基于遙感與GIS實驗課程雙語教育教學探討研究

王秀梅，美英

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

隨著航天和計算機科學發(fā)展遙感與GIS技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛，已成為當今環(huán)境科學、生態(tài)學、測量學等眾多基礎(chǔ)學科重要技術(shù)手段[1]。該課程自2012年開設(shè)以來，從教材、教學大綱、授課方式等多方面進行不斷更新改善，借鑒國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)的教學資料，結(jié)合本科專業(yè)學生的英語水平及基礎(chǔ)知識掌握情況，激發(fā)學生興趣，提高學生對該學科基本理論知識和技術(shù)應(yīng)用的學習熱情[2]。雙語教學是中國教育部規(guī)劃改革的教育教學的重要方向[3]，課程采用啟發(fā)式、互動式教學手段和多種評價考核方式，培養(yǎng)學生獨立思考和表達的能力。通過閱讀遙感相關(guān)英文文獻，能在實踐中運用所學知識解決復雜工程問題，適應(yīng)科學技術(shù)發(fā)展的需要，并為學生從事測繪工程專業(yè)的相關(guān)工程問題和科學研究問題打下技術(shù)基礎(chǔ)[4]。

一、教學內(nèi)容與原理

遙感與GIS實驗是遙感與地理信息系統(tǒng)理論教學的重要組成部分。本課程體系較完整，涵蓋遙感與GIS專業(yè)軟件介紹、圖像預處理、圖像分類、分類結(jié)果數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集與編輯、建庫、管理與分析等學習與應(yīng)用的所有環(huán)節(jié)；課程基礎(chǔ)扎實。課程包含八個實驗教學內(nèi)容、PPT，每章節(jié)配備習題集及單元測試題。通過課程答疑解惑、討論等教學活動以及成績評定等進行課程實施。

教學內(nèi)容：1.介紹遙感專業(yè)PCI軟件的基本模塊，學習PCIDSK庫文件結(jié)構(gòu)。2.學習使用PCI 軟件GCPWorks模塊影像幾何校正。3.學習幾種圖像增強方法，彩色合成、偽彩色合成、直方圖拉伸、空間低和高通濾波等圖像預處理技術(shù)。4.學習計算機分類，包括監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類等圖像分類技術(shù)。5.介紹GIS專業(yè)軟件ArcGIS基本功能模塊，學習桌面軟件操作方法。6.學習掃描數(shù)據(jù)的矢量化技術(shù)以及矢量數(shù)據(jù)的拓撲編輯，提供掃描數(shù)據(jù)進行矢量化，把研究區(qū)市的行政界線勾畫出來，并輸入屬性，形成點線面文件。7.學習進行空間分析的具體方法，包括常用空間查詢、點線面疊加分析、緩沖區(qū)技術(shù)、DEM生成等。8.學習專題圖層的加載，點、線、面數(shù)據(jù)的符號化與設(shè)色，整飾。

