閆 飛 馮仲科 王瑞瑞

(北京林業(yè)大學林學院，北京 100083)

面向林業(yè)的“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程教學改革初探

閆 飛 馮仲科 王瑞瑞

(北京林業(yè)大學林學院，北京 100083)

結合我國林業(yè)衛(wèi)星導航技術飛速發(fā)展和應用的需求，為了使“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程講授更加生動便于理解，使學生在掌握經(jīng)典衛(wèi)星技術理論體系的基礎上提升學生實踐動手能力和探索創(chuàng)新意識，對“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程改革的必要性進行了探討，并從改進教學內(nèi)容，合理安排理論、實驗課程，強化實習實踐環(huán)節(jié)，加強人文思考4個方面提出了教學改革的措施。經(jīng)過筆者的初步實踐，學生在理論知識的理解、實踐技能的提高等方面取得了較好的成效。

衛(wèi)星導航定位原理與應用；北斗系統(tǒng)；林業(yè)院校；教學改革

自20世紀70年代以來，隨著人類空間探測技術的飛速發(fā)展，目前已形成了由美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo和我國自行研制的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(compass navigation satellite system，簡稱CNSS)所組成的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，簡稱GNSS)，該系統(tǒng)在軍事、測繪、通信、交通運輸、資源調(diào)查、農(nóng)林牧漁、時間比對、大氣研究、氣象預報、地質災害監(jiān)測等領域中得到了廣泛的應用[1]。其中，就林業(yè)而言，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在林業(yè)精細化監(jiān)測和管理方面發(fā)揮著巨大作用，能夠為林業(yè)資源調(diào)查、森林防火和應急指揮、病蟲害監(jiān)測和防治等林業(yè)核心業(yè)務提供實時準確的位置定位信息、發(fā)生范圍信息和導航服務[1-2]。

“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程作為北京林業(yè)大學地理信息系統(tǒng)學科的核心專業(yè)課程之一，其內(nèi)容主要包括衛(wèi)星導航定位技術的系統(tǒng)組成、導航定位基本原理、數(shù)據(jù)的采集和處理以及其在各行業(yè)中的應用，并一直以美國的GPS系統(tǒng)為主。近年來，由于新技術、新系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)，尤其是我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的使用，致使原來“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程的教學內(nèi)容更新不及時、相對陳舊。同時，由于該課程理論知識涉及的專業(yè)面較廣、理論與實踐銜接的不夠緊密等原因，學生難以抓住學習的重點，從而影響了學生對衛(wèi)星導航定位技術的學習和應用。為此，筆者對“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程教學改革的必要性和教學改革的具體措施進行了探討。

一、“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程教學改革的必要性

(一)適應我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的需求

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(CNSS)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2014年11月23日，國際海事組織海上安全委員會正式將中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)納入全球無線電導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是繼美國GPS、俄羅斯GLONASS之后第3個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)[3]。建設北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，對于提高我國的國際地位，促進經(jīng)濟社會的發(fā)展，保障國家安全等許多方面具有重大特殊的意義。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為國家的基礎設施，既是一項長期推進的計劃，又是國家衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)的支撐和保障。由此可見，向當代大學生及時講授和普及我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是非常必要的。

(二)適應我國衛(wèi)星導航林業(yè)應用的要求

自1995年美國宣布GPS具有完全工作能力以來，衛(wèi)星導航在林業(yè)上的應用研究引起了國內(nèi)外學者的極大興趣。然而，我國林業(yè)衛(wèi)星導航應用一直以來多依賴于美國的GPS系統(tǒng)，且受限于該系統(tǒng)衛(wèi)星星座布網(wǎng)的特殊性和我國林地的復雜性，使得衛(wèi)星導航在林區(qū)的實際應用存在衛(wèi)星信號差或信號失鎖、多路徑效應強等問題，致使林區(qū)定位精度低或者無法進行衛(wèi)星定位[4]。而我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由于其特有的GEO(地球同步軌道)和IGSO(傾斜地球同步軌道)高軌道衛(wèi)星布網(wǎng)特點，能使我國全境域內(nèi)接收到更多更穩(wěn)定的衛(wèi)星數(shù)量和信號，即使在受樹木、高樓等阻擋的惡劣環(huán)境下也可以較美國的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)接收到更多的可視衛(wèi)星[5]，從而提高林下定位的準確性和精密度。為此，2012年國家林業(yè)局在全國林業(yè)工作會議上提出，加快推進北斗衛(wèi)星導航林業(yè)應用系統(tǒng)的建設，黑龍江、內(nèi)蒙古等省份相繼開展了“林業(yè)生態(tài)建設與保護北斗示范應用系統(tǒng)工程”“北斗衛(wèi)星導航在林業(yè)中的示范應用工程”等重大示范項目的建設工作，并取得了良好的效果。

