國(guó)家精品課程“遙感原理與應(yīng)用”創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐

方圣輝，張 熠，潘 勵(lì)

(武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢430079)

一、引 言

全面提高高等教育質(zhì)量，大力提升人才培養(yǎng)水平，是國(guó)家中長(zhǎng)期教育規(guī)劃綱要的核心思想，為貫徹落實(shí)規(guī)劃綱要要求，武漢大學(xué)從2010年開始全面實(shí)施《本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)發(fā)展規(guī)劃—武大課程2010》。所謂創(chuàng)新教學(xué)模式，即在傳統(tǒng)的理論教學(xué)或?qū)嵺`教學(xué)基礎(chǔ)上，采用更加注重發(fā)揮學(xué)生主體的能動(dòng)作用的教學(xué)方式，讓學(xué)生主動(dòng)思考、主動(dòng)探索、主動(dòng)實(shí)踐。圍繞著創(chuàng)新人才培養(yǎng)發(fā)展規(guī)劃，學(xué)校老師正積極參與和實(shí)踐著教學(xué)改革［1］?！斑b感原理與應(yīng)用”作為第一批國(guó)家級(jí)精品課程和遙感科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的主干課程，在教學(xué)中采取了創(chuàng)新教學(xué)模式的教學(xué)實(shí)踐，并在4年的實(shí)踐中取得了較好的效果。從內(nèi)容上看，“遙感原理與應(yīng)用”課程有遙感物理基礎(chǔ)，衛(wèi)星軌道、傳感器成像，輻射處理、幾何處理、遙感影像自動(dòng)分類和遙感技術(shù)應(yīng)用等內(nèi)容。根據(jù)遙感學(xué)科的特點(diǎn)，在課堂教學(xué)中具體的創(chuàng)新實(shí)踐做法包括:緊跟遙感技術(shù)的發(fā)展，拓寬學(xué)生視野;引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力;加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生實(shí)踐能力;注重理論聯(lián)系實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行大學(xué)生創(chuàng)新課題申報(bào)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力，如圖1所示。這些實(shí)踐改革使得學(xué)生能夠緊跟國(guó)家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的步伐，具有遙感學(xué)科的相關(guān)知識(shí)自主學(xué)習(xí)能力，并具備空間信息獲取、處理、分析、應(yīng)用的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，從而為國(guó)家遙感事業(yè)的發(fā)展提供優(yōu)秀的人才儲(chǔ)備。

