导航专业研究生案例式教学探索与实践

潘献飞 何晓峰 张礼廉 吕云霄

摘要案例式教学是提高研究生主观能动性和综合科研能力的有效方法。针对现有导航专业研究生实践教学以知识点验证为主而综合性不足的问题，开展案例式教学的教学内容、教学方法和考核方式的改革探索，建成了一套开放式的导航案例库，同时在教学实践中形成了一套导航专业案例式教学的教学组织和实践方法，有效激发学生的学习兴趣，锻炼科研思维，取得了很好的教学效果。

关键词 导航专业 研究生 案例式教学 教学改革

中图分类号：G643文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.22.011

Exploration and Practice of Case Teaching for Navigation Postgraduates

PAN Xianfei， HE Xiaofeng， ZHANG Lilian， LV Yunxiao

（College of Intelligence Science and Technology， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073）

AbstractCase teaching is an effective way to improve the subjective initiative and comprehensive research ability of postgraduates. In order to solve the problem that the current practice teaching of navigation postgraduates is mainly based on knowledge point verification but not comprehensive enough， the reform and exploration of teaching content， teaching methods and assessment methods of case-based teaching are carried out， and a set of open navigation case database is built. At the same time， a set of teaching organization and practice methods of navigation case-based teaching are formed in teaching practice， effectively stimulate students’ interest in learning， exercise scientific research thinking， and achieved good teaching results.

KeywordsNavigation major； postgraduate； case teaching； teachign reform

0引言

現代教学方法中提倡突出学生在学习中的主体地位，把学生的被动式学习转变为主动式学习。而如何在教学中促进学生思考，提高其主观能动性，培养其分析问题、解决问题的实际能力一直是国内教学研究的重点。研究生专业课教学在高校教学中占有非常重要的地位，与本科教学注重基础知识不同的是，研究生专业课教学应该加强广度和深度，更注重科学性和实践性，要为研究生转入科研状态、进入课题研究奠定基础。

导航技术近年发展迅速，随着不同惯性传感器的出现，从军用到民用，从天上到水下，导航技术日益渗透到军事和生活的方方面面。研究生课程“自主导航”是以惯性导航为基础，研究其他多种自主导航方式并进行组合导航的课程。教学目的是希望通过本课程学习，学生能掌握自主导航技术的基本理论和组合导航系统的设计、分析方法，培养学生系统性地研究、解决自主导航方法和工程应用问题的能力，掌握实验研究中的数据处理与分析方法，为自主导航系统的设计、试验、使用等工作奠定良好的理论基础。

1当前存在的问题

导航定位技术是信息化社会的核心技术之一，也是无人系统的重要传感技术。国外研究生教学注重案例式、研究性教学方式，其特点是课堂授课内容精炼、速度快、覆盖面大，而课后作业任务量大，对知识的综合运用能力要求高。案例式教学正是培养学生知识综合应用能力的有效方式。国内导航专业研究生教学一般以惯性导航和卫星导航为主，虽然日益注重实践式教学，但大多以针对不同知识点设计的试验方式开展，综合性试验也以原理检验为主，对学生分析能力、设计能力和实践能力的培养不够深入。因此，针对不同应用环境、不同应用需求，基于不同精度和成本的传感器，基于科研成果设计代表性强的教学案例，对于进一步提高教学效果，培养学生综合科研能力具有重要意义。

2教学改革

在现有导航专业研究生课程教育的基础上，结合本专业科研特色和典型科研成果，建立面向无人系统的不同导航模式、不同应用环境和不同使用需求的组合导航案例库，设计基于导航案例库的教学组织和实践方法，把当前以知识点验证为主的教学试验设计模式升级为面向实际导航需求的综合性案例教学和实践模式，探索形成一套开放式的、面向无人系统需求的典型导航案例库及对应的教学组织和实践方法，从而进一步深化和创新导航专业研究生创新性和实践性能力的培养模式。

教学改革中，主要从教学内容、教学模式、考核方式等方面开展案例式教学的探索与实践。

2.1教学内容改革

教学内容上，核心是导航案例库建设，按照强化理论基础，贴近工程应用，拓展最新成果，优化综合实践的思路对具体案例进行设计。主要着眼于知识点的综合应用，让学员对如何综合应用所学知识，对分析实际导航问题，解决工程问题有切身的体会。教学案例建设的主要内容如下：

