《卫星导航定位技术与应用》课程复杂工程问题教学研究

吴继忠李明峰

(南京工业大学测绘科学与技术学院,江苏 南京211800)

0 引 言

工程教育认证是国际通行的工程教育质量保障制度,也是当前我国高等教育正在开展的一项合格性评价工作。评价强调工科专业人才培养质量达到行业提出的基本质量标准要求,其目的在于构建工程教育监控体系,推进工程教育改革,建立与工程师制度相衔接的工程教育认证体系,增强工程教育人才培养对产业发展的适应性,提升我国工程技术人才的国际竞争力。

近年来,南京工业大学测绘科学与技术学院测绘工程专业以培养创新型高级工程技术人才为目标,通过科学设置课程模块、构建多层次实践教学体系、坚持学生暑期生产实践和搭建实践创新训练平台等一系列举措,坚持强化实践能力培养,增强了核心竞争力。2017年6月,院测绘工程专业接受了专业认证专家的现场考察,并以有效期6年通过了专业认证。根据工程教育认证通用标准的毕业要求,培养学生具有解决复杂工程问题的能力是工科专业教育的核心要求,因此需要准确理解和把握复杂工程问题并在教学体系中贯彻实施。本文首先对复杂工程问题的内涵及实施方法进行了阐述,讨论了专业核心课程《卫星导航定位技术与应用》(以下简称“GNSS课程”)的教学目标,给出了解决复杂工程问题能力培养的设计与实施案例。

1 复杂工程问题的理解和实施

1.1 复杂工程问题的内涵

工程教育认证通用标准的毕业要求包含了12项,其中有8项涉及复杂工程问题。区别于传统的教学理念和方法,复杂工程问题并不等同于高难度、工作量大的问题,它有特定的内涵。《华盛顿协议》是目前国际上最具权威性和影响力的工程教育本科学位互认协议之一。根据该协议,工程是包括数学、自然科学和工程知识、技术和技能整体的、有目的性的应用。复杂工程问题的核心特征是必须运用深入的工程原理进行分析才能得到解决。这一特点强调了学生需要掌握工程原理的分析和运用两大基本技能,更注重知识深度,强调从掌握知识到运用知识的转变。运用工程原理不是简单套用或照搬方法,而是从基本工程原理出发,经过分析以后才能解决问题。

复杂工程问题有以下6个选择性特征。

(1)涉及多方面技术、工程和其他因素,并可能相互有一定冲突。工程的复杂性使得问题的解决必须综合考虑包括技术、工程等多方面因素,而工程问题内部各要素间可能存在矛盾与冲突,因此需要理清各要素的关联和冲突,找到突破口。

(2)需要通过建立合适的抽象模型才能解决,在建模过程中需要体现出创造性。复杂工程问题通常没有显而易见的解决方案,往往需要运用抽象思维和原创性分析对复杂工程问题进行提炼、定义、建模、分析,从实际工程问题建立合适的抽象模型,体现出创造性。

(3)不是仅靠常用方法就可以完全解决的。常用方法解决的工程问题本身就已失去复杂性,解决复杂工程问题要突破方法和学科上的思维定势,需要多学科知识、方法和手段的综合运用,对已有方法进行改造或综合多种方法。

(4)问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践标准和规范中。复杂工程问题受多种因素制约,可能涉及生态、健康、安全、文化、法律等因素,现有的专业标准和规范不可能完全包含所有要素。为解决复杂工程问题,可以突破现有方式、方法和手段的限制,但要注重经济社会发展和人与自然和谐,注重工程伦理准则和职业道德规范。

(5)问题相关各方利益不完全一致。复杂工程问题涉及多方面的利益,不同利益间还存在不协调和冲突,需要把握主要矛盾,协调并处理各方的利益诉求,在各方利益中寻求平衡点。

