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GPS原理教学中情景教学法的应用

2020-11-02 114 上传者：管理员

摘要：随着智慧城市的高速发展，导航定位技术已成为支撑其众多应用的核心技术。测绘导航类人才的培养也逐步受到各大高校的重视。GPS原理作为导航定位的基础理论课程，对其深刻的理解是掌握整个测绘知识体系的基础。因此，需要探索新型的教学方法便于学生对课程进行快速的掌握。文章提出了基于情景教学法的GPS原理的教学方法，将GPS原理中复杂的数学公式用新型的教学模式予以讲授，极大地提高了课堂的积极性，取得了较好的教学效果。

关键词：
GPS原理
导航定位技术
情景教学法
教学效果
教学方法
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随着智慧城市的高速发展，城市定位技术已成为支撑其众多应用的核心技术，测绘类人才的培养也逐步受到各大高校的重视[1]。GPS原理作为城市定位的基础理论课程，对其深刻的理解是掌握整个测绘知识体系的基础[2]。因此，需要探索新型的教学方法便于学生对课程进行快速的掌握。由于GPS系统的原理非常复杂，内容十分抽象。想要让学生快速的较好掌握GPS原理，传统的GPS教学模式难以取得较为满意的结果。基于此，国内外一些学者均对如何更好的教育学生进行了思考与探究[2,3,4]。情景教学法以其生动形象、气氛活跃的特点，可以更好的吸引学生的注意力，并且将复杂的原理简单化，让学生更容易理解与吸收[5]。通过对比进行情景教学的班级与进行传统教学模式班级学生对知识的吸收程度表明，情景教学法可以取得较好的教学效果，大大地提高了学生对书本上知识掌握的水平。

一、情景教学简介

（一）情景教学法的内容

情景教学法是一种不同于传统的老师在上面讲，学生在下面听的教学形式。它通过借助动手实验操作、学生角色扮演、所学对象实物演示、多媒体视频教学及最新的虚拟现实仿真情景等手段，因地制宜，充分调动学生的积极性、主动性和创造性，为学生创建合适的课堂教学情景模式，从而改变传统被动教育的一种教学方法[6]。将书本理论与实际运用结合起来，让学生在快乐中潜移默化的牢牢地掌握、深刻地理解并且熟练的加以应用到日后实际工作与学习中。长期进行情景教学，更是有利于激发学生培养主动的学习态度，极大地提高了课堂的教学效率。

（二）情景教学的优点

1.形象逼真

情景并不是对GPS具体操作的复现，而是简化的模拟。能获得与实际相似的形象，可以给学生带来身临其境的感觉[6]。GPS是一门复杂的系统学科，它对数学、物理及几何等学科有着较高的要求。而不同的学生的基础及其需求不尽相同。因此仅凭老师在讲台上进行简单的讲解无法满足学生多样化的专业知识需求。针对学生的不同需求，将书本上的一个个抽象的知识点，演化成一幅幅鲜活的场景。可以让学生留下深刻的印象，从而牢牢的记住所学的知识。

图1编码示意图

2.易于接受

情景教学突破传统的课堂教学模式，积极调动学生参与其中，使得课堂教学形式新颖，气氛活跃。学生需要积极准备、主动参与、认真思考并且灵活应变。经过一系列的活动，辅助以老师的讲解与引导，学生可以更快的将传统的抽象复杂的知识点更快、更深刻地吸收掌握。进一步可以养成场景化学习的习惯，可以在以后其他课程学习过程中灵活的运用，为他们将来走向工作岗位奠定坚实的理论和实践基础。

3.提升教师水平

情景教学模式对授课老师提出了更高的要求与挑战。首先要求教师对课程整体的把握程度更深刻，只有熟练的了解课程的每个细节，才能创建合适的情景教学。其次要求教师花费更多的时间与精力对课程及资料的准备，涉及大量的图片、音频、视频及实物模型的准备。这些准备过程可以进一步提高教师自身的水平，从而达到更好的教学效果。

4.增加师生互动

情景教学全程需要老师学生互动。学生作为课堂主题，老师作为引导者，师生合作，共同推进课堂的进行，有利于提高师生感情，进而使教学氛围更加融洽。

总之，情景教学是一种区别于传统教学模式的更加符合学生认知规律的教学模式，恰当的使用便会使学生在理解理论知识的基础上，通过观察思考，实现知识向能力的转化，完成感性认识向理性认识的飞跃，使学生既有深厚扎实的理论基础，又有解决实际问题的能力[6]。

二、GPS原理教学中的难点和重点

GPS导航系统的基本原理是利用信号传播时间估计卫星到用户接收机之间的距离（伪距），然后结合多颗卫星的数据利用最小二乘法就可知道解算出接收机的具体位置[1]。但是在实际解算过程中存在的各种误差会导致GPS定位的精度的下降。因此学生需要了解各种误差的产生机理及其消除方法，从而在应用时取得更好的效果。而GPS信号的传播则是通过不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航信息。随着GPS的发展，学者又提出利用载波相位进行解模糊度定位，精度又得到了进一步提高。GPS定位基本原理是导航的基础，也是GPS原理教学的重点与难点[3]。