设计基于计算机的导航模拟仿真系统，并由此设计不同条件下的虚拟导航案例。实际导航案例固然有其真实的优点，但往往只能体现某种特定条件下的导航特点，有特征不够全面、干扰因素较多的局限性。基于matlab设计导航模拟仿真系统，主要包括轨迹发生器模块、传感器信号模拟模块（惯性传感器信号、卫星信号、里程计信号、多普勒测速仪信号等）、惯性导航计算模块、组合导航计算模块、导航精度评估模块等。

基于设计的模拟仿真系统，从工作环境上，可模拟车载环境下的惯性/里程计/卫星初始对准及组合导航，模拟水下无人潜航器的惯性/多普勒测速仪/卫星组合导航，模拟飞行条件下的惯性/卫星组合导航等多种环境下的导航计算与精度评估。从传感器性能上，可模拟高、中、低精度的激光陀螺、光纤陀螺，可模拟低精度的MEMS陀螺，不同精度的加速度计，以及不同精度水平的卫星、测速仪等信号。

导航模拟仿真系统的建立，克服了真实案例库的局限，为虚拟导航案例库的设计提供了很大灵活性，从而几乎可以模拟生成各种复杂动态环境下、各种导航传感器精度、各種导航辅助手段下的传感器原始数据及不同的运动轨迹，特别是可模拟实际载体试验难以实现的极端条件下的动态试验，从而可根据教学目的设计虚拟导航案例。

基于科研项目的真实试验数据，建立不同应用环境下的真实导航案例；建立基于不同惯性传感器类型和精度的真实导航案例。依托课题组多年的科研项目资源，收集整理多个典型项目的试验数据，包括基于高精度激光陀螺捷联惯导系统的车载环境、水下潜航器环境、飞行环境等的惯性导航系统数据、车载里程计数据、水下多普勒测速仪数据、GPS/北斗卫星数据等试验数据，以及基于MEMS微惯导系统的车载环境和弹载环境数据，根据教学需求对所有的试验数据进行了分类和规范化，编写了试验说明，提出了试验要求，形成了真实的导航案例库，为无人系统的惯性/多传感器组合导航教学提供了坚实的基础。

如飞行环境惯性/GPS组合导航试验案例。以某次飞行试验为基础设计教学案例，把激光陀螺捷联惯导系统固联于实验载机的机舱中，按设定的飞行路线进行飞行。数据文件分为惯性数据和GPS数据。

算法要求：

通过matlab编程实现捷联惯导系统初始对准、惯导解算、组合导航解算的全过程。

（1）初始自对准：利用前15分钟飞机静止的数据进行惯导系统的自对准。采用全部15分钟数据进行解析粗对准，全部15分钟数据用五状态Kalman滤波器实现精对准；为了验证精对准性能，可在粗对准结果上把航向角人为加一定幅度（如10度）的误差，观察精对准的收敛性能。

（2）纯惯导解算：对准结束后转入纯惯性导航解算，要求进行双子样的圆锥和划摇补偿，输出完整的导航结果包括三个姿态、两个水平速度和两个水平位置（天向通道发散不必输出），并给出姿态、速度、位置随时间的变化曲线以及位置误差曲线。

（3）组合导航解算：对准结束后转入惯性/GPS组合导航解算。输出完整的导航结果包括三个姿态、三个方向的速度、两个水平位置以及高度，并给出姿态、速度、位置随时间变化曲线。

依托卫星、惯性等导航模拟器建立卫星导航案例库。基于卫星模拟器、惯性模拟器等硬件模拟器资源，通过参数设计，模拟器可模拟产生不同的惯性和卫星信号，据此设计真实试验难以做到的高动态环境的卫星导航仿真试验和组合导航仿真案例，这些案例对深入学习和研究惯性/卫星深组合算法、高动态环境的卫星捕获跟踪算法等建立了基础。同时，把研究生教学和科研实践相结合，使得研究生利用试验室资源开展科研实践研究，有效提高研究生的实践能力和科研水平。

如基于卫星模拟器的案例设计。通过多星座卫星信号模拟器发送高大过载环境卫星模拟信号，控制信号输出强度，使其符合真实卫星信号强度，并且输出和卫星信号相对应的惯导信息，使接收机能进行定位测速解算。

