测量学课程中“GNSS技术与应用”的教学研究与实践

王广兴，李 玮，张绍成，丁开华

(中国地质大学(武汉)测绘工程系，湖北 武汉 430074)

测量学是地质、资源、石油与天然气工程、地球物理工程、土木工程、环境工程、工程管理、GIS等专业的技术基础课程。了解和掌握测量学的基本理论、技术、方法，可以为本专业后续课程学习奠定良好的技术基础。实际上，大学生从测量学课程中学到的不止是一门技能和工艺，更是一种认识世界的方法论，认真系统地学习测量学知识，有助于培养科学思维和科学素养，这对于任何专业的学生都有益处。

随着市场经济的深化发展，新时代市场对人才的知识结构也有了更全面的要求。这就要求大学生不仅要具备解决本专业领域科学问题的能力，而且还要能综合运用相关领域的知识[1]。培养“宽口径、厚基础、高素质、强能力”的创新型人才，体现了立德树人的基本要求。在这样的背景下，非测绘类专业测量学课程的重要性愈加凸显，在中国地质大学(武汉)，不仅在地质工程这样的“双一流”专业开设了测量学课程，甚至在经济管理和公共管理专业也开设了测量学课程，且均为专业必修课程。非测绘专业测量学课程的教学质量直接影响测量学新技术在相关领域的推广和应用程度。针对非测绘专业测量学课程教学中存在的问题，国内许多学者结合自身教学经验和教学改革方向，从教学模式、教学方法和考核方式等角度进行了研究和探讨[2-7]。

GPS极大地满足了人类探索未知领域和获取精确位置的需求，推动了地球空间信息技术的革命，随着世界各主要国家和地区积极研发和建设卫星导航系统，出现了全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)的概念，用于泛指所有的卫星导航系统。GNSS技术使测绘科学从理论到手段发生了根本性的变化，促进了测绘的智能化、自动化发展，因此GNSS技术及应用是测量学课程中的重要章节之一，一般安排4课时课堂讲授和2课时实习，主要介绍GPS技术的基本原理和应用[1]。围绕从GPS到GNSS教学的转变、测绘专业认证背景下的GNSS教学、面向卓越测绘工程师教育和非测绘专业GNSS教学等问题，国内相关高校学者开展了较多研究[8-11]。

本文在已有研究基础上，结合土木工程、地质工程、海洋工程、资源勘探工程等非测绘专业的测量学教学实践，讨论非测绘类专业测量学课程中GNSS技术与应用的教学改革与实践问题。

1 测量学课程中GNSS教学现状

近年来，世界各主要国家和地区积极研发和建设卫星导航系统，俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统和中国的北斗卫星导航系统相继建设并提供服务。与此同时，卫星导航新技术、新应用、新概念不断涌现[12]，这对测量学课程中GNSS内容的教学提出了新的要求，同时也暴露出现有教学过程中的一些问题。

1.1 教材更新慢

GNSS技术的迅猛发展使得相关教材显著滞后，对于非测绘类专业的测量学课程，该问题更为突出。2012年底，中国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)开始向亚太地区提供定位、测速、授时和短报文通信等服务，至今已连续运行满六年，并将于2020年底向全球用户提供服务[13]。

以中国地质大学(武汉)测量学课程为例，该课程采用的教材仍然以介绍GPS为主。限于教材编写年代的客观条件，该教材对GLONASS、Galileo和北斗系统只是简单提及，特别是对我国北斗系统的介绍仍然停留于北斗一号，且教材中未出现GNSS的概念[1]。虽然看上去只是一个概念的问题，但是如果教科书上缺乏必要的解释，初学者很容易因此混淆这些概念之间的相互关系，难以准确把握各系统的特点。

1.2 网络信息繁杂

大学生对新技术和高科技通常比较感兴趣，当教材内容无法满足求知欲时，学生很自然会通过网络来了解相关知识。移动互联网和自媒体蓬勃发展，成为很多学生获取课外知识和信息的重要渠道，并大量占据着学生的注意力和时间。如果学生对卫星导航、北斗等热门技术和知识感兴趣，势必会关注互联网、自媒体和客户端上对北斗、GNSS的报道和介绍。

