Python 軟件在地理信息科學(xué)專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用
——以“遙感數(shù)字圖像處理”課程為例

韓 瑛

（海南師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，海南海口 570000）

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，大數(shù)據(jù)思想應(yīng)運(yùn)而生，智能信息技術(shù)飛速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）成為了空間信息研究的重要學(xué)科和手段。遙感技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)、實(shí)用的新型技術(shù)也隨之發(fā)展起來(lái)，并在我國(guó)的地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和地球科學(xué)研究等方面發(fā)揮著巨大作用，國(guó)內(nèi)各大高校順應(yīng)時(shí)代變化相繼開設(shè)了遙感技術(shù)相關(guān)課程，以滿足當(dāng)今社會(huì)及用人單位對(duì)高素質(zhì)遙感技術(shù)專業(yè)人才的需求，海南師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院就開設(shè)了遙感概論、遙感地學(xué)分析與解譯、遙感數(shù)字圖形處理等遙感類相關(guān)課程。高等院校是培養(yǎng)遙感技術(shù)人才的搖籃，如何針對(duì)高校自身特點(diǎn)，提高學(xué)生對(duì)地理信息專業(yè)的興趣及主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)高素質(zhì)遙感專業(yè)人才成為課程教學(xué)的核心問(wèn)題。

近年來(lái)，Python 軟件以其開源、代碼可讀性強(qiáng)、多平臺(tái)可移植性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)、生活、科研等領(lǐng)域。Python軟件在地理信息科學(xué)的應(yīng)用具有很大潛力，可以有效地減少學(xué)生的程序編譯難度，高效實(shí)現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)的處理分析，提高工作效率。

本文以培養(yǎng)地理信息專業(yè)的應(yīng)用型人才為目的，針對(duì)海南師范大學(xué)遙感數(shù)字圖像處理課程教學(xué)提出一系列改革和實(shí)踐探索意見。

一、“遙感數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

我校自開設(shè)遙感數(shù)字圖像處理專業(yè)課程以來(lái)，積極參考國(guó)內(nèi)相關(guān)專業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，不斷完善課程教學(xué)模式。隨著遙感技術(shù)專業(yè)性人才的需求日益增大，我校目前的“遙感數(shù)字圖像處理”課程在教學(xué)模式方面仍存在一些不足，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、授課方式與考核體系傳統(tǒng)

“遙感數(shù)字圖像處理”作為一門理論性較強(qiáng)的課程，多采用課堂講授的形式進(jìn)行授課，課堂講授的授課形式占全部課時(shí)的68.75%；實(shí)際操作部分采用經(jīng)典案例分析的手段?！斑b感數(shù)字圖像處理”課程中的理論知識(shí)較為抽象，授課教師很難在有限的授課時(shí)間內(nèi)講全、講透其中的知識(shí)，很難引起學(xué)生的注意力進(jìn)而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?？己朔绞街饕捎闷谀┛荚嚲砻娉煽?jī)（70%）和實(shí)際操作成績(jī)（30%）相加的考核形式。這種傳統(tǒng)的考核方式使授課教師很難準(zhǔn)確了解學(xué)生們的學(xué)習(xí)狀態(tài)和知識(shí)的掌握程度。同時(shí)，部分學(xué)生存在僥幸心理，因此也會(huì)在課程中“劃水”。

2、學(xué)生應(yīng)用軟件能力較弱

目前“遙感數(shù)字圖像處理”課程多采用ENVI（The Environment for Visualizing Images）和Matlab 作為實(shí)驗(yàn)課程的工具軟件。雖然，地理信息科學(xué)專業(yè)的學(xué)生會(huì)在本科一、二年級(jí)時(shí)學(xué)習(xí)C 語(yǔ)言和Java 等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類課程，但是像ENVI 和Matlab 這樣較為專業(yè)過(guò)于依賴計(jì)算機(jī)語(yǔ)言基礎(chǔ)的軟件，學(xué)生很難在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中熟練掌握，應(yīng)用這些語(yǔ)言編程還是會(huì)而不精，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程的興趣下降。

