遙感數(shù)字圖像處理與分析課程教學(xué)改革探究

蘇 濤，崔杏園，趙明松

(安徽理工大學(xué) a.空間信息與測繪工程學(xué)院； b.繼續(xù)教育學(xué)院，安徽 淮南 232001)

“互聯(lián)網(wǎng)+”教育響應(yīng)國家倡導(dǎo)提出的“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃號召，是當(dāng)代中國教育發(fā)展的必然趨勢[1]。這種新型的教育模式是全國各高校在本科教育和人才培養(yǎng)方面面臨的一個重要課題。遙感技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今科技發(fā)展中最具知識創(chuàng)新性和技術(shù)帶動能力的領(lǐng)域之一，是計算機科學(xué)、地球信息科學(xué)、空間技術(shù)、測繪科學(xué)與技術(shù)、環(huán)境學(xué)等多種學(xué)科的交叉領(lǐng)域[2]。在互聯(lián)網(wǎng)時代，獲取知識的途徑具有多樣性，隨著計算機處理新方法的不斷涌現(xiàn)，作為遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程的遙感數(shù)字圖像處理與分析中的遙感技術(shù)圖像處理方法更新進一步加快，陳舊的圖像處理方法和教學(xué)方式已不適用于當(dāng)前社會的發(fā)展和人才培養(yǎng)。隨著遙感影像的廣泛應(yīng)用，社會迫切需要掌握最新相關(guān)知識和熟練處理遙感影像的專門人才。針對這種情況，如何調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段是當(dāng)前亟需解決的重要問題之一。

1 遙感數(shù)字圖像處理與分析課程教學(xué)現(xiàn)狀

本課程是測繪、地信、遙感、導(dǎo)航、環(huán)境等專業(yè)的必修課程，是一門重視實踐性和專業(yè)性的課程[3]。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)普遍存在偏重理論教學(xué)的問題，如重視數(shù)學(xué)原理、數(shù)學(xué)推導(dǎo)、原理分析等方面的講解，課堂教學(xué)僅限于教材內(nèi)容范圍，忽視了遙感影像處理新技術(shù)和新方法的介紹，在應(yīng)用方面的講授僅限于農(nóng)業(yè)、森林和地質(zhì)等方面的概括性簡略介紹，而沒有進行深入講解，學(xué)生的應(yīng)用能力不足。在實驗教學(xué)方面，教師通常根據(jù)課堂教學(xué)進度設(shè)定若干實驗內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書所提供的方法、步驟和手段，利用ENVI軟件進行遙感圖像處理操作，實驗過程比較輕松，但對實際應(yīng)用能力的鍛煉不足。

2 遙感數(shù)字圖像處理與分析課程教學(xué)存在的問題

2.1 教學(xué)手段單一

傳統(tǒng)的教學(xué)方式多采用多媒體教學(xué)，主要授課方式是教師以PPT內(nèi)容作為提綱進行講解，學(xué)生被動接受專業(yè)知識，缺乏討論、探索、文獻檢索、報告展示等環(huán)節(jié)[4]。學(xué)生在課堂中由于長時間觀看PPT或觀看有關(guān)演示，通常缺少必要的課堂互動環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生對課堂興趣低、疲勞感增強、上課抬頭率低，課堂學(xué)習(xí)效果不佳。

2.2 教材內(nèi)容陳舊

目前，本課程可選用的國內(nèi)教材種類較多，不乏優(yōu)秀精品教材，但是多數(shù)教材過分注重體系結(jié)構(gòu)的完整性，部分內(nèi)容陳舊，缺乏新意，新技術(shù)和新方法沒有及時編入教材，體系結(jié)構(gòu)固定，一般是從定理、原理講起，比較符合學(xué)生的思維方式，優(yōu)點是內(nèi)容條理性和邏輯性強，但是缺乏創(chuàng)新性，沒有留給學(xué)生想象的空間。學(xué)生從課堂和教材中獲取的專業(yè)知識，是系統(tǒng)、傳統(tǒng)的知識，由于缺少新知識、新技術(shù)和新方法，不利于學(xué)生畢業(yè)后快速融入相關(guān)行業(yè)和崗位，對就業(yè)和工作帶來一定壓力。

