CDIO理念下“卫星导航与定位技术”教学改革探讨
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[摘 要]随着卫星导航与定位技术的迅猛发展及其应用范围的不断拓宽，卫星导航与定位技术已成为测绘工程及相关专业本科生的核心课程，有着较强的理论性和实践性。为提高学生的专业实践能力和发挥主观能动性，本文引入国际先进的cdio教育理念，从教学内容的设置、教学手段的优化和考核方式的改进几个方面探讨教学改革，旨在促进学生将理论应用到实践，提高学生的专业实践能力和主观能动性，使其成为满足社会需求的专业技术人才。
doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.16.000
[中图分类号]G642；TN967.1 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2016）16-0-02
1 CDIO工程教育理念
CDIO工程教育理念是近年来国际工程教育与人才培养的创新模式，从2000年起，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所工程大学发起，经过几年的探索研究，提出并持续发展和倡导了全新的CDIO工程教育理念，在2004年成立了以CDIO命名的国际合作组织。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate），它以产品的研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习和获取工程能力、技术知识、终身学习以及与社会团体交流合作的能力。至今，已有几十所世界著名大学加入了CDIO组织，这些学校的机械系和航天航空系已全面采用CDIO工程教育理念和教学大纲，取得了良好效果，按CDIO模式培养的学生深受社会与企业欢迎。
2 卫星导航与定位技术课程的现状及主要问题
卫星导航与定位技术作为本校测绘工程及相关专业的核心基础课程，多年来遵循“厚基础、宽口径、强能力、高素质”的基本指导思想，在教学、实验和科研上都取得了一定的成绩，但与工程教育的目标还有很大的差距。综合近年的教学效果及对测绘工程及相关专业的毕业生调查反馈情况，笔者发现还存在许多需要改进的地方。主要表现在以下几个方面。
（1）教学内容不断增加，而授课学时相对较少。随着GPS（全球定位系统）发展到GNSS（全球导航卫星系统），以及RTK（实时动态差分法）和PPP（精密单点定位）等新定位技术的出现与应用，很多新知识成了课程必讲内容，如果继续沿袭原来的32课时，教师在讲解内容时就会顾此失彼。
（2）教学方法偏重理论授课且方法单一。由于卫星导航与定位技术理论性较强，授课教师过于偏重理论教学，实际工程案例讲授较少；传统的填鸭式教学及多媒体的使用使课堂缺少师生互动的氛围，难以调动学生积极思考和对专业知识的兴趣，导致学生消化吸收知识效果差，对于如何将所学理论知识运用到实际工程中理解得不够透彻；
（3）实践教学达不到预期效果。实践教学环节的好坏直接影响到该门课程的教学质量。目前，卫星导航与定位技术课程有6个课时实验，时间较少；实验内容没有和生产实际紧密联系，导致实验报告大同小异。
3 CDIO理念下卫星导航与定位技术课程改革
3.1 内容体系的设置与教材的选择
根据中国矿业大学制定的课程大纲，卫星导航与定位技术作为以GPS为主的空间定位技术原理、方法和应用，主要内容包括5部分：卫星定位的基本原理和几种定位方法、GPS定位的误差及其影响、GPS网的设计及实施、GPS数据处理、GPS的应用与发展，延伸配套课程还有卫星导航与定位算法与程序设计。为了体现CDIO工程教育理念，尽量减少理论课学时，增加实践课学时，使学生在“学中做”和“做中学”。在学习基础理论的同时培养工程应用能力，需要结合专业培养大纲，与其前后课程有机结合，避免过多知识重叠，增加卫星导航与定位技术的新发展、新理论与新应用等内容。
在授课过程中，涉及的人造轨道理论、无线电载波信号调制、电磁波传播等需要大地测量学、物理学和电工学基础；涉及的导航定位原理与方法需要线性代数、高等数学和测量平差基础；涉及的GPS控制测量数据处理与分析需要编程语言、计算机基础，等等。而这些课程都已经讲授，为了知识的完整性，在卫星导航与定位技术中只进行简要的复习，而不再作为要点大篇幅讲解。如课程中天体运行的基本理论和知识，要点有：二体问题、摄动理论、岁差、章动与极移等，这些内容在专业基础课大地测量学中已详细介绍过，只需做简单回忆和总结。所以在教材选择上，也要考虑本课程与专业前后课程的有机结合，避免过多的重复。中国矿业大学选择了武汉大学李征航教授 等编著的《GPS测量与数据处理（第二版）》，该书结合了教学、科研和生产实践从定位原理、测量作业、数据处理等方面对卫星导航与定位技术作了详细有序的介绍。
另外，卫星导航定位与原理课程的核心内容主要是从国外的英文课程或资料中翻译引进的，很多概念也是直接援引过来的，包括人们经常采用的“GPS”“GDOP”等名词，可以引导学生去引申阅读以英文为主的介绍卫星导航定位原理的书籍和专著，同时关注国际上有关卫星导航定位与原理的研究机构和大学在网站上提供的英文介绍资料。
3.2 教学手段的优化
传统的“满堂灌”教学方法已不适合《卫星导航与定位技术》课程教学的要求，采用启发式、讨论式的教学方法，由以教师为中心向以学生为中心转变，使课堂讨论更加生动，变施教为共同学习，例如：在讲授不同定位方法时可以布置课程作业，让学生分组收集整理不同定位方法的原理和应用方面的资料，然后进行课堂讨论，这样培养了学生的自主学习能力，教学效果会更显著。
卫星导航与定位技术是与空间与时间有关的领域，描述四维（空间三维+时间维）定位技术，在原理与方法的讲解中，采用多媒体方式教学科研展示直观的三维视觉和时间的动态变化，有助于学生的理解。定位方法的数学模型等公式推导和定位精度分析等内容，涉及原理图及公式较多，建议采用多媒体+黑板板书相结合的教学方式，有利于引导学生的思路，加深他们对听课内容的理解。
在实践教学环节，教师应注重学生动手能力、创新能力的培养。卫星导航与定位技术课程安排了6个课时进行GPS实验，包括GPS的认识、GPS测量设计与实施、GPS测量数据处理。根据本校实验室的实际情况，笔者认为将几次单独的实验整合为一项GPS项目且分组作业，包括GPS施测项目的计划制订、数据采集、数据处理、精度分析和成果输出等一系列步骤，学生可通过实践巩固卫星导航与定位技术的基本理论知识，锻炼GPS接收机的操作和数据处理软件的使用技能，培养了学生的独立工作能力、组织管理能力、团结协作和合作竞争意识。
3.3 考核方式的改革
改革考核形式，可以采取半开卷考试和平时作业成绩综合的考核方式，其中平时作业包括实验报告和读书报告。
（1）半开卷考试，改进考试题型，要求学生定时在考场独立完成，可以携带一张A4纸大小自己总结的参考资料。以基本概念、数学模型、算法流程和程序设计为知识考点，主要考察学生的理解、分析和解决问题的综合能力，占总成绩的70%。
（2）读书报告占总成绩的10%，旨在要求学生养成读课外参考文献的习惯，通过阅读相关的参考文献，加深对课程的理解。
（3）上机操作，在有限时间内，对所给数据文件进行数据处理，按照要求提交处理结果报告，占总成绩的20%。
主要参考文献
[1]顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）.
[2]匡翠林，戴吾蛟，蔡昌盛，等.《GPS定位原理与应用》课程教学改革――面向卓越测绘工程师教育[J].矿山测量，2013（4）.
[3]李征航.GPS测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2010.