“合成孔徑雷達干涉測量”課程思政建設(shè)與實踐

范洪冬,郝 明,張宏貞,鄧喀中

(中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

2017年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于加強和改進新形勢下高校思想政治工作的意見》提出，堅持全員全過程全方位育人，把思想價值引領(lǐng)貫穿教育教學(xué)全過程和各環(huán)節(jié)[1,2]。因此，作為肩負著培養(yǎng)我國建設(shè)者和接班人的高等院校，有責任也有義務(wù)將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)，把“立德樹人”作為教育的根本任務(wù)。然而，已有研究表明，相比于本科生、高職院校學(xué)生，研究生課程思政教育研究在CNKI數(shù)據(jù)庫中的占比僅為1%[3]，并且人文社科的“課程思政”研究明顯多于自然學(xué)科。因此，如何針對研究生教學(xué)的自身特點，探索相應(yīng)的工學(xué)碩士課程思政建設(shè)方案是廣大研究生導(dǎo)師需要解決的問題之一。

合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)是一種先進的對地觀測技術(shù)，經(jīng)過近二十年的飛速發(fā)展，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地形測繪、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、資源開發(fā)地表沉降監(jiān)測等領(lǐng)域[4,5]。其綜合了遙感技術(shù)與大地測量技術(shù)，逐漸成為測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的一個重要分支。然而，由于該技術(shù)存在理論性強、難度大、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等問題，國內(nèi)開設(shè)“合成孔徑雷達干涉測量”課程的高校較少[6]，常將其混雜于3S課程中進行簡要介紹[7]，更缺乏相應(yīng)的課程思政教學(xué)設(shè)計。為此，本文以中國礦業(yè)大學(xué)研究生課程為例，探討工科專業(yè)研究生課程思政建設(shè)的方法，為測繪類研究生課程思政改革提供借鑒和參考。

1 課程概況

中國礦業(yè)大學(xué)自2017年開始設(shè)置“合成孔徑雷達干涉測量”研究生專業(yè)選修課程，授課對象包括學(xué)術(shù)型和專業(yè)型碩士，學(xué)時為32課時。由于不同類型碩士研究生的培養(yǎng)目標和要求不同，2020年之后，本課程主要面向?qū)W術(shù)型研究生開設(shè)，而專業(yè)型碩士課程改為“InSAR技術(shù)及應(yīng)用”，其更偏向于工程實踐應(yīng)用。為適應(yīng)學(xué)術(shù)型研究生的培養(yǎng)需要，本課程以提高創(chuàng)新能力為目標，突出科教結(jié)合，強化知識學(xué)習(xí)力、科研創(chuàng)新力和學(xué)術(shù)競爭力的培養(yǎng)。在課堂講授中多以理論、前沿知識為主，同時結(jié)合國內(nèi)外的科研成果和案例，營造學(xué)術(shù)創(chuàng)新氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

本科階段深入接觸InSAR技術(shù)的測繪類專業(yè)較少，大部分高校都沒有相關(guān)基礎(chǔ)，因此，在教學(xué)過程中本課程采用三級課程體系進行遞進式講授，即：“筑基礎(chǔ)-尋拓展-謀創(chuàng)新”。課程首先著重講解InSAR數(shù)據(jù)處理的相關(guān)基礎(chǔ)理論，包括雷達信號處理基本原理，SAR衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展，合成孔徑雷達成像原理，InSAR和差分InSAR(D-InSAR)的基本原理及數(shù)據(jù)處理步驟等；然后拓展到經(jīng)典的時序InSAR基本原理方法，包括永久散射體干涉測量(PS-InSAR)和短基線干涉測量(SBAS)；最后講解InSAR技術(shù)的研究前沿，包括分布式目標干涉測量，極化干涉測量等。此外，本教學(xué)團隊在授課過程中將課程的經(jīng)典算法拆解成小的案例，要求學(xué)生通過程序語言實現(xiàn)，提高其分析問題和解決實際問題的能力。