二、緊跟遙感技術(shù)的發(fā)展，拓寬學(xué)生視野

“遙感原理與應(yīng)用”是一門現(xiàn)勢(shì)性、發(fā)展性很強(qiáng)的課程，它與國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。進(jìn)入新世紀(jì)以來，美國(guó)、日本和歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼發(fā)射搭載有新型傳感器的不同衛(wèi)星和飛船，并且隨著中國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃重大專項(xiàng)的建設(shè)，我國(guó)也相繼發(fā)射了系列資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等。從美國(guó)的landsat7、QuickBird、MODIS，法國(guó)的SPOT6，加拿大的RADARSAT，意大利的COSMO以及我國(guó)的資源三號(hào)等來看，現(xiàn)代遙感技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)能動(dòng)態(tài)、快速、多平臺(tái)、多時(shí)相、高分辨率地提供對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的新階段［2］。掌握這些最新遙感技術(shù)動(dòng)態(tài)將有利于大大拓展學(xué)生視野，開拓學(xué)生的思路，使學(xué)生體會(huì)到遙感技術(shù)應(yīng)用的巨大前景和價(jià)值，從而以更高的積極性和熱情投入到遙感領(lǐng)域中去。為此，在課堂教學(xué)時(shí)結(jié)合教材的傳感器及其成像特點(diǎn)的內(nèi)容，課程組重點(diǎn)介紹了我國(guó)測(cè)繪衛(wèi)星的特點(diǎn)，展示衛(wèi)星獲取的圖像及利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作的各種測(cè)繪產(chǎn)品、專題產(chǎn)品等。例如近幾年，新聞媒體先后對(duì)嫦娥系列和神舟系列等發(fā)射進(jìn)行了直播，使學(xué)生了解到嫦娥一號(hào)先從繞地球飛行，逐漸變軌后再脫離地球飛向月球，然后繞月球變軌，最后繞月球平穩(wěn)飛行并獲取月球表面數(shù)據(jù)。而嫦娥二號(hào)的發(fā)射直接從地球飛向月球，然后再繞月球變軌，最后繞月球平穩(wěn)飛行并獲取月球表面數(shù)據(jù)。課程組結(jié)合教材的遙感平臺(tái)及其運(yùn)行特點(diǎn)的內(nèi)容，分析嫦娥一號(hào)和二號(hào)軌道特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，并圍繞著我國(guó)嫦娥國(guó)際首創(chuàng)關(guān)鍵點(diǎn)，分析了嫦娥一號(hào)用紫外姿態(tài)測(cè)量技術(shù)測(cè)量衛(wèi)星姿態(tài)的原理和利用衛(wèi)星姿態(tài)等參數(shù)進(jìn)行月球表面三維建立的關(guān)鍵技術(shù);同時(shí)也比較了嫦娥一號(hào)與美國(guó)和日本等國(guó)家發(fā)射的月球衛(wèi)星的區(qū)別，指出了嫦娥一號(hào)在有些技術(shù)方面還有待于進(jìn)一步提高。再如在講解傳感器原理和發(fā)展方向時(shí)，結(jié)合科研經(jīng)驗(yàn)，介紹了傳感器方面的國(guó)際最新進(jìn)展，分析了我國(guó)目前在傳感器方面的實(shí)際水平，用不同的傳感器圖像直觀地展現(xiàn)了我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平之間的差距。另外在講解遙感物理基礎(chǔ)方面，指出遙感是交叉學(xué)科，它與計(jì)算機(jī)科學(xué)、環(huán)境學(xué)、光學(xué)、數(shù)學(xué)等密切相關(guān)，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)學(xué)科的重要性，分析了我國(guó)在遙感基礎(chǔ)研究方面存在嚴(yán)重的不足，在物體的特性研究、大氣傳輸特性研究等方面與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家有很大的距離。在微波遙感的講解中，指出微波遙感技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際遙感技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)之一，其全天候性、穿透性和紋理特性是其他遙感方法不具備的，利用這些特性對(duì)解決我國(guó)海況檢測(cè)，惡劣氣候條件下的災(zāi)害監(jiān)測(cè)，冰雪覆蓋區(qū)、云霧覆蓋區(qū)、松散層掩蓋區(qū)及國(guó)土資源勘查都將具有重大作用，多極化技術(shù)、多波段技術(shù)和多工作模式是其當(dāng)前方向發(fā)展。通過以上系列的分析對(duì)比，使學(xué)生了解國(guó)內(nèi)外遙感技術(shù)的最新發(fā)展，拓寬了視野;同時(shí)也指出了我國(guó)與先進(jìn)國(guó)家存在的差距，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

圖1 國(guó)家精品課程“遙感原理與應(yīng)用”教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐內(nèi)容

三、引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力

教育家葉圣陶說過:“教是為了不教”。這不僅適用于教書，也適用于育人［3］。教書應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，特別是遙感科學(xué)，涉及空間科學(xué)、信息科學(xué)、地球科學(xué)、電子科學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)等眾多學(xué)科的融合，只有充分發(fā)揮學(xué)生的自主自動(dòng)學(xué)習(xí)能力，才能廣泛獲取相關(guān)學(xué)科知識(shí)，補(bǔ)充課堂學(xué)習(xí)的不足。