三、实施与教学效果分析

（一）创设模拟情景教学

GPS原理是一门理论性强、操作性高的科学。学生在完成理论知识的学习后，更重要的是要学会把学到的知识和技能运用到实践中，更快地适应由学习到实际的角色转变。我们挑选了“GPS信号的传输”与“GPS伪距定位原理”两个需要学生重点掌握的知识点为例，在课堂上设计相应的情景构建，老师成为引导者，让学生成为参与者，如图1。

针对“GPS信号的传输”问题，首先由老师引出问题：卫星上传无线电波是不会说话的，那么它又是如何将信息从万里之外的太空传输到地面用户的手中。书本上告诉我们是使用二进制将信息传输，为了加深同学们理解与思考。将全班同学分成两组，一组作为“卫星端”，一组作为“用户端”，分布在两个不同的教室。现在要求扮演“卫星端”同学模仿卫星信号的生成方式将自己所处的教室号传递给“用户端”同学。经过两边的同学协商之后，决定使用人的正面朝向作为二进制1，背面朝向作为二进制0，四个同学表示一个数字。然后两组同学分别去了不同教室。“卫星端”同学进入的是2106教室，按照规定，将由同学们摆出0010000100000110的数字组合前往“用户端”同学教室。“用户端”组同学看到卫星组同学的队列，然后利用之前协商好的规则，很快计算出卫星组的同学所处的教室是2106。然后将两组同学身份互换，又进行了一组情景教学。待两组同学将任务完成之后，老师再来进行教学，在GPS信号中，我们可以根据波的相位变化情况来表示0或1，这样就可以将成千上万的信息从卫星传递到接收机了。本节课程结束后，同学们纷纷表示对GPS信号的传递及二进制的优点有着更深的理解。

针对“GPS伪距定位原理”问题，场景由教室转到操场。老师安排部分学生扮演卫星，在固定的轨迹上行走。每颗卫星安排一名同学扮演信号传播载体。部分学生充当接送机。每位同学弄清楚自己的职责之后，就按照分配的工作开始运行。几位同学在预定的轨道中行走，扮演卫星绕地球运动。一位同学带着接送机在地球上运动。卫星和接送机同学都带着一块表作时间记录。扮演信号的同学沿直线从卫星走向接送机，然后利用同学走路的时间乘上走的速度就能得到伪距。在t1时刻，老师一声令下开始记录。扮演接送机和卫星的同学都看向自己的表，记下时间，然后信号从卫星走向接送机，在t2时刻到达。这时候老师过来提问，怎么计算伪距。同学们开始了热烈的讨论。最终老师宣布答案，伪距是t1时候卫星到t2时候接送机的位置，而不是像很多人想像的实时的卫星与接送机的距离。此结论让很多学生恍然大悟，纠正了他们长久以来的误区。紧接着，老师让同学们计算伪距。然后问同学们觉得计算伪距什么最重要，有人说是速度，有人说是时间记录。老师肯定了同学们的答案，在GPS中，信号传播速度是光速，比较稳定。但是时间记录是一个很大问题，无论多么小的误差，乘上光速，都会导致很大误差甚至无法定位。因此，在卫星上使用价格昂贵的原子钟来计时。但是在接送机里面，考虑成本问题，不可能在每一台接送机都装上原子钟。如果把所有卫星时间看作标准时间，那么接送机与每一颗卫星的误差是相同的。所以在解算定位时，最少需要本来三颗卫星满足空间需求增加到最少四颗卫星才能定位，已达到消除接送机钟差目的。整个课程中学生积极主动、准备充分、想法灵活，不仅完成了自身对知识的理解，还帮助了他人克服在学习中的困难。

图2伪距计算模拟实验

（二）创设多媒体情景教学

GPS的卫星轨道分布及坐标系是GPS原理中重要的基础内容，是老师授课中的重点与难点。然而书本上只有简单的数字及图片介绍，很难让学生对这个卫星系统如何运作有着深刻的影响。学生不扎实的地理基础知识也从侧面加大了授课难度。针对这些问题，教师在课堂上一改传统的平面挂图和简单的文字描述方法，综合运用多媒体手段，将各种卫星轨道、坐标系的构成及其相互之间的关系立体、动态地展示给学生。对卫星的运动方式、卫星信号传递过程中介质变化与误差产生进行演示和讲解，配以各种动画表现各种误差的来源于大小。比如演示卫星信号被障碍物遮挡然后被GPS接送机接收，与直线传播相比，通过反射的信号走了更多的路程，而它的误差也随着传播路线从几米到上百米不等。学生可以对GPS各种误差有了可视化的直观感受，这样在今后学习工作中将会对这些误差有着更深刻的理解。在3D动画中将模拟地球在太阳系中的运动，并且将几个常用的坐标系画在地球上。通过动画的播放，学生可以清楚的看到什么是惯性系，什么是地心地固系，什么是当地坐标系，已经如何将它们之间互相转换。以往学生对这些内容均是死记硬背，通常只有几张简单的图像可以参考学习，很难对所学的知识真正理解和掌握。现在通过多媒体的演示，使学生对这些抽象的坐标系熟练掌握，在运用的时候做到成竹在胸。更为重要的是为后期学习其他专业知识打下了坚实的理论基础。在讲解常用的坐标系应用时，我们提前准备了大量立体模型及影像资料，让学生可以脱离书本接触真实的工作案例，以及通过书本无法描述清楚的一些问题和知识。改变传统课堂上单纯靠理论讲解说明坐标系特点和应用的方式。多媒体资料形象生动、内容丰富，既增强了学生的认知能力，帮助理解了课程中重点与难点内容，又极大地激发了学生的学习兴趣。