2.3 實踐環(huán)節(jié)薄弱

遙感數(shù)字圖像處理與分析是一門理論與實踐相結(jié)合，對實踐具有較強依賴性的課程[5]，以本校地信和測繪專業(yè)為例，目前理論教學(xué)課時是8周32學(xué)時，實驗課時僅有8學(xué)時，同時缺少后續(xù)的數(shù)字圖像處理實踐課，可見該課程的實驗課時偏少。目前，實驗內(nèi)容設(shè)計一般是根據(jù)專業(yè)軟件使用指南編寫的實驗指導(dǎo)書來確定[4]，缺乏創(chuàng)新性，沒有將最新的技術(shù)或方法體現(xiàn)出來，學(xué)生在8學(xué)時實驗過程中，通常比較機械地按照實驗指導(dǎo)書上的步驟進行實驗，缺乏主觀能動性，只是機械照搬、拷貝，對相應(yīng)的知識點理解不夠，導(dǎo)致實驗效果不佳，沒有達到實驗課的真正目的，學(xué)生脫離了實驗環(huán)境還是不能獨立解決問題。

3 遙感數(shù)字圖像處理與分析課程教學(xué)改革策略

針對目前遙感數(shù)字圖像處理與分析課程存在的教學(xué)手段單一、教學(xué)內(nèi)容陳舊和實驗環(huán)節(jié)薄弱等問題，結(jié)合高等教育新模式和課程思政要求，從以下五方面探討本門課程的教學(xué)改革方案。

3.1 教學(xué)內(nèi)容的改革

在高校教材方面，本門課不僅需要從國內(nèi)精品教材中選擇，還要把目光投向國外優(yōu)秀教材和國際期刊、雜志、網(wǎng)絡(luò)資源等方向上，結(jié)合學(xué)校辦學(xué)背景，制訂教學(xué)內(nèi)容。在授課內(nèi)容方面，建議保留基本的原理與概念，刪去比較陳舊的內(nèi)容，補充新技術(shù)、新方法和新成果等內(nèi)容，教案和教學(xué)計劃建議每2～3年更新一次。例如，在遙感影像分類章節(jié)中，需要加入隨機森林、基于深度學(xué)習(xí)等的分類方法，不僅要增加有關(guān)內(nèi)容，而且需要有比較詳細(xì)的講解，可減少比較成熟的分類方法的講解比重；在遙感衛(wèi)星及其特點章節(jié)中，不僅要介紹各種衛(wèi)星的特點，而且要補充新衛(wèi)星的特點，如哨兵系列衛(wèi)星、Landsat8/9以及國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星，使學(xué)生能夠熟悉新衛(wèi)星，尤其是國產(chǎn)衛(wèi)星，在應(yīng)用方面國產(chǎn)遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)為首選，做到用好國產(chǎn)衛(wèi)星產(chǎn)品，把國產(chǎn)影像產(chǎn)品應(yīng)用于祖國的大地上。在教學(xué)各環(huán)節(jié)中引入新知識和新方法，縮小科研成果與教學(xué)內(nèi)容之間的斷層，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的興趣和認(rèn)同感[5]。

3.2 引入課程思政教學(xué)

