基于實戰(zhàn)教學(xué)法的“衛(wèi)星遙感”課程改革與實踐

李 俊,盛慶紅,張嘉琪,王 博,凌 霄

(1.南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院,南京 210016;2.正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教師教學(xué)發(fā)展中心,南京 210016)

圍繞“培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人”[1]的問題,南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院一直以“高素質(zhì)公民和未來航天領(lǐng)域開拓者”的人才培養(yǎng)為目標(biāo),不斷探索,精心培育,實現(xiàn)知識傳授與價值引領(lǐng)相統(tǒng)一,體現(xiàn)課程育人的價值本源,在課程內(nèi)容和育人導(dǎo)向上加強方向引領(lǐng)和價值落實[2-4]。衛(wèi)星遙感課程主要授課對象為本院光電信息專業(yè)學(xué)生,重點培養(yǎng)能夠從事航空航天信息與應(yīng)用工程、遙感信息圖像處理技術(shù)及相關(guān)的信息處理方面工作的高素質(zhì)研究應(yīng)用型的專門人才。

如何結(jié)合學(xué)院的學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢,打造具有航天特色的遙感教育平臺,建設(shè)航天強國、化解西方國家對我國航天的嚴(yán)密封鎖和打壓,以及功利主義、虛無主義等社會思潮,迫切要求航天方向課程在培養(yǎng)學(xué)生過程中發(fā)揮思政教育作用,豐富和弘揚航天精神[5]。當(dāng)前航天科技戰(zhàn)略引領(lǐng)作用日益突出、科技更新迭代不斷加速,如何發(fā)揮教師參與的科研項目在教學(xué)中的作用[6],以研促教、以研促學(xué),讓學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識運用到航天領(lǐng)域;如何利用新興智慧教學(xué)手段,提高交流互動效率,促進(jìn)教學(xué)全面改革,讓學(xué)生多維度參與課堂活動、多維度評價學(xué)生學(xué)習(xí)效果,讓學(xué)生以高階思維為核心的綜合智慧能力得到全面發(fā)展[7]。針對以上目標(biāo),本文以“衛(wèi)星遙感”課程為例,圍繞課程教學(xué)中的痛點問題,進(jìn)行全方位教學(xué)方案改革,在項目實戰(zhàn)化教學(xué)方向上做了探索。

1 學(xué)情背景與分析

1.1 課程簡介

“衛(wèi)星遙感”課程(32學(xué)時、2學(xué)分)是航空航天工程專業(yè)的主干專業(yè)核心課,面向大三年級學(xué)生。課程教學(xué)內(nèi)容從主講教師參與的大量航天重大課題中提取核心科學(xué)問題,在我國深空探測任務(wù)總顧問葉院士的指導(dǎo)下,教學(xué)團隊反復(fù)研討最終迭代形成知識點。主講教師獲2021年教育部課程思政示范課、教學(xué)團隊和教學(xué)名師,作為深空探測火星探測器信標(biāo)裝置研制副總設(shè)計師(全國唯一高校獨立承擔(dān)的單機載荷),獲2021年江蘇省青年五四獎?wù)录w榮譽稱號。

1.2 課程痛點分析

當(dāng)前衛(wèi)星遙感在國家戰(zhàn)略發(fā)展中的引領(lǐng)作用日益突出,新型遙感知識爆發(fā)式增長,但課程知識變革的速度是滯后的,造成專業(yè)知識與國家戰(zhàn)略發(fā)展的緊密度小。衛(wèi)星遙感系統(tǒng)復(fù)雜、耗資巨大,難以轉(zhuǎn)化為課程資源,缺少實戰(zhàn)教學(xué)環(huán)境,實踐訓(xùn)練場域與國家航天工程的仿真度弱?！盁釔圩鎳薄皡f(xié)同攻堅”和“自主創(chuàng)新”等航天精神激勵著航天科研人員取得一系列舉世矚目的偉大成就。人才培養(yǎng)過程中價值塑造方法與航天型號總師的達(dá)成度低,課堂師生互動中航天精神傳承不夠。受教材出版周期限制,課程教學(xué)內(nèi)容缺乏時代性和前沿性,針對的問題與精確化、大眾化和智能化的航天系統(tǒng)脫節(jié),學(xué)習(xí)任務(wù)單一和學(xué)習(xí)收益不明晰,師生、生生互動情境中的變化、反思、評價和討論變換知識缺少辨析和對抗。

