“GPS 测量与数据处理”课程教学与改革

卢立果， 鲁铁定， 王胜平， 王建强， 肖根如

(东华理工大学 测绘工程学院，江西 南昌 330013)

全球卫星导航定位系统能够为地球表面和近地空间的广大用户提供全天时、全天候、高精度的定位、导航、测速和授时服务，已逐步渗透到社会生产和人们生活的方方面面，广泛应用于交通运输、航空航天、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域。因此，培养卫星导航领域的专业工程技术人才已成为社会发展的迫切需要[1]。

作为测绘类专业基础课程，讲授卫星导航定位原理及应用的GPS课程在测绘课程体系中越来越重要，被作为《普通高等学校本科专业目录》设置的测绘工程本科专业的主干课程之一。该课程要求学生既要掌握GPS的理论基础知识，又要熟悉GPS的实际操作与应用，具备独立运用GPS技术从事科研和生产实践的能力。然而，由于该课程内容多、学科交叉性强，在有限的课时内想要达到以上目标难度较大，因此部分高校教师针对这一课程进行了教改尝试[2-4]。本文针对东华理工大学测绘工程专业本科生的培养目标和专业需求，结合笔者个人的教学、科研和生产实践等经验，尝试从授课内容、授课方式、实践教学及考核模式等方面进行GPS课程教改方面的探讨。

1 筛选并拓展授课内容

课程教材选用武汉大学出版的《GPS测量与数据处理》(第三版)[5]，该教材为“十二五”普通高等教育本科规划教材和国家精品课程教材，全书从定位原理、测量作业、数据处理等方面对GPS定位技术作了较详细的介绍。由于该教材内容丰富且具有较强的理论性和实践性，讲授时若想涵盖全部的知识点，仅依赖于有限的课时是远远不够的。因此，笔者结合测绘工程专业的性质、学时数和学生的层次，选择性的讲授所需内容，具体见表1。

随着卫星导航定位技术迅速发展，由于主客观条件的限制，教师讲课内容不可避免地存在观念固化以及教材内容更新滞后等问题。鉴于此，笔者在授课时为学生推荐国内外经典的GPS教学教材、权威期刊出版有代表性的论文作为课后补充材料；同时，推荐关注有关行业新闻发布网站、论坛和公众号以便及时了解卫星导航定位技术的最新发展动态。具体信息获取途径见表2。

表1 《GPS测量与数据处理》章节课时讲授安排

表2 知识拓展获取途径

2 丰富授课方式

GPS课程涉及了导航工程、电子信息科学、地球科学、气象学、天体动力学以及数学等多个学科的背景知识，制作的课件中包含了大量交叉学科的信息，如果教师通过照本宣科、全程朗读PPT这种“填鸭式”的教学方式向学生传授抽象的教条知识，课堂枯燥无味，导致教师疲倦，学生厌学。此外，教师相比于学生具有更好的专业基础知识和理解能力，在演示课件时容易不自觉的出现知识点的跳跃，导致学生跟不上教师讲授的节奏。因此，教师在授课时一定要注意掌控节奏，以保证良好的课堂教学效果，另外在制作多媒体课件时也需认真对待[6]，注意完善以下两个方面的内容。

(1)多种媒体，合理选择。借助PPT设计软件，教师可以利用文字、图片、图表、声音、视频、动画等多种媒体表现教学内容，把晦涩难懂的GPS抽象理论转化为由多种媒体所构成的生动场景，增加课程的趣味性，以提高学生的学习兴趣。如录制并演示STK软件生成的GPS卫星运行轨迹视频，帮助学生更形象直观地理解24颗GPS卫星在6个轨道面上的空间分布；采用动画形式逐步演示GPS基线解算的流程(参见图1)，帮助学生加深理解GPS数据处理的基本原理，同时增强前后理论知识的贯穿和衔接。

图1 基线解算的基本流程

(2)换位思考，精心设计。高校教学的主体是学生，课件制作需要服务于学生。因此，在设计制作课件时，需要从内容组织和案例分析等方面加以考虑。比如在讲述GPS定位中的误差源这一章时，可以结合自己的研究成果给出电离层延迟、对流层延迟和相对论效应等系统误差对定位结果的定量影响，增强学生对系统误差的认识；采用时间和坐标转换小工具演示不同时空基准间的相互转换，深化学生对时空基准概念的理解。

3 加强实践教学

GPS课程内容包含两部分：第一篇GPS定位原理、方法与数学模型和第二篇GPS测量与数据处理，也即GPS测量的外业测量和内业处理。因此，实践教学是本课程十分重要的环节，通过对GPS测量软硬件的实践操作，培养学生理论联系实际的能力，掌握基本的软硬件使用方法，保障拥有内外业一体化的专业操作技能，达到具备独立开展GPS工程项目的能力。其中，GPS外业实践主要包括GPS接收机的认知、GPS静态定位、PPK测量和RTK放样等操作[7]；内业处理主要介绍中海达HGO数据处理软件的解算过程(注：其他数据处理软件均具有相类似的解算流程，具体见图2)。此外，笔者还提供部分较简单的GPS开源代码(如Borre教授编写的easy软件[8])供感兴趣的学生深入了解GPS数据解算的具体细节，包括卫星位置计算和周跳探测等。通过内外业一体化实践教学能够有效地促进GPS定位理论与实践的有机结合，达到培养学生的设计能力、动手能力和数据处理能力的目的。

4 完善考核模式

图2 HGO软件处理流程图

卫星导航与定位是一门集理论性、实践性和前沿性于一体的测绘工程专业主干课[9]。因此，需要多角度、多层次和多目标地考查教与学的效果，为了科学合理地考核本课程的教学情况，笔者从理论基础、外业接收机测量操作、内业GPS数据处理软件的应用、平时成绩等四个方面对学生综合考核。理论部分采用闭卷考试的形式进行考核，主要考察学生对基础知识的掌握程度；外业测量操作主要考察学生操作仪器、相互协助和解决问题的能力；内业数据处理主要考察学生对专业软件操作的能力；平时成绩则根据出勤率、课堂纪律以及回答问题的积极性来进行综合打分。对上述四个方面的成绩分别赋予适当的权比，用数学公式表达为：

S总=q理论×S理论+q外业×S外业+q内业×S内业+q平时×S平时

(1)

式中，S总、S理论、S外业、S内业和S平时分别表示综合考核的总成绩、期末考试成绩、外业测量考核成绩、内业数据处理考核成绩和平时成绩；q理论、q外业、q内业和q平时分别表示S理论、S外业、S内业和S平时在S总中所占的权重。

表3为教改前后学生的补考统计结果(q理论∶q外业∶q内业∶q平时=6∶1.5∶1.5∶1)，从表中可以看到通过科学合理的评价体系，降低了学生的补考率，有利于全面准确的衡量学生的专业综合能力。

表3 采用综合成绩评价前后的学生补考率

5 结语

随着现代测绘高新技术日新月异的发展，以及相关学科的相互渗透与融合，GPS课程的内容及其应用范围都在不断地更新。有鉴于此，笔者结合在该课程教学实践过程中遇到的一些问题，在课程的授课内容、授课方式、实践教学和考核模式等方面提出了一些改革建议以供参考，其最终目的是为了改善GPS课程的教学效果，提高教学质量，培养更多理论基础扎实、实践动手能力强、具备求实精神的高级工程技术人才。