InSAR技術與應用課程教學探索與改革

蔣 彌， 陳賽楠

（1.中山大學測繪科學與技術學院，廣東珠海 519000；2.河海大學地球科學與工程學院，南京 211100）

0 引 言

遙感技術是一門與現(xiàn)代物理學、計算機技術和地理學密切相關的綜合性探測技術［1］，為科研機構或高校培養(yǎng)了大批專業(yè)人才，使其能夠在城市資源、規(guī)劃管理和基礎設施等領域開展與地理信息相關的研究工作。合成孔徑雷達技術，作為一種新型遙感手段，已經(jīng)有成熟的獲取與使用方式，然而由于大眾可接觸性和傳播限制，更多的存在于與遙感有關的專業(yè)教育中［2］。針對遙感課程普遍存在的內(nèi)容繁復、體系不明、側重光學數(shù)據(jù)、課程理論性強等問題，開設專門的InSAR技術與應用課程是有必要的。高校的雷達通識教育課程一般作為公共選修課開設，普及面不廣，注重技術層面，忽略學科課程的介紹，不能直接體現(xiàn)課程的性質(zhì)。在全球變化的時代，材料、能源、人地關系中的信息流動以及地理限制在世界范圍內(nèi)都適用，因此，必須從全球和國家的角度考慮區(qū)域性、可持續(xù)發(fā)展的問題。課程設計中的課程引入部分強化了這一概念，加強了全球問題中合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric synthetic aperture radar，InSAR）數(shù)據(jù)的應用介紹，以科學思想，大國責任作為教學基石使學生從全球角度考慮區(qū)域問題，能夠發(fā)展其全球意識和民族意識。

部分高校已開設的雷達課程的主要目標只是將SAR影像作為繼文字和地圖之后最直觀的第3 種遙感地理語言進行課程講解，本文通過引入Matlab 軟件處理與認知延伸相結合，可以快速提升學生的地理能力，不僅要讓學生明確理論知識，更要根據(jù)就業(yè)市場需求合理安排課程內(nèi)容，增加實踐操作課程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。利用翻轉課堂理念，打破傳統(tǒng)的教學分離模式，以學生能接受的方式傳輸知識，這是進行課程改革的初衷［3］。

1 InSAR技術與應用課程教學現(xiàn)狀

近年來，地理信息系統(tǒng)（GIS），遙感技術（RS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）的綜合利用，已形成了一個集成的實時動態(tài)地球觀測體系，為科學研究，政府管理和社會生產(chǎn)提供了新型觀察手段［4］。在3S 集成化技術系統(tǒng)中，遙感技術作為“數(shù)字地球”概念的理論基礎，既是空間數(shù)據(jù)采集和分類的有效工具，又是地理信息系統(tǒng)重要的信息源［5］，為環(huán)境、礦產(chǎn)、海洋、氣象等領域提供大量數(shù)據(jù)。

InSAR技術與應用是遙感專業(yè)課程體系建設的一個重要環(huán)節(jié)。隨著技術發(fā)展，SAR 影像的分辨率越來越高，數(shù)據(jù)類型也越來越豐富，這些特征對數(shù)據(jù)處理階段提出了新的挑戰(zhàn)。自然資源部發(fā)布的衛(wèi)星遙感應用報告提出，要加強衛(wèi)星應用技術創(chuàng)新和人才培養(yǎng)，將遙感技術轉化為自然資源管理賴以支撐的現(xiàn)實生產(chǎn)力。面對科技革命帶來的重大機遇，高等教育的變革無疑首當其沖，從全球范圍來看，高校教育領域?qū)Ω母锏奶剿鞑辉Ｖ梗碌男蝿菹乱髮嶒灲虒W的體系、模式和組織形式必須做出相應的變革。InSAR技術與應用課程可以通過展示與全球和地區(qū)相關的材料來提高學生的全球和國家意識，相較于光學影像，全天時全天候的SAR數(shù)據(jù)更是一種值得熟知的地理數(shù)據(jù)。與合成孔徑雷達相關的課程一直是高校中的薄弱環(huán)節(jié)，存在著①雷達專業(yè)課程開設較少，?；祀s于3S 課程中；②學生對合成孔徑雷達的認知性較低；③對于SAR 數(shù)據(jù)處理缺乏實際應用等幾方面的問題。

