林學(xué)一流本科教育建設(shè)背景下“林業(yè)遙感”課程實踐教學(xué)的創(chuàng)新

(中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，長沙 410004)

作為世界一流大學(xué)建設(shè)的基本特點和重要前提，一流本科教育成為一流高等教育建設(shè)的必然出路[1]。然而部分地區(qū)性農(nóng)林特色綜合性大學(xué)，不是一流大學(xué)也沒有一流學(xué)科，如何加快本科教學(xué)實踐創(chuàng)新，助力培育一流學(xué)科，具有非常重大的意義[2-3]。遙感作為一種高效的探測、獲取、分析和處理地物空間信息的先進(jìn)手段[4]，已廣泛應(yīng)用于南方集體林區(qū)森林資源的經(jīng)營與管理，在林學(xué)一流本科教育環(huán)節(jié)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[5-6]。因此，如何根據(jù)高等農(nóng)林院校傳統(tǒng)特色林學(xué)專業(yè)的教學(xué)條件，加強“林業(yè)遙感”課程實踐教學(xué)的創(chuàng)新，為南方集體林區(qū)森林資源的合理經(jīng)營和科學(xué)管理服務(wù)提供拔尖創(chuàng)新人才和應(yīng)用型人才，是“林業(yè)遙感”課程教學(xué)急需解決的問題。

本科教育與人才培養(yǎng)是大學(xué)的根基。本科教育水平?jīng)Q定了學(xué)生和高等院校的未來[7]。一流本科教育的核心價值在于高水平教學(xué)，其基本特色在于學(xué)生的學(xué)習(xí)具有積極主動性、思維方式具有批判性；教師教學(xué)具有實踐創(chuàng)新性，以問題為導(dǎo)向開展案例式教學(xué)[8]。然而，我國本科教育的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)仍然比較薄弱，從應(yīng)試教育到能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)化未能有效完成。目前，高等農(nóng)林院校林學(xué)專業(yè)“林業(yè)遙感”課程的實踐教學(xué)主要圍繞“林學(xué)”“生態(tài)學(xué)”“測量學(xué)”“地理信息系統(tǒng)”“遙感原理”等基礎(chǔ)課程展開，目的只是熟悉和掌握“林業(yè)遙感”課程的教學(xué)內(nèi)容。受實踐教學(xué)條件、學(xué)生安全風(fēng)險問題等限制，林學(xué)專業(yè)學(xué)生難以獲得系統(tǒng)化的實踐教學(xué)培訓(xùn)，導(dǎo)致學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識薄弱、創(chuàng)新能力不高[9]。因此，如何有效整合林學(xué)專業(yè)課程群的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，滿足一流學(xué)科建設(shè)背景下林學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的新需求，建立“林業(yè)遙感”課程實踐教學(xué)創(chuàng)新模式，完善該課程實踐教學(xué)的考核體系，是目前筆者研究的重點內(nèi)容。

一、“林業(yè)遙感”課程教學(xué)存在的問題

近年來，高等農(nóng)林院校基于自身特色，將“林業(yè)遙感”課程的實踐教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)瞄準(zhǔn)了生產(chǎn)需求，以社會需求促進(jìn)實驗、實習(xí)和課程設(shè)計等實踐教學(xué)體系的建設(shè)和改革。然而，這些改革多針對地理信息系統(tǒng)、測量等專業(yè)的“遙感實驗”課程開展[10-11]，面向一流本科教育的“林業(yè)遙感”課程實踐教學(xué)的報道較少。筆者經(jīng)過4年的理論教學(xué)和實踐探索，發(fā)現(xiàn)部分高等農(nóng)林院校林學(xué)本科專業(yè)的“林業(yè)遙感”課程教學(xué)存在以下問題。