1.3 學(xué)生學(xué)情分析

學(xué)生熱愛祖國、不斷提高掌握關(guān)鍵核心技術(shù)、增強自主創(chuàng)新和追求卓越的精神動力和潛能不足;學(xué)生系統(tǒng)思維和協(xié)同攻堅能力弱,造成學(xué)生所學(xué)知識難以滿足國家戰(zhàn)略對航天人才綜合能力的要求;學(xué)生學(xué)習(xí)知識欲望低,缺乏批判性思維,難以融會貫通知識技能。

2 創(chuàng)新理念與目標(biāo)

以教師團隊參與的國家航天型號項目、國家自然科學(xué)基金項目和獲得的江蘇省科學(xué)技術(shù)三等獎為任務(wù)驅(qū)動,擺脫了基礎(chǔ)知識陳舊和國家前沿航天技術(shù)需求的矛盾。實施“線上知識自主回顧、新知識掌握、原理實驗驗證、方案設(shè)計對抗、觀點辯論歸納、項目融會貫通”的實戰(zhàn)教學(xué)模式,增強思維訓(xùn)練的層次性和挑戰(zhàn)度,實現(xiàn)教學(xué)先扶后放和漸進(jìn)撤除支架,使學(xué)生在知識學(xué)習(xí)中產(chǎn)生成就感,培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維、協(xié)同攻堅、自主創(chuàng)新和追求卓越等科學(xué)素質(zhì)和能力。

3 創(chuàng)新內(nèi)容和方法

3.1 提煉“型號任務(wù)”教學(xué)案例,踐行“兩性一度”

項目驅(qū)動教學(xué)模式又稱項目教學(xué)法[8],項目教學(xué)法最顯著的特點是“以項目為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”,改變了以往“教師講,學(xué)生聽”的被動教學(xué)模式,實現(xiàn)以“教為主”向以“學(xué)為主”的轉(zhuǎn)變,教師在整個項目教學(xué)的實施中僅僅起指導(dǎo)作用和輔助作用[9],創(chuàng)造學(xué)生主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式,對培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力有很大的提升[10]。

本課程用真實航天型號項目對知識內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu),使知識學(xué)習(xí)與國家戰(zhàn)略發(fā)展緊密相連,如將衛(wèi)星遙感成像機理重構(gòu)為嫦娥探月工程,改造了我校研制的航天型號設(shè)備,開發(fā)了嫦二著陸器等教學(xué)模型,演示難以理解和抽象的概念。緊跟前沿遙感科技,如將遙感幾何處理重構(gòu)為高分辨率對地觀測衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng),面對這種新型對地觀測技術(shù),引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)經(jīng)典共線方程模型存在的問題,進(jìn)而經(jīng)過小組討論提出解決方案。

隨著教師參與科研項目的遞增,研究方向不斷拓寬,及時更新學(xué)生知識學(xué)習(xí)內(nèi)容,更新的知識學(xué)習(xí)內(nèi)容包含目前已建立50多個知識點的案例庫。由于學(xué)生學(xué)習(xí)了系統(tǒng)性、前沿性的知識,因而畢業(yè)后在航天設(shè)計師崗位上得心應(yīng)手。圍繞教師參與的天問一號火星信標(biāo)、高分遙感衛(wèi)星影像幾何定位關(guān)鍵技術(shù)等項目,用前沿技術(shù)實例溶解專業(yè)知識,深度分析衛(wèi)星遙感技術(shù)在航天項目上的具體應(yīng)用,如在高分辨率對地觀測衛(wèi)星中同物異譜和同譜異物現(xiàn)象較為明顯,因此,在遙感專業(yè)課程教學(xué)中需要引入更多先進(jìn)及主流的遙感影像處理方法,比如深度學(xué)習(xí)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法,引導(dǎo)學(xué)生全面地了解最新國內(nèi)外遙感影像的處理方法,以此提升課程的高階性和創(chuàng)新性。隨著教師所在團隊參與的國家航天型號項目遞增,不斷更新詳細(xì)教學(xué)案例,近5年相關(guān)情況見表1。

表1 教學(xué)案例集

3.2 構(gòu)建“對抗辯論”教學(xué)方法,賦能“思維能力”

以教師自身參與的國家工程項目為問題驅(qū)動,開展“對抗辯論”式實戰(zhàn)循環(huán)教學(xué)模式,重點將應(yīng)用新知階段分為初、中和高級階段,分別采用不同的訓(xùn)練方式,增強學(xué)生的思維能力,如圖1所示。