(6)具有较高的综合性,包含多个相互关联的子问题。复杂工程问题是一个受多种因素制约的复杂系统,系统各组成部分相互关联、相互依赖、相互制约、相互作用。要处理好各组成部分与整体系统的关系,须遵循局部服从整体的原则,并以实现整体目标要求为出发点处理好局部之间的关系。

具备核心特征和6个选择性特征中一项或多项的工程问题都属于复杂工程问题。工程原理的分析和运用是所有复杂工程问题的核心,支持毕业要求的达成需要课程体系中包含数学与自然科学类、工程基础类、专业基础类、专业类、人文社会科学类、工程实践类等相关课程,并围绕复杂工程问题设计和实施主要教学环节。因此,解决复杂工程问题能力的培养是一项系统性工作,贯穿于从低年级到高年级的整个教学体系,而非一项专门的教学内容。

1.2 复杂工程问题的教学实施

复杂工程问题是毕业要求中具体呈现的一种要求,最终落实在毕业要求的指标点上。解决复杂工程问题能力的培养必须通过课程体系的教学实施得以实现,其过程分为如下几个步骤。

(1)分析讨论。把每项毕业要求分解成若干可考核指标点,制定课程体系与毕业要求的关系矩阵图,明确每个指标点对应的支撑课程及权重,在此基础上确定毕业要求哪些指标点与复杂工程问题相关。

(2)大纲修订。依据每门课程的毕业要求指标点修订教学大纲,大纲中需要明确指标点与课程目标对应关系,复杂工程问题的教学内容、教学方法和考核方式等。

(3)教学设计与实施。以工程实际问题为基础,提炼和设计复杂工程问题,通过课程设计、实习实验、小组学习等多种形式开展教学。

(4)达成度评价。对学生的考试、课程设计、实习成果、实验操作等考核结果进行考察,形成复杂工程问题相关毕业要求指标点对应支撑课程的达成度评价值。

(5)持续改进。根据达成度评价结果,分析达成度评价薄弱环节产生原因,提出各个环节的持续改进措施。上述步骤关系如下所示(图1)。

图1 复杂工程问题的教学实施流程

2 GNSS课程的教学特点及教学目标

2.1 GNSS课程教学特点

卫星导航定位是测绘工作中应用最广泛的技术之一,尤其是GNSS连续运行参考站网的普及,极大改变了测绘的应用领域和传统测绘技术作业方式。GNSS课程作为测绘工程专业核心课程,其教学具有以下特点。

(1)知识面广。课程涉及卫星运动轨道计算、测距码和载波信号测距、误差的产生和应对及不同定位模式下数据处理等,这些知识与前期课程知识、思维方式有较大区别。例如,在“信号测距”教学中,只有理解了不同信号在构成、测距原理上的区别,才能深刻体会定位原理和数据处理环节的差异。

(2)理论性和实践性强。卫星定位涉及的坐标系统和时间系统、卫星运动与GNSS卫星信号、卫星定位原理以及GNSS数据处理等各个内容均需要较好的理论基础。在理论知识基础上,要结合实践巩固理论知识,培养硬件软件操作技能、工程设计应用能力和团队协作等方面的能力。

(3)技术更新快。GNSS定位技术从伪距单点定位、静态相对定位、RTK测量逐步发展到网络RTK、精密单点定位等;随着单系统到多系统的发展,还需考虑不同系统时空基准的统一、不同观测值组合等相关问题。

2.2 课程教学目标及支撑的毕业要求

通过分析讨论,将各项毕业要求分解成若干指标点,明确了本课程的教学目标及对应的毕业要求(图2)。

通过本课程教学,使学生了解GNSS产生和发展的过程,掌握GNSS的组成及信号测量原理和主要误差源的产生机制以及应对措施,深入理解并熟练应用GNSS定位原理和定位模式,熟悉GNSS相关仪器和软件实际操作与应用,具备独立运用GNSS技术进行生产设计和实践的能力。

