“GPS原理”教学实践与探讨

摘要：全球定位系统(GPS)原理是测绘与地理类相关专业的专业基础课，对相关学科的人才培养具有直观重要的作用。然而该学科起步晚，发展快，在教学方面仍然存在许多问题与不足。本文首先分析了大学本科“GPS原理”课程教学中存在的不足，然后针对这些问题根据自己的教学体会提出了相关对策与建议。

关键词：GPS原理 教学内容 实践

1 概述

GPS（全球定位系统）源于美国上世纪70年展的卫星导航与定位系统，具有全天候作业、观测站之间无需通视、定位速度快、精度高、自动化程度高以及可直接测定点的三维坐标等优势，已经广泛应用于车辆导航、大地测量、资源勘查等多个领域[1，2]。基于此，近年来，国内外大多数高等院校均开设了“GPS原理”课程。然而，考虑到该课程理论与公式计算复杂，内容专业性强，涉及知识面广泛，同时其理论、技术、方法与应用均在不断发展更新[3]。因此，面向工程应用领域，对该课程教学方法与模式开展探讨，有助于培养学生对该课程的兴趣，加强课程的教学质量，并深入开展GPS的广泛应用。

2 “GPS原理”教学目标与特点

2.1 课堂教学目标

①明确课程的定位：“GPS原理”课程属于测绘与地理类专业基础课，学生需要掌握基本的数学知识以及空间思维，同时也与后续专业课程具有密切联系。另一方面，这门课程强调学生综合能力，设计实验、完成实验并最终获得独立思考、分析和解决实际问题的能力。

②培养学生空间思考的能力：“GPS原理”课程涉及到的内容不仅仅包括局部小范围区域，同时需要学生综合掌握地球表面、地球中心以及天球、卫星轨道面等多个崭新的概念，对学生的空间思维能力是一种极大的拓展。

③掌握GPS工作的基本知识：本课程要求学生理论与实践相结合，掌握GPS定位技术的基本概念、基本理论以及基本应用，理解GPS定位的基本原理，并明确GPS网的设计与实施。理论与实践相结合。

④培养学生GPS应用的能力：GPS的基本功能在于定位，课程要求学生在定位的基础之上，发挥创造性思维，结合GPS的发展趋势，以面向应用，为进一步的发展夯下坚实的基础。

2.2 “GPS原理”课程特点

①基础理论重要，实验技能必不可少：这是GPS课程的显著特点之一，不仅要讲授基础理论与公式，使学生掌握定位原理、误差来源以及数据处理等基本技能，同时要求学生在实验方面掌握GPS基线解算、控制网的外业实施与作业以及手持GPS、差分GPS等一起的基本操作。

②多学科交叉，知识面广：GPS技术是在理论上依托于数学、测量、地学、计算机技术、地理信息系统等学科，同时在应用上依赖于具体应用学科如导航、城市建设、交通工程等理论和技术的发展。另一方面，GPS课程的学习涉及到天文学、信号学、坐标系统与时间系统等多方面的基础知识，这都要求教师与学生具备广泛的知识面与扎实的基础。

③发展迅速、内容更新快：GPS的发展历史虽然只有30多年，然而近年来的“3S”（全球定位系统、地理信息系统、遥感）技术的蓬勃发展，以及手机GPS、车载GPS的广泛应用，GPS已经成为人们日常生活中重要的信息来源，并在此基础上发展出基于位置服务（LBS）等多种创新里面。基于此，GPS内容与技术的快速更新，对学科的教学方法与教学模式也提出了更高的要求。

3 当前教学中存在的主要问题

3.1 传统教学模式的问题

“GPS原理”课程的传统教学模式为“传递——接受”教学模式，主要为教师讲授为主，本质上属于教师为中心的教学模式。这种模式的优点是有利于教师主导作用的发挥，有利于教师对课堂教学的组织、管理与控制。然而把学生当作灌输的对象、外部刺激的接受器，学生在教学过程中难以发挥主体作用，强调学生的任务就是要消化、理解教师讲授的内容，并导致学生养成了不问“为什么”，甚至不知道要问“为什么”的习惯。

3.2 教学内容的问题

“GPS原理”课程教学内容、教学重点存在极大的随意性。目前GPS原理方面的教科书种类繁多，然而不同学科存在着不同角度的理解，其内容与侧重点往往存在极大的差异。同时，目前各高校上课时往往由任课教师选择某种参考书中的某些内容组织教学，其自身的知识背景与理解均存在较大的差异，导致课程讲授存在极大的随意性，进而导致学生学习效果不佳。另一方面，GPS的发展日新月异，而目前的教学内容中仍然重点偏向于传统GPS测量的部分，对新的GPS进展方面往往涉及不多。教师同一套教案沿用多年，这些均导致当前教学内容与时代的发展不对应。

3.3 实验与实习中存在的问题

实践教学是教学过程中的重要组成部分之一。GPS应用非常广泛，涉及内容多，同时时间紧，仪器设备条件有限，往往导致学生在具体实践与应用过程中一知半解，蒙混过关。尤其在课间上机实验的过程中，部分学生对GPS基线解算和GPS网平差的数据处理过程完全不明白其原理，理论与实践的脱节也是目前教学过程中存在的较大问题之一。

4 教学改革的思路与方法

4.1 结合多媒体技术，丰富教学内容

“GPS原理”课程内容包括卫星运动基础、信号传播理论、空间坐标与时间系统等多个方面的内容，涉及到卫星、天体、空间等抽象概念。传统的板书难以清晰明确地展示这些内容。多媒体技术在传播图形、图像以及视频等教学内容方面具有无可比拟的优势，可以直观地展示抽象内容，如天球坐标系统与地球坐标系统的图片讲解，以及通过flash播放的卫星运动图片，可以有效地提升学生对课堂学习的兴趣，同时也有助于对抽象内容的深入理解。

同时，必须考虑多媒体教学过程中存在的不足。如利用多媒体技术推导伪距观测方程公式，存在速度难以控制，学生思路易打断等方面的不足。传统板书的模式速度慢，条理性强，可以引导学生一起进行公式的推导，进一步加强学生的基本功。

4.2 野外实践教学与计算机辅助教学相结合

现代教育心理学认为，学习情境存在着各种不同的刺激，学生对不同刺激会产生相应的反映。在教学中，采用不同的教学手段，使学生对学习产生兴趣，能激发学生的思维潜能[4]。“GPS原理”课程是建立在“测量学”课程的学习基础之上，对野外作业、团队配合已经具备一定的基础。这门课程同样需要在野外教学，可以在此培养学生观察自然，表达自然的能力。同时，在野外的过程中让学生设计实验、每个同学参与实验的安排与组织，熟悉静态GPS接收机的安置、外业操作及数据采集方法，进而在上机实验中做到有的放矢，使学生对GPS测量过程有一个全面、系统地了解。