遙感類課程教學(xué)實(shí)習(xí)改革初探

王 毅，喻 鑫，牛瑞卿

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北 武漢 430074）

遙感科學(xué)與技術(shù)是在測(cè)繪科學(xué)、空間科學(xué)、電子科學(xué)、地球科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及其學(xué)科交叉滲透、相互融合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門新興交叉學(xué)科，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)規(guī)劃、防災(zāi)救災(zāi)、資源保護(hù)、軍事偵察、氣候變化、公共安全等諸多領(lǐng)域[1-2]。地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是以地球科學(xué)和信息科學(xué)為基礎(chǔ)，涵蓋遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)字地球的新興交叉學(xué)科，也是一門應(yīng)用基礎(chǔ)理論解決實(shí)際問(wèn)題的前沿科學(xué)。自中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）“地球信息科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)開辦以來(lái)，遙感類課程一直都是該專業(yè)的主干課程。該專業(yè)發(fā)展至今，教學(xué)改革和實(shí)踐一直是專業(yè)建設(shè)的核心內(nèi)容[3-7]。然而，遙感類課程實(shí)踐教學(xué)仍存在問(wèn)題，一定程度上限制了該學(xué)科的發(fā)展。盡管部分高校針對(duì)遙感類課程的實(shí)踐教學(xué)改革已經(jīng)進(jìn)行了有益探索[8-16]，但如何結(jié)合地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)遙感類課程教學(xué)實(shí)習(xí)的現(xiàn)狀來(lái)借鑒這些行之有效的經(jīng)驗(yàn)和措施，仍舊面臨著許多挑戰(zhàn)。本文在分析了我校地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)遙感類課程教學(xué)實(shí)習(xí)現(xiàn)行問(wèn)題后，從教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、教學(xué)方法優(yōu)化、師資能力提升和實(shí)驗(yàn)室更新4 個(gè)方面探索了教學(xué)實(shí)習(xí)改革的具體方案與措施，以期為地球信息技術(shù)人才培養(yǎng)提供參考。

1 課程現(xiàn)狀與問(wèn)題

表1 提供了本科培養(yǎng)方案遙感類課程教學(xué)實(shí)習(xí)的安排情況。在2003 版本科培養(yǎng)方案中，地球信息科學(xué)與技術(shù)系組織全系教師編寫了專業(yè)教學(xué)實(shí)習(xí)大綱，并計(jì)劃三年級(jí)暑假開展為期5 周的專業(yè)教學(xué)實(shí)習(xí)任務(wù)。由于專業(yè)建設(shè)初期方向不明確，作為專業(yè)教學(xué)實(shí)習(xí)的重要組成部分，遙感教學(xué)實(shí)習(xí)的目的、要求、內(nèi)容以及時(shí)間安排尚處于摸索階段，其實(shí)踐課程教學(xué)也缺乏規(guī)范性和系統(tǒng)性。在2007 版本科培養(yǎng)方案中，遙感教學(xué)實(shí)習(xí)得到了完善。在三年級(jí)暑期遙感教學(xué)綜合實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上，新增《遙感影像信息學(xué)》課程實(shí)習(xí)（12 學(xué)時(shí)），主要教授本科生掌握遙感影像解譯與處理的基本過(guò)程，完成知識(shí)儲(chǔ)備到綜合實(shí)習(xí)的過(guò)渡。在2011 版本科培養(yǎng)方案中，遙感類課程數(shù)目和遙感教學(xué)實(shí)習(xí)課時(shí)數(shù)大幅增加，遙感教學(xué)實(shí)習(xí)按照衛(wèi)星傳感器類型細(xì)分為多光譜、高分辨率和高光譜3 個(gè)方向。此外，新增自主開發(fā)的遙感影像信息提取實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)軟件平臺(tái)進(jìn)行算法實(shí)踐。在此期間，遙感教學(xué)實(shí)習(xí)的目的、要求和內(nèi)容以及時(shí)間安排均趨于合理，其實(shí)驗(yàn)教程則是由擅長(zhǎng)相應(yīng)遙感影像處理方向的專業(yè)教師各自編寫實(shí)習(xí)指導(dǎo)書來(lái)完成教學(xué)實(shí)習(xí)。在2015 版本科培養(yǎng)方案中，遵循學(xué)校強(qiáng)化本科生實(shí)踐教學(xué)和有效提升本科生實(shí)踐動(dòng)手能力的指導(dǎo)方針，本專業(yè)教師在2011 版本科培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)遙感類課程和專業(yè)教學(xué)實(shí)習(xí)進(jìn)行了優(yōu)化和整合，去除了內(nèi)容重疊或重復(fù)的教學(xué)內(nèi)容，增開了多門直接在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)的專業(yè)實(shí)踐課程，并且系統(tǒng)修訂了遙感專業(yè)實(shí)習(xí)的指導(dǎo)書。