為傳授自學(xué)方法，課程組采用以下方法:第一，思考題和教材同步下發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生帶著問題讀書的意識(shí)，要求學(xué)生分析、判斷、歸納問題。本課程組在開始的一節(jié)課上，概要介紹課程的主要內(nèi)容、重點(diǎn)、難點(diǎn)及和相關(guān)課程的關(guān)系，讓學(xué)生了解所學(xué)的課程在專業(yè)課中的位置，每章講課開始之前把本章的思考題發(fā)給大家，讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)。在回答問題中要求學(xué)生能從多角度、多方面去尋求多樣性的答案，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。例如，在回答資源遙感衛(wèi)星軌道有哪些特征時(shí)，一般的答案是指近圓型軌道、近極地軌道、與太陽(yáng)同步軌道和可重復(fù)觀測(cè)軌道。然而，有的同學(xué)回答近極地軌道的特征不是必須的，由于近極地軌道的目的是為了增大衛(wèi)星的觀測(cè)面積，它同時(shí)帶來的負(fù)面影響即重復(fù)周期變大，如果某顆衛(wèi)星對(duì)時(shí)間分辨率要求很高，則可以不采用近極地軌道。在點(diǎn)評(píng)中，首先肯定同學(xué)的回答，然后解釋近極地軌道可以增加重復(fù)周期的原理等。事實(shí)上，世界上有極少數(shù)衛(wèi)星為了增加衛(wèi)星的重復(fù)周期不采用通常使用的近極地軌道。第二，注重師生之間互動(dòng)，使用多種教學(xué)方法提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力。在教學(xué)方法上，要經(jīng)常走下講臺(tái)了解學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，收集每位學(xué)生提出教授該課程擬采取的方法，老師要綜合考慮到多數(shù)學(xué)生建議的教學(xué)方法。在課堂教學(xué)時(shí)用肢體語(yǔ)言和教具加強(qiáng)學(xué)生的印象，例如，在解釋掃描式傳感器成像特點(diǎn)時(shí)，老師拿一個(gè)掃帚在教室從前向后掃地，掃帚擺動(dòng)的速度和人前進(jìn)的速度要配合好才能達(dá)到高效，如果配合不好就可能出現(xiàn)漏掃和效率不高的情況等。再如，講到影像變化檢測(cè)時(shí)，在第一節(jié)課對(duì)教室照一張像，第二節(jié)課再照一張，把兩張照片投影到屏幕上，讓學(xué)生找出變化的地方即教室里兩節(jié)課學(xué)生人員的變化。針對(duì)兩張照片，講解影像變化檢測(cè)的原理和方法，分析可能影響變化檢測(cè)的各種因素。第三，采用以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體的教學(xué)模式，允許學(xué)生在有準(zhǔn)備的情況下上講臺(tái)交流知識(shí)點(diǎn)。在布置課后作業(yè)方面，注重學(xué)生完成作業(yè)的質(zhì)量，作業(yè)題大部分以開放式給出，要求學(xué)生思考并查找相關(guān)資料后才能完成，學(xué)生對(duì)布置的作業(yè)可以任選一題或幾題進(jìn)行解答，但解答時(shí)必須有自己的思路。對(duì)主要的思考題安排學(xué)生先做準(zhǔn)備再在講臺(tái)上進(jìn)行講解，然后和大家一起討論，激發(fā)同學(xué)翻閱課外資料進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的熱情。從課堂教學(xué)、課后作業(yè)、課間實(shí)習(xí)和課程考試等方面加強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和積極性，逐步引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。例如:課程組在完成遙感圖像幾何處理的教學(xué)后組織了一次教學(xué)嘗試，并邀請(qǐng)了學(xué)校和學(xué)院教學(xué)督導(dǎo)團(tuán)的老師進(jìn)行觀摩和指導(dǎo)。在那次課堂上，有7名同學(xué)分別對(duì)7個(gè)不同題目根據(jù)自己的理解進(jìn)行講解，在學(xué)生講解后，其余同學(xué)從不同側(cè)面還給出不同的理解和看法等，最后，老師對(duì)學(xué)生提出的問題和理解進(jìn)行適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)評(píng)，這樣的教學(xué)可以發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和主動(dòng)性。通過這些方法，使得學(xué)生不再僅僅成為教學(xué)組織過程中的受眾者，更是參與者、組織者。在老師的監(jiān)督和策劃下，學(xué)生參與教學(xué)過程，自主提出問題，針對(duì)自己的問題嘗試解決辦法，這種做法大大提高了學(xué)生的參與感，并能夠在更廣闊的自主學(xué)習(xí)天地發(fā)揮作用。

四、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生實(shí)踐能力

遙感是一門科學(xué)，也是一門工程，需要掌握基本的工程實(shí)踐技能，因此大量實(shí)習(xí)課程的設(shè)置是遙感學(xué)科教育區(qū)別于其他學(xué)科的一個(gè)重要特色。在“遙感原理與應(yīng)用”精品課程中，共進(jìn)行了4次課堂實(shí)習(xí)，其中包括地物光譜測(cè)量實(shí)習(xí)、遙感圖像輻射處理、遙感圖像幾何處理和遙感圖像自動(dòng)分類等，這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)成為學(xué)生提高實(shí)踐能力的重要條件。

