新工科背景下“GNSS原理与应用”课程实验教学改革探索

摘要：“GNSS原理与应用”是测绘类专业的学科基础课程，其实验教学是培养学生创新能力的关键环节。在新工科建设背景下，针对现行“GNSS原理与应用”课程实验教学存在的问题，将科研成果融入实验教学，更新实验内容、改进实验教学方法、健全实验考核评价方式，旨在探索高素质创新型工程技术人才培养途径。教学实践表明：所设计的实验教学体系能够提高学生的自主学习能力、团队协作能力和创新应用能力。

关键词：新工科;GNSS原理与应用;实验教学;教学改革

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）07-0135-03

为应对新一轮科技革命与产业变革，适应以新技术、新产品、新业态和新模式为特征的新经济发展要求，服务国家战略发展新需求， 从2017年起，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”三部曲，奏响了人才培养主旋律，开拓了工程教育改革新路径[1-3]。在代表我国工程教育最新发展方向的新工科建设背景下，高校应面向未来，在教学理念、内容、方法和技术等方面进行改革创新，积极探索能够适应新技术、新产业和新模式下的高素质创新型工程技术人才培养途径[4]。

卫星导航是关乎国家战略的高新企业，2020年7月31日，习近平总书记向世界宣布北斗三号全球卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）正式建成开通，标志着北斗已成为继美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS），俄罗斯的格洛纳斯系统（GLObal NAvigation Satellite System，GLONASS）后，能为全球用户提供全天候定位导航授时服务的全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System， GNSS）[5，6]。当前，与卫星导航相关的应用领域已极大拓展，并进入了大众消费、共享经济和人工智能领域，深刻改变着人们的生产生活方式，位置信息作为万物互联的核心基础之一，对即将到来的人工智能时代起着举足轻重的作用[7]。“北斗+”融合创新和“+北斗”时空应用将成为进一步推进北斗技术创新，推进北斗产业转型升级的新模式[8]。

闽江学院作为2002年新建的地方本科院校，以“建设高水平、有特色的应用型大学”为办学目标，有测绘工程、导航工程及地理信息科学等与卫星导航产业相关的本科专业开设了“GNSS原理与应用”课程。“GNSS原理与应用”课程实验教学应按新工科建设要求推进教学改革，努力提高学生工程能力水平。实验教学是深化理论知识理解和掌握的重要途径，也是培养学生创新能力的关键环节[9-11]，将前沿、先进的科研成果转化为实验教学资源，对培养学生的创新能力具有重要的意义[12，13]。本文以闽江学院测绘工程系“GNSS原理与应用”课程实验教学为例，归纳总结了该课程实验教学中存在的问题与不足，结合新工科建设理念，将科研成果融入课程实验教学中，更新实验内容，改进教学方法和考核方式，设计了旨在激发学生专业兴趣，提高学生实践能力和团队协作能力，锻炼学生创新应用能力的实验教学体系。

1 “GNSS原理与应用”课程实验教学现状

“GNSS原理与应用”作为测绘类专业的基础课程，具有很强的理论性和实践性。近年来，国内很多高校老师对卫星定位导航原理及相关课程的实验教学进行了改革探索，如邓岳川等引入“慕课”教学理念，改进了教学方法并取得了良好效果[14];章迪等通过实验室建设及实验平台开发，丰富了实验教学内容[15];王华等建议不断更新实验室设备，以满足实验教学需要[16，17]。于秀丽等人也指出，目前本科工科实验教学大部分还停留在按实验指导书机械地完成实验阶段，且实验内容陈旧、评价标准不全面等问题[18]。对照以应对变化、塑造未来为理念的新工科建设，我校“GNSS原理与应用”课程的现行实验教学体系仍存在实验课程依附于理论课程，实验学时较少，设计性及创新性实验内容缺乏，实验教学方法单一，实验教学资源投入不足，实验教学师资队伍建设乏力等方面问题。具体为：

（1） 实验教学内容老旧。以接收机的认识、使用，数据采集等为实验内容，与行业需求脱节。实验类型以演示型和验证型实验为主，缺乏综合型、设计型及创新型实验，不能支撑学生实践创新能力的培养;8学时的实验学时偏少，不适应我校“高水平、有特色的应用型大学”的办学目标。

（2） 实验教学理念滞后。实验教学主要采用传统教师演示，学生训练的“被动式”教学方法。学生只是参照实验指导书的步骤，机械地按部就班地进行实验操作、观察和记录实验结果。在整个过程中学生是被动的，仅能实现实验模仿和训练的目的，不能有效调动学生的自主性，启发学生批判性思维。

（3） 实验考核评价不全面。实验考核评价时把实验教学考核作为理论教学的附属，依据单一的实验报告来评价学生实验成绩。实验报告忽视过程，存在抄袭实验指导书的现象，这种考核评价结果既不能准确、客观、地反映出学生对实验的掌握程度，也很难反映出学生实验过程中的实验态度、实验思考和努力程度。

2  构建科教融合的实验教学体系

针我校GNSS原理与应用实验教学中存在的问题，本文按照新工科建设要求，更新实验教学内容，改革实验教学教法，改进实验考核评价方式，以提高学生的工程实践能力、团队合作能力和创新应用能力。表1是改进后GNSS原理与应用课程实验教学体系。具体的，将原先8学时的实验内容增加至20学时，将科研成果与实验内容融合，增加综合性、设计性实验比例，以此培养学生综合素质、提高学生创新应用能力;以学生为中心，改变教学理念，把学生的个性化学习融入实验教学过程中，以激发学生学习兴趣，提高学生的自主学习能力;面向实验过程，改进实验考核方式，以实验成果为导向，同时把学生的实验方案、团队协作等纳入实验考核体系，以锻炼学生团队协作能力，提成学生工程管理能力。