從表1 可以看到，隨著遙感科學(xué)的迅猛發(fā)展和教學(xué)改革力度的不斷加大，地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)遙感類課程教學(xué)實(shí)習(xí)的科學(xué)性和合理性不斷增強(qiáng)，教學(xué)效果也正在不斷改善，但仍存在以下問(wèn)題:

表1 各階段本科培養(yǎng)方案遙感類課程教學(xué)實(shí)習(xí)安排

1）教學(xué)內(nèi)容缺乏邏輯性和連貫性，且部分內(nèi)容仍存在重疊或重復(fù)。由于遙感類課程教學(xué)實(shí)習(xí)服務(wù)于多門相關(guān)課程，而每門課程均由不同的專業(yè)教師來(lái)建設(shè)，并獨(dú)立開展教學(xué)實(shí)習(xí)，因此這些實(shí)習(xí)之間的聯(lián)系和銜接關(guān)系難以體現(xiàn)。如《遙感導(dǎo)論》、《光學(xué)遙感技術(shù)》和《地球信息科學(xué)與技術(shù)教學(xué)實(shí)習(xí)》三門課程教學(xué)實(shí)習(xí)均安排使用商業(yè)軟件ENVI 來(lái)完成遙感影像的獲取、預(yù)處理、信息提取和分析等過(guò)程，這些教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)和界限并不清晰，導(dǎo)致部分內(nèi)容重疊。此外，同一門課程中不同的教學(xué)實(shí)習(xí)內(nèi)容也缺乏遙感技術(shù)應(yīng)用案例的導(dǎo)向。如《遙感導(dǎo)論》課程實(shí)習(xí)涵蓋遙感圖像輻射校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)、多光譜圖像處理和圖像分類等內(nèi)容，但這些內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，缺少成果導(dǎo)向的理念將它們連接成為整體，從而導(dǎo)致知識(shí)體系的零散化和碎片化。

2）教學(xué)模式和教學(xué)方法與實(shí)踐創(chuàng)新的人才培養(yǎng)目標(biāo)差距較大。實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，指導(dǎo)教師通常先花費(fèi)大量精力來(lái)回顧遙感的基本原理和基礎(chǔ)知識(shí)，再通過(guò)商業(yè)軟件演示操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后布置類似的實(shí)驗(yàn)任務(wù)讓學(xué)生去驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程分析，學(xué)生在教學(xué)實(shí)習(xí)過(guò)程中基本能按時(shí)按量完成實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，動(dòng)手能力雖然得到一定的鍛煉，但普遍缺乏創(chuàng)新性思維。教學(xué)實(shí)習(xí)的目的是讓學(xué)生理解和掌握各種遙感圖像處理方法的相關(guān)理論，并用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際的遙感圖像處理任務(wù)。目前，市面上的商業(yè)軟件能夠用于遙感影像分析預(yù)處理，并提供非常友好、方便的操作界面，但僅通過(guò)這些軟件來(lái)完成實(shí)習(xí)任務(wù)，往往難以理解復(fù)雜的圖像處理方法理論，無(wú)法針對(duì)實(shí)際問(wèn)題提出有效的解決方案。此外，這些軟件功能相對(duì)固定，只能通過(guò)軟件升級(jí)對(duì)其進(jìn)行新功能和新方法二次開發(fā)。部分大學(xué)或科研單位雖然自行開發(fā)了用于教學(xué)實(shí)習(xí)的遙感圖像處理軟件，但它們主要用于演示遙感圖像處理的算法、用戶界面不夠友好。并且，由于軟件的源代碼無(wú)法公開且缺乏可擴(kuò)展性，因此，并不能真正意義上加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

