情景體驗在遙感應用模型教學中的探索

徐世武 饒蕾

遙感應用模型是遙感的一種定量化手段，基于航天、航空傳感器獲取的地球表層資源與環(huán)境觀測數(shù)據(jù)，建立物理模型將遙感信息與觀測目標參量聯(lián)系起來，以研究陸地表面特征參量及其時空變化規(guī)律，在我國農業(yè)、林業(yè)、土地管理、城鄉(xiāng)規(guī)劃、環(huán)境保護、災害監(jiān)測和預警等領域被廣泛應用?！哆b感應用模型》課程是遙感科學與技術專業(yè)方向的一門專業(yè)主干課程，采用“理論課+課程實習+課題研究”的方式教學，以培養(yǎng)學生利用相關理論、方法與技術解決遙感領域復雜工程問題的能力。2020年10月中共中央、國務院印發(fā)了《深化新時代教育評價改革總體方案》，提出堅持以立德樹人為主線，以破“五唯”為導向，以五類主體為抓手，著力做到政策系統(tǒng)集成、舉措破立結合、改革協(xié)同推進，提出要樹立正確用人導向、促進人崗相適。近年來，隨著空間傳感器技術突飛猛進的發(fā)展，遙感的新概念、新理論不斷提出，知識內容越來越豐富，應用范圍越來越廣，遙感行業(yè)的人才需求也逐漸向前沿性、綜合性、創(chuàng)新性發(fā)展。因此，遙感應用模型的教學也應該順應形勢的需要，在兼顧遙感科學發(fā)展前沿的同時結合專業(yè)實際需求不斷進行改革和調整。本研究以《遙感應用模型》課程教學改革為案例，引入情景體驗教學模式，模擬真實遙感生產(chǎn)應用中的工程活動來說明抽象的遙感理論，培養(yǎng)學生自主學習能力，達到提升學生專業(yè)能力和實踐應用的教學目的。

《遙感應用模型》是一門遙感技術應用類課程，要求學生除了掌握遙感科學、地理信息系統(tǒng)等基礎理論外，還應具備軟件操作、儀器使用、模型設計等實踐技能。目前該課程教學效果與預期仍有差距，存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

課程教學內容陳舊。教師授課的教學內容“老化”，更新速度慢，基本上為較為成熟的理論知識，缺乏對該學科前沿性知識的探索，不能適應行業(yè)發(fā)展的需求。降低了課程的吸引力，導致學生學習積極性不高。

授課方法單調，學生被動接受。雖然教育界研究和實踐了多種授課方式，但在實際授課過程中，教師教少運用討論、實驗、調查、演講等現(xiàn)代化、混合式教學方法，普遍使用的是“灌輸式”、“滿堂灌”，這些授課方法使得學生處于被動狀態(tài)，參與性不強，不敢或 “沒機會”去挑戰(zhàn)知識的權威，久而久之導致學生學習興趣下降，思想消極被動，缺乏對知識的批判與探索精神，創(chuàng)新能力薄弱。

研討式教學效果不佳。雖然有探索進行研討式教學，但仍以講授基礎理論和應用案例為主，課上交流研討內容比較少。實際教學中存在兩方面難點：一方面是對授課教師要求較高，需要及時跟蹤學科前沿動態(tài)，大量閱讀最新學術文獻，在深度和廣度上要兼顧，才能在滿足學生相對廣泛研究興趣的同時，能夠對具體專業(yè)方向的問題進行較為深入的指導；另一方面，對學生的基礎知識和動手能力要求較高，需要學生無障礙閱讀英文文獻、深入了解相關專題的基礎知識、編程實驗能力足夠，而與這些要求相關的前序外語、數(shù)學、程序設計、專業(yè)課等課程學生學得不夠全、不夠深，對參與直接對接國際水平的前沿討論課學習造成困難。

為了適應行業(yè)發(fā)展需要，提出了情景體驗的教學模式，構建“知識講授→分組→選題→遙感生產(chǎn)模擬→分析反思→歸納總結→小組匯報”的教學主線，以充分調動學生的積極性、主動性和創(chuàng)造性，彌補以往理論課堂講授只注重知識灌輸，而不注重知識理解與應用的弊端，促進“教師引導-師生互動-自主學習”的良性循環(huán)，以真正體現(xiàn)融“教、學、做”于一體化的教學流程與人才培養(yǎng)目標。

