“GPS測量原理與應用”課程教學改革實踐

王　華，陶庭葉

(1. 廣東工業大學土木與交通工程學院測繪工程系，廣東 廣州 510006；2. 合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

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“GPS測量原理與應用”課程教學改革實踐

王華1，陶庭葉2

(1. 廣東工業大學土木與交通工程學院測繪工程系，廣東 廣州 510006；2. 合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

摘要：衛星導航定位是測繪工作中應用最廣泛的技術之一，“GPS測量原理與應用”課程也一直是測繪工程專業本科生的主干課，具有理論深、更新快、知識面廣、實踐性強等特點，對教與學都有很高的要求。本文分析了筆者在廣東工業大學與合肥工業大學講授該課程過程中所發現的一些問題，包括教材更新慢、內容抽象、授課方式以“填鴨式”為主、實踐時間不足、程序設計能力弱等。針對這些問題，筆者在教學過程中將學術研究前沿與課本知識有機結合，采取教師授課、學生自主學習交流、穿插專家學術講座等教學形式，完善實驗儀器設備和校內外實習基地，協調與其他課程的內容安排等措施，從教學的內容和模式等方面進行了改革和創新。

關鍵詞：GPS；教學改革；教材更新；實驗平臺；程序設計

隨著我國北斗衛星導航定位系統和歐洲伽利略系統的日臻完善，目前全球基本形成了GPS、GLONASS、北斗、伽利略四大衛星導航系統并存共用的格局。全球導航定位精度不斷提高，應用領域日益廣闊，GNSS產業已成為繼移動通信和互聯網之后的第3個發展最快的新興信息產業。近年來GPS技術越來越廣泛地深入到人們的日常生活中，如目前絕大部分汽車和智能手機均配備有GPS定位功能。作為我國戰略性新興產業的重要組成部分，我國政府和領導高度重視衛星導航產業?！秶抑虚L期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020)》和《信息產業科技發展“十一五”規劃和2020 年中長期規劃綱要》中均將衛星導航地面系統、接收機、用戶終端及其他若干相關的關鍵技術列為發展重點，預計2020年我國衛星導航產業產值將達到4000億元。巨大的市場發展前景需要培養大量的高質量導航定位相關人才[1]。

“GPS測量原理與應用”多年來一直是測繪工程專業的主干課程，其理論性和實踐性都很強，涉及諸多學科的專業知識，并且全球定位技術發展日新月異。隨著北斗等新系統的建設，衛星導航定位的模式發生了較大的變化，應用領域不斷擴展。為了適應這一發展趨勢和市場對創新型人才的需求，“GPS測量原理與應用”的授課方式和內容都有必要進行一系列的革新。目前，我國很多高校的相關教師針對這一課程進行了較多的改革嘗試[2-4]。本文針對筆者分別在廣東工業大學和合肥工業大學講授“GPS測量原理與應用”課程時發現的一些問題，提出相應的改革措施，供同行參考借鑒。

一、教學改革措施

“GPS測量原理與應用”課程要求學生既要掌握GPS的理論基礎知識，了解GPS的產生、優點和廣泛用途，掌握GPS的組成及信號結構、GPS定位中的誤差源、距離測量和定位方法，又要熟悉GPS的實際操作與應用，具備獨立運用GPS技術進行科研和生產實踐的能力。然而，由于學時短、內容多、理論深、實踐強，要想達到這個目標有一些難度。本文結合筆者分別在廣東工業大學和合肥工業大學任課的情況，針對目前筆者所在學?！癎PS測量原理與應用”課程存在的問題作了如下幾個方面改革。

1. 更新授課內容

目前市面上GPS教材種類繁多，其中武漢大學李征航、黃勁松編著的《GPS測量與數據處理》[5]及魏二虎、黃勁松編著的配套實驗實習教材《GPS測量操作與數據處理》[6]被開設測繪工程專業的學校廣泛采用。該教材融入了作者在衛星導航定位領域多年的研究和教學經驗，內容豐富，理論性和實踐性都很強，對于經典的GPS測量和定位原理，如誤差源、相對定位、絕對定位等作了詳細的介紹。另外，周忠謨[7]、徐紹銓[8]等專家學者編著的教材也比較受歡迎。由于這些教材大多編寫于5～10年之前，對于位置服務和高頻GPS等新的應用領域和伽利略、北斗等新的導航定位系統介紹得比較少。另外，廣東工業大學和合肥工業大學等高校在講授“GPS測量原理與應用”課程之前，并沒有開設相應的“空間大地測量理論基礎”之類的課程，因此，學生對于李征航、黃勁松[5]教材中涉及的衛星軌道、信號傳播和誤差源等知識較難理解，需要授課教師補充很多相關的基礎知識。