来自于网络的信息比较及时、广泛，确实可以从一定程度上弥补教材知识滞后的不足，可以增加趣味性，把高深的科学知识讲的通俗易懂；但同时也必须注意到网络信息为了吸引受众眼球或者是为了某种商业目的，通常会有一定的夸张，或者为了追求通俗而不惜以科学的严谨性为代价。例如，对我国北斗系统就出现过很多不实的报道。课程知识应当是客观的、准确的、系统的，对于GNSS新技术的普及不能完全依赖于网上的碎片化知识和快餐式阅读，对于初学者而言，尤其如此。

这些现实情况直接导致了两组矛盾：一方面是滞后的教材不能满足课堂教学和生产实践的需求，另一方面是鱼龙混杂的网络信息很容易误导学生，耽误甚至磨灭学生的求知欲。正确处理好这两组矛盾，有助于测量学教师提升教学质量，有助于相关专业学生更加全面地了解测量学课程，有助于测量学新技术及时推广应用到相关行业。

2 教学研究与实践

作为课堂教学和实习的主导者，测量学教师既要以教学大纲为出发点，又要着眼于教学质量的不断提高，充分发挥主观能动性，不被教材束缚。随着测量技术的不断发展，测量学教师要面向未来，让课堂与时俱进，在教学实践中着力解决上文提到的两组矛盾。

2.1 扩充教材内容

教材的编写和更新有一定的周期，任何一本教材都会存在或多或少的滞后。然而，GNSS领域知识的增长和技术的发展一日千里，如果因为教材滞后就裹足不前，轻则无法保证教学质量，重则课本知识与生产实践严重脱节，不利于学生成才和就业而误人子弟。

这一现实情况对教师提出了更高的要求，测量学教师在教学过程中要立足于教材，但不可拘泥于教材，更不能照本宣科，采用一成不变的课件和教案。特别是对于GNSS技术与应用相关章节，教师首先要不断学习，广泛阅读文献，把握最新的理论、技术及其发展趋势。比如，现有测量学教材中对GPS空间部分的描述仍然停留在24颗在轨卫星且未提及GPS现代化[1]。另外，对GNSS的介绍至少还应该覆盖GLONASS、Galileo和BDS，特别是我国的北斗卫星导航系统，发展速度快、特色鲜明，应该作为重点教授内容之一。这些内容是国内外学者的研究热点，且已有不少较为成熟的结论。事实上，在测绘工程专业GNSS原理与应用课程所采用的核心教材中，已经增加了相关内容，并对北斗卫星导航系统进行了系统介绍[14]。非测绘专业测量学教材中尚未及时补充相关内容，则需要教师发挥能动性，对教案和课件进行及时更新，在教学课程中对教学内容进行扩充和替换。

2.2 与科研实际相结合

科研和教学是相互促进、相得益彰的，测量学课程中GNSS技术与应用相关内容不仅与生产实践紧密结合，还应该反映新近科研成果。在教学过程中要使GNSS基础理论知识更加具体化、立体化，就需要结合GNSS技术的最新发展及其应用。

教师需要对GNSS知识具备较强的敏感性，最好自己也从事相关科研工作，经常参加国内外学术交流活动，并能够找到适当的切入点，把科研过程的问题、方法和成果等深入浅出地引入到课堂中。近年来，与GNSS或北斗相关的科研工程有很多，如基于GNSS技术建立的中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)[14]，以及为支持卫星导航技术试验、服务科学研究和各类应用而建设的国际GNSS监测评估系统(iGMAS)[15]。相比于简单的科普，科研和工程实例有一定深度，并与教材知识结合紧密，有助于学生更好地理解GNSS技术与应用的研究背景、现状和发展趋势。将其作为教学素材，不仅可以激发学生的学习兴趣，还为兴趣浓厚且学有余力的学生创造了自学和钻研提高的空间。