本文從教學流程、實施過程、考核方式三個方面探索情景體驗模式教學的應用。

（一）教學流程設計

哈佛大學David Kolb教授1984年提出了體驗學習圈模型，將學習過程分為四個階段，即體驗階段（Concrete Experience）、反思階段（Reflective Observation）、歸納階段A b s t r a c t Conceptualization）和應用階段（A c t i v e Experimentation）。結合該理論，將遙感應用模型課程教學劃分為課堂教學階段、遙感體驗階段、分析反思階段和歸納總結階段。如圖1所示。

在課堂教學階段，首先進行基礎理論的講授，包括遙感應用模型基礎知識、遙感的定量化模型、植被冠層反射模型、土地覆蓋/土地利用自動更新技術的應用、農作物長勢遙感監(jiān)測方法與技術、農田旱情遙感監(jiān)測模型、洪澇災害雷達遙感監(jiān)測模型、遙感和生態(tài)過程模型方法結合的原理與應用等基本理論內容。在此基礎上，結合當前社會應用情況，選取植被遙感、國土遙感、農業(yè)遙感和生態(tài)遙感四個專題，重點講解行業(yè)熱點應用案例。

在遙感體驗階段，通過“課程實習+課題研究”的方式讓學生多交角度體驗遙感技術應用，設計熟悉生產(chǎn)環(huán)境、操作主流遙感生產(chǎn)平臺、真實數(shù)據(jù)遙感實驗等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)遙感生產(chǎn)活動過程的模擬。

在分析反思階段，通過小組討論和課堂陳述，分析不同應用場景下選取遙感模型的差異，探討不同技術方法、閾值設置等造成的實驗結果差異，驗證遙感應用模型的適用性。

在歸納總結階段，探討當下前沿遙感技術的發(fā)展，結合案例分析植被遙感、國土遙感、農業(yè)遙感和生態(tài)遙感領域存在的問題，探索解決思路。同時，總結實驗場景下各應用的最優(yōu)技術方法、經(jīng)驗參數(shù)等。

（二）教學實施過程

為發(fā)揮學生的主觀能動性，提高學生的實踐能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，采用“理論講授+課程實習+課題研究”的方式教學，以培養(yǎng)學生利用相關理論、方法與技術解決遙感領域復雜工程問題的能力。在課程實習環(huán)節(jié)將學生進行分組，每組4～5人，各小組獨立完成實習內容，同時安排研究性任務以提高科研能力。

1. 課堂教學階段

課堂教學階段注重基礎理論的講授，培養(yǎng)學生掌握遙感、地理信息科學的專業(yè)理論，并能將相關理論、方法與技術有效運用于解決遙感領域復雜工程問題。課程內容包括：遙感應用模型基礎知識、遙感的定量化模型、植被冠層反射模型、土地覆蓋/土地利用自動更新技術的應用、農作物長勢遙感監(jiān)測方法與技術、農田旱情遙感監(jiān)測模型、洪澇災害雷達遙感監(jiān)測模型、遙感和生態(tài)過程模型方法結合的原理與應用等。同時結合前沿技術擴展專業(yè)應用和行業(yè)應用探索，拓寬學生的知識面，提高學習興趣：

在專業(yè)應用探索方面，主要側重遙感學科自身的基礎應用。選取“高精度建設用地變化自動提取技術在土地督察中的應用”、“土地督察易混地物最大似然分類綜合改進方法研究”等課題，先講解課題應用場景、預期解決的問題，然后提出研究目標，要求學生以小組為單位進行討論、總結、匯報，最后請相關科研團隊將其科研成果進行分享，創(chuàng)造學生與科研一線人員當面溝通、交流的機會。

在行業(yè)應用探索方面，教學內容既要突出行業(yè)應用，又要突出研究性、實踐性和科學前沿性。選取“一種深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡土地利用場景遙感影像的分類方法”課題，探索深度學習在遙感影像分類領域的應用，將實際應用和科學研究中的熱點問題引入到實踐教學，從而將學生較早地帶入到遙感應用領域的研究前沿，在教學內容上具有前瞻性、綜合性、應用性和研究性。

2. 遙感體驗階段

遙感體驗階段，為了模擬遙感生產(chǎn)活動，培養(yǎng)學生的自主學習和實踐創(chuàng)新能力，將實踐教學內容進行整合，設計基礎操作實習、專題應用實習和遙感課題研究三個方面的教學內容。

