空间信息与数字技术专业实践教学模式探讨

［摘 要］ 以培养高素质的空间信息与数字技术专业人才为目标，针对空间信息综合实践教学，结合空间信息科学专业知识面广、系统性强、与工程结合紧密和新技术发展迅速等特点，设计了层次化的人才培养模式，构筑了由综合设计实验层和创新实验层构成的双层实验实践教学体系。采用软件仿真与阶段实物实践相融合的实验教学模式，培养学生理论与实践紧密结合的综合能力，并能够运用辩证思维，分析科学问题和工程实际问题，从而培养学生科学思维和解决复杂工程问题的能力。

［关键词］ 软硬件融合；空间信息与数字技术；实践教学

［基金项目］ 2024年度教育部供需对接就业育人项目“新工科背景下电子信息领域人才培养实践”（2024012309020）；2023年度教育部产学合作协同育人项目“航天宏图-西电空间信息与数字技术专业产教融合实践基地建设”（230902313183709）

［作者简介］ 韦 娟（1973—），女，陕西渭南人，工学博士，西安电子科技大学通信工程学院教授，硕士生导师，主要从事空间信息处理研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）38-0129-04 ［收稿日期］ 2023-05-17

2005年，西安电子科技大学为适应我国现代化对空间信息领域人才的迫切需要，创设了空间信息与数字技术专业。旨在培养能服务社会主义现代化建设需要的德智体全面发展，爱国进取、创新思辨，厚基础、宽口径、强能力、高素质，具有空间信息科学、现代通信理论、计算机网络与软件、可视化、数字化技术、空间信息传输系统设计和集成电路设计等方面的基础理论知识和技术综合能力，以及国际视野的工程技术人才及行业骨干。“地理信息系统”（geographic information system， GIS）、“空间通信系统”，以及“卫星导航定位原理与方法”“空间信息网络综合开发实验”等成了该专业的特色课程。这些课程结合空间技术、信息技术和各类应用技术，主要研究空间信息的采集、存储、管理、运算、分析、显示等理论、方法与技术［1-3］。通过这些课程教学展现我国空间信息技术的灿烂成就，增强文化自信。教师要运用辩证思维，分析科学问题和工程实际问题，培养学生的科学思维能力和解决复杂工程问题的能力［4-6］。

一、建设实践教学体系

根据空间信息与数字技术专业实验教学的特点［7-8］，设计了层次化的人才培养模式，构建了由综合设计实验层和创新实验层组成的双层实践教学体系。该体系可根据学生本身情况实行因材施教、个性培养，保证了学生大面积成才和优秀生、拔尖生的脱颖而出。综合设计实验采用自主或团队模式，让学生带着问题和任务、怀着强烈的求知欲和兴趣在基础验证实验的基础上，对所学的专业课程进行综合应用，提高学生解决复杂工程问题的能力。对科学研究的全过程有一次切身的体会，对综合实验进行需求分析、资料检索、方案论证、器件选型、模块设计、编程实现、测试验证、撰写报告或科技论文，培养学生严谨的科学态度及科学作风。创新实验层为提升学生的综合创新能力，通过各类学科竞赛、大学生科研训练计划项目、企业联合项目等方式培养学生的创新实践能力。

在实践环节后，学生将学会和掌握空间信息系统的一般结构组成、性能指标和技术参数，能够通过调整方案优化系统工作性能，并且能够进行分析；在解决空间信息系统的相关问题过程中，能基于空间信息与数字技术专业相关背景知识进行合理分析，具备空间信息工程的专业知识，并能够将其用于空间信息工程领域复杂工程问题的建模与求解；具有跨学科的适应能力和合作意识；理解用技术手段降低其负面影响的作用与其局限性；能在团队中扮演好自己承担的角色；对空间信息相关工程领域的国际状况有基本了解；认识空间信息系统技术发展迅速、技术更新周期短的特点，对于自我探索和学习的必要性有正确的认识。

二、软硬件相融合的实践教学模式

在实践教学中，通过讲授、演示、提问、翻转、讨论、互助等教学方法和手段，充分利用空间信息实验室条件，结合软件和硬件条件，让学生将所学的理论知识综合运用，为空间信息与数字技术专业的学生从事相关工程技术工作打好专业基础，并使他们接受必要的基本技能训练和拓展训练。空间信息实验课程涉及的知识覆盖面广、工程实用性强，对培养学生辩证思维能力、理论与实践紧密结合的能力、分析问题及解决问题的能力等都有着重要的作用，并落脚于学生人格塑造，养成正确的人生观和职业态度，并达到以课程思政和课堂育人为本的教学目的。同时，在整个实践过程中，注重培养学生自主学习能力、团队合作发现问题及解决问题的能力、获取和整理相关文献信息的能力、准确运用语言文字的表达能力，激发学生的创新意识和创新思维。下面以北斗/GPS教学实验平台和GIS软件为基础进行阐述。