(一)課程實踐內(nèi)容與社會需求的結(jié)合不緊密

“林業(yè)遙感”課程實踐教學(xué)選用的指導(dǎo)書是《遙感圖像處理實驗指導(dǎo)書》，教學(xué)軟件是ENVI5.0，而國外主流的ERDAS、PCI等教學(xué)軟件涉及的不多。遙感是一門快速成長的學(xué)科，新時期出現(xiàn)的三維激光、無人機、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)未及時納入本科教育“林業(yè)遙感”課程實踐教學(xué)中。該指導(dǎo)書中部分實驗?zāi)K滯后于林業(yè)生產(chǎn)實踐的需求，阻礙了學(xué)生學(xué)習(xí)視野的拓展[4]。因此，急需結(jié)合高等農(nóng)林院校自身的實驗條件編寫適合林學(xué)專業(yè)的實驗教材，保證教學(xué)內(nèi)容與“互聯(lián)網(wǎng)+”智能林業(yè)等新技術(shù)的一致性，保障大學(xué)生所學(xué)的專業(yè)理論和實踐知識與社會需求同步。

(二)課程實踐教學(xué)與理論教學(xué)的比例不合理

“林業(yè)遙感”是一門面向技術(shù)的應(yīng)用型課程，但部分高等院校往往忽視了對林學(xué)專業(yè)學(xué)生野外實踐技能的培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在2個方面：一是設(shè)置的實驗課時普遍偏低[4]，難以保證學(xué)生對理論知識的理解和操作技能的掌握，結(jié)果導(dǎo)致教師講授內(nèi)容往往局限于課本，進(jìn)而無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神[4]；二是實習(xí)條件和經(jīng)費有限，學(xué)生沒有充足的時間到野外國有集體林場開展完整的森林資源遙感調(diào)查，完成的林業(yè)遙感實習(xí)報告與生產(chǎn)實踐有一定距離，無法保證“林業(yè)遙感”課程的野外教學(xué)效果。

(三)研究型和創(chuàng)新型實驗的比重偏低

驗證型實驗強調(diào)基礎(chǔ)性和驗證性，培養(yǎng)學(xué)生運用遙感軟件驗證基本原理知識的能力；綜合型實驗強調(diào)系統(tǒng)性和綜合性，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)運用遙感知識進(jìn)行綜合性實驗和操作的能力；研究型實驗是強調(diào)實踐性和研究性，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識分析解決實際問題的能力；創(chuàng)新型實驗強調(diào)探索性和創(chuàng)新性，培養(yǎng)學(xué)生運用創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識探索新問題的能力。目前，高等農(nóng)林院?！傲謽I(yè)遙感”課程實踐教學(xué)通常以驗證型實驗為主，綜合型實驗為輔，缺乏研究型和創(chuàng)新型實驗，制約了學(xué)生創(chuàng)新性學(xué)習(xí)能力的激發(fā)，不利于學(xué)生自學(xué)能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

二、林學(xué)一流本科教育建設(shè)背景下“林業(yè)遙感”課程實踐教學(xué)的創(chuàng)新

為解決“林業(yè)遙感”課程傳統(tǒng)實踐教學(xué)存在的問題，筆者從基礎(chǔ)操作、專業(yè)應(yīng)用和創(chuàng)新實踐3個環(huán)節(jié)建立分級式實踐教學(xué)體系，通過追蹤遙感發(fā)展前沿、引導(dǎo)師生雙向溝通、注重實踐教學(xué)環(huán)節(jié)和加強教學(xué)科研互動4項舉措優(yōu)化理論和實踐教學(xué)方法，探索基于“平時模塊考核(55%)+期末綜合考核(35%)+創(chuàng)新實踐考核(10%)”的多元化考核機制，見圖1。具體改革措施如下。