2.1 科教融合，全面更新实验内容

将科研项目发表的学术论文和申请的发明专利与实验教学相融合，以工程项目为导向更新实验内容。在工程实践能力培养方面，设计 “接收机配置与数据采集”验证型实验，充分利用实验室现有硬件设备和实验场地，使学生掌握接收机操作与配置，达到实践训练目标。在创新应用能力培养方面，设计 “接收机观测量质量评估”和 “静态定位算法与精度评定”综合型实验，学生利用开源软件或基于开源软件进行二次开发，掌握接收机数据获取与转换、数据质量分析与评估，定位解算配置与过程，定位精度评定与分析方面的能力，达到深刻理解和领会课程内容的目的。在工程管理与团队合作能力培养方面，设计 “动态定位性能测试与评价”设计型实验，要求学生以小组的形式，自选设备和场地，通过团队协作完成实验设计与实施，使学生掌握文献查阅方法，提高科技协作能力，锻炼项目管理和沟通协调能力，适应新工科建设的要求。

2.2 以学生为中心，改进实验教学方法

新工科背景下减少被动式实验教学方法，将任务驱动、问题启发、翻转课堂等教学方法引入实验教学过程。根据不同实验类型对能力培养的差异设计不同的教学方法，如图1所示。验证性实验采用示范演示教学法，与问题启发教学法相互配合。一方面，老师对实验内容进行现场演示和示范，使学生能快速上手操作，另一方面老师演示过程中通过设置问题、启发思考，引导提示来组织教学。这种教学方法理论与实验并重，能较好实现师生互动，以期提高学生的独立思考能力。综合型实验采用任务驱动教学法，与问题启发教学法相互配合。学生以实验项目为任务，驱动学生自主学习，相互交流，通过老师的引导和启发，学生以发现问题、分析问题和解决问题的途径探索完成实验，达到知识重构和实践训练的目的。设计型实验采用翻转教学法，辅以任务驱动和问题启发方法相互配合使用。学生利用课堂外的时间，自主学习老师实现提供的项目任务要求，自由组队、查阅资料、撰写方案、设计实施完成实验。课堂内教学则按照任务驱动和问题启发方法实施，老师以提问、点评等方式，训练学生的科学素养和创新思维。

2.3 面向过程，健全实验考核评价机制

建立有效的实验考核与评价机制是实验教学中的重要环节。从调动学生积极性，客观地评价学生对实验技能的掌握程度出发，本文摒弃传统的以实验报告为主体的评价方式，设计了以反映学生综合素质为主体的实验评价体系，如图2所示。根据实验项目数和实验难易程度，按百分制把验证型实验、综合型实验和设计型实验分别设计为10分，20分和40分。考核内容包括实验表现、实验操作、实验报告、评估报告、小组互评、测试方案、测试报告等多个方面。在各实验类型中，降低报告在该项实验成绩重的比例，更加注重对实验过程中的实验态度、师生互动、动手能力、团队协作、创新思维等方面的考查，以培养学生良好的科学素养和创新精神。

3 实验教学效果

为检验教学设计的效果，在2017级和2018级导航工程“GNSS原理与应用”课程实验教学中进行了教学实践，其中2017级学生人数为37人，按照原先的实验教学体系教学，2018级学生人数为38人，采用本文设计的实验教学体系教学。“GNSS原理与应用”课程评价由平时成绩、实验成绩和考试成绩三部分组成，三项成绩占课程总成绩的比例分别为10%、40%、50%。从期末考试成绩分布看，该课程2017级优良率和及格率分别为15.8%、92.1%，而2018级优良率和及格率分别为31.6%、100%。教学实践表明：学生的优良率和及格率都得到提升，一定程度上说明文中实验教学设计使学生动手能力得到锻炼，加深了对理论知识的理解和掌握。从与学生的访谈以及和用人单位交流的情况看，结合行业应用现状及时更新和完善实验教学体系，锻炼实践动手能力，培养创新思维和团队协作能是学生和企业的共同期望，也应该成为高校实验教学改革的出发点和落脚点。

4 结束语

本文根据新工科建要求，将科研成果与课程实验教学结合，更新了实验教学内容，改进了教学方法，完善了和考核评价机制，在2017、2018级导航工程专业“GNSS原理与应用”课程实验教学进行了实践。对比试验教学前后两个班级的课程总成绩表明：在实施文中实验教学设计后，该课程学生成绩的优良率和及格率明显得到提高，一定程度上验证了文中实验教学设计的效果。接下来我们将根据学校办学定位，紧紧围绕新工科建设要求，继续推进“GNSS原理与应用”课程教学大纲和实验教学大纲修订;将结合科研成果和行业需求，持续更新综合型、设计型实验以更好地锻炼学生的实践动手能力和创新思维，为培养适应社会需求的应用型工程技术人才做出应用的贡献。

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【通联编辑：王力】

收稿日期：2021-05-08

基金项目：国家自然科学基金项目（41704021）;闽江学院人才引进项目（MJY20018）

作者简介：樊春明（1961—），男，上海人，博士，教授，研究方向为GNSS定位导航及应用。