地理信息科學(xué)專業(yè)《遙感數(shù)字圖像處理》課程實踐教學(xué)模式探索

朱磊++張麗++王新軍

【摘要】《遙感數(shù)字圖像處理》課程實踐性較強(qiáng)，如何更好地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)理論知識并培養(yǎng)動手能力是該課程課堂實踐環(huán)節(jié)中最重要的目標(biāo)之一。本研究在分析本課程特點和教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，將“團(tuán)隊研究型教學(xué)模式”和“問題導(dǎo)向型教學(xué)模式”引入到課程的課堂實踐環(huán)節(jié)中，構(gòu)建了以學(xué)生為主導(dǎo)的實踐教學(xué)體系，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性及培養(yǎng)團(tuán)隊意識等方面取得了較好的效果。

【關(guān)鍵詞】遙感數(shù)字圖像處理 團(tuán)隊合作 問題導(dǎo)向 地理信息科學(xué)

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）10-0016-02

一、課程特點和教學(xué)現(xiàn)狀

1998年教育部新增地理信息系統(tǒng)（GIS）本科專業(yè)后，我國GIS教育發(fā)展形勢空前活躍。目前，國內(nèi)已有近200所高校開設(shè)了地理信息系統(tǒng)專業(yè)，逐步形成了比較穩(wěn)定的GIS專業(yè)課程體系與課程設(shè)置方案（石永明，2011）。其中，遙感系列課程（遙感物理與技術(shù)、遙感數(shù)字圖像處理、遙感地學(xué)分析與應(yīng)用）成為GIS專業(yè)課程體系中的重要模塊。充分利用各種圖像處理算法從遙感數(shù)據(jù)中獲取各種生物物理參數(shù)和土地覆被/利用信息，可以為自然和人文生態(tài)系統(tǒng)的空間分布式模型提供輸入?yún)?shù)，在遙感技術(shù)應(yīng)用中占有十分重要的地位。

《遙感數(shù)字圖像處理》是一門系統(tǒng)研究遙感圖像理論、技術(shù)和應(yīng)用的課程（路元剛，2012）， 它是遙感科學(xué)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)等專業(yè)本科生的專業(yè)課（朱洪錦，2012；宋懷波，2014）。數(shù)字圖像處理技術(shù)的迅速發(fā)展使其分支幾乎擴(kuò)展到農(nóng)業(yè)信息科學(xué)的全部領(lǐng)域，該課程強(qiáng)調(diào)實踐性，實踐教學(xué)是創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的重要環(huán)節(jié)，對于培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能和理論實踐結(jié)合能力、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探索精神、提升科研能力，有著重要意義。因此，只有通過適時安排實驗課，才能收到最佳的教學(xué)效果。目前，國內(nèi)高校中該課程一般都安排有12個學(xué)時以上的實驗。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)GIS專業(yè)的《遙感數(shù)字圖像處理》課程于2009年開設(shè)，教學(xué)過程中重視實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，安排有20-24學(xué)時的上機(jī)實驗，按照教育部對實驗課的要求，實驗類型主要為驗證性和綜合性。雖然現(xiàn)有的實踐教學(xué)內(nèi)容不斷豐富，但仍以教師為主導(dǎo)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣沒有被完全調(diào)動，主動思考的意識尚有待提高。而現(xiàn)代教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主觀能動性，教學(xué)要以學(xué)生為中心，使學(xué)生處于主動的地位。因此，如何更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)遙感圖像處理的興趣、鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)理論知識并培養(yǎng)動手能力是在本課程課堂實踐環(huán)節(jié)中最重要的目標(biāo)之一。筆者所在的新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)GIS教研室的教師通過多年的課程實踐教學(xué)積累了一些經(jīng)驗，并在實踐中取得了很好的效果（朱磊，2014），需及時地進(jìn)行系統(tǒng)地梳理和總結(jié)，盡快建立起一套符合農(nóng)業(yè)類院校遙感圖像處理的課堂實踐教學(xué)模式，以規(guī)范和完善課程實踐教學(xué)的內(nèi)容并推動授課模式的改革，有助于提高GIS專業(yè)學(xué)生的遙感圖像處理的實踐能力。綜上所述，本研究擬將“研究型教學(xué)模式”和“問題導(dǎo)向型教學(xué)模式”引入到課程的課堂實踐環(huán)節(jié)中，構(gòu)建以學(xué)生為主導(dǎo)的實踐體系，使學(xué)生了解和掌握了圖像處理的主要內(nèi)容和方法，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作和創(chuàng)新思維能力，為今后深入學(xué)習(xí)專業(yè)課程和高質(zhì)量完成畢業(yè)論文奠定基礎(chǔ)。