2 教學(xué)改革實(shí)踐

本文立足“學(xué)以致用”的基本原則，主要圍繞教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、教學(xué)方法優(yōu)化、師資能力提升和實(shí)驗(yàn)室更新等方面展開探索和實(shí)踐創(chuàng)新。

改革教學(xué)實(shí)習(xí)內(nèi)容，編寫專業(yè)實(shí)驗(yàn)教程。遙感類課程教學(xué)實(shí)習(xí)應(yīng)包含遙感圖像處理的所有環(huán)節(jié)，包括遙感圖像基礎(chǔ)處理、高分辨率遙感影像面向?qū)ο蠓治雠c理解、高光譜遙感數(shù)據(jù)獲取、分析和處理等，旨在指導(dǎo)學(xué)生熟悉從遙感數(shù)據(jù)的獲取到數(shù)據(jù)處理以及后期的分析應(yīng)用整套流程，充分鞏固課堂講解的遙感原理和方法，提高理論知識(shí)水平和處理實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的能力，培養(yǎng)科研創(chuàng)新素質(zhì)。通過(guò)教學(xué)改革，遙感類課程教學(xué)實(shí)習(xí)主要包括三部分:①軟件使用，利用ENVI進(jìn)行簡(jiǎn)單的問(wèn)題分析和解決問(wèn)題，并通過(guò)案例式的實(shí)驗(yàn)任務(wù)來(lái)逐步熟悉遙感數(shù)據(jù)分析與處理的實(shí)驗(yàn)過(guò)程；②儀器操作，使用FieldSpec 3 便攜式光譜分析儀進(jìn)行光譜采集和光譜特征數(shù)據(jù)后處理，并掌握高光譜野外數(shù)據(jù)采集、分析與處理以及高光譜影像和光譜分析的基本原理和方法；③算法實(shí)踐，它是軟件儀器操作部分的延展和深化，強(qiáng)調(diào)通過(guò)實(shí)踐動(dòng)手和算法設(shè)計(jì)來(lái)學(xué)習(xí)、掌握和探索遙感圖像處理方法。作者利用Visual C++編程語(yǔ)言自主開發(fā)教學(xué)實(shí)習(xí)軟件平臺(tái)，學(xué)生能夠在該平臺(tái)下進(jìn)行代碼編寫來(lái)完成實(shí)習(xí)任務(wù)。該平臺(tái)不僅使抽象的遙感理論和原理變得生動(dòng)具體，而且促使學(xué)生加深理解遙感影像處理方法和思想，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。在此基礎(chǔ)上，綜合本專業(yè)多年來(lái)積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和資源，以本專業(yè)教授牽頭，系統(tǒng)撰寫并出版遙感類課程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教程，應(yīng)用于本科教學(xué)中。