就InSAR技術(shù)而言，該課程與思政有密切的聯(lián)系，如：雷達系統(tǒng)在我國國防軍工建設(shè)方面一直扮演著重要角色，經(jīng)過眾多科研工作者的不懈努力，涌現(xiàn)出一批國之重器，這與我黨的英明領(lǐng)導(dǎo)密不可分；在地震[8]、滑坡[9]等重大災(zāi)害面前，SAR往往為災(zāi)區(qū)救援提供第一手資料，增強了從業(yè)者的社會責任感和使命擔當。因此，在講授專業(yè)理論知識的同時，教師有必要挖掘課程中隱含的思政元素，尋求融入理論教學(xué)的切入點，對學(xué)生起到潛移默化的影響。

2 課程思政教學(xué)設(shè)計

2.1 課程思政元素融合點

思政元素是課程思政建設(shè)的基礎(chǔ)，在思政課程建設(shè)時應(yīng)首先結(jié)合課程培養(yǎng)目標、授課內(nèi)容等進行深度挖掘。為此，結(jié)合本課程“筑基礎(chǔ)-尋拓展-謀創(chuàng)新”的三級教學(xué)體系，依據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容特點，在國家意識、文化自信、人格塑造、職業(yè)素養(yǎng)等方面發(fā)掘課程思政元素。經(jīng)分析總結(jié)，將本課程蘊含的課程思政元素列于表1。

2.2 課程思政“三步”實踐教學(xué)法

在確立了教學(xué)內(nèi)容與課程思政元素的融合點之后，需要在具體的教學(xué)實踐中將兩者有機融合。由于經(jīng)過本科階段知識的儲備，研究生在課程學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)具備了一定的獨立思考、設(shè)計、寫作等能力，具有較好的主觀能動性，而在研究生階段，尤其是學(xué)術(shù)型碩士，更應(yīng)注重理論創(chuàng)新、獨立解決工程難題、學(xué)術(shù)表達與交流等方面的培養(yǎng)。因此，我們在教學(xué)過程中，探索了課程思政“三步”實踐教學(xué)法。具體步驟如下。

1)科研引導(dǎo)。工科研究生在學(xué)習(xí)和工作過程中都需要在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，研究問題，進而解決問題。因此，課堂教學(xué)設(shè)計時，教師首先從教學(xué)內(nèi)容的工程及研究背景出發(fā)，發(fā)掘授課內(nèi)容中存在的科學(xué)或技術(shù)難題，進而構(gòu)思針對該問題的思政元素。

2)隱性融合。在教學(xué)過程中，設(shè)計思政要素與課堂知識點的有機融合方法，使兩者自然銜接，達到“潤物細無聲”的教學(xué)效果。

3)創(chuàng)新拓展。學(xué)術(shù)型碩士以學(xué)術(shù)研究為導(dǎo)向，注重理論研究與創(chuàng)新。培養(yǎng)過程中以課程學(xué)習(xí)、文獻追蹤、科研實踐、導(dǎo)師指導(dǎo)4個方面為主[10]。從中可以看出，除參與少量公共基礎(chǔ)課之外，學(xué)生大部分精力都集中在與專業(yè)相關(guān)的學(xué)習(xí)和研究中。因此，在融合思政元素講解課堂知識之后，應(yīng)結(jié)合學(xué)術(shù)前沿、工程應(yīng)用、科研實踐進行創(chuàng)新拓展，從而達到專業(yè)知識與思政元素融合升華的目的，也有助于拓展學(xué)生學(xué)術(shù)研究的思路。

表1 合成孔徑雷達干涉測量課程思政元素融合點及教學(xué)目標

圖1 課程思政教學(xué)實踐案例

3 課程思政教學(xué)實踐

根據(jù)上節(jié)總結(jié)的思政元素融合點，結(jié)合課程思政“三步”實踐教學(xué)法，本節(jié)以創(chuàng)新模塊中的“資源開發(fā)地表形變監(jiān)測與環(huán)境保護意識”為例，將提高學(xué)生生態(tài)環(huán)境保護意識，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，強化責任擔當?shù)人颊囵B(yǎng)目標融入課程講授過程中，探討具體授課過程中的課程思政教學(xué)實踐。該課程思政案例的具體教學(xué)實踐流程如圖1所示。

3.1 科研引導(dǎo)