3、實(shí)驗(yàn)課程多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主

實(shí)踐教學(xué)是創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能和理論實(shí)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。從課程體系設(shè)置、實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)、大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃和教師科研課題等幾個(gè)方面為學(xué)生提供多樣化的實(shí)踐途徑，豐富了實(shí)踐教學(xué)體系。實(shí)驗(yàn)課程是鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力，消化并更好掌握理論知識(shí)的重要環(huán)節(jié)。然而，在實(shí)驗(yàn)課程中多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生按照既定的步驟去完成結(jié)果已知的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不僅會(huì)使學(xué)生失去動(dòng)手操作的興趣，也限制了學(xué)生的想象力。

二、Python 軟件的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)

Python 軟件是由Guidovan Rossum 于1989 年發(fā)明并與1991 年開始發(fā)行使用，是面向?qū)ο蠼忉屝统绦蛘Z(yǔ)言。相比于傳統(tǒng)的C 語(yǔ)言、Java 語(yǔ)言，Python 軟件具有簡(jiǎn)單易學(xué)、可擴(kuò)展、可嵌入、免費(fèi)開源、可移植、豐富的庫(kù)等眾多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像處理等各個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著Python 語(yǔ)言不斷完善、功能不斷強(qiáng)大，使其逐漸受到了各大高校教育工作者的青睞。

Python 軟件在地理信息科學(xué)的應(yīng)用具有很大潛力。作為ArcGIS 軟件的腳本語(yǔ)言之一，Python 軟件可以與ArcPy、GIS在教學(xué)與實(shí)踐中有效結(jié)合，并且還可以將ENVI/IDL 開發(fā)的功能集成到ArcGIS 中。Python 軟件在“遙感數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：

1、地理信息科學(xué)的學(xué)生不會(huì)像計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生一樣進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言學(xué)習(xí)，計(jì)算機(jī)語(yǔ)言學(xué)習(xí)的課時(shí)和學(xué)習(xí)時(shí)間有限，使得學(xué)生很難有效掌握遙感數(shù)字圖像處理的相關(guān)軟件，嚴(yán)重打擊了學(xué)生的積極性和主觀能動(dòng)性。Python 語(yǔ)言相比“遙感數(shù)字圖形處理”中常用的軟件ENVI，Matlab 軟件具有編譯語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，可以使學(xué)生在短時(shí)間看到軟件學(xué)習(xí)的成果，學(xué)生可以按照自己的想法實(shí)現(xiàn)并完成既定的教學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及動(dòng)手動(dòng)腦能力。

2、Python 是開源免費(fèi)軟件，可以大大降低教學(xué)運(yùn)行的成本，并且授課教師可以把主要精力放在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問(wèn)題的能力上，壓縮了在編程語(yǔ)言上講解的時(shí)間。學(xué)生也可以不用將大量時(shí)間花費(fèi)在編程語(yǔ)言的學(xué)習(xí)上。

3、Python 軟件具有可擴(kuò)展、可嵌入和可移植的特點(diǎn)，其能夠與ArcGIS、Matlab 等軟件相結(jié)合解決遙感數(shù)字圖像處理問(wèn)題和地理信息問(wèn)題。Python 軟件具有強(qiáng)大的第三方庫(kù)，其中numpy、scipy、pillow 等工具包提供了大量數(shù)字圖像處理功能和豐富的圖形繪制功能，豐富了學(xué)生解決遙感數(shù)字圖像處理問(wèn)題和地理信息問(wèn)題的手段，學(xué)生可以通過(guò)豐富的想象力解決相應(yīng)的問(wèn)題。

隨著我國(guó)遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，各大企業(yè)和公司急需實(shí)用性尖端人才。利用Python 軟件的優(yōu)勢(shì)將其引入“遙感數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)中來(lái)，可以很好地滿足用人單位及學(xué)生的需求。

三、利用Python 軟件開展“遙感數(shù)字圖像處理”課程改革

針對(duì)目前我校的“遙感數(shù)字圖像處理”課程在教學(xué)模式方面存在的一些不足，結(jié)合Python 軟件的優(yōu)勢(shì)，提出以下“遙感數(shù)字圖像處理”課程改革意見：