鑒于上述情況，重新規(guī)劃設計SAR課程體系內(nèi)容與上課形式，建立多層次化的課程體系，創(chuàng)新性地提出在SAR課程中增加理論源起與編程實踐，可以很好地解決學生為什么學、如何學、學有何效果的問題，激發(fā)學生學習的興趣。通過合理組織課程內(nèi)容，將理論知識教育與具體實驗例子結合，能夠更高效地培養(yǎng)學生數(shù)據(jù)處理實踐能力。

2 課程教學改革

1956 年，布盧姆受行為主義和認知心理學的影響對教育目標進行系統(tǒng)分類研究，將認知過程分為記憶、理解、應用、分析、評價、創(chuàng)造6 個類別［6］。對照認知模型而言，高校教學體系中的理論教學對應著知識的記憶與理解，實踐教學則對應著其余更高層次的認知維度。認知高維度的前提是先認知該維度以下的所有低復雜程度，但同時6 個認知層級在復雜程度上有所重疊，從這個意義上講，將理論教學與實踐教學兩者有機結合起來才能真正體現(xiàn)教育的本質(zhì)特征，這也是教育改革的重難點。

2.1 翻轉課堂教育理念

學生的學習過程通常由信息傳遞和吸收內(nèi)化兩個階段構成。第1 階段由教師將課程內(nèi)容傳授給學生，第2 階段由學生在課后鞏固課堂知識，由于缺乏交流與互助，在吸收內(nèi)化階段學生容易失去學習主觀性。借助翻轉課堂的理念，對學習過程進行階段重構，能夠有效改善這一問題［7］。

信息時代的大環(huán)境下，高校學生熟悉各類電子產(chǎn)品和軟件，InSAR技術與應用課程作為信息量大，實用性強的課程，有著大量的素材需要傳輸給學生。通過建立相關課程網(wǎng)站，由教師制作短小的視頻精簡介紹重點知識，可以在信息傳遞階段增加學生課前在線視頻輔導［8］。根據(jù)每節(jié)視頻后的相關問題回答情況設置反饋專項，既能讓學生可以重復觀看，及時檢測自己的課前學習情況，也能讓教師獲知學生的學習難點，進行針對性課堂答疑。課程網(wǎng)站的建立給予教師更多可支配的課堂時間，相應地可以將吸收內(nèi)化階段移至課堂之上，使課堂時間不僅是用于傳授知識，更是用來給予機會讓學生之間相互交流，增加學生和教師個性化溝通。學生的課后復習和知識鞏固采用借助教學視頻的直接指導和建議式學習的混合模式，也使得因病或參加活動的學生不會缺少關鍵內(nèi)容的學習［9］。

2.2 課程導入

對于一個日常生活很難接觸的新興學科，學生在接受知識教育的時候會自然地存在抵觸，歸根到底是因為不能產(chǎn)生自我關聯(lián)感。InSAR技術與應用相較于其他遙感課程的特點正是其作為新興學科給學生帶來的陌生感，為此，在課程導入階段從與理論相關的背景入手，激發(fā)學生的探究興趣。第二次世界大戰(zhàn)中為了預防敵方戰(zhàn)機，軍事部門采取向空中發(fā)射和接收電磁波的方式作為雷達探測手段，進一步發(fā)展出了以電磁波頻譜中的微波作為媒介，利用傳感器接收被觀測對象散射特征的新型雷達技術，此后經(jīng)過專家學者多重研究探索，合成孔徑雷達技術得以在更多領域應用。通過在首節(jié)課程中生動引入SAR的起源發(fā)展，而不是直接從數(shù)據(jù)處理的專業(yè)知識切入能為學生帶來更好的課程體驗［10］。