為了解決上述問題，筆者在教學過程中，以李征航、黃勁松編著的《GPS測量與數據處理》[5]為基礎進行講授。該書從衛星定位原理、GPS外業測量和數據處理3個方面進行了詳細介紹。在課時安排上，廣東工業大學“GPS測量原理及應用”課程設置了50學時理論課、6學時實驗、8學時上機，另外安排了2周的實習。相對于其他學校，廣東工業大學的GPS理論課時較多，保證了學生有比較充足的時間進行自主學習和小組討論。

為了更新教學內容，筆者給學生推薦了國際上最新的GPS綜述論文[9]，并結合每一章節的主要知識點，為學生推薦相關的國際期刊發表的論文作為課外閱讀資料，如大氣延遲誤差及其改正方法[10-11]、GPS多路徑效應及其在水文等方面的應用[12]、高頻GPS定位及其在地震中的應用[13]等。

除此之外，筆者會利用課余時間為學生講授GPS在地震、形變監測等領域的應用案例，并且每學期會邀請數名在GPS領域有多年研究經驗的學者到校進行學術交流，要求本科生參加這些學術講座，拓寬視野。

2. 豐富教學手段

相對于過去的黑板板書，采用多媒體教學能夠在相同的時間內為學生提供更加豐富的學習內容，并且能夠做到圖文并茂。但是“GPS測量原理與應用”涉及測繪、電子信息等不同學科的專業背景知識，覆蓋面非常廣，一堂課的課件往往涉及很多新的知識點，“填鴨式”的教學形式很容易使得學生無法跟上教師演示PPT的節奏，從而游離于課程之外。此外，與“測量平差”等能夠通過課后作業強化訓練的課程不同，“GPS測量原理與應用”更多需要對概念的理解和實踐經驗，單純的課堂講授學生往往難以理解。

另一方面，由于教師已經具有很好的專業基礎知識和理解能力，在演示課件時容易不自覺地出現知識點推理的跳躍，學生經常跟不上老師的思路。為了使課件更容易被學生理解和接受，筆者嘗試設立一項大學生創新項目，讓已經學完GPS課程的優秀學生組成一個興趣小組，以筆者上課時使用的課件為基礎，從學生的角度來收集材料制作課件，收到了非常好的效果。這種形式的優勢主要表現在：①興趣小組中匯集了幾位多才多藝的學生，制作出來的多媒體課件圖文并茂；②課件的風格由學生設計，更容易被同齡人接受；③課件內容的難度從學生的角度來審視，能做到深入淺出，不會出現跳躍式的公式推導等。

在授課過程中，除教師講授外，筆者將學生分成若干小組，結合每一章的知識點為每組推薦或讓學生自選一篇國際頂級期刊發表的英文GPS學術論文進行課外學習。在每章上完后，為學生預留30min的時間，由小組代表就論文的內容進行15min的演講，由全班同學就其演講內容進行提問，并給出改進意見，最后老師進行點評。這種自主學習、模擬學術報告、現場回答問題和點評等環節既豐富了教學內容和教學手段，也提高了學生的自學能力、表達能力、分析能力，同時還增強了學生發現問題的能力。

3. 改善儀器和實習基地，加強實踐環節

在廣東工業大學和合肥工業大學均開設兩周的GPS實習課，在此期間，一周安排靜態測量，另一周安排RTK測量。但是受學校儀器設備的影響，實際上每個小組真正做GPS靜態和動態的外業時間各只有1天，而且一般5個學生為一組，部分學生在靜態實習中不需要進行遷站等操作，很多實踐環節需要注意的問題并沒有在實習中遇到，導致經驗積累不足。另外，GPS數據處理能力是學習GPS課程的核心，短暫的實習時間和校園小范圍內的觀測數據無法真正提高學生的數據處理能力。

為了提高學生的實踐能力，必須不斷改善測量儀器，完善校內外實習基地，規范測量流程，并為學生提供充分的實習實踐機會。近幾年，廣東工業大學與廣州中海達衛星導航技術股份有限公司密切合作，在廣東工業大學建立了GPS單基準站，大大提高了GPSRTK測量的效率；并且購買了10臺GPS接收機，保證在實驗時每個小組能夠有一臺GPS接收機，而實習時兩組同時作業，一組動態、一組靜態，每個同學能獨立操作一臺GPS接收機。

廣東工業大學地處廣州，為測量儀器公司的集散地，包括廣州中海達、南方測繪等著名的測繪企業。為了充分發揮區域優勢，利用好社會資源，與這些企業建立了良好的合作交流機制，并建立了幾個比較成熟的校外實習基地，經常為感興趣的學生提供到企業實習的機會。在參與企業工程實踐的過程中，學生的動手能力和對GPS理解的深度不斷提高。

