面向智能物联网应用的导航技术“项目式课程”教育教学改革

来源:用户上传      作者:王融　熊智　刘建业　赵伟

　　摘要：结合当前蓬勃发展的智能物联网应用趋势，在理论课教学内容和实践课教学内容两方面开展导航课程教学改革与实践。通过优化导航技术教学中的项目式课程体系建设、强化理论教学与智能物联网日常应用的结合、建立适应智能物联网为背景的项目式课程混合式教学团队、面向智能物联网的定位与导航课程实践教学研究平台建设等方面开展教学改革，通过开展具有互动性和开放性性的教学内容和课程体系改革，打造具有新兴智能物联网特色的导航定位技术精品课程。对于增强学生学习兴趣，优化实践应用能力，提高人才培养质量具有重要意义。
　　关键词：导航技术特色化教学 教学改革 项目式课程 智能物联网
　　文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2022）11（b）-0000-00
　　
　　
　　（NavigationResearch Center， College of Automation Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， JiangsuProvince， 211106 China）
　　Abstract： Combined with the current booming trend of intelligent IoT applications， the teaching reform and practice of navigation courses are carried out in both theoretical and practical teaching contents. Through optimising the construction of project-based course system in the teaching of navigation technology， strengthening the combination of theoretical teaching and daily application of intelligent IoT， establishing a hybrid teaching team of project-based courses adapted to the background of intelligent IoT， and constructing a practical teaching and research platform for positioning and navigation courses oriented to intelligent IoT， the teaching reform is carried out through carrying out interactive and open teaching content and course system reform. Create a navigation and positioning technology boutique course with the characteristics of the emerging intelligent Internet of Things. It is of great significance to enhance students' interest in learning， optimize practical application ability and improve the quality of talent training.
　　Key Words： Specialised Teaching in Navigation Technology; Teaching Reform; Project-based Curriculum; Intelligent Internet of Things