(一)建立分級式實踐教學(xué)內(nèi)容體系

對于“林業(yè)遙感”課程的基礎(chǔ)實踐項目，將原有實驗?zāi)K進(jìn)行整合，圍繞軟件操作、圖像處理和圖像解譯3個經(jīng)典模塊開展實驗，考察學(xué)生的動手實踐能力；對于專業(yè)實踐項目，結(jié)合林學(xué)專業(yè)優(yōu)勢，精心設(shè)計包括森林資源制圖、森林參數(shù)反演和森林動態(tài)監(jiān)測等多個實驗項目，加深學(xué)生對理論知識的理解，考察學(xué)生的實際應(yīng)用能力；對于創(chuàng)新實踐項目，增設(shè)柔性研究性實驗，從無人機、三維激光和人工智能等新技術(shù)方面開設(shè)創(chuàng)新性研究型實驗，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，考察學(xué)生的創(chuàng)新潛力。

圖1 林學(xué)一流本科教育建設(shè)背景下“林業(yè)遙感”課程實踐教學(xué)改革路線

(二)開展理論教學(xué)與實踐教學(xué)相互融合、相互促進(jìn)的課程教學(xué)

1.追蹤遙感發(fā)展前沿

筆者在“林業(yè)遙感”課堂教學(xué)中插入與林業(yè)遙感相關(guān)的發(fā)展動態(tài)和時事熱點內(nèi)容[5]，加深學(xué)生對基本原理知識的掌握。例如，講授電磁波譜的“同物異譜”現(xiàn)象時，穿插利用光譜特征區(qū)分天然草坪和人工草坪的案例；講授目視解譯方法時引入“從太空中是否可以看到長城”的爭論內(nèi)容；講授傳感器的發(fā)展動態(tài)時，結(jié)合科研經(jīng)歷，從美國的Landsat、MODIS系列，歐盟的SPOT、Sentinel系列，日本的ALOS系列，自然地回顧到我國的高分系列數(shù)據(jù)，通過不同的遙感影像質(zhì)量，直觀地展現(xiàn)我國遙感同世界先進(jìn)水平的差距。

2.引導(dǎo)師生雙向溝通

互動式教學(xué)注重學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，是一種主動式學(xué)習(xí)方式。首先，教師要積極與學(xué)生交流，了解學(xué)生基本的學(xué)習(xí)動態(tài)和理想的教學(xué)方式，例如通過設(shè)計合理的課前思考題和課后討論題，增加教師與學(xué)生之間的互動交流，使學(xué)生通過查閱課外資料逐步培養(yǎng)獨立思考和自主學(xué)習(xí)的意識；其次，教師要善于運用教具和肢體語言加深學(xué)生的印象，例如講解掃描式傳感器成像特征時，教師可以示范掃帚掃地的動作，人的前進(jìn)速度和掃帚的擺動速度要協(xié)調(diào)，否則可能出現(xiàn)漏掃的情況。

3.促進(jìn)實踐教學(xué)與理論教學(xué)的配合

“林業(yè)遙感”課程理論知識教學(xué)離不開實踐操作，因此筆者把ENVI、ArcGIS和ERDAS軟件的實驗操作穿插到課堂教學(xué)的對應(yīng)環(huán)節(jié)[10]。例如，講解數(shù)字遙感圖像處理時，穿插遙感圖像幾何校正和正射校正實驗，通過實驗過程和結(jié)果的對比，幫助學(xué)生理解中心投影和正射投影的區(qū)別；講解遙感圖像解譯時，穿插遙感圖像計算機監(jiān)督與非監(jiān)督分類，通過分類過程的展示，幫助學(xué)生掌握兩種分類方法的原理。另外，筆者在“林業(yè)遙感”課程教學(xué)過程中，還引導(dǎo)學(xué)生積極參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，如“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、大學(xué)生GIS應(yīng)用技能大賽、大學(xué)生測繪綜合技能競賽等，增強學(xué)生的團(tuán)隊合作和實踐創(chuàng)新能力。