由此可見，衛(wèi)星導航技術在林業(yè)中的應用已經(jīng)得到了我國的高度重視。但在林業(yè)類高校中，與衛(wèi)星導航相關的教學工作未得到有效的開展，很多高校僅僅簡單地介紹相關的內(nèi)容，這嚴重地阻礙了衛(wèi)星導航這一高新技術在林業(yè)中的推廣和應用。

二、“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程教學改革的探索

GNSS全球衛(wèi)星導航技術涉及衛(wèi)星軌道理論、偽噪聲編碼技術、微波與天線、鎖相環(huán)路技術、微電子技術、數(shù)字通信技術、計算機技術、現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術和大地測量技術等諸多內(nèi)容，是一門綜合性的高新技術[6]。筆者調(diào)研旁聽了多個高校的“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程，發(fā)現(xiàn)普遍存在教師講解生硬、知識體系復雜、重點不夠突出等問題，致使學生難以理解該門課程的教學內(nèi)容。因此，如何激發(fā)學生的學習熱情，并與當下需要精準位置信息的熱門技術，如車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備、增強現(xiàn)實技術(augmented reality，簡稱AR)等，有效地結合，是筆者重點探討的教改內(nèi)容之一。

(一)結合林業(yè)專業(yè)特點，改革教學內(nèi)容

衛(wèi)星導航技術是一種涉及多學科的綜合性高新技術，學生完全透徹地掌握其原理體系需要具備多學科的相關知識。此外，全球衛(wèi)星導航定位技術的應用領域，上至航空、航天，下至工業(yè)、漁業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活，已經(jīng)無所不在，可以說“僅受人類想象力的制約”。因此，如何在有限的課程學時內(nèi)，在教學內(nèi)容上做出相應的改進，使學生掌握經(jīng)典的GPS理論知識的同時，結合林業(yè)應用的發(fā)展需求，有重點地突出我國北斗衛(wèi)星導航技術在林業(yè)生產(chǎn)和工作中的應用，是“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程教學改革的重要環(huán)節(jié)。

目前，“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程教學內(nèi)容主要包括：緒論、GNSS測量中所涉及的時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)的組成及信號結構、GPS中的誤差源、距離測量與定位方法、GPS測量與數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。筆者依據(jù)教學改革的需要，增加了新的教學內(nèi)容，并對經(jīng)典的GPS內(nèi)容進行了適當?shù)膭h減，具體改進措施如下。①第一章緒論。在現(xiàn)有全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)介紹中大篇幅地加入了我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及與美國GPS相比所具有的優(yōu)勢等內(nèi)容，增加了1學時的內(nèi)容。②第二章GNSS測量。在GNSS測量所涉及的時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)中，加入了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)所采用的時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)，并講解了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與美國GPS的不同點及相互轉化的關系。③第四章GPS中的誤差源。將電離層、對流層對GPS信號時延模型的內(nèi)容進行了適當刪減，并將刪減的部分作為課后拓展閱讀的內(nèi)容。④增加了新的章節(jié)內(nèi)容。在講授完第五章距離測量和定位方法后，增加了1課時的全球定位系統(tǒng)在各行業(yè)應用情況的介紹，尤其重點介紹和講解其在林業(yè)中的應用。

(二)合理安排理論教學與課程實驗，使兩者相輔相成

“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程教學改革，改變了原有的理論知識內(nèi)容講完后再進行實驗教學的模式?，F(xiàn)在邊教學邊實驗的教學模式，使理論實驗緊密聯(lián)系、相輔相成，有利于及時加強和鞏固學生對知識的理解和掌握。例如，第五章距離測量和定位方法，教師在講授相應的理論知識后，應當緊跟實驗教學內(nèi)容，讓學生體會偽距碼測距和載波相位測距方法之間的異同點以及絕對單點定位和相對定位模式之間的差異；又例如，教師在講授北斗衛(wèi)星導航技術在林業(yè)調(diào)查中的應用后，為學生安排了林下北斗定位、模擬森林火災發(fā)生位置定位等相關實驗，讓學生了解、認識北斗衛(wèi)星導航技術在林業(yè)中的應用。

由于北京林業(yè)大學地理信息系統(tǒng)學科近年來引進了一批先進的衛(wèi)星測量儀器，包括GPS手持接收機、三鼎T-23型GNSS多頻多星接收機等，所以教師應鼓勵學生充分利用這些先進的衛(wèi)星測量儀器，不限實驗時間、地點進行多練多想，培養(yǎng)他們勤于動手、勤于思考的良好學習習慣。