搭建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，優(yōu)化教學(xué)方法和模式。在專業(yè)實(shí)驗(yàn)教程的基礎(chǔ)上，與企業(yè)合作共同開發(fā)融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)及多媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，將遙感類課程教學(xué)內(nèi)容以音頻、視頻、動(dòng)畫等形式展示給學(xué)生。同時(shí)，成立遙感類課程實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì)，制作符合現(xiàn)階段社會(huì)需求和行業(yè)發(fā)展的教學(xué)實(shí)習(xí)電子資源和教案，力求課程之間相互聯(lián)系、互為補(bǔ)充，并具有明確的銜接關(guān)系；建設(shè)知識(shí)點(diǎn)導(dǎo)圖、習(xí)題庫(kù)、實(shí)習(xí)指導(dǎo)資料和遙感技術(shù)應(yīng)用經(jīng)典案例等教學(xué)資源，增加網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的趣味性和互動(dòng)性，滿足在線開放課程與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式改革的要求。為了更好地推動(dòng)地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的建設(shè)，考慮建設(shè)單獨(dú)設(shè)課的遙感實(shí)習(xí)課程，將各個(gè)實(shí)習(xí)模塊有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，突出課程的系統(tǒng)性和綜合性。在教學(xué)過(guò)程中，指導(dǎo)教師在充分講解知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目導(dǎo)向、工作環(huán)境真實(shí)模擬等方式，實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、做一體的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立處理、分析、判斷和解決實(shí)際問(wèn)題。依據(jù)課程課時(shí)制定合理的考核機(jī)制，考察學(xué)生每個(gè)階段的學(xué)習(xí)成果，檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，綜合學(xué)生在實(shí)習(xí)期間的表現(xiàn)、所布置任務(wù)完成情況等方面，以不同等級(jí)來(lái)評(píng)定學(xué)生實(shí)習(xí)期成績(jī)，并設(shè)置獎(jiǎng)懲制度來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)，完善教師能力提升計(jì)劃。專業(yè)教師本身的理論和實(shí)踐能力決定著本專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的深度與寬度。教學(xué)改革將進(jìn)一步圍繞“引進(jìn)來(lái)、走出去”的雙向人才培養(yǎng)思路，加快建立完善的教師實(shí)踐能力培養(yǎng)方案。一方面，培訓(xùn)企業(yè)專職或兼職教師的教學(xué)能力，彌補(bǔ)本專業(yè)師資的短缺。引進(jìn)的企業(yè)骨干主要承擔(dān)實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)及課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)完全訓(xùn)練等教學(xué)及指導(dǎo)。另一方面，培養(yǎng)本專業(yè)教師工程實(shí)踐能力，打造“雙師型”的師資隊(duì)伍，基于學(xué)校專業(yè)優(yōu)勢(shì)為企業(yè)提供必要的技術(shù)支持。通過(guò)外派專職教師到企業(yè)進(jìn)修或掛職鍛煉、教師走進(jìn)企業(yè)積極參與企業(yè)工程項(xiàng)目，提高教師的專業(yè)技術(shù)水平和實(shí)踐能力。

構(gòu)建基于云桌面的多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，更新實(shí)驗(yàn)室教學(xué)條件。目前，硬件方面，實(shí)驗(yàn)室擁有多臺(tái)PC，能夠確保本專業(yè)同一年級(jí)兩個(gè)自然班的本科生同時(shí)進(jìn)行遙感影像分析與處理教學(xué)實(shí)習(xí)；擁有高光譜成像光譜儀和野外波譜儀各1 臺(tái)，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)室開設(shè)地物光譜采集與分析實(shí)驗(yàn)、遙感信息提取與反演實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)獲取手段，確保有第一手的實(shí)驗(yàn)資料；服務(wù)器1 套，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)室開設(shè)遙感類課程教學(xué)實(shí)習(xí)提供硬件上的支持；手持式GPS 9 套，能夠?yàn)橐巴鈹?shù)據(jù)采集提供位置信息，以及其他一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備。軟件方面，擁有遙感影像處理軟件eCognition developer 和server 各1 套（20 個(gè)許可），eCognition 數(shù)據(jù)管理教學(xué)系統(tǒng)軟件1 套，ENVI 正版軟件1 套。但是，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相關(guān)儀器設(shè)備老化快、硬件更新維護(hù)頻繁、部分PC 已經(jīng)無(wú)法正常使用、每臺(tái)PC 上各類應(yīng)用軟件更新升級(jí)繁瑣。因此，一方面，考慮采用虛擬化云桌面的解決方案來(lái)進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代化和專業(yè)化建設(shè)，充分滿足本科實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和科研的要求，為人才培養(yǎng)奠定良好基礎(chǔ)，同時(shí)更新目前教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)維管理模式和硬件設(shè)備，與現(xiàn)階段本學(xué)科發(fā)展要求相適應(yīng)；另一方面，考慮依托土地資源調(diào)查、自然災(zāi)害與環(huán)境監(jiān)測(cè)及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等相關(guān)領(lǐng)域校企合作單位，成立“產(chǎn)學(xué)研”一體化的多功能實(shí)驗(yàn)室，改善實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，為企業(yè)及社會(huì)培養(yǎng)更多地球信息技術(shù)高素質(zhì)人才。