　　定位与导航系统是研究对运载体进行定位与导航的技术科学，是实现智能物联网的基础技术，在国民经济中发挥着极其重要的作用。近年来，智能物联网发展迅速，已经实现智能化识别、定位、跟踪、O管等功能。在无人系统和智慧交通等主要应用领域，导航定位技术的发展对其具有重要意义。导航定位技术可以综合运用物联网中的智能传感器技术、信息网络技术、通信传输技术和数据处理技术实现实时高精度目标位置估计，并将其应用到整个城市体系中，实现城市智慧型管理和运行。
　　课程建设是专业建设的核心之一，在广泛吸收导航、制导与控制领域国际先进研究成果的基础上，将当前蓬勃发展的智能物联网应用与南京航空航天大学导航研究中心多年来的积累有机结合，在理论课教学内容和实践课教学内容两方面开展导航课程教学改革与实践。通过制作定位与导航系统实践性辅助教学演示设备，结合项目式课程方式展开教学，创建出一套具有智能物联网特色的现代定位与导航系统实践性与研究性教学系统。通过开展具有互动性和开放性性的教学内容和课程体系改革，打造具有新兴智能物联网特色的导航定位技术精品课程。对于增强学生学习兴趣，优化实践应用能力，提高人才培养质量具有重要意义。

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　　随着智能物联网在科技创新中地位的不断提升，面向智能物联网的导航技术教学建设和改革取得了一定的成效。但由于智能物联网应用及其导航技术本身发展迅速，以及理论认识上的偏差和实践中的矛盾，导航技术教学建设和改革亟待进行改革。为此，主要采取以下思路。
　　1.1 优化导航技术教学中的项目式课程体系建设
　　围绕定位与导航技术，开展了面向智能物联网的定位与导航课程实践教学研究平台建设、定位与导航系统项目式实践课程建设、定位与导航系统课程项目式教学实践与分析这3个部分组成。在课程项目式教学实践环节，设计了惯性器件及其导航原理探究、北斗导航及全球卫星定位系统原理探究、室内无线定位与现代航空无线电导航原理探究、微型飞行器机载航电系统中的综合导航探究这4个课程微项目。
　　1.2 强化理论教学与智能物联网日常应用的结合
　　通过基础导航知识的学习，让学生了解导航技术在日常生产生活中的重要性和广泛性，激发学生学习兴趣，再通过北斗导航系统、民用大型客机、室内定位等热点技术将日常生活中可见的导航技术与航空航天应用联系起来，逐步深入地向学生展示导航定位技术的原理和应用，不仅涉及卫星导航技术，惯性导航技术，无线电导航技术及组合导航技术等，也涵盖组合导航的实现思想与导航定位算法。
　　1.3建立适应智能物联网为背景的项目式课程混合式教学团队
　　本课程组除负责理论和实验课程的专任教师以外，还邀请企业专家以微视频方式参与教学辅助，教学团队通过产学研结合具有显著优势，有利于广泛吸收导航、制导与控制领域先进发展动态，并与南京航空航天大学导航研究中心多年来的积累有机结合，打造具有航空航天特色的定位与导航技术精品课程。
　　
　　从理论课教学内容和实践课教学内容两方面开展导航课程教学改革与实践，制作定位与导航系统实践性辅助教学演示设备，并通过实物演示、多媒体和网络等方式展开教学，创建出一套具有国防专业特色的现代定位与导航系统实践性与研究性教学系统，开展具有先进性、互动性、整体性、开放性和示范性的教学内容和课程体系改革。
　　2.1 面向智能物联网的定位与导航课程实践教学研究平台建设
　　结合面向智能物联网的定位与导航课程的理论教学内容，着重考虑结合目前已有的教学条件，建立基于定位与导航技术的教学研究平台，从导航专业课程特色教学的角度出发，建立包含低成本微MEMS组合系统、低成本北斗接收机等构成的综合教学研究平台。对于陀螺仪进动性等空间几何关系复杂抽象的关键特性，引导学生通过物理系统的实际操作获得直观的理解，在完成教学任务同时也能够更好地激发学生对导航技术探索的热情。
　　综合教学研究平台主要考虑从实物演示设备、多媒体演示以及学生参与设计的角度着手，进行相应的设计和制作。实物演示设备主要由惯性传感器、航空仪表、GPS接收机等传感器器件，以及在此基础构建出的可以反映出导航定位技术基本原理的系统组成。具体包括陀螺特性试验仪、陀螺单轨稳定系统、基于陀螺稳定性原理的陀螺稳定平台演示系统、低成本微MEMS组合系统、卫星导航仿真系统、惯性导航和其它导航方式组成的组合导航系统等。另一方面，为了展示陀螺稳定平台和定位与导航系统的内部结构和具体的实现方式，还可以将原有的系统进行实物的解剖和展示。多媒体演示设备主要由导航定位技术原理展板和相关的多媒体演示软件构成，通过图形、动画等多媒体表现方式加强学生对导航定位技术基本原理的了解和掌握。