二、實踐教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

1.調(diào)整課時安排

《遙感數(shù)字圖像處理》課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實踐動手能力，因而實踐教學(xué)在整個教學(xué)過程中占據(jù)重要地位。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)自2009年開設(shè)“遙感數(shù)字圖像處理”課程以來，課程總學(xué)時為50-52學(xué)時，其中實踐教學(xué)課程始終保持在20學(xué)時至24學(xué)時之間，占課程總課時量的近50%，高于其它同類高校約33%的平均比例（黃秋燕，2008）。較高的實踐教學(xué)課時，保證了學(xué)生能夠接觸到大量的綜合性實驗，并有足夠的時間能在教師指導(dǎo)的狀態(tài)下熟悉和掌握實踐技能，這對他們提高動手能力、積累實戰(zhàn)經(jīng)驗大有益處。全部課程共十章，除第一章緒論外，其余各章均安排有2-4學(xué)時的課堂實習(xí)。

2.補(bǔ)充教學(xué)材料

《遙感數(shù)字圖像處理》課程相關(guān)教材較多，我們選用的是韋玉春等主編的、科學(xué)出版社出版的《遙感數(shù)字圖像處理教程》（韋玉春，2007）。該教材結(jié)構(gòu)設(shè)置合理，對遙感數(shù)字圖像處理的基本概念和常用方法進(jìn)行了系統(tǒng)的講解。但限于篇幅，教材中對涉及到的其它遙感領(lǐng)域的一些定義、算法和思路僅做了概述，因此向?qū)W生推薦了多本輔助教材，如：趙英時主編的《遙感應(yīng)用分析原理與方法》（趙英時，2003）和戴昌達(dá)等主編的《遙感圖像應(yīng)用處理與分析》（戴昌達(dá)，2004）等。另外，鑒于教材中部分內(nèi)容的時效性，不能夠反映最新的研究動態(tài)，而這部分內(nèi)容恰恰是教材中最能夠引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的部分。因此，我們鼓勵學(xué)生自行檢索并下載閱讀近1-3年相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)，并推薦有能力的同學(xué)閱讀英文文獻(xiàn)。同時，引導(dǎo)學(xué)生充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，主動查閱資料，不斷更新知識庫、擴(kuò)展知識面。

3.推進(jìn)學(xué)科交織

遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）構(gòu)成了“3S”綜合應(yīng)用體系，遙感作為該系統(tǒng)最重要的數(shù)據(jù)源，與其他學(xué)科結(jié)合緊密。學(xué)生已初步具備了GIS和GPS的基本知識和操作技能。因此，教師適時地運用視頻、圖片等多媒體方式將“3S”實際應(yīng)用的案例穿插在理論講授過程中，讓學(xué)生了解遙感圖像處理在整個“3S”應(yīng)用體系中的作用和技術(shù)要求，以及RS如何與GIS和GPS銜接與集成。此外，積極引導(dǎo)學(xué)會學(xué)生觸類旁通、舉一反三，不僅要知道怎么做，而且知道為什么做，同樣的方法還能夠解決什么問題，碰到類似的問題時自己是否能夠獨立解決等等，這對學(xué)生日后面對實際工作、解決實際問題具有極大的幫助。

三、實踐教學(xué)方法改革

1.構(gòu)建任務(wù)導(dǎo)向式的實踐教學(xué)模式

根據(jù)實踐教學(xué)方案，各主要章節(jié)理論知識講授完畢后，均安排相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行上機(jī)實驗。課堂實驗選題設(shè)計為學(xué)生在未來的專業(yè)領(lǐng)域可能遇的“真實世界”的現(xiàn)實的問題，沒有固定的解決方法和過程。整個過程以自主探究和小組寫作為主，減少教師的“灌輸式”講述。在每一個任務(wù)完成和每個課程單元結(jié)束時進(jìn)行自我評價和小組評價，并定期進(jìn)行總結(jié)。如：第八章圖像分割上機(jī)實驗題目為“運用空間建模手段，提取給定影像上的植被信息，非植被區(qū)域保留原始影像”。通過完成該任務(wù)，學(xué)生可以復(fù)習(xí)、鞏固以下知識點和技能點：（1）歸一化植被的概念、作用和計算步驟，不同取值的指示意義；（2）如何為植被區(qū)域賦常量值，非植被區(qū)域保留原始影像；（3）借助專業(yè)圖像處理軟件ERDAS IMAGINE的空間建模平臺，構(gòu)建針對本任務(wù)的模型。上機(jī)實驗中任務(wù)的設(shè)計對教學(xué)效果極其重要，應(yīng)全面考慮學(xué)生對理論知識的掌握程度，并要求教師對重要知識點的提煉和融合，力求讓學(xué)生通過完成一個課堂任務(wù)來增強(qiáng)對理論知識的理性認(rèn)識，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