通過課程講授可知，DInSAR解算地表形變時，當纏繞相位的相位梯度(地表形變梯度)增大到一定的數(shù)值后，則存在解纏錯誤的問題[11]。圖1中展示相位解纏問題的圖片分別為大柳塔煤礦真實地表形變相位和利用DInSAR解算的解纏相位，兩者在量級上差別很大，主要原因是該處地表最大下沉達4 m以上，已大大超出了相位解纏的能力范圍。為解決這一問題，可以在硬件和算法兩方面制定解決方案。硬件方面措施有：增加重訪周期、增大波長、減小垂直基線、減小雷達載波頻率、提高影像分辨率等；算法方面措施有：精確配準(偏移量跟蹤)、子帶干涉、同質(zhì)濾波時序分析等。

3.2 隱性融合

在講授相位解纏存在的問題之后，從科研案例、工程應(yīng)用或自身經(jīng)歷出發(fā)，逐步將思政元素與課堂知識點進行融合。首先講解煤炭資源是國家的能源保障，目前仍約占我國一次能源消費的60%，必須進行煤炭資源開采。但是，開采后地表沉陷往往會導(dǎo)致嚴重的環(huán)境損害。課堂上通過展示相關(guān)圖片、數(shù)據(jù)等例證初步讓學(xué)生了解生態(tài)環(huán)境保護的重要性。圖2是課堂講授的礦區(qū)開采損害案例，其中：圖2(a)為江蘇沛縣某礦煤炭開采導(dǎo)致的地表沉陷積水，此時村莊房屋已被淹沒；圖2(b)為煤炭開采后，地表出現(xiàn)了錯斷，嚴重破壞了房屋的地基結(jié)構(gòu)，威脅居民的生命財產(chǎn)安全。通過該案例，學(xué)生們可以直觀認知因煤炭開采導(dǎo)致的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞問題。

圖2 礦區(qū)開采沉陷損害

煤炭開采導(dǎo)致地表沉降后進一步引發(fā)積水、耕地損毀、房屋損壞、地表裂縫、水土流失等諸多生態(tài)環(huán)境問題，尤其當前煤炭開發(fā)重心西移以后，無疑會對西部干旱半干旱區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成更為嚴重的破壞。如何在既開采煤炭資源，又把地質(zhì)環(huán)境損傷控制在合理的范圍，需要研究開采沉陷規(guī)律，而開采沉陷規(guī)律的認識與預(yù)測均建立在實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，因此，有必要引入InSAR技術(shù)進行大范圍、高頻次、高精度地表形變監(jiān)測。然而，當?shù)叵旅禾抠Y源開發(fā)后，由于地表沉陷量級過大，很容易超出InSAR相位解纏的能力范圍，導(dǎo)致難以提取準確的形變信息。為此，在研究過程中將偏移跟蹤技術(shù)引入礦區(qū)地表形變監(jiān)測，利用幅度信息解算地表時序地表形變信息[12]，為礦區(qū)地表形變監(jiān)測、地下開采規(guī)劃、礦山綠色開采等提供了新的技術(shù)方法。最后指出，通過學(xué)習(xí)解決InSAR技術(shù)監(jiān)測煤礦區(qū)面臨的問題，是學(xué)生們義不容辭的責任，應(yīng)具有的擔當精神。通過上述授課知識點與思政元素的融合，對學(xué)生的人格品格進行塑造，提高其環(huán)境保護意識，強化責任擔當。

3.3 創(chuàng)新拓展

在利用偏移跟蹤技術(shù)初步解決了InSAR監(jiān)測礦區(qū)開采沉陷大量級地表形變問題之后，如何尋求創(chuàng)新拓展是需要進一步解決的問題。在課堂講授時，根據(jù)筆者的科研經(jīng)歷，從改進基礎(chǔ)算法、構(gòu)建融合算法及拓展監(jiān)測信息3方面進行深入講解，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和創(chuàng)新性思維的能力。詳述如下：