知識的學習是為了應用，合成孔徑雷達技術已被廣泛應用在生活中的方方面面，引入課程教學所在地的SAR影像，通過教師課前的處理，可以直觀顯示給學生近幾十年來的地形沉降現(xiàn)象，讓受眾體會到雷達技術的實用性。主動遙感技術更多地被使用于自然災害監(jiān)測領域，地殼形變、滑坡、洪水、巖崩以及水庫誘發(fā)地震監(jiān)測等均可使用SAR影像進行實時觀測［11］。作為全球性的監(jiān)測工具，撒哈拉沙漠下的古河道的探測成為SAR數(shù)據(jù)最著名的應用實例，表明微波成像區(qū)別于光學成像，能有效穿透掩蓋物，獲取地表下信息。通過教師選擇生活區(qū)域周圍的監(jiān)測實例以及近期內(nèi)的全球自然災害事件進行案例講述，能夠使學生更好地融入課堂，增加其全球意識與主觀能動性；同時引入由學生主導的助教專題模式，鼓勵學生掌握課堂，成為知識的主人。

2.3 實踐教學

高等教育肩負著科技興國和人才強國的重任，實踐教學作為其難以替代的主要構成，在培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)方面起到了重要作用［12］。在學生對SAR有了基礎認識之后，如何實際操作進行SAR數(shù)據(jù)處理是課程的重點。雖然現(xiàn)有的軟件能夠支撐SAR 影像的基本處理，但依靠軟件進行的處理不夠靈活，且會使學生產(chǎn)生思維固化。InSAR技術與應用課程強調(diào)對學生知識遷移能力的培養(yǎng)，學生可以自由選擇感興趣的課程專題進行小組合作，由教師在課程教學中引入可用于算法開發(fā)和數(shù)據(jù)分析的Matlab 軟件作為數(shù)據(jù)處理輔助工具，與依靠軟件不同，課程引導學生由Matlab 進行同樣功能的處理，既可以處理數(shù)據(jù)，也能增強編程能力，提高創(chuàng)新性［13］。以影像濾波為例，常用的Lee 、Refined Lee等濾波方式在遙感軟件中都有簡便使用的方式［14］，然而機械式的使用并不能讓學生充分理解其原理，課程可以通過講解Lee濾波的原理，半講解半引導式的帶領學生使用Matlab 軟件編程相同功能的濾波方法，再讓其進行方法變化與改進嘗試。很多效果優(yōu)良的新型濾波方法都是在前人的基礎上得以改進，若是長期使用軟件，SAR 數(shù)據(jù)處理的改善將難以實現(xiàn)。

教師根據(jù)就業(yè)市場需求適時調(diào)整課程規(guī)劃，強化并重視實踐環(huán)節(jié)的教學活動，把實踐教育作為理論知識傳授的落腳點，可以調(diào)動學生應用編程思維開展SAR數(shù)據(jù)處理的興趣，使學生充分掌握課程基本理論和數(shù)據(jù)處理方法，從而滿足就業(yè)市場對高素質(zhì)技術人才的需求［5］。

2.4 課程交互評價

高校立身之本在于立德樹人，良好的師生關系是教師發(fā)揮教書育人功能的重要生態(tài)條件。普通的灌輸式教育將師生之間隔離開來，僅由教師通過成績評價學生學習進度，不具備很好的交互性。積極探索并著力構建符合新時代需求的師生關系，努力打造新時代教書育人新模式是當前我國高校面臨的迫切任務［15］。課程教學評價指的是對教學過程和教學結果依據(jù)教學目標進行價值判斷的活動，是能夠有效研究并改進教師教學與學生學習價值的必備環(huán)節(jié)，即通過閉環(huán)反饋來保證課程教育目標的高效達成。但在我國的傳統(tǒng)教育觀念中，尤其是在實踐性教學中，長期以來存在著重內(nèi)容、重方法、輕評價的傾向，這與現(xiàn)代教育所主張的結果導向的理念格格不入。

從某種程度上，學生培養(yǎng)質(zhì)量依賴培養(yǎng)過程的質(zhì)量，而培養(yǎng)過程必須有監(jiān)督和改進機制即評價體系，通過合理的評價體系，可以監(jiān)控教學各環(huán)節(jié)是否有效支撐培養(yǎng)目標并不斷改進教學過程和方法使之更加有效支撐培養(yǎng)目標。如果說InSAR 技術與應用本身是遙感教學體系中的薄弱一環(huán)的話，那么課程評價就是更需要改進的一部分，根本原因在于很多情況下，很多學校仍然不知道“能力”到底該怎樣考、怎樣評，評價結果怎么用［16］。評價主體應包括教學活動各個環(huán)節(jié)，具體應包括學生對每節(jié)課程的教學質(zhì)量進行評價，學生知識點自我掌握情況、學生自身對課程的相關需求、學生對教師上課方式的期待以及教師對教學效果達成情況的自評和對每節(jié)課程學生學習情況的評判。在課程知識教學的同時，及時獲取師生雙方的交互評價，能夠不斷改進課程教學質(zhì)量。