基礎操作實習，主要包括遙感軟件的操作和遙感圖像的基礎處理，強化遙感基礎和專業(yè)。學生通過熟悉生產(chǎn)環(huán)境、操作主流遙感生產(chǎn)平臺、使用真實數(shù)據(jù)進行遙感實驗，熟悉ENVI、ArcGIS、SPSS 等常用生產(chǎn)軟件，掌握光學遙感圖像預處理過程，包括：輻射定標、影像鑲嵌、影像裁剪、大氣校正、圖像分類、影像預判等。實施過程中，教師首先進行一定程度的講解，包括專業(yè)基礎知識內容和軟件基本功能，幫助學生在短時間內熟悉軟件。然后，設置實習目標，以小組為單位自主討論、完成實習內容，最后要求每個學生獨立完成實習報告。既培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，又鍛煉學生的協(xié)作能力、表達能力。

專題應用實習，是在完成基礎操作實習的基礎上結合專題應用進行的實踐。實習內容從專業(yè)應用和行業(yè)應用常見問題出發(fā)，設計了植被指數(shù)及植被覆蓋度估算、地表溫度反演、基于高分辨率影像城市綠地信息提取和基于遙感的自然生態(tài)環(huán)境監(jiān)測四個專題，挑選了行業(yè)內常用圖像，如：Landsat 8、SPOT 5、WorldView-2等，模擬真實應用場景，讓學生通過實習掌握解決遙感領域工程問題的方法，提高實踐能力。在實施過程中，首先講解實習目標、實習內容，介紹實習流程及相關理論知識，然后以小組為單位讓學生開展專題應用實習，引導學生查閱文獻、分析問題，創(chuàng)造小組間交流機會，最終各組形成實習報告并展示。強化學生對遙感應用的理解。

遙感課題研究，是在學生對專業(yè)應用和行業(yè)應用總結歸納的基礎上，選取遙感應用領域的研究熱點開展的探索性研究，是教學內容的延伸。實施過程中要求學生圍繞遙感學科的前沿問題或者應用問題進行自由命題，或選擇備選課題，如“一種深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡土地利用場景遙感影像的分類方法”，以小組為單位根據(jù)選擇的課題進行自主實踐，引導學生查閱文獻、提煉問題、分析問題、歸納總結、編寫課題論文，最終形成課題報告，完成研究成果匯報及討論。通過將實際應用和科學研究中的熱點問題引入到實踐教學，考察學生對學科前沿問題的捕捉能力、對關鍵問題的把握能力和解決問題的實踐能力。

3. 分析反思階段

采用討論和匯報為主的混合式研討教學模式。將學生分按每組4～5 人進行分組，以小組為單位開展基礎操作實習、專題應用實習和遙感課題研究階段的討論和成果匯報。預留充分的課下準備周期，保證學生有足夠的時間自學、閱讀文獻、制作匯報材料；課堂上提高每組學生的討論效率，要求小組間互相提問，促進學生積極參與、研討深入。

4. 歸納總結階段

完成實習和課題研究的分析、驗證后，需要每個小組提交、展示他們的實習和研究成果，并讓其他小組選一名代表進行點評。學生與教師一起探討當下前沿遙感技術的發(fā)展，結合案例分析植被遙感、國土遙感、農業(yè)遙感和生態(tài)遙感領域存在的問題，探索解決思路。同時，總結實驗場景下各應用的最優(yōu)技術方法、經(jīng)驗參數(shù)等，讓學生能夠揭開自身問題的本源，及時做好記錄。匯報結束后，教師對學生的成果給予評價與肯定，增強學生心理上的滿足感與成就感，進一步培養(yǎng)學生對遙感專業(yè)的興趣。

（三）教學考核方式

為避免考核結果的片面性，確保遙感應用模型課程成績公正性，從以下幾方面進行考核。

平時考核：主要考核學生學習過程的參與程度，平時考核包括作業(yè)成績、課堂提問和出勤情況。

期末考核：采用閉卷考試，考核內容覆蓋所有課程目標。

實習考核：主要考核學生實習完成情況，包括實習報告的撰寫、實習成果的匯報兩部分。評定過程中，通過實習成果匯報，考察學生專業(yè)知識的掌握水平、解決問題的實踐能力、對關鍵問題的凝練能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。

本文針對遙感應用模型課程的教學模式改革進行探討，引入情景體驗教學模式，模擬真實遙感生產(chǎn)應用中的工程活動來說明抽象的遙感理論，取得了良好的教學成效。遙感科學與技術是一個應用性教強的專業(yè)，良好的綜合實踐經(jīng)驗與科研訓練技能將為學生今后的深造和進一步發(fā)展奠定基礎。

作者單位：徐世武 中國地質大學（武漢）

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