在實(shí)際操作過程中，學(xué)生對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行思考和交流，能夠獲得許多書本無法獲取的知識(shí)。例如，在地物光譜測(cè)量的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不僅僅為了測(cè)量出不同物體的光譜曲線，還根據(jù)測(cè)量中遇到的問題和學(xué)到的技巧，分析了影響物體光譜特性的不同因素。有些學(xué)生提出了對(duì)物體進(jìn)行分離的波段選擇;有些學(xué)生對(duì)地物光譜特征曲線所代表的意義進(jìn)行了分析，提出了利用同種物體不同光譜可以揭示出物體存在變異的想法等。再如在進(jìn)行幾何處理的課間實(shí)習(xí)中，有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)在選取控制點(diǎn)時(shí)，如果采用一次多項(xiàng)式進(jìn)行糾正，在選好了3個(gè)點(diǎn)，再選第4個(gè)點(diǎn)時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)找到同名點(diǎn)，但計(jì)算機(jī)自動(dòng)找到的同名點(diǎn)存在誤差，如果人工移動(dòng)點(diǎn)到正確的點(diǎn)位，就發(fā)現(xiàn)以前選擇的點(diǎn)都存在誤差值;還有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)選擇的同名點(diǎn)分布不同、點(diǎn)位偏移等一些問題。針對(duì)這些問題，老師要結(jié)合幾何糾正模型和平差理論給予一一解答。在整個(gè)實(shí)習(xí)過程中，學(xué)生感到最困難的是控制點(diǎn)的尋找問題，能否讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)尋找控制點(diǎn)的問題一提出，有些學(xué)生即根據(jù)數(shù)字圖像處理和模式識(shí)別的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)了一套計(jì)算機(jī)自動(dòng)尋找控制點(diǎn)的方案，老師詳細(xì)分析了方案的每一步，包括有些步驟還存在不足，甚至有些現(xiàn)在還不可行、有些知識(shí)現(xiàn)在還沒學(xué)到，要告訴學(xué)生目前的每一步還存在的困難，讓學(xué)生自己去思考。再如在遙感影像自動(dòng)分類實(shí)驗(yàn)中，首先把武漢地區(qū)的TM影像分發(fā)給大家，同學(xué)們自由組合4～5人一個(gè)小組，每個(gè)小組自己安排時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分類實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生們準(zhǔn)備了不同的分類軟件(如PCI、EDARS和EVEN等)，學(xué)生根據(jù)不同軟件的教學(xué)指導(dǎo)書自己學(xué)習(xí)操作流程;然后，每個(gè)小組要把實(shí)驗(yàn)中得出的結(jié)果和發(fā)現(xiàn)的問題準(zhǔn)備3 min的報(bào)告在課堂上展示，學(xué)生在展示成果和出現(xiàn)的問題時(shí)可以互相討論學(xué)習(xí)，老師做一定程度的點(diǎn)評(píng)。通過以上的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生反映他們不僅對(duì)分類原理有了更深的理解，同時(shí)對(duì)分類的方法和策略掌握得更加全面?？傊?，實(shí)踐教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力有著理論教學(xué)不可替代的特殊作用，是創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中貫穿始終的、不可或缺的重要組成部分。通過幾年的實(shí)踐，學(xué)生的實(shí)踐能力得到了提高、表達(dá)能力得到了鍛煉。

五、注重理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

目前遙感科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力提出了很高要求，這與教育部提出的“卓越工程師”的培養(yǎng)計(jì)劃相吻合［4］。遙感學(xué)科作為應(yīng)用型本科專業(yè)，應(yīng)當(dāng)不斷強(qiáng)化核心課程的教學(xué)改革，將學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)作為探索的方向。

