对开设海洋技术专业程序设计课程的思考

常 亮

（上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306）

0 引言

最近十年，随着我国北斗卫星导航系统的突飞猛进的发展，包含北斗卫星导航系统和美国GPS等系统在内的GNSS技术受到了人们越来越多的关注。GNSS在海洋领域的应用非常广泛，可以用于辅助各种类型的船舶导航、海上仪器或平台定位、海面高度监测、海冰厚度监测等。GNSS原理与应用主要讲授GNSS卫星定位、导航的基本原理，GNSS测量的设计与实施，常用的几种GNSS仪器的组成及功能特点，通过该课程的教学，使学生了解GNSS测量的基本原理和一般方法，掌握使用常规GNSS仪器进行测量操作和简单数据处理等工作。GNSS原理与应用也是上海海洋大学海洋技术专业的核心课程之一。但是，在过去八年左右的课程教学过程中，发现了学生对相关知识的认识仍停留在理论层面上，而且较为浅显，缺乏对相关知识点的深入认识。

本文主要针对在GNSS原理与应用教学过程中，学生对相关重点知识点的认识不够深刻的现状，探讨了新开设基于Matlab专业程序设计课程的可能性，以及关于该课程的相关设想，旨在推进本专业同学对专业知识的深入理解。此外，为配合上海市教育委员会于2016年正式开展的上海大学生创新创业训练计划示范校的建设，还讨论了基于本门课程的相关设想以更好地服务于本专业在大学生创新创业训练项目指导过程。最终目的是提高海洋技术专业的教学质量，更好地培养专业人才。

1 GNSS原理与应用教学过程中学生的潜在问题举例

为了更好地探讨新开设基于Matlab专业程序设计课程的可能性，本文选取了几个在GNSS原理与应用课程教学过程中，在学生身上发现的对相关知识点理解不够深入的例子来进行说明。

1.1 坐标转换

在对GNSS数据进行处理过程中（以GPS数据为例），最经常会碰到的一类坐标转换就是空间直角坐标和大地坐标系之间的相互转换。两者之间的转换，在课本中分别仅列出了2个相应的公式进行说明。但是，在实际转换时，特别是在由空间直角坐标转换至大地坐标系坐标时，需要关注的问题有很多。如最常见的迭代问题，以及在不同坐标象限的问题等，这些问题的细节在课堂上对照公式进行讲解时，往往难以让同学深刻认识到公式转换过程中应该密切关注的问题。

1.2 卫星位置计算

GPS卫星的位置（坐标）计算是开展GPS应用的最基本工作之一，但是针对应用的不同需求，可以选取的方法不一样。其中，如果进行事后高精度应用时，可以直接选取GPS卫星的精密星历，然后通过拉格朗日、切比雪夫或者三角多项式等插值方法进行计算即可。

但是，如果要进行实时的GPS应用，则需要根据广播星历计算卫星实时位置。在大多数GNSS教科书中，都直接给出了GPS卫星位置的计算公式。但是，这些计算公式中的各个参数如何获取，各个参数表达的具体意思等细节问题，还难以直接通过公式进行深入认识。

1.3 数据文件理解和认识

RINEX（Receiver Independent Exchange Format）是GNSS领域内最为重要的国际通用数据标准格式之一，主要用于存储和交换卫星导航接收机原始观测数据，是目前卫星导航高精度接收机和相关软件所必须遵循的一类标准。此外，GPS卫星的精密轨道数据也有专门的储存格式SP3。

在进行GPS定位原理及相关应用进行讲授的过程中，需要用到GPS不同波段的各种观测值，以及卫星的坐标，由于同学们对GPS卫星的数据格式与内容的了解都不够深刻，往往容易把多种与GPS相关的数据混淆，使得对相关知识点的学习容易出现偏差。

2 海洋技术专业特点

2.1 培养目标

海洋技术专业培养具备海洋科学与技术的基本理论知识，掌握海洋遥感地理信息、海洋测绘、水声探测技术等基础知识和基本技能，能够在海洋信息、遥感和地理信息系统（GIS），或海洋测绘、海洋勘察领域，或水下搜救与安全、水下施工等领域，利用各种海洋技术获取海洋信息并展开行业应用的应用型人才，具备初步科学研究与管理能力的高素质复合型人才。可以看出，GNSS相关课程是海洋技术的重点专业基础课之一，因此，有必要基于此课程的改革方法进行深入的探讨。

2.2 培养规格

海洋技术专业学生学习海洋科学、遥感、GIS、测绘、水声等方面的基本理论和基本知识，系统接受海洋信息探测、处理、分析、应用的基本方法和技能训练。在此基础上，按海洋信息处理与应用、海洋测绘、水声探测三个特色方向对学生进行培养，毕业生应获得以下几方面的知识和能力：

（1）掌握数学、物理和计算机等方面的基本理论和基本知识；

（2）掌握海洋科学、测绘学、水声学、地理信息的基本理论和基本知识；

（3）掌握从事海洋探测和信息处理、分析和应用的基本方法和技能；

（4）海洋信息方向应掌握卫星遥感、GIS、海洋信息获取、处理的专业技术，具备利用卫星遥感和GIS手段探测海洋的技能；海洋测绘方向应掌握各类海洋测绘技术、海图编制技术，具备海图数据的采集、处理与成图的技能；海洋水声探测方向应掌握水声学基础知识、水声探测技术，具备利用水声探测技术获取和处理水下信息的技能；