4. 建設實驗演示平臺

目前大部分學校使用的GPS接收機或0EM模塊都是封裝好的產品，學生接觸不到其工作過程及工作原理，只能從書本上了解抽象的理論及公式，無法對GPS形成真正的認識，反過來又制約我國GPS產業從業人員，影響我國GPS產業的發展。在GPS教學過程中，學生普遍遇到的問題是：基本原理沒有很好掌握，如不了解衛星信號的獲取過程、不清楚各種誤差的規律、定位過程認識模糊等。因此，亟需一套教學實驗平臺展示GPS相關原理和定位過程。

雖然國內的一些公司推出了類似的教學平臺，可提供實驗和編程，展示單向測距原理、GPS測量誤差、信號傳輸誤差特性、GPS衛星軌道計算方法等技術。但這些實驗系統單機價格較高，如果學生數量較多，需要購置多臺設備，需要的經費投入較多。

筆者通過對GPS衛星坐標計算、各種誤差計算、定位原理等實驗內容的統一整合，構建了GPS實踐教學的內容和實踐性教學模式，根據實驗內容開發了一套適用于GPS教學的實驗平臺軟件系統。系統旨在演示GPS相關原理，能基本滿足GPS教學需要。系統利用已有的標準化格式的數據能夠開展以下實驗：①衛星坐標計算；②選擇不同的衛星對定位結果的影響；③電離層延遲影響及規律；④定位原理的驗證；⑤提供編程接口，實現實驗者手動編程。

5. 提高研發能力

市場對高水平的GPS程序員需求旺盛，而且通過程序設計也能增進學生對GPS理論和算法的理解。以廣東工業大學為例，為了考慮學生就業面等因素，在教學大綱中開設的課程名目繁多，除了數字測圖、測量平差、遙感、GPS、GIS等測繪核心課之外，還開設了土木工程、工程地質等其他專業的課程。但是“GPS測量原理與應用”課程主要強調基本理論和外業測量，沒有任何GPS程序設計方面的課程和實踐環節，與市場有一定的脫節。

由于課時數的限制，“GPS測量原理與應用”課程本身已經無法安排程序設計的時間。為了提高學生的GPS程序設計能力，優化了GPS理論課與“測量程序設計”課程的內容安排，在“測量程序設計”課程中，除了安排一部分常規測量數據處理內容外，還增加了GPS數據處理算法部分，從而進一步加深了學生對GPS概念的理解，提高了程序設計的能力。此外，還為有興趣作GPS研發的同學介紹到相關企業進行研發實習，從而進一步提高了學生的研發能力。

二、尚待改進的工作

廣東工業大學與合肥工業大學測繪工程專業具有較多的共同點，如共同隸屬于工業大學的土木學院；與武漢大學等將測繪細分為大地測量、工程測量、導航工程、遙感、地理信息等不同[14]，其在辦學方向上只有測繪工程一個專業。為了拓寬學生的就業面，在課程設置上需要兼顧土木、水利、建筑、規劃等學科的課程，同時又要涵蓋測繪所有方向的課程，因此學生的課程安排太多，課程之間銜接不一定合理，如在“GPS測量原理與應用”之前沒有“空間大地測量理論基礎”，在其后也沒有“GPS程序設計”等課程。因此，如何合理設置相關課程，使“GPS測量原理與應用”能夠比較自然和諧地融入整個課程體系中是今后仍需要改進的地方。

三、結束語

本文結合筆者多年擔任“GPS測量原理與應用”課程的實踐經驗，發現通過將前沿學術論文、學術講座和現有教材有機結合，能夠較好地改進課程內容老舊的問題；通過將學生自主學習和研討與教師授課相結合能夠最大限度地調動學生的學習積極性；通過完善測量儀器和實習基地、校企聯合培養，能夠提高學生的實踐能力。由于所在院系和學科的特點，課程體系在一定程度上存在大而全的問題，如何科學合理地設置與“GPS測量原理與應用”相關的課程是今后努力改進的地方。

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Reform of the Curriculum of GPS Surveying and Its Applications

WANG Hua，TAO Tingye

收稿日期：2015-05-13

作者簡介：王華(1978—)，男，教授，研究方向為InSAR、大陸形變與地震周期。E-mail：ehwang@163.com

中圖分類號：G64

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0138-04

引文格式： 王華，陶庭葉. “GPS測量原理與應用”課程教學改革實踐[J].測繪通報，2016(6)：138-141.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0210.