1、理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合

目前，學(xué)校的學(xué)分制度使學(xué)生在選課問(wèn)題上有更大的空間和靈活度，但是這種理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的分離選課模式會(huì)導(dǎo)致理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同步的現(xiàn)象出現(xiàn)，往往是理論學(xué)習(xí)之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間還沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這使得學(xué)生很難把理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，缺少理論的鋪墊，會(huì)使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中表現(xiàn)出無(wú)從下手，應(yīng)付課程的現(xiàn)象出現(xiàn)。因此在選課的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該將理論和實(shí)踐教學(xué)合并選取，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)習(xí)并理解理論知識(shí)。

2、提高學(xué)生興趣進(jìn)而提升學(xué)生的主觀能動(dòng)性

豐富課堂教學(xué)，提升教學(xué)課件的質(zhì)量，采用“黑板”和“多媒體課件”相結(jié)合的方式授課，為學(xué)生生動(dòng)展現(xiàn)課程理論中難以理解的部分。增加Python 軟件學(xué)習(xí)的相關(guān)課程，利用Python 軟件學(xué)習(xí)操作簡(jiǎn)單、呈現(xiàn)結(jié)果多樣性的特點(diǎn)，以圖形的可視化手段解決實(shí)驗(yàn)課程的相關(guān)問(wèn)題，提高學(xué)生的研究興趣。教師在采用Python 軟件教學(xué)的過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)體現(xiàn)軟件操作簡(jiǎn)單、編程語(yǔ)言容易理解的特點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生放下軟件學(xué)習(xí)的包袱并激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性。

3、教研一體化，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

教師在進(jìn)行“遙感數(shù)字圖像處理”的授課過(guò)程中采用教研一體化模式，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與發(fā)現(xiàn)、探索和討論所學(xué)知識(shí)。教師應(yīng)結(jié)合自身在科學(xué)研究中遇到的問(wèn)題和掌握的經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考課程在實(shí)踐過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題，并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題；授課教師應(yīng)不拘泥于書本上常規(guī)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容鼓勵(lì)學(xué)生充分發(fā)揮想象，針對(duì)實(shí)際研究中出現(xiàn)的問(wèn)題與學(xué)生積極討論各種方案的可行性來(lái)豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

4、科學(xué)評(píng)估課程考核成績(jī)

課程考核是檢驗(yàn)評(píng)估教學(xué)成果的重要手段，秉承考核的科學(xué)性與公正性，應(yīng)依據(jù)牢固理論知識(shí)、培養(yǎng)并強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)操作技能和創(chuàng)新能力的思想，注重多元化考核，綜合評(píng)價(jià)學(xué)生課程學(xué)習(xí)效果。采用期末考試與過(guò)程考核相結(jié)合的考核模式進(jìn)行考核，即期末考核50%和過(guò)程考核50%的綜合考核方式。期末考核采用卷面考試方式，評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度；而過(guò)程考核主要采用實(shí)際操作和小組專題設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，考查學(xué)生綜合應(yīng)用遙感數(shù)字圖像處理這門課程的能力。在理論考核方面，除了考察學(xué)生在重點(diǎn)知識(shí)的掌握程度外，有目的地增加在實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的分析與解決能力方面的考核。在實(shí)驗(yàn)操作考核方面，除了考察學(xué)生在常規(guī)命題中分析解決問(wèn)題的能力外，增加開放性命題，其目的在于考核學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，盡量消除學(xué)生“考試突擊、死記硬背就能考高分”的思想。

四、結(jié)束語(yǔ)

Python 軟件簡(jiǎn)單易學(xué)、免費(fèi)開源和功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，將其融入到海南師范大學(xué)“遙感數(shù)字圖像處理”課程改革中，針對(duì)高校與學(xué)生的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合、教研一體化、提高學(xué)生興趣與創(chuàng)新性和課程評(píng)估考核等方面進(jìn)行課程改革，提高學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣及創(chuàng)新能力，加強(qiáng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。授課教師應(yīng)不斷提高課堂教學(xué)氛圍，使學(xué)生在輕松、愉快和高效的學(xué)習(xí)環(huán)境中不斷提升專業(yè)水平。