（5）熟悉海洋和测绘的管理、政策和法规；

（6）了解海洋技术的发展动向及行业需求；

（7）在本专业领域具有一定的科学研究和实践工作能力，具有较强的空间思考能力，具有一定的创新精神。

2.3 专业特色与特点

海洋技术专业学生在一年级主要学习并掌握计算机、数理及海洋学科的基本知识，为学习海洋技术核心课奠定基础；二年级主要掌握遥感与GIS、测绘、水声、海洋类基础性课程；三年级开始分海洋信息、海洋测绘、水声探测三个专业方向培养。

海洋信息方向重在通过遥感和GIS技术，进行海洋观测与资源环境调查，获取近海和大洋的信息并进行处理、分析与应用；海洋测绘方向重在通过各种测绘工程和技术手段，进行海洋测绘、海洋资源勘察、管理及海洋制图等工作；水声探测方向重在应用掌握水声探测技术，初步掌握水下机器人原理与设计，学习利用各类水声设备和技术获取和处理水下目标信息。

同时，海洋技术专业中涉及的遥感、GIS、测绘等技术也适用于陆地和淡水资源勘测、地表信息调查与工程建设等。海洋技术专业入选了首批国家级一流本科专业建设点，具有本、硕、博一体化人才培养体系。

3 教学改革方法

除了GNSS原理与应用课程外，在海洋技术专业的海洋大地测量这门课程中也有类似的情况，也就是学生觉得书本上讲授的内容还不够具体，影响了学生对相关问题的深入理解。考虑到GNSS原理与应用及相关专业课程教学过程中因为对数据格式等的认识不够具体，导致的理论知识与实际应用存在的偏差问题，本文探讨在专业课程讲授过程中新增一门专业程序课程的必要性。

Matlab是目前最为流行的编程语言之一，由于其上手快，进行矩阵运算方便，具有较强的图形显示和处理能力，使得其在师生中的应用比例非常高。为此，可以考虑在专业课程讲授的同时，开设一门基于Matlab的专业程序设计课程，让学生拿到GNSS卫星的相关数据后，实际动手进行编程操作。

同时，考虑到部分同学的程序设计能力可能比较一般，为了避免部分同学无法单独完成相关程序设计，还可以考虑以3～4人的小组为单位，共同完成相关的程序设计工作，然后集中进行讨论，加深对GNSS定位和应用等相关内容的认知。

值得说明的是，在部分学期的GNSS原理与应用课程讲授过程中，将部分课时设计成程序设计课程后发现，经过程序设计锻炼后，同学们对相关理论知识的认识和理解有了明显的提升。因此，有必要今后专门开设一门海洋技术专业的专业课程序设计课程，且需要和理论讲授课同步开展，而不是像现在不少课程在讲授完成理论课程后，再开始程序设计的练习。

此外，在以往的大学生创新创业训练中，由于部分专业教师在三年级才开始专业课的教学任务，导致部分专业课教师跟本专业低年级的学生联系较少。但大一、大二等低年级的同学却是大学生创新创业项目的主力军，为了让学生充分参与到大学生创新创业项目中来，部分专业教师常常选择由高年级的学生代为在低年级同学中进行宣传。过去这种方式不仅效率低，也使得学生和教师之间沟通和了解还不够多。为了提高大学生创新创业训练项目的执行力，让更多的学生参与进来，并且能够通过参与项目提高自身的专业实践能力，特开展了一下改革举措：

（1）在大学生创新创业训练项目申报开始之前，由专业教师提前在网上集中公布教师的个人简历、联系方式、指导题目、项目要求等，让更多的学生综合筛选感兴趣的研究课题。

（2）为了促进师生之间的互相了解，可以定期举行低年级专业的师生见面会，让教师多了解学生对本专业课程、方向等方面的认识和想法，同时也可以让学生对教师的研究方向、研究内容有个大体的认识，为今后开展专业课程及大学生创新创业训练项目的实施打下基础。

（3）在大学生创新创业训练项目的申请时，多建议高年级的学生寻找本专业或者相关专业的低年级的学生，形成一个跨年级的项目研究队伍。此外，在项目实施的过程中，以项目为单位，加强项目组内的学生之间的讨论交流，并且与教师形成讨论。

（4）以上海海洋大学海洋科学学院创新班的设立为契机，加强创新班内同学与导师之间的交流，为今后实施创新创业训练项目的提前做好准备。

4 结语

本文结合对以往GNSS原理与应用课程的理论学习中遇到的理论知识认识不够深刻的问题，提出了同步开设一门专业程序设计课程的构想，并通过部分课程的改革实践，同时服务于提高同学们在大学生创新创业训练项目中的真实参与度，以及真正地参与研究学习过程。该举措将有利于加强教师与学生之间相互了解，提高教学质量，并以此提高完善人才培养质量标准、创新人才培养机制、健全创新创业教育课程体系和强化创新创业实践，更好地培养海洋技术领域的专业人才。