2016年，全國高校思想政治工作會議上強調(diào)其他各門課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)[6]。課程思政是將思想政治教育寓于和融入專業(yè)課、通識課的教育實踐活動中[7]。高校中，80%以上是專業(yè)教師，80%以上是專業(yè)課，課程思政專業(yè)教師是主力軍，專業(yè)課的課堂是主渠道。因此，課堂教學(xué)是高校思政教育的主要途徑之一。作為地信和測繪必修課的遙感數(shù)字圖像處理與分析課程，在以往的教學(xué)過程中通常只是重視學(xué)生理論和基本技能的培養(yǎng)，忽略了學(xué)生的人生觀和價值觀等思政方面的教育。鑒于此，在本課程的教學(xué)過程中，要做到有的放矢，針對不同的授課內(nèi)容將思政教育自然融入到課程教學(xué)中。結(jié)合本課程內(nèi)容與特點，大致可采用課堂內(nèi)容滲透法、專題案例和討論法等多種教學(xué)方法和手段進行課程思政教學(xué)。

3.2.1 課堂內(nèi)容滲透法

課堂內(nèi)容滲透法是在授課過程中，在適當(dāng)?shù)年P(guān)節(jié)點上加入思政內(nèi)容。例如，在講解遙感衛(wèi)星及其運行特點的國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星時，引入“五愛教育”等思政內(nèi)容；在講解遙感影像目視解譯和計算機分類中的原則、方法和規(guī)范時，引入職業(yè)理想和道德教育，列舉有關(guān)學(xué)術(shù)道德方面的例子，特別強調(diào)在今后的論文寫作過程中禁止出現(xiàn)學(xué)術(shù)不端的現(xiàn)象；在講解遙感應(yīng)用中的城市或土地利用變化時，適當(dāng)引入綠水青山就是金山銀山，強調(diào)環(huán)境保護的重要性和遵紀(jì)守法方面的教育內(nèi)容。

3.2.2 專題案例

專題案例是在授課過程中，根據(jù)有關(guān)內(nèi)容安排專題案例進行思政教育。例如，在講解城市熱島和燈光數(shù)據(jù)時，可開展遙感監(jiān)測新冠肺炎疫情期間復(fù)工復(fù)產(chǎn)情況專題，引入我國對待抗擊疫情的態(tài)度和價值觀，對學(xué)生進行愛國和民族自豪感教育。

3.2.3 討論法

討論法是在已經(jīng)設(shè)計的課程思政環(huán)節(jié)中，開展思政教育討論。例如，在講授遙感技術(shù)的發(fā)展歷史與展望部分，可針對我國遙感發(fā)展史進行討論，通過討論學(xué)習(xí)大國工匠精神，使學(xué)生對待學(xué)習(xí)和工作要具有精益求精、一絲不茍的態(tài)度。

3.3 教學(xué)方式的改革

在多媒體授課過程中，采用PPT、圖片和視頻等教學(xué)方式，可大大提高授課效率與速度，但是教師會產(chǎn)生一定的依賴性，逐漸減少板書量，導(dǎo)致部分教師授課完全依賴多媒體教學(xué)。對于不同學(xué)科的教學(xué)，在使用多媒體的時間方面是有區(qū)別的，建議對于數(shù)學(xué)和物理等一些具有很強理論推導(dǎo)的課程教學(xué)中，應(yīng)充分利用板書進行計算或推演，這樣學(xué)生才能跟隨板書思路連續(xù)地進行思考和學(xué)習(xí)。對于遙感數(shù)字圖像處理與分析課程，其中反演模型的建立和一些算法推導(dǎo)，需要通過板書進行授課，這部分若使用PPT進行教學(xué)可能會導(dǎo)致學(xué)生的推導(dǎo)思路斷續(xù)，影響教學(xué)質(zhì)量，對于衛(wèi)星的介紹和遙感應(yīng)用等部分內(nèi)容可進行板書與多媒體相結(jié)合的方式進行授課，多媒體教學(xué)可以圖文并茂地展示遙感的魅力，激發(fā)學(xué)生的興趣和能動性。在授課過程中，需要增加教師與學(xué)生的互動環(huán)節(jié)，教師可以采用點名提問、上臺演算推導(dǎo)、現(xiàn)場操作等教學(xué)方法激發(fā)學(xué)生的能動性和積極性。例如，對于遙感影像分類這部分內(nèi)容，教師先講解有關(guān)監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類的原理部分，然后以分類結(jié)果的差異性作為專題，讓學(xué)生進行分組討論如何提高圖像的分類精度，圍繞這個專題，學(xué)生可以各抒己見，從樣本的選取、原理算法和光譜特征曲線等方面進行討論，加強學(xué)生對影像分類的認(rèn)識，理解提高分類精度的方法。教師可根據(jù)授課的內(nèi)容要求，改進教學(xué)方案設(shè)計，授課中經(jīng)常運用互動類的教學(xué)模式，能夠提高學(xué)生的主動性和參與性，活躍課堂氣氛達到提高教學(xué)效果的目的。在課堂教學(xué)中，教師可針對不同的授課內(nèi)容，將學(xué)生分為若干小組，布置課前預(yù)習(xí)的內(nèi)容和問題，課堂的前半節(jié)課每組學(xué)生根據(jù)課前預(yù)習(xí)內(nèi)容和問題進行講解，后半節(jié)課學(xué)生針對問題進行討論，教師可適當(dāng)講解和補充，通過這種教學(xué)方式能夠充分激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生解決問題和分析問題的能力，使學(xué)生進一步加深對有關(guān)概念和方法的理解。