　　2.2 定位与导航系统项目式实践课程建设
　　如何在课堂教学过程中合理安排和使用定位与导航系统教学研究平台，对于课堂教学的效果将至关重要。对此，将在开发制作教学演示设备的基础上，结合导航定位技术专业课程的理教学需要，设计和安排有关的教学试验内容。具体的试验内容包括陀螺仪的器件级解剖和演示、基于陀螺仪稳定性原理的陀螺进动特性多媒体演示、载体姿态和航向显示仪表的演示、低成本微MEMS组合系统的采集处理和分析及其相关特性的演示、卫星导航接收机的数据采集和分析、组合导航系统的设计及性能分析、组合滤波技术的应用及实验分析、动量矩定理等物理知识应用到惯性系统特性分析等。
　　围绕以上实验实践内容，形成4个综合的课程“微项目”教学方案，具体如下。
　　2.2.1 惯性器件及其导航原理探究
　　围绕惯性导航定位的一般概念，地面及太空失重条件下惯性器件的原理特性分析，以及惯性导航定位技术在日常生活及航空航天中的应用。结合陀螺仪的器件级解剖和演示，基于陀螺仪稳定性原理的陀螺进动特性多媒体演示，动量矩定理等物理知识应用到惯性系统特性分析，巩固所学知识进一步了解实际惯性器件原理与特性。使学生理解导航定位的概念，知道一些生活中常见的如自平衡车等惯性导航技术应用方法，建立导航定位“无处不在”的观念，增强学生对导航技术的兴趣，为后续教学内容的学习和提前确定学习方向做铺垫，并引导学生寻找生活中的其他惯性器件应用相关案例。
　　2.2.2 北斗导航及全球卫星定位系统原理探究
　　在介绍全球导航卫星系统（GNSS）历史发展和原理的基础上，重点介绍北斗导航系统及其发展特点、工作原理、进展及应用前景。结合卫星导航系统演示实验，巩固所学知识进一步了解实际卫星导航的信号与信息组成。拟定多个卫星定位和北斗导航定位相关的拟解决的工程问题和开放性的具有一定复杂性的工程和技术问题，分小组讨论解决思路和方法。通过对拟解决的工程问题的讨论，学生应能更深入的理解卫星定位的原理，以及了解科学研究的一般过程，对于开放性问题的讨论，旨在激发学生科学研究的兴趣，培养发散思维与创新思维。通过该部分学习，学生应该能够理解全球卫星定位系统特别是北斗导航系统的定位原理、各种卫星导航系统的基本结构以及未来的全球卫星导航系统等，帮助学生掌握卫星导航技术的正确科学思维方法和科学研究方法。

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　　2.2.3 室内无线定位与现代航空无线电导航原理探究
　　介绍室内无线电定位的基本原理，航空无线电导航的类型、功能及应用限制，以及智慧无线传感方案的设计方法。观看室内无线定位实验及远程航空无线电定位模拟，了解多种导航方法在飞行器应用中的作用，进一步理解组合导航的概念和原理。拟定多个无线电导航相关的具有一定复杂性的工程问题和开放性问题，分小组讨论，要求学生提出自己的想法，但并不要求达成共识。旨在进一步提高学生运用科学研究思维和创新思维，解决问题的能力。使学生掌握多种无线电导航定位方式和基本原理，了解各种无线电导航定位方式各自特点，特别是结合不同条件下应用的各自优势。有助于学生掌握正确的科学思维方法和科学研究方法，以及良好的多种系统综合对比分析素养。
　　2.2.4 民用飞行器机载航电系统中的综合导航探究
　　结合移动定位平台，分析智能手机中常见导航用传感器的工作原理，各自的特点以及基于GPS/INS组合方式实现的手机导航系统的基本原理及其在飞行器中的应用。使用手机导航，了解GPS定位与惯性器件各自的定位性能，以及GPS/INS组合导航在手机平台上实现的原理与方法。根据手机导航的特点，拟定多个应用背景和需求，分小组分析应用过程中可能出现的工程性问题，并讨论解决方案。旨在提高学生发现问题和解决问题的能力。使学生掌握基于手机平台实现的惯性导航和惯性/GPS组合导航的原理和方法，在特定的环境下选用合适的导航方案，以满足特定的导航应用需求。