3 課程設計

在高校教育體系下必須充分重視實驗教學，要想讓實驗教學對畢業(yè)要求進行有效支撐，就需要重構課程教學體系，加大趣味性課程與設計性實驗的開設力度，同時需要構建起行之有效的評價體系，將課程評價滲透到實驗教學的各個環(huán)節(jié)中，為持續(xù)改進提供可靠完整的數(shù)據(jù)支撐，以評價推動實驗教學改革力度，切實提高教學質(zhì)量，進而對培養(yǎng)目標提供質(zhì)量保證，所制定的課程教學設計方案見圖1。

圖1 教學方案設計

3.1 課程目標

InSAR技術與應用課程具有以下目標：學生對雷達技術和遙感體系有明確了解，能夠應用SAR圖像認知區(qū)域的表面特征，利用SAR圖像信息區(qū)域識別技術進行初步的災害分析，以小組為單位完成所選的課程專題。

3.2 課程管理

建立課程網(wǎng)站作為促進師生互動的最有效平臺。InSAR技術與應用課程網(wǎng)站與課程實施是同步的，課程網(wǎng)站設計的結構和功能反映了課程要求，主要包括內(nèi)容瀏覽，信息查詢和發(fā)布課程通知以及動態(tài)功能（例如上傳作業(yè)，在線討論和資源共享）［17］，這些功能在促進師生溝通和加強學生知識理解方面發(fā)揮著重要作用，在不可抗力造成的傳統(tǒng)教學暫停期間，也能滿足學生遠程學習的方式。同時改革課程考核方式，將傳統(tǒng)考核知識體系的紙質(zhì)化測試轉變?yōu)榫C合評價學生學習過程和結果的上機實驗和小組課題完成形式，突出評價主體的多元化以及評價內(nèi)容的多維化特點。

3.3 課程建設計劃

任何一門課程的成熟建設都需要長期艱苦的工作和持續(xù)不斷的完善，即使進行了相應的課程改革后，也需要不斷更新InSAR技術與應用的教學計劃，以保持課程的靈活性與全球范圍內(nèi)的可適性，并對每學期的課堂內(nèi)容進行調(diào)整，從而避免了簡單的教學重復。對于輔助教學，重要的是不斷完善網(wǎng)絡教學管理系統(tǒng)，使其能夠充分實現(xiàn)核心功能，不斷引入新的溝通方式，并改善公眾訪問權限，以擴大課程的影響力，這些改進都將改善學生的上課體驗。為了達到教學目標，通過建設并改進電子教材，能夠更好地促進課前課后學生的自主預習和復習。

4 結 語

在信息時代和地理環(huán)境下，實施普及SAR課程很重要，有助于培養(yǎng)可能適應未來社會需要的高素質(zhì)專業(yè)人才。針對高校教育中對專業(yè)雷達課程開設不足、傳統(tǒng)授課方式成效不佳的問題，改進了InSAR技術與應用課程建設，輔助以數(shù)據(jù)處理實驗的改善與課程評價體系的實施，多方位實現(xiàn)高校課程改革，提高學生主觀能動性。從激發(fā)學生興趣作為切入點，進行SAR課程的導入；引入Matlab 應用軟件，培養(yǎng)學生編程能力和數(shù)據(jù)處理技能；吸收國內(nèi)外科學與技術研究的最新成果，建設課程網(wǎng)站，利用視頻，互聯(lián)網(wǎng)和其他類型的公共途徑提供優(yōu)質(zhì)教育資源的自由開放的課程建設計劃，為學生提供最新的科學知識。在互聯(lián)網(wǎng)時代下，根據(jù)雷達技術植根于地理學，但表現(xiàn)出鮮明的地域特征的特點，用具體的區(qū)域?qū)嵗蟠筇岣咂占袄走_教育課程的水平，將地理學納入新知識，新思想，新方法的發(fā)展，符合高校教育改革的大趨勢。