為此，根據(jù)“遙感原理與應(yīng)用”的應(yīng)用型課程的特點(diǎn)，在教學(xué)中應(yīng)注重理論聯(lián)系實(shí)際，將教材內(nèi)容與實(shí)際的應(yīng)用聯(lián)系在一起，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。例如結(jié)合遙感的幾何糾正原理，采用一幅武漢地區(qū)的有幾何誤差的遙感影像，學(xué)生可以將影像與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)誤差并進(jìn)行幾何處理，然后將處理后的影像再與實(shí)際的進(jìn)行對(duì)比，在整個(gè)過程中，學(xué)生增強(qiáng)了動(dòng)手能力，也增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的直觀效果。再如，眾所周知，遙感影像幾何處理通常是需要控制點(diǎn)的，而對(duì)缺乏控制點(diǎn)的月球影像進(jìn)行幾何處理時(shí)，應(yīng)利用嫦娥得到的月球圖像，課堂上講解利用嫦娥的姿態(tài)、坐標(biāo)等采用空間前方交會(huì)的原理進(jìn)行解算，為了提高解算精度，必須有很高的坐標(biāo)、衛(wèi)星姿態(tài)精度和合適的處理方法等。

針對(duì)國(guó)家熱點(diǎn)事件，介紹遙感技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，激發(fā)同學(xué)的創(chuàng)新熱情。例如介紹遙感技術(shù)在汶川地震中的應(yīng)用時(shí)，提到現(xiàn)代遙感技術(shù)能夠大范圍獲取城鎮(zhèn)房屋、建筑物、農(nóng)作物、水電站、供水供氣部門等重要設(shè)施破壞信息，能夠精確地判讀公路、鐵路、飛機(jī)航道等交通的受損情況，幫助決策部門制定救援計(jì)劃，還能準(zhǔn)確確定水系和河道阻塞狀況，檢測(cè)預(yù)報(bào)滑坡、泥石流和堰塞湖等次生災(zāi)害［5］。有了這些實(shí)際應(yīng)用例子，學(xué)生在對(duì)待課程中的實(shí)習(xí)時(shí)思路更加活躍，想法也更加開闊。近幾年有的同學(xué)已經(jīng)進(jìn)行了創(chuàng)新實(shí)踐，其中有兩組學(xué)生成功獲得國(guó)家級(jí)大學(xué)生科研項(xiàng)目的資助，分別為“航空影像上水體自動(dòng)提取的方法研究”和“利用激光快速進(jìn)行三維建模方法研究”。

關(guān)注身邊的遙感，讓學(xué)生知道遙感技術(shù)可以為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供技術(shù)服務(wù)，課程組介紹了谷歌地圖、天地圖、天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物估產(chǎn)、森林監(jiān)測(cè)、水污染監(jiān)測(cè)等應(yīng)用實(shí)例。在課堂上用不同時(shí)間、不同分辨率和不同傳感器的實(shí)際遙感影像給學(xué)生講解1998年長(zhǎng)江流域和松花江流域的洪水發(fā)生、發(fā)展和災(zāi)后評(píng)估的具體方法和步驟，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)遙感利用遙感的潛力。在此引導(dǎo)下，有學(xué)生以《遙感和GIS結(jié)合分析方法研究武漢城市熱島與水體的關(guān)系》《遙感技術(shù)在沙塵暴監(jiān)測(cè)中應(yīng)用》和《遙感技術(shù)在海洋赤潮成因分析中的應(yīng)用》為課題得到了國(guó)家級(jí)大學(xué)生科研項(xiàng)目的資助，提出了許多創(chuàng)新思路，展現(xiàn)了學(xué)生的巨大創(chuàng)新潛力。

六、結(jié)束語(yǔ)

遙感學(xué)科教育創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是國(guó)家、社會(huì)、學(xué)校和個(gè)人共同承擔(dān)的一個(gè)長(zhǎng)期效益工程［6］?！斑b感原理與應(yīng)用”國(guó)家精品課程在教學(xué)實(shí)踐中，不斷促進(jìn)教學(xué)和實(shí)踐改革，拓寬學(xué)生視野，推進(jìn)自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，重視實(shí)踐教學(xué)效果，采用多種手段理論聯(lián)系實(shí)際培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過這些實(shí)踐使得學(xué)生在畢業(yè)走向和用人單位的反饋中取得了良好的反饋意見，為我國(guó)遙感事業(yè)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

［1］ 陳江平，潘勵(lì)，單杰．淺談地理國(guó)情監(jiān)測(cè)技術(shù)專業(yè)課程體系建設(shè)［J］．測(cè)繪通報(bào)，2013(10):125-128．

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