教學原理：在雙語教學、精品課程建設(shè)、主干核心課程建設(shè)等課程建設(shè)的前提下，結(jié)合多年的遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)在科研項目中的應(yīng)用，經(jīng)過不斷調(diào)整實踐應(yīng)用流程、篩選實驗數(shù)據(jù)、軟硬件升級等過程，最后進行總結(jié)編寫。1.數(shù)字圖像幾何校正是通過計算機對離散結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像中的每一個像元逐個進行校正處理的方法。這種方法能夠精確地改正動態(tài)掃描圖像所具備的各種誤差?；驹恚豪脠D像坐標和地面坐標（另一圖像坐標、地圖坐標等）之間的數(shù)學關(guān)系，即輸入圖像和輸出圖像間的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系實現(xiàn)。幾何校正包括兩個方面的內(nèi)容，圖像空間像元坐標的變換，變換后的標準圖像空間的各像元灰度值的計算。坐標變換關(guān)系，包括直接法和間接法糾正方案?！盎叶鹊闹夭蓸印敝讣m正后新圖像的每一個像元，根據(jù)變換函數(shù)，可以得到它在原始圖像上的位置。如果求得的位置為整數(shù)，則該位置處的像元灰度就是新圖像的灰度值。如果位置不為整數(shù)，則有幾種方法，最近鄰法、雙線性內(nèi)插法、三次卷積法等。2.數(shù)字化通過 ArcGIS，您可以創(chuàng)建并編輯若干種數(shù)據(jù)。您可以編輯存儲在 shapefile和地理數(shù)據(jù)庫中的要素數(shù)據(jù)，也可以編輯各種表格形式的數(shù)據(jù)。這包括點、線、面、文本（注記和尺寸）、多面體（multipatch）和多點。您還可以通過拓撲和幾何網(wǎng)絡(luò)來編輯共享邊和重疊幾何。數(shù)字化可分為手扶跟蹤數(shù)字化和掃描數(shù)字化。指根據(jù)現(xiàn)有紙質(zhì)地圖，通過手扶跟蹤或掃描矢量化的方法，生產(chǎn)出可在計算機上進行存儲、處理和分析的數(shù)字化數(shù)據(jù)。目前，一般采用掃描矢量化的方法。根據(jù)地圖幅面大小，選擇合適規(guī)格的掃描儀，對紙質(zhì)地圖掃描生成柵格圖像。然后在經(jīng)過幾何糾正之后，即可進行矢量化。對柵格圖像進行矢量化有軟件自動矢量化和屏幕鼠標跟蹤矢量化兩種方式。軟件自動矢量化工作速度較快、效率較高，但是由于軟件智能化水平有限，其結(jié)果仍然需要再進行人工檢查和編輯。屏幕鼠標跟蹤方法其作業(yè)方式與數(shù)字化儀基本相同，仍然是手動跟蹤，但是數(shù)字化的精度和工作效率得到了顯著提高。數(shù)據(jù)編輯是對掃描所獲取的柵格數(shù)據(jù)進行屏幕跟蹤矢量化并對矢量化結(jié)果數(shù)據(jù)進行編輯和處理。包括幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的編輯。幾何數(shù)據(jù)的編輯主要是針對圖形的操作（圖形編輯），包括平行線復制、緩沖區(qū)生成、鏡面反射、圖層合并、結(jié)點操作和拓撲修改等。屬性數(shù)據(jù)的編輯包括圖形要素屬性的添加、刪除、修改、復制、粘貼、屬性表導出等。

二、實驗教學專業(yè)軟件

目前國內(nèi)使用的教學軟件大部分是英語開發(fā)設(shè)計的，因此雙語教學能夠讓學生操作方便入手，也能快速接軌國外平臺，信息更新更快。同時雙語教學在使學生掌握知識的前提下，還能使學生熟練閱讀英文軟件說明，了解世界范圍內(nèi)發(fā)展迅猛的學科前沿和新的知識增長點，具有一定示范性的雙語課程教學模式。

當今主要流行的遙感圖像處理軟件PCI、ERDAS、ENVI等，GIS的國外ArcGIS系列軟件比較受歡迎。除此之外MapInfo、ArcView、MapGIS等國內(nèi)外軟件也迅速發(fā)展起來。其中PCI軟件擁有強大的發(fā)展前景，由加拿大遙感中心及政府大力支持，對最新發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)據(jù)對接提供直接服務(wù)。強大的空間分析功能及獨具特色的雷達圖像處理功能為其提供強大的算法庫。其中ArcGIS是Esri公司集40余年地理信息系統(tǒng)（GIS）咨詢和研發(fā)經(jīng)驗奉獻給用戶的一套完整的GIS平臺產(chǎn)品，具有強大的地圖制作、空間數(shù)據(jù)管理、空間分析、空間信息整合、發(fā)布與共享的能力。ArcGIS不但支持桌面環(huán)境，還支持移動平臺、Web平臺、企業(yè)級環(huán)境以及云計算架構(gòu)，是目前最為流行的地理信息系統(tǒng)軟件。

三、教學策略及教學評價

為了解決創(chuàng)新激勵、個性化教學、理論與實踐脫節(jié)等傳統(tǒng)教學的缺點，我們采用了線上線下混合教學策略，包括線下課堂、線上騰訊會議、科研實踐、智慧樹互動工具等多維模式。在教學過程中培養(yǎng)學生技術(shù)應(yīng)用實踐及主動學習專業(yè)軟件的能力。首先，學會使用幫助文件，學習英文軟件對使用幫助文件很有必要，對于計算機基礎(chǔ)薄弱的學生，可以快速入門。對于接觸過軟件的同學，幫助提示小技巧及提高工作效率。幫助文件的意義在于協(xié)助學生使用專業(yè)軟件完成工作，并減少學生解決軟件使用問題的時間。其次，線上線下教學資源隨遙感與GIS軟件的不斷開發(fā)，由軟件開發(fā)商等公司每年不同時間不同地點循環(huán)舉辦多次培訓班，并不斷發(fā)布各種資源教學，學生可以線上同步進行學習，快速學習實驗教學內(nèi)容。課程內(nèi)容豐富，英文教材具有很大的詞匯量，給本科生的學習帶來了一定的困難。為此，我們選用有中譯本的遙感教材，同時提出很多參考書目，供課后閱讀和總結(jié)。另外，在學習方法上，我們一直堅持課堂筆記、課件和課后鞏固相結(jié)合的方式。在課堂上，記錄知識要點；通過反復閱讀課件，了解要點的細節(jié)；最后，利用課后閱讀教材和參考資料，理解并準確掌握要點和難點，完善筆記。這樣，不僅減輕了學生閱讀大量英文的壓力，也促進了讀書與思考。