2.培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作意識和能力

實踐教學(xué)活動在我校綜合實驗樓GIS機(jī)房中進(jìn)行，作者本學(xué)期所帶的GIS132班共計29人，按照自愿結(jié)合的原則，分為10個小組（除第十組為2人外，各小組均為3人）。同一小組的同學(xué)座位相鄰，便于交流。每人一臺計算機(jī)，保證操作的獨立性。

首先用很短的時間對已學(xué)的相關(guān)知識進(jìn)行簡要的復(fù)習(xí)，讓學(xué)生較快地進(jìn)入到學(xué)習(xí)新知識的氛圍中來，并讓學(xué)生了解到本節(jié)課實踐內(nèi)容與復(fù)習(xí)內(nèi)容的相關(guān)性，為之后學(xué)生自主探究及實踐做鋪墊。

之后教師發(fā)布課堂任務(wù)，學(xué)生以小組為單位開展實踐。由于最終的考核是以小組為單位，所以組內(nèi)的每位成員都需按時完成任務(wù)，且保證質(zhì)量，小組內(nèi)部就會產(chǎn)生一種你追我趕的學(xué)習(xí)狀態(tài)，每個學(xué)生都不想因為自己的落后而影響整個小組。從而在小組內(nèi)自發(fā)形成“快帶慢、快幫慢”的學(xué)習(xí)模式。此外，在任務(wù)完成質(zhì)量同等的前提下，教師將對先完成任務(wù)的小組給出較高的分?jǐn)?shù)，各小組間也形成了競爭模式。先完成的小組可以幫助進(jìn)度較慢的小組，這種幫助其他同學(xué)完成任務(wù)的過程也會讓先完成的同學(xué)獲得成功的體驗，形成“任務(wù)一出，大家爭相完成”的學(xué)習(xí)氛圍。

3.改革學(xué)習(xí)考核評價方法

本研究運用上述授課形式，對GIS132班進(jìn)行了教學(xué)模式改革的嘗試，學(xué)期末通過對學(xué)生進(jìn)行的調(diào)查問卷，獲取了學(xué)生對知識掌握的情況及對該授課方式的意見和建議。最終，綜合學(xué)期考勤記錄、學(xué)生課堂表現(xiàn)記錄和期末調(diào)查問卷，得到課堂實踐教學(xué)模式改革的整體效果評價，結(jié)果顯示：（1）學(xué)生出勤率較高，完成作業(yè)情況較好，課程學(xué)習(xí)的積極性較高：全班共計29人，本課程包含13個教學(xué)周，總計曠到1人次、請假2人次、遲到5人次；課后書面作業(yè)5次，總計4人次未按時提交，作業(yè)正確率較高。（2）學(xué)生對知識點的掌握更為牢固，調(diào)查問卷顯示90%以上的學(xué)生認(rèn)為通過本學(xué)期的學(xué)習(xí)，掌握了遙感數(shù)字圖像處理的主要步驟和方法，了解了實際應(yīng)用的領(lǐng)域。（3）課堂實踐教學(xué)模式取得了較好的效果，全班認(rèn)為“問題導(dǎo)向型模式”和“小組協(xié)作型模式”有助于課堂理論知識的鞏固和實踐操作技能的提高的比例達(dá)到100%。

四、結(jié)語

《遙感數(shù)字圖像處理》課程是地理信息科學(xué)專業(yè)本科生的專業(yè)必修課，在整個課程體系中占有重要地位。該課程在理論和方法的課堂教學(xué)之外更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實踐能力，因此該課程的課堂實踐教學(xué)顯得尤為重要。本研究探索性地將“研究型教學(xué)模式”和“問題導(dǎo)向型教學(xué)模式”引入到課程的課堂實踐環(huán)節(jié)中，構(gòu)建了以學(xué)生為主導(dǎo)的實踐體系，同時編制《遙感數(shù)字圖像處理實驗手冊》。該教學(xué)模式在提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性及培養(yǎng)團(tuán)隊意識等方面取得了較好的效果，。今后的教學(xué)改革中，如能將該模式與翻轉(zhuǎn)課堂等其它先進(jìn)的教學(xué)模式進(jìn)行合理地組合，將開創(chuàng)《遙感數(shù)字圖像處理》課程課堂實踐教學(xué)的新模式，進(jìn)一步提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的效率，并有助于探索出一套適合GIS本科生實踐技能和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的開放式的綜合教學(xué)體系。

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支持項目：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)教改項目“地理信息系統(tǒng)專業(yè)《遙感數(shù)字圖像處理》課堂實踐教學(xué)模式探索研究”

第一作者（通訊作者）： 朱磊（1982- ），男，漢族，新疆庫爾勒人，講師，博士。研究方向：遙感和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用、土地利用/土地覆被變化研究。