3 改革成效及存在問(wèn)題

地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)首先成立了遙感類課程實(shí)習(xí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)由具有多年教授遙感類相關(guān)課程的專業(yè)教師組成，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富、教學(xué)效果良好。在教學(xué)改革前期準(zhǔn)備過(guò)程中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)總結(jié)多年教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上編寫并出版了遙感類課程實(shí)驗(yàn)教材，該教材涵蓋了本專業(yè)所有遙感教學(xué)實(shí)習(xí)內(nèi)容，目前正處于試用階段。

此外，教學(xué)團(tuán)隊(duì)還完成了遙感類課程教學(xué)資源共享網(wǎng)站的詳細(xì)規(guī)劃，也正在搜集與整理相關(guān)教學(xué)資源，預(yù)計(jì)該網(wǎng)站今年內(nèi)將上線投入教學(xué)使用。學(xué)生能夠通過(guò)網(wǎng)站上學(xué)術(shù)前沿和行業(yè)動(dòng)態(tài)來(lái)進(jìn)一步拓展遙感技術(shù)與應(yīng)用的知識(shí)視野，也可以通過(guò)網(wǎng)站上豐富的教學(xué)資源來(lái)進(jìn)一步鞏固和強(qiáng)化課程所涉及的知識(shí)點(diǎn)和理論方法。并且還能夠通過(guò)手機(jī)或電腦來(lái)參與師生間的課余溝通與交流。

最后，此次教學(xué)改革剛開始進(jìn)行，相關(guān)教學(xué)效果和數(shù)據(jù)分析還未來(lái)得及進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，其成效還需要時(shí)間來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。教學(xué)團(tuán)隊(duì)會(huì)在后期積極搜集相關(guān)教學(xué)數(shù)據(jù)，并給予本次教學(xué)改革客觀公正的評(píng)價(jià)，以期有效改善遙感類課程教學(xué)實(shí)習(xí)的教學(xué)效果和質(zhì)量。

4 結(jié) 語(yǔ)

遙感類課程教學(xué)實(shí)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生遙感技能、提高學(xué)生利用遙感技術(shù)解決專業(yè)相關(guān)問(wèn)題的重要手段與途徑。為適應(yīng)日新月異的地球信息科學(xué)發(fā)展，本文結(jié)合我校地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)遙感類課程教學(xué)實(shí)習(xí)現(xiàn)狀，提出一系列針對(duì)實(shí)踐教學(xué)的改革措施，包括改革教學(xué)實(shí)習(xí)內(nèi)容，編寫專業(yè)實(shí)驗(yàn)教程；搭建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，優(yōu)化教學(xué)方法和模式；加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)，完善教師能力提升計(jì)劃；構(gòu)建基于云桌面的多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，更新實(shí)驗(yàn)室教學(xué)條件。期望通過(guò)教學(xué)改革針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生遙感技能、拓寬學(xué)生綜合應(yīng)用的知識(shí)，提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新的能力，從而提高課程教學(xué)效果和質(zhì)量。