教學評價的評價方法由過程評價50%和結(jié)果評價50%組成，過程評價包括課前預習、觀看操作視頻流程、課堂討論及反思、課后作業(yè)。結(jié)果評價包括教學設(shè)計成果匯報及學生課上課后的表現(xiàn)。

四、教學改革與探索

雙語教學是我國高等教育改革的重點研究方向，為了使學生更深入地學習并應(yīng)用遙感與GIS技術(shù)方法，并且熟練使用先進的英文軟件進行空間分析，實施雙語教學勢在必行。本課程包含RS和GIS兩方面的實驗內(nèi)容，既有聯(lián)系，也有區(qū)別。遙感是獲取宏觀、現(xiàn)勢性專題信息的技術(shù)，其結(jié)果又是地理信息系統(tǒng)及地理空間數(shù)據(jù)的主要組成部分。此外，就其專業(yè)性而言，這兩項內(nèi)容均可作為單獨課程開設(shè)。鑒于此，我們從環(huán)境科學與工程應(yīng)用的角度，安排40學時的理論教學和16個實驗（實踐教學），并通過以下知識模塊實施。目的是在有限的學時內(nèi)，通過理論和實踐教學的結(jié)合，使學生了解知識結(jié)構(gòu)，掌握基礎(chǔ)知識和基本的應(yīng)用技能，具備深入學習的能力。

（一）多媒體教學混合模式教學

實驗課程的雙語教學必須靈活選擇教學資源，多媒體教學混合模式教學包括線上中國慕課、智慧樹，雨課堂等線上結(jié)合線下課堂及科學實踐等混合模式，從而把復雜問題簡單化，例如將軟件的組成，擴展模塊、案例分析等問題通過多種手段結(jié)合，培養(yǎng)學生保持初心，不斷尋找軟件項目的智慧之道。

（二）啟發(fā)式、互動式教學

課程采用英語版軟件說明教材，進行雙語教學。授課過程中使用中文教學，在講解說明時盡可能將課件中的中文與英文分層次對應(yīng)，這樣減少學生語言不理解聽不懂的窘境。除此之外讓學生自主學習專業(yè)軟件，盡可能熟讀英文說明，從熟通一門專業(yè)軟件，提高各行各業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)處理能力。

（三）翻轉(zhuǎn)式教學

翻轉(zhuǎn)式教學法目前非常流行，從基礎(chǔ)教育到高等教育，有很多成功案例。在遙感影響圖像計算機分類和專業(yè)制圖實驗教學過程中，首先要更新實驗教學的教學理念，提高學生自主學習能力，主要講授內(nèi)容為實驗內(nèi)容及目的、參數(shù)設(shè)置等。軟件具體操作可以分組討論，自擬選題，采用多種資源及實驗教材以提出實驗方案。希望揭示翻轉(zhuǎn)式教學背后的教學基本原理，分享成功實驗，減少教師示范，提高學生自主能動力。

五、結(jié)束語

遙感與GIS理論與實踐相結(jié)合是實踐性很強的一門學科。雙語教學能使學生具有世界眼光，提高技術(shù)學習和英語溝通能力[5]。為了啟發(fā)學生的思考，培養(yǎng)他們進一步學習遙感和地理信息系統(tǒng)知識與技術(shù)的能力，我們在理論和實踐教學過程中，始終重視講解知識結(jié)構(gòu)與框架。實踐證明：通過雙語教學學生能在實踐中運用所學知識，適應(yīng)先進技術(shù)發(fā)展，解決復雜工程問題，為學生從事環(huán)境工程、測繪工程等相關(guān)工程問題和科學研究奠定基礎(chǔ)。最終讓學生做到融會貫通，新知轉(zhuǎn)化為舊知，成為其信念系統(tǒng)的一部分，在工作生活中能夠自覺自動地運用某個知識。借鑒國外優(yōu)秀的教材和課件，不斷完善實驗教學內(nèi)容，遙感與GIS實驗課程不僅為理工類學生開設(shè)，同時兼顧對遙感技術(shù)感興趣的文科專業(yè)學生。要結(jié)合遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)在生態(tài)學中的應(yīng)用特點和現(xiàn)狀，在有限的時間內(nèi)使學生掌握基本的應(yīng)用技能。