4.加強教學(xué)科研互動

教學(xué)與科研相互依賴、共同促進(jìn)，是實現(xiàn)高等院校和諧健康穩(wěn)定發(fā)展的必然趨勢[12]。因此，在“林業(yè)遙感”課程實踐教學(xué)過程中筆者結(jié)合科研案例開展教學(xué)活動，以增強學(xué)生對抽象遙感概念的理解。例如，講解遙感影像的空間分辨率時，結(jié)合SPOT5、Landsat5和MODIS衛(wèi)星影像在“全國森林植被多階遙感動態(tài)監(jiān)測”項目中的科研案例開展教學(xué)，提出如何結(jié)合具體研究區(qū)選擇合適的遙感數(shù)據(jù)。另外，將畢業(yè)論文與科研項目結(jié)合，使學(xué)生通過參加教師的科研項目，逐步凝練形成自己的畢業(yè)課題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，同時組織學(xué)生結(jié)合教師的科研課題積極申報大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，激發(fā)學(xué)生的探索熱情和創(chuàng)新潛能。

(三)實施多元化課程考核

改革“林業(yè)遙感”課程傳統(tǒng)的評價方式，增加過程考核的權(quán)重。采用“平時模塊考核(55%)+期末綜合考核(35%)+創(chuàng)新實踐考核(10%)”的綜合考核方式，對學(xué)生進(jìn)行多元化考核。其中，平時模塊考核包括9個實驗?zāi)K技能考核成績+個人匯報成績+個人平時表現(xiàn)成績；期末綜合考核包括小組課題成績+研究報告成績；創(chuàng)新實踐考核模塊引導(dǎo)學(xué)生積極參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目，輔以適當(dāng)加分作為鼓勵，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的綜合能力。

三、“林業(yè)遙感”課程實踐教學(xué)創(chuàng)新取得的效果

“林業(yè)遙感”課程教學(xué)實踐表明，面向林學(xué)一流本科教育的課程實踐教學(xué)創(chuàng)新模式不僅符合一流學(xué)科對知識訓(xùn)練和創(chuàng)新應(yīng)用的要求，而且增強了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了實踐教學(xué)的質(zhì)量，提升了課程考核成績，達(dá)到了傳道解惑和教學(xué)相長的目的。

(一)增強學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣

筆者對中南林業(yè)科技大學(xué)2018級林學(xué)專業(yè)68名學(xué)生開展了問卷調(diào)查，結(jié)果顯示：95%的學(xué)生通過基礎(chǔ)模塊學(xué)習(xí)，加深了對“林業(yè)遙感”課程基本原理的理解；86%的學(xué)生通過專業(yè)模塊學(xué)習(xí)，提高了對遙感專業(yè)知識的掌握；73%的學(xué)生通過創(chuàng)新模塊學(xué)習(xí)，提高了理論聯(lián)系實際的能力，27%的學(xué)生表示有一定難度需要過程適應(yīng)?？傊?，“基礎(chǔ)—專業(yè)—創(chuàng)新”式實踐教學(xué)體系不僅能增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且符合一流學(xué)科對知識訓(xùn)練與創(chuàng)新應(yīng)用的基本要求，滿足新形勢下創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的需求。

(二)提高實踐教學(xué)的質(zhì)量

1.拓寬學(xué)生的學(xué)術(shù)視野

筆者通過在“林業(yè)遙感”課程教學(xué)中穿插最新的遙感技術(shù)動態(tài)和熱點事件，極大拓寬了學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，使學(xué)生領(lǐng)略到遙感應(yīng)用的巨大前景和商業(yè)價值。同時，學(xué)生認(rèn)識到我國遙感與世界先進(jìn)水平的差距，激發(fā)了他們學(xué)習(xí)遙感的熱情和積極性。調(diào)查顯示，80%以上的學(xué)生表示將來深造和就業(yè)愿意從事與遙感相關(guān)的行業(yè)。