通过matlab编程实现大过载环境下的惯性/卫星深组合导航定位算法，比较不同算法下导航定位的精度。

设计导航案例库的标准化、规范化管理模式，形成具有开放性的可扩展的典型导航案例库。根据导航专业研究生教学要求，选取一些典型的试验数据，通过规范化和标准化后作为导航案例，对于以后无人系统的导航研究和教学是不够的。因此，除了试验数据外，研究案例库的建设规范，研究案例说明的要求和格式。从而使得随着教学和科研的发展，案例库可根据不同教学目的不断丰富，形成导航专业研究生实践教学的丰富资源库。

2.2教学模式改革

首先，在课堂授课中，除了基本理论讲授外，把一些基本教学案例融入各阶段教学内容中，以教学案例为基础开展研讨式教学，引导学员针对具体案例中碰到的问题进行思考和讨论，深化教学内容的学习。

其次，在实验课时中，重点以综合型案例为基础，通过学员自选，深入培养学员针对某一领域导航问题进行导航综合设计的能力，如通过飞行试验案例，学员必须解决从惯性测量单元标定、地面/空中初始对准、纯惯性导航解算、惯性/卫星组合导航解算等关键问题，才能完成试验任务，从而大大提高学员解决项目中真实导航问题的能力。

案例式教学大大丰富了教学试验资源，提高了试验教学灵活性。试验教学中，每个案例安排一个教学单元。提前提供背景材料，要求学员在课前对案例有一个大概的了解。课堂上，首先对案例的背景和主要技术难点进行介绍，然后组织学员对技术难点的解决展开自由讨论，最后进行归纳总结。具体流程如下：

提出问题：主讲老师针对无人系统中的某一具体场景，提出导航定位问题，给出初始条件；

专题研讨：以3～5人为研究小组，通过分组方式选择导航案例中的某一关键问题进行提前的理论推导、文献搜集、整理与专题综述，用1学时时间进行关键问题研讨和交流，整理得出该案例的导航理论方法；

案例分析：基于研讨的理论成果，结合该案例的载体环境、传感器条件等实际因素，对该应用案例进行剖析，讨论，改进、优化，提升学员的综合应用与系统分析能力，设计出具体可行的导航模式和导航算法，并与科研项目中实际应用的导航算法进行对比分析；

实验实践：对于典型应用案例，可与实践性教学相结合，基于案例给出的试验数据和初始条件，各研究小组设计并实现导航算法，并与实际案例导航结果相比较，检验实现效果。

同时，课题组各老师把设计的教学案例不同程度的应用于其他导航专业课程教学中，通过多人案例式教学的教学实践，把建设的案例库应用到实际教学中，积累案例式教学和研讨式教学的丰富经验，总结不同课程的教学方法。

2.3考核方式研究

对于试验研讨后需要编写的程序和撰写的报告，提出以下要求：

Matlab源程序。要求程序模块化，算法模块最好写成函数形式；变量定义规范化，尽可能用有意义的单词表示；导航输出的姿态结果转换为欧拉角输出；导航结果（姿态、速度、位置）实时存储为数据文件。

实验报告。主要包括实验目的、实验要求、算法分析及程序编排、Matlab程序简单说明：主要变量定义，函数模块说明，流程图等；实验结果处理分析、实验结论、心得体会等内容。

案例式教学的效果评估要综合考虑学员在分组研讨汇报、案例讨论、现场抽签回答问题等环节的表现，当然更重要的是提交的程序和试验报告。激发学员对各环节的参与热情，保证学员的课外时间投入。分组研讨汇报和案例式教学的评分在现场给出。其中分组研讨汇报的分数由现场汇报效果以及书面报告的质量决定，每组给出一个分数。案例式研讨分数由学员的发言积极性和发言质量综合评定。

3结论

案例式教学改革在导航专业研究生教学中取得了很好的应用效果。建成了一套基于Matlab的組合导航仿真系统，建立了丰富的虚拟导航案例库；建成了一套开放式的、面向无人系统需求的典型导航模式下的真实试验案例库，且可随新的教学需求和新的科研成果不断补充和丰富；同时在教学实践中形成了一套导航专业案例式教学的教学组织和实践方法。案例式教学能激发学生的学习兴趣，通过案例剖析、问题研讨和方案设计，培养学生系统性解决某一方面导航问题的综合能力，锻炼科研思维，为学生下一步进入专业领域研究奠定坚实基础。

基金项目：2019湖南省研究生优质课程立项项目《自主导航》课程（湘教通（2019）370号-13）

参考文献

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