　　
　　本课程的建设目标主要分三个阶段：第一个阶段主要是对定位与导航系统在理论教学内容上进行改革与实践，不仅使学生在面向智能物联网应用的定位与导航的理论和方法方面树立正确的概念，同时培养学生科学抽象、逻辑思维能力；第二个阶段在第一个阶段的基础上，通过整合实践性教学手段和实验内容，形成一套具有自身特色的实践性辅助教学系统；第三阶段是在前两个阶段的基础上，进行课程的网络化，实施开放性教学。具体采用以下的实施路径。
　　（1）改革课程内容编排，建立适应智能物联网应用的导航技术项目式课程的教学大纲。针对面向智能物联网的定位与导航系统课程的特点，在教学大纲编排和教学任务分配上，采用导航理论知识介绍和导航系统演示相结合、理论要点和实际应用同步教学的思想，帮助学生从抽象到具体、从理论到实践，逐步了解并掌握定位与导航的相关知识概念及其在智能物联网的应用。同时还将基于建设完成的综合教学研究平台，安排一定的定位与导航技术的实践内容，切实让学生参与到导航系统的设计和性能验证中来，便于他们更深入和更全面地熟练和掌握组合导航理论和实践应用能力，取得更好的教学效果。
　　（2）强化教学辅助材料，面向智能物联网应用在定位与导航系统实践性辅助教学设备的制作方面，主要以现有的传统导航教学设备为基础，对传统惯性导航教学设备进行改造，并在此基础上引入定位与导航技术的新应用，进而实现从传统导航到面向智能物联网的现代导航的演示，从单独的器件到导航系统的全面的演示。在定位与导航系统实践性辅助教学试验内容的设计和安排方面，注重对新型惯导系统性能演示，通过传感器器件的解剖和演示、陀螺仪工作原理的多媒体演示、陀螺仪和GPS接收机等导航设备的数据采集分析，组合滤波技术的应用与分析，实现理论与实践紧密结合的教学模式，以拓宽学生的知识面，增加对该专业认识的深度和提高学习兴趣，获得最佳的教学效果。
　　（3）创新教学组织形式，突出理论教学与物联网应用下实践性教学环节的结合。在课程组织形式与教师指导方法方面，本课程以演示实验与课外活动相结合的方式进行。导航系统分析具有较强的理论性，导航系统的实践操作对于初学者具备较高的难度。教学采用讲座与讨论结合的方式进行，每堂课首先通过讲座形式，讲解导航技术相关的基础理论，再以此为基础提出一些开放性和启发性的问题，由学生思考解决方法，进行小组内讨论，后由其他小组进行和主讲教师点评。通过课堂讨论，要求学生了解科学研究的一般方法和过程，培养学生思考问题与解决问题的能力，从而提高学生科学抽象和逻辑思维能力，同时激发学生的发散性思维和创新性思维。课程组织形式分为演示实验及课外活动两种。演示实验以任课教师独立演示、学生分组实验的方式进行。教师指导方式为分析、解答实验过程，鼓励同学思考和提问，引导学生将理论知识应用于演示实验的分析。课外活动组织形式则以参观为主，由任课教师带领学生参观导航系统专业实验室及大学生创新实践实验室，提高学生热情。
　　（4）改革考核方式，针对智能物联网应用和项目式课程特点，建立调研、讨论、分析、交互报告于一体的综合考核模式。考核方式采取分小组的方式完成某一子课题调研或实验工作，并以小组为单位进行半公开性综合答辩，最K按小组提交研究报告。考核重点为学生对于导航定位技术中某一关键点的理解和认识，以及在团队协作方面对学生的协作能力和团队贡献或影响力的综合考核。通过分组考核方法，培养学生团队协作能力，逐步发掘学生的个人潜能，增强学生的沟通能力，责任感和团队荣誉感，以及团队的领导能力。
　　
　　通过改革方案的实施，使得学生掌握定位与导航的基本原理，掌握目前常见导航系统和一些新兴导航系统的基本原理和各自的特点，了解智能物联网中组合导航系统的基础知识和应用。同时为进一步学习后续课程以及从事相关专业技术工作、科学研究工作、管理工作提供重要的理论基础。在上述研究内容基础上，完成了定位与导航系列课程教学研究平台建设，建立起一套完整的集理论教学、实践教学为一体的智能物联网导航技术综合教学研究系统，从而满足课堂教学对于理论和实践相结合的需要，实现在新一代科技后备人才的培养中导航技术课堂教学与智能物联网新兴应用趋势相融合的教育教学模式。
　　
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