2.提高學(xué)生的自學(xué)水平

以問題為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計能夠提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的參與度，增強師生間的雙向溝通交流。在“林業(yè)遙感”課程教學(xué)過程中，通過筆者的引導(dǎo)與策劃，學(xué)生逐步成為實踐教學(xué)的參與者與組織者，對“林業(yè)遙感”課程的發(fā)展過程有了自己的認(rèn)識，自主學(xué)習(xí)意識逐漸增強。有的學(xué)生依據(jù)師生間的溝通交流，撰寫了“基于Sentinel-2數(shù)據(jù)的四種常用植被指數(shù)地形效應(yīng)分析”的論文，目前正在教師的指導(dǎo)下參加“海峽兩岸森林經(jīng)理學(xué)術(shù)交流會”優(yōu)秀論文的投稿。

3.培養(yǎng)學(xué)生的動手能力

“林業(yè)遙感”課程理論教學(xué)的同時穿插實踐教學(xué)，不僅加深了學(xué)生對遙感原理知識的理解與掌握，而且鞏固了遙感圖像處理的方法和策略。學(xué)生開始由被動的接受者變?yōu)榉e極的參與者，獨立思考和動手實踐能力得到鍛煉。有的學(xué)生開始思考利用遙感技術(shù)解決林業(yè)生產(chǎn)的實際問題，例如森林資源監(jiān)測、外來物種入侵監(jiān)測等；有的學(xué)生開始加入教師的科研團(tuán)隊，勵志將“無人機遙感在精準(zhǔn)林業(yè)上的應(yīng)用”作為將來繼續(xù)深造的主攻方向；有的學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，參加了GIS應(yīng)用技能大賽和測繪綜合技能競賽，綜合實踐素質(zhì)得到提升。

4.激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能

通過將科研課題融入“林業(yè)遙感”課堂教學(xué)和畢業(yè)論文中，學(xué)生思考問題的思路更加開闊，運用遙感技術(shù)解決實際問題的能力增強，展現(xiàn)出良好的科研創(chuàng)新潛力。在教師科研課題的啟發(fā)下，有的學(xué)生以“探究不同山地下的月、季、年度光照條件對油茶林花、果生長的影響”和“基于無人機和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對油茶炭疽病快速檢測研究”為課題，獲得了國家級、省級和校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目的資助；有的學(xué)生以“基于地面激光掃描技術(shù)的杉木三維樹干曲面模擬”為課題，在激光雷達(dá)林業(yè)應(yīng)用方面進(jìn)行了有益探索；有的學(xué)生以“基于多標(biāo)準(zhǔn)的Landsat8地形校正方法比較”為畢業(yè)課題，獲得了優(yōu)秀畢業(yè)論文。

(三)提升課程考核成績

筆者對68名參與創(chuàng)新實踐教學(xué)和68名參與傳統(tǒng)實踐教學(xué)學(xué)生成績進(jìn)行統(tǒng)計、比較發(fā)現(xiàn)，前者的成績整體高于后者的成績，見圖2。高于80分的學(xué)生占比分別為67.65%、52.94%；低于70分的學(xué)生占比為7.35%和13.24%。結(jié)果表明，創(chuàng)新實踐教學(xué)增強了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容掌握較好，考核成績顯著提升。

圖2 參與林學(xué)專業(yè)“林業(yè)遙感”課程傳統(tǒng)實踐教學(xué)與創(chuàng)新實踐教學(xué)學(xué)生成績的比較

資助項目：中南林業(yè)大學(xué)2020年教學(xué)改革研究項目“新農(nóng)科背景下林學(xué)本科遙感實踐創(chuàng)新模式研究”，項目編號XJG2020073；湖南省研究生優(yōu)質(zhì)課程項目“遙感數(shù)字圖像處理”，項目編號湘教通[2019]353號文件；中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院2019教改項目“面向林學(xué)一流本科教育的遙感實踐創(chuàng)新研究”，項目編號20190722JG02。