（一）北斗/GPS教学实验平台

1.北斗软件接收机设计。要求学生针对基于电脑端（personal computer， PC）的北斗信号处理软件进行设计、实现和优化。软件主要包括并行码相位捕获、信号跟踪、同步、数据解码和位置计算五个模块。首先，接收机获取中频信号用于参数捕获，捕获的信号有伪随机码、并行码相位和载波频率，并对这些捕获参数进行保存；其次，提取捕获结果，初始化跟踪通道，进行跟踪处理；然后依据跟踪通道的导航电文进行同步，找到子帧头和数据位的转换点；最后，进行解码、位置解算、计算伪距、卫星位置和用户的位置。

图1给出了基于电脑端的软件接收机的整体结构，主要包括天线、中频信号采样器和基于PC的软件三部分。其中，天线接收到卫星发射的信号后传送至中频信号采样器，采样器对该信号进行放大、滤波、模数采样和缓冲等一系列的处理后得到中频采样信号，在PC机上对中频采样信号进行基带处理（包括捕获、跟踪、位同步和帧同步）以及位置解算，计算出定位结果。

基于PC的软件接收机实现模块如图2所示。主要包括四部分：捕获、跟踪、同步及解算；信号捕获包括捕获及频率的精细化；信号跟踪过程主要实现初始化环路参数和跟踪过程的闭合反馈环路；同步主要是实现帧同步和位同步；解算过程主要是星历的解算、卫星位置的计算和用户位置的解算。

2.实验平台验证。学生可以对软件仿真的结果通过实验平台进行验证，并能够对理论课程所包含的实物实验进行实践。图3为北斗/GPS实验平台硬件连接图，图4为实验平台解算系统。

（二）GIS软件和其他硬件设备结合

基于GIS软件，并结合我校的学科优势，与电子信息、通信系统相融合。以我校南校区为例，展开智慧校园各子模块的综合实践教学。图5为智慧校园构成模块示意图。下面列举两例进行展示。

1.校园公共空间可达性研究。以西安电子科技大学南校区为实际分析对象，在进行可达性分析与需求分析的基础上，总结影响公共空间可达性的因素，分析南校区公共空间现状问题。并利用线段模型、凸状模型、GIS网络分析法等使分析结果更加简便、精确、科学有效。部分结果如图6、图7所示。

2.校园道路路灯智能系统设计。结合我校校园路宽、人流量、车流量、日照等因子，对现有路灯的照明度进行评价。借助核密度分析、缓冲区分析、叠加分析等功能，结合属性查询、属性分析等分析和展示成果。在多种因子的影响下，讨论应该如何布设路灯、路灯设置多高、亮度设置多少，最终给出校园路灯智能照明解决方案。结果如图8、图9所示。

结语

空间信息与数字技术专业的实践教学模式探索极大地提升了学生在空间信息与数字技术方面的能力。在此基础上涌现出一批优秀的学生，能够熟练地运用空间信息技术与方法，并发表了论文，获得了专利、软件著作权、竞赛大奖等主要成果。此外，该实践模式接待来访的南京航空航天大学、吉林大学、中国海洋大学、空军工程大学、工信部等多批次的高校教师和企业单位近百人到实验室考察访问，交流专业创新实践教学工作，起到了重要的辐射和带动作用。此外，结合其他专业的特色，该实践模式可以推广至其他学科的实验及课程设计等实践环节。

参考文献

［1］张献伟，刘卫军，石磊，等.测绘专业地理信息系统实践教学改革研究［J］.地理空间信息，2020，18（10）：124-125

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［4］唐章英，卿凤.GIS本科专业学生实践能力培养途径探讨［J］.教育教学论坛，2019（19）：24-25.

［5］吴楠楠，于海龙，李加加.基于OBE理念的RS与GIS课程实践教学改革研究［J］.地理空间信息，2022，20（4）：151-153.

［6］吕建军，龚君芳，许勇，等.地理信息系统开发实训平台设计与实现［J］.实验技术与管理，2018，35（5）：138-141.

［7］刘贤赵，李朝奎，陈新保，等.GIS专业学生创新能力培养的多维实践平台构建［J］.当代教育理论与实践，2015，7（1）：147-150.

［8］李渊，林晓云，邱鲤鲤.创新实践背景下的城市规划专业地理信息系统课程的教学改革与思考［J］.城市建筑，2018（15）：120-122.

Discussion on Practical Teaching Mode of Spatial Information and Digital Technology Specialty

WEI Juan， LIU Nai-an， TIAN Bin， YANG Guo-qing

（School of Telecommunications Engineering， Xidian University， Xi’an， Shaanxi 710071， China）

Abstract： Taking cultivating high quality professional talents of spatial information and digital technology as the goal， in view of the space information comprehensive practice teaching， combining with its characteristic such as broad， strong systemic professional knowledge， combined with engineering closely and rapidly developed new technology， the hierarchical talent training mode is designed. And double experiment practice teaching system are constructed by the comprehensive design experiment and innovative experiment layer. The experimental teaching mode， which integrates software simulation and stage physical experiment， cultivates students’ comprehensive ability to closely integrate theory with practice， and to use dialectical thinking to analyze scientific problems and engineering practical problems， and then cultivates students’ scientific thinking and ability to solve complex engineering problems.

Key words： software and hardware integration; spatial information and digital technology; practical teaching