(三)強化實習環(huán)節(jié)，提升專業(yè)應用能力

在“衛(wèi)星導航定位原理與應用”理論與實驗課程結束后，北京林業(yè)大學林學院專門為學生安排了1周的“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程綜合實習。在實習過程中，教師要求學生自行整合所學的知識內(nèi)容，在劃定的實驗條件下(如實驗儀器、實驗場地安排)，以小組為單位進行實習內(nèi)容的設計，并開展實習活動。從衛(wèi)星定位前期規(guī)劃和準備、外業(yè)數(shù)據(jù)的采集和工作調(diào)度、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的精度檢驗和坐標解算到最終的成果輸出、報告上交，均由學生親自設計和完成。教師在該過程中僅輔以相應的把關和指導，允許學生犯錯誤，但一定要督促學生找出犯錯的原因，并對犯錯的原因進行詳細地分析和反思。筆者相信，經(jīng)過1周緊張嚴格的實習訓練，學生的專業(yè)應用能力得到了提升，為其今后從事本專業(yè)學習和工作奠定了扎實的理論基礎和技術技能。

(四)注重人文思考，發(fā)掘學生的興趣點和激發(fā)創(chuàng)新意識

高等教育不僅重在“教書”更要“樹人”，只有充分激發(fā)當代大學生的求知欲望和探索精神，才能為我國科技創(chuàng)新事業(yè)不斷輸送新鮮血液。衛(wèi)星導航技術是人類對自身空間信息獲取的又一項革命性技術，它使人類更清晰、精確、便捷地了解自己所處的位置，包括在地球中的位置以及在宇宙中的位置，了解自己與周圍人、事物的關系，從而進一步完善對自我的認知。

因此，教師對這門融合了多專業(yè)知識的“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程的講授，也絕不應當僅僅停留在書本知識、滿足于學生考試卷面成績的優(yōu)秀上，而應發(fā)掘每一位學生的專業(yè)結合點、興趣點，使他們在該門課程中找到屬于自己的“樂園”，勇于探索和突破，具體做法如下。①教師在講授第二章GNSS測量內(nèi)容時，可向學生推薦涉及時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)概念的《時間簡史》讀物，并要求學生撰寫關于時間和空間的論文；②在講授第四章GPS定位中的誤差源內(nèi)容時，由于涉及相對論效應對衛(wèi)星鐘差的影響問題，為了使學生更容易理解其內(nèi)容，教師可在課堂上為學生播放影片《和霍金一起探索宇宙》的片段，并向學生推薦《超越時空：通過平行宇宙、時間卷曲和第十維度的科學之旅》等物理科普讀物，讓學生以小組為單位進行討論與分享；③在講授第六章全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應用內(nèi)容時，教師可讓學生結合當今熱門的大數(shù)據(jù)云計算、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備、增強現(xiàn)實技術(augmented reality，簡稱AR)等高新技術，探討衛(wèi)星導航技術在其中的作用，進一步拓展學生的思維和眼界。

三、“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程教學改革的效果

2014年9月，筆者開始從事“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程的教學工作。為了使學生更好地掌握該門課程的教學內(nèi)容，筆者不定期地與學生進行溝通和交流，及時地解決學生遇到的難點和疑點問題，經(jīng)過2年的教學探索，收到了較好的教學效果，具體表現(xiàn)如下。①學生主動學習的積極性得到了很大的提高。從學生上交的課后作業(yè)和教學反饋情況可以看出，學生均進行了主動認真的思考，有些學生偏重理論技術上的思考，有些學生則偏重自身人文素養(yǎng)的提高。②學生上課的精神面貌有所改善，對教師授課的滿意度評價提高。在“衛(wèi)星導航定位原理與應用”課程教學過程中，教師不再費勁講、學生不再使勁聽，師生之間的溝通、互動增多，知識變得生動有趣，學生對教師授課的滿意度評價提高。

[1] 陳改英.GPS技術及其在林業(yè)中的應用[J].北京農(nóng)學院學報，2004，19(3)：46-48.

[2] 賈會迅，邢懷玉，賈會申.淺談GPS技術在林業(yè)中的應用[J].內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設計，2009，32(3)：78-80.

[3] 李征航.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學出版社，2015：1-3.

[4] YAN F，GONG Y X，F(xiàn)ENG Z K. Study on the position drift of GPS single point and improving the accuracy of positioning[C].Vico Information and Industry Research Center.2013 2nd International Conference on Measurement，Instrumentation and Automation.Kreuzstr，Switzerland：Trans Tech Publications Inc，2013：492-498.

[5] 劉基余.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].遙感測控，2013，34(3)：1-8.

[6] 劉基余.關于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術標準化的幾點建議[J].導航定位學報，2013(1)：101-107.

(責任編輯 孫艷玲)

北京林業(yè)大學2016年教學改革研究項目“基于大數(shù)據(jù)理念的測量學教學改革研究”，項目編號BJFU2016JG002；北京林業(yè)大學2015年教學改革研究項目——面向市場的開放式教學模式在“遙感圖像處理”課程中的實踐研究，項目編號BJFU2015JG004。