1)針對基礎(chǔ)偏移跟蹤算法未顧及地形起伏，配準窗口大小固定導(dǎo)致最優(yōu)偏移量可能遺漏的問題，計算并去除地形起伏導(dǎo)致的偏移量，研究根據(jù)相關(guān)系數(shù)自適應(yīng)選取配準窗口的方法，可有效提高偏移跟蹤算法的計算精度。

2)針對單軌道SAR影像在大梯度地表形變區(qū)域監(jiān)測精度偏低的問題，構(gòu)建融合開采沉陷模型(概率積分法)、多源數(shù)據(jù)(SAR、Lidar等)、其它InSAR算法(分布式目標InSAR、子帶干涉等)的監(jiān)測方法，提高地表形變解算精度。

3)研究單、多軌道SAR影像提取礦區(qū)地表三維形變的方法，進而計算傾斜、曲率、水平變形等評價指標，為礦區(qū)建構(gòu)筑物損害評估提供新的技術(shù)支撐。此外，以SAR技術(shù)獲取的高精度地表形變?yōu)榧s束，利用開采沉陷模型和群智能優(yōu)化算法，還可反演地下采空區(qū)的位置信息，為相關(guān)部門監(jiān)控、監(jiān)管地下資源違法開采提供新的技術(shù)方法。

為全面踐行“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，拓展InSAR應(yīng)用領(lǐng)域，筆者在研究過程中深入挖掘了其它類型生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評估問題，如廣域煤火區(qū)識別與監(jiān)測、充填開采變形監(jiān)測、尾礦庫安全監(jiān)測等。以煤火燃燒引起的生態(tài)環(huán)境問題為例，據(jù)統(tǒng)計，新疆在燃的46處火區(qū)每年損失煤炭資源4.42×106t，排放CO21.32×107t,CO 1.03×105t,總烴2.05×105t,SO24.4×104t,煙塵1.05×104t，造成了數(shù)百萬平方米的植被破壞[13]。圖3為新疆在燃某火區(qū)的現(xiàn)場照片，從中可以看出煤火燃燒不僅浪費了大量煤炭資源，而且產(chǎn)生了地表塌陷、裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，使新疆本已脆弱的生態(tài)環(huán)境更是雪上加霜，亟需利用InSAR等新技術(shù)對其進行監(jiān)測、評估和預(yù)警。充填開采則是一種綠色采煤方法，既采出了大量地下煤炭資源，又控制了地表沉降量，保護了地表建構(gòu)筑物。但是目前對該技術(shù)減沉效果的評價仍以水準、全站儀等傳統(tǒng)測量方法為主，不僅成本高，點位易丟失，而且所布設(shè)的點位往往并不位于最大沉降位置，導(dǎo)致評估結(jié)果可能出現(xiàn)誤差，而InSAR技術(shù)則可以有效解決這些問題，為綠色礦山建設(shè)提供了技術(shù)支持。此外，InSAR可為尾礦庫提供高密度、高頻次的壩體監(jiān)測數(shù)據(jù)，減少安全責任事故的發(fā)生。

通過講授上述算法的改進思路和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，實現(xiàn)了課程教學(xué)內(nèi)容與礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的有機融合，既培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的科研創(chuàng)新思路，也提高了學(xué)生環(huán)境保護意識，增強其對測繪專業(yè)的認同感及自身的使命擔當，有效提高了“合成孔徑雷達干涉測量”課程教學(xué)效果。

圖3 新疆在燃火區(qū)現(xiàn)場照片

4 結(jié)束語

“合成孔徑雷達干涉測量”是一門融合信號處理、遙感、大地測量等相關(guān)理論知識的測繪專業(yè)課程。目前針對該課程的思政教學(xué)建設(shè)相對較少。本文在分析中國礦業(yè)大學(xué)該課程三級教學(xué)體系的基礎(chǔ)上，總結(jié)了各教學(xué)內(nèi)容中蘊含的思政元素，構(gòu)建了“科研引導(dǎo)-隱性融合-創(chuàng)新拓展”的課程思政“三步”實踐教學(xué)法。通過教學(xué)實踐，實現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容與思政元素的有機融合，在培養(yǎng)學(xué)生提升國家安全意識、文化自信、職業(yè)素養(yǎng)，塑造人格品格等方面取得了較好的教學(xué)實踐效果。