图2 GNSS课程的教学目标与毕业要求的对应关系

3 GNSS课程复杂工程问题教学设计与实施案例

3.1 教学设计

教学设计是落实解决复杂工程问题能力培养的关键环节。设计的首要原则是确保内容源于工程实际问题,实验项目均具有实际的应用背景,可以从实际工程问题中提炼出抽象模型,但要避免凭空臆想或单纯进行理论推导的问题;其次要密切围绕教学目标,选取有针对性的内容重点实施教学活动;最后要注意课程之间的横向联系,做到不同课程工程原理的综合应用、工程原理与经济社会发展及职业道德规范的联系。

在复杂性和难度上循序渐进,从单科知识综合应用到初步设计能力训练。在本课程教学中,设计了卫星位置计算、接收机设备操作、RTK测量点校正、控制网设计、控制网数据采集与处理等一系列内容,在这些内容的教学方法上将课程设计、实验实习、翻转课堂等多种形式有机结合,提高学生的兴趣和参与度。

3.2 教学实施案例

以本课程教学中一次课程设计为例。为设计某一山区公路工程GPS施工控制网,该施工控制网前期已收集了测区及周边地区可用的已知点和该公路走向沿线的概略高程。公路沿东西走向且远离国家3°高斯投影带中央子午线,高程变化较大,施工控制网设计的完整内容包括基准、精度、密度、网形及作业纲要等内容。

根据复杂工程问题特征,本案例具备特征如下。

(1)基准设计要考虑到项目远离中央子午线的现状和工程施工投影变形的限制,需要综合运用测绘专业知识经过相应计算才能完成,具备了复杂工程问题的核心特征。

(2)投影变形量的计算需要结合中央子午线的选取、测区高程变化趋势建立模型,体现出创新思维,具备选择性特征第2条。

(3)该案例中公路走向沿东西方向,且跨度较长,仅建立一个施工坐标系还无法满足投影变形达到的规范要求,同一项目多个施工坐标系并存的情况下如何确定最佳方案,体现了多方案的选择与决策,具备选择性特征第3条。

(4)作业纲要的确定不仅要考虑精度,还要顾及后续施工测量作业的便利性、作业效率和成本等问题,体现了不同部门冲突与协调的特征,具备选择性特征第5条。

(5)本案例中涉及较多的技术问题,例如投影计算、施工坐标系划分、起算基准确定、观测点分布、接收机硬件和数据处理软件选择等,不同问题相互关联相互影响,具备选择性特征第6条。

由分析可知,该案例具备复杂工程问题的核心特征及4个选择性特征,属于典型复杂工程问题。

首先,授课教师通过对详细介绍该案例的已知条件和任务,让学生认识该项目的实施流程和关键问题;其次,针对该案例中涉及的关键技术进行讲解和分析,例如对投影变形量的计算方法和同一项目多个施工坐标系并存的处理策略进行分析,要求学生独立完成该案例的设计;再次,学生在课堂上对完成成果进行展示并接收质询,教师点评该方案的可行性,并对成果进行记录及评价考核,形成达成度评价结果;最后,教师根据结果反馈工程原理理解和应用的薄弱环节,在后续工作中持续改进。通过该案例的实施,使学生能够掌握与GPS网设计的基本原理,同时运用相关专业知识,并与工程实践问题有机结合,探讨应用方法,具有较好代表性,提高了对工程原理的理解和应用能力。

4 结 语

(1)解决复杂工程问题能力的培养是一项系统性的工作,贯穿于整个教学体系,同时也是一个动态的、循序渐进的工作。该工作是工程教育认证背景下所有工科专业课程教学的核心任务之一。只有准确理解和把握复杂工程问题,才能针对性地开展教学设计和教学活动。

(2)本文结合GNSS课程的教学目标和毕业要求探讨了课程设计思路,结合实际工程案例给出了复杂问题教学实施和评价方法,对其他涉及复杂工程问题的课程教学有一定启发作用。

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