（三）创设实验与实习的情景教学

在GPS定位解算理论课程结束后，我们安排了一次GPS定位实验情景教学。由老师带队，同学们两人一组进行数据采集与解算。首先老师让同学们各自选择自己小组想定位解算点的位置，同学们提高理论课程动画中演示的多路径问题纷纷将天线安置在较为空旷地带。老师肯定了同学们的选择，然后指导同学们按照仪器操作来完成仪器安装工作。在数据采集过程中，老师让同学们看向天空，展开想象。卫星在距离我们约20000km的轨道上运行着，在我们周围的空气之中，充满了看不见的卫星信号。如果非要找出一种现象来形容这些电磁波，那就是阳光。在我们所处地球表面小范围之内，由于卫星非常遥远，可以把卫星信号看成连续不断的平行的光线。这些想象对同学们日后要学习的差分定位、载波相位解算等有着至关重要的作用。在学生采集完数据之后，分别进行了定位解算，使得学生对GPS定位解算的原理与流程更加印象深刻。通过这样在实地数据采集与解算的实践活动中，学生们通过思与练结合同步发展，进一步加深学生对书本知识的理解与掌握，大大改变了以往“只学不练”的弊端。在一次完整的GPS数据采集与定位解算实验中，学生可以通过动手操作更加清楚地理解掌握GPS的数据采集并学会使用、读懂GPS原始文件数据类型并快速找到需要的信息、如何利用伪距与载波进行更精准的定位等，还有速度解算、伪距率的计算等应用技巧，这些技巧看似简单、平常，但其中的原则和注意事项要在亲身实践中才能领会和掌握。这些是通过软件之间进行GPS解算无法得到的宝贵经验与知识。这样在实验过程中学生做到时刻眼观电脑屏幕、耳听各种讨论与教学、脑思考如何使用采集到的GPS观测量、手上进行数据解算等各种感官的联动，充分调动学生的学习能动性。

图3采集数据图

四、结束语

情景教学注重师生间的互动，重视学生的主体地位，增进学生学习兴趣和动力[7,8]。通过多种手段创建情景教学环境，把抽象问题具体化、可视化，不仅能使枯燥的课堂有一定的活跃气氛，使学生的紧张身心得到一定的放松，增强学习效果，弥补了传统理论教学的不足。同时，还能教会学生学习方法，进一步培养学生创造性思维。实践表明，将情景教学法融入GPS原理课程的教学中，调动了学生学习本课程的兴趣，使他们通过自己的不断实践模拟，轻松、容易地接受知识，加深了对知识的理解和掌握，增强了学习效果。

参考文献：

[1]李星照,王唤良,邓晓嘉,等.高校普及GPS技术教育之必要性[J].全球定位系统,2004(05):21-24.

[2]谭婕婕.关于GPS教学改革和建设的思考[J].科技资讯,2017,15(02):22-24.

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[4]连达军,陈国栋,袁铭,等.“卫星导航定位原理”课程研究性教学法探讨[J].测绘通报,2018(01):161-164.

[5]左继成,门爽.情景教学法在高分子材料成型加工课程的应用[J].广东化工,2019,46(21):164-165.

[6]孙蕊.情景教学法在空中领航学教学中的应用[J].文教资料,2018,799(25):190-191.

[7]厉瑛,张静.情景教学法在眼科护理学教学中的应用[J].基础医学教育,2003,5(4):388-389.

[8]陈丽霞.情景教学法在社区健康教育教学中的应用[J].护理研究,2005,19(12):1125-1126.

孙蕊.情景教学法在GPS原理教学中的应用[J].高教学刊,2020(33):137-140.

基金:南京航空航天大学民航学院教改项目“空中领航学教学提升”(编号:201812);国家自然科学基金面上项目“城市峡谷中在线数据驱动的GNSSNLOS信号检测方法研究”(编号:41974033);江苏省自然科学基金青年项目“城市峡谷环境下GNSS/IMU/GIS融合的智能车导航关键算法研究”(编号:BK20170780)