2.3 充分利用新媒体

移动互联网和自媒体的发展，为教学提供了更多辅助手段，在测量学课程中充分发挥新媒体的优势，可以显著改善GNSS技术与应用的教学效果。当今的大学生，成长在互联网技术飞速发展的时代，他们思维活跃、个性强，对知识的内容和形式要求较高。

在扩充教材内容、介绍GNSS新技术和新发展时，要充分利用新媒体的便利，使知识的形式更加生动。如网络上有关于北斗系统组网卫星发射的最新消息，还有介绍北斗系统特点的视频，可以把这些网络资源以二维码的形式嵌入到课件中，使学生通过扫描二维码就可以在线浏览。此外，还可以把扩充的GNSS知识点通过微信公众号平台推送给学生，学生在课后通过移动终端就可以随时随地学习相关知识。

需要注意的是，利用网络资源时，教师不能沦为网络信息的搬运工，相反，这对教师备课工作提出了更高的要求。现在网络上关于GNSS技术及应用有很多信息，特别是有很多关于北斗的信息，但是仔细阅读会发现，这些信息有的是借北斗之名进行商业炒作，对技术的介绍不够专业，甚至会误导读者，还有的虽然专业，但是主要针对科研工作者，不适合作为本科生教学素材。因此，教师要结合课堂实际，对网络资源进行甄别和筛选，需要以网络资源为素材，进行讲解、评价和讨论，实现网络资源、多媒体手段和课堂教学目标的有机结合。

2.4 精心设计课堂

在课堂的形式上也要敢于创新，传统的课堂学生参与度低，无法达到最佳教学效果；而且，从知识获取的角度看，学生处于被动接受状态，对知识的理解不够深刻。GNSS技术及应用属于测绘学科前沿知识，适合学生开展研究性学习，教师在备课时，应该充分利用这些特点，精心设计课堂情境，调动学生自主学习的积极性。

笔者在GNSS教学实践中尝试了将辩论引入课堂教学，把学生分为两组，围绕“中国应当发展自己的卫星导航系统还是利用已有卫星导航系统”的辩题展开辩论。正方学生从国家安全、大国重器自主可控、北斗系统的特色等方面陈述观点，反方学生则从用户使用习惯、成本、兼容性等方面陈述。通过辩论，学生可以深入了解北斗和GPS等卫星导航系统的特点，既增强了民族自豪感，又能让学生通过冷静思考意识到开展GNSS技术研究的必要性，从而找到今后努力的方向。

辩题是事先布置的，学生在为本方论点搜集支撑材料的过程中自主学习了北斗和GPS的系统构成、信号体制、应用场景等。自主学习的过程是面向问题的，而且还要对搜集到的材料进行筛选、加工和组织，这样学生对GNSS相关知识的掌握效果会比单纯课堂讲授和课后习题效果更好。由于辩论过程中学生自主发挥的空间大，需要知己知彼，灵活应变，因此学生不仅需要掌握课本上的GNSS基础知识，还要广泛涉猎，了解GNSS最新发展，扩大知识面。同时，学生还锻炼了逻辑思维、语言表达能力和团队协作能力，增强了科学素养。

3 结 语

非测绘专业测量学课程教学质量的提高有助于增进相关专业学生对测量技术的了解，促进不同学科之间的交叉融合，有助于提升GNSS等测量学新技术在相关行业的应用水平。教师是课堂教学的主导者，既是教学大纲的实践者，也是教学大纲和教材修订的推动者。测量学课程中GNSS技术日新月异，教师需要在教学过程中不断把握新趋势、适应新变化， 妥善化解技术快速更新与教材相对滞后之间的矛盾，平衡传统测绘技能与学科前沿知识之间的关系。

对待新媒体和网络信息，教师要本着扬长避短的原则，善于去粗取精、去伪存真，真正让移动互联网助力课堂教学。在与时俱进的过程中避免盲目跟风，坚持学术和教学的严谨性和规范性，对于学科健康持续发展意义重大。在讲授专业知识的过程中，注重学生基本能力和基本素养的全面提升，注重立德树人，无论对于学生就业和继续深造，还是对于GNSS新技术推广和应用水平的提升都大有益处。