析對象，在進行可達性分析與需求分析的基礎上，總結影響公共空間可達性的因素，分析南校區公共空間現狀問題。并利用線段模型、凸狀模型、GIS網絡分析法等使分析結果更加簡便、精確、科學有效。部分結果如圖6、圖7所示。

2.校園道路路燈智能系統設計。結合我校校園路寬、人流量、車流量、日照等因子，對現有路燈的照明度進行評價。借助核密度分析、緩沖區分析、疊加分析等功能，結合屬性查詢、屬性分析等分析和展示成果。在多種因子的影響下，討論應該如何布設路燈、路燈設置多高、亮度設置多少，最終給出校園路燈智能照明解決方案。結果如圖8、圖9所示。

結語

空間信息與數字技術專業的實踐教學模式探索極大地提升了學生在空間信息與數字技術方面的能力。在此基礎上涌現出一批優秀的學生，能夠熟練地運用空間信息技術與方法，并發表了論文，獲得了專利、軟件著作權、競賽大獎等主要成果。此外，該實踐模式接待來訪的南京航空航天大學、吉林大學、中國海洋大學、空軍工程大學、工信部等多批次的高校教師和企業單位近百人到實驗室考察訪問，交流專業創新實踐教學工作，起到了重要的輻射和帶動作用。此外，結合其他專業的特色，該實踐模式可以推廣至其他學科的實驗及課程設計等實踐環節。

參考文獻

［1］張獻偉，劉衛軍，石磊，等.測繪專業地理信息系統實踐教學改革研究［J］.地理空間信息，2020，18（10）：124-125

［2］王艷軍，路立娟.論地理信息科學應用實踐型人才培養［J］.當代教育理論與實踐，2016，8（2）：77-79.

［3］湯國安，周衛.“地理信息系統”課程的設計與實踐［J］.地球信息科學學報，2012（2）：65-69.

［4］唐章英，卿鳳.GIS本科專業學生實踐能力培養途徑探討［J］.教育教學論壇，2019（19）：24-25.

［5］吳楠楠，于海龍，李加加.基于OBE理念的RS與GIS課程實踐教學改革研究［J］.地理空間信息，2022，20（4）：151-153.

［6］呂建軍，龔君芳，許勇，等.地理信息系統開發實訓平臺設計與實現［J］.實驗技術與管理，2018，35（5）：138-141.

［7］劉賢趙，李朝奎，陳新保，等.GIS專業學生創新能力培養的多維實踐平臺構建［J］.當代教育理論與實踐，2015，7（1）：147-150.

［8］李淵，林曉云，邱鯉鯉.創新實踐背景下的城市規劃專業地理信息系統課程的教學改革與思考［J］.城市建筑，2018（15）：120-122.

Discussion on Practical Teaching Mode of Spatial Information and Digital Technology Specialty

WEI Juan， LIU Nai-an， TIAN Bin， YANG Guo-qing

（School of Telecommunications Engineering， Xidian University， Xi’an， Shaanxi 710071， China）

Abstract： Taking cultivating high quality professional talents of spatial information and digital technology as the goal， in view of the space information comprehensive practice teaching， combining with its characteristic such as broad， strong systemic professional knowledge， combined with engineering closely and rapidly developed new technology， the hierarchical talent training mode is designed. And double experiment practice teaching system are constructed by the comprehensive design experiment and innovative experiment layer. The experimental teaching mode， which integrates software simulation and stage physical experiment， cultivates students’ comprehensive ability to closely integrate theory with practice， and to use dialectical thinking to analyze scientific problems and engineering practical problems， and then cultivates students’ scientific thinking and ability to solve complex engineering problems.

Key words： software and hardware integration; spatial information and digital technology; practical teaching