3.4 實驗教學(xué)的改革

遙感數(shù)字圖像處理與分析課程是一門對實踐具有較強依賴性的課程[5]，因此在設(shè)計實驗課內(nèi)容時，需要注重實用性和應(yīng)用性環(huán)節(jié)。例如，在實驗課中增加如何網(wǎng)上下載需要的遙感影像專題，能夠培養(yǎng)學(xué)生獨立通過網(wǎng)上查詢、注冊、軌道號輸入等步驟獲得指定區(qū)域的遙感影像，提高了實驗課的參與性，增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及下載成功后的成就感，再配合原有的遙感影像預(yù)處理、圖像增強和圖像拼接等實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生可以掌握遙感影像生產(chǎn)的一般流程，能夠為應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)源。在實驗課教學(xué)方法方面，通過開展實驗操作演示、分組討論、結(jié)果找錯等環(huán)節(jié)，能夠進一步培養(yǎng)學(xué)生的主動性、思考性和動手能力，強化課堂學(xué)習(xí)中的知識和內(nèi)容，實現(xiàn)教學(xué)與實踐相結(jié)合的目的。

3.5 考核方式的改革

應(yīng)進一步修改與完善高校課程考核標(biāo)準(zhǔn)，降低期末考試成績在總成績中的占例，增加過程性考核，使學(xué)生重視平時出勤、作業(yè)和實驗等環(huán)節(jié)，使學(xué)生評價方式多元化。例如，將平時成績的比例增加至50%或60%，評價內(nèi)容包括出勤率、作業(yè)、實驗成績，其中實驗成績應(yīng)占較大比例，突出實驗的重要性。

4 結(jié)語

遙感數(shù)字圖像處理與分析課程是一門多學(xué)科融合和交叉的課程，對實踐具有較強依賴性，遙感技術(shù)已經(jīng)成為我國地理空間信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，對學(xué)生遙感影像圖像處理技能的培養(yǎng)具有一定的現(xiàn)實意義[2]。結(jié)合自身教學(xué)實踐，針對該課程存在的問題，從教材選取、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和實驗教學(xué)等方面進行了分析，提出了解決方案，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)已經(jīng)開始實施并取得了較好的效果，大部分學(xué)生通過實驗環(huán)節(jié)掌握了遙感圖像處理的獲取、預(yù)處理和粗加工等基本流程。在今后的教學(xué)實踐過程中，應(yīng)采用先進的教學(xué)方法，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，改進不足之處，進一步提高教學(xué)質(zhì)量。