圖1 “對抗辯論”實戰(zhàn)教學(xué)訓(xùn)練

對抗算法設(shè)計和觀點辯論賽題目庫如圖2和圖3所示。下面以分類知識點為例,介紹“對抗辯論”教學(xué)方法過程。

圖2 對抗賽題目庫

圖3 辯論賽題目庫

1)激活舊知。學(xué)生線上自學(xué)卷積、神經(jīng)元等模式識別和人工智能知識;在課堂上教師以這些已有知識為基礎(chǔ),傳授新知識典型非監(jiān)督分類K均值分類原理。

2)示證新知。在嘗試應(yīng)用的初級階段,在微小衛(wèi)星地面接收站(全國高校唯一),接收實時過境的高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù),利用ENVI平臺開展K均值算法原理驗證實驗。

3)應(yīng)用新知。據(jù)統(tǒng)計,在大部分時間全球大約有60%的區(qū)域被云覆蓋,破壞了地表的光譜和紋理信息,使得遙感影像的可用性大大降低,因此云檢測成為遙感影像預(yù)處理中的關(guān)鍵步驟,以此為嘗試應(yīng)用背景,在中級階段,開展云分類問題算法設(shè)計對抗賽,利用夜光遙感、高光譜遙感是運用新知識,同樣還是解決云分類問題。

4)應(yīng)用新知。在學(xué)生充分掌握分類解決實際問題的思路同時,發(fā)現(xiàn)已有知識K均值算法存在問題,針對存在問題講授新知識ISODATA算法。

5)應(yīng)用新知。以遙感影像分類結(jié)果的不確定性受到數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等各個方面的影響為工程背景,進(jìn)入分類知識嘗試應(yīng)用的高級階段,開展分類不確定性辯論賽,正反方觀點分別是“分類結(jié)果的不確定性主要是模型誤差”,“分類結(jié)果的不確定性主要是數(shù)據(jù)誤差”。

6)融會貫通。圍繞國家重大工程項目,如“面向新型預(yù)警衛(wèi)星”中的部分關(guān)鍵技術(shù),發(fā)布科創(chuàng)題目“基于LSTM與紅外輻射的彈道目標(biāo)識別”,選拔3～5名優(yōu)秀學(xué)生,學(xué)生通過科創(chuàng)項目全方位系統(tǒng)性提高解決實際問題的能力,在實踐中形成新思想和新思路,奇思妙想的成果“基于對抗環(huán)境下圖像目標(biāo)識別網(wǎng)絡(luò)性能退化分析的可解釋方法研究”,申報國家重大工程項目,如2021年獲得中央軍委裝備發(fā)展部領(lǐng)域項目立項,形成循環(huán)訓(xùn)練閉環(huán)。

3.3 拓展“挑戰(zhàn)度”教學(xué)活動,注重“智慧教學(xué)”

1)團隊協(xié)作。在課外,4～5名學(xué)生自由組成團隊,分別在如圖2所示的對抗算法設(shè)計賽和圖3所示的觀點辯論賽題目庫選擇感興趣題目。針對每個訓(xùn)練題目,學(xué)生在線上查閱50篇左右的參考文獻(xiàn)后,初步尋找支撐理論、文獻(xiàn)、依據(jù),準(zhǔn)備方案設(shè)計和辯論材料,然后學(xué)生團隊逐一與教師開展討論,通過教師指導(dǎo)和師生交換意見,迭代思路。通過2～3輪(5 h/組)的循環(huán)討論、凝練及融合對抗設(shè)計和辯論觀點。在對抗和辯論教學(xué)現(xiàn)場,教師針對創(chuàng)新點給與表揚,及時調(diào)整對抗和辯論的觀點方向,并糾正錯誤觀點。

2)智慧教學(xué)在課內(nèi),利用信息化智慧教室的“移動課桌”進(jìn)行課堂小組討論正反方觀點辯論競賽,利用“多屏投影”展示方案設(shè)計的Poster演示,開展對抗。在講授新知識時,注重運用“雨課堂”平臺進(jìn)行“線上+線下混合式教學(xué)改革”[11-12];利用多媒體三維動態(tài)演示輔助學(xué)生理解課程中的抽象概念和難點內(nèi)容,以及推送與課堂內(nèi)容相關(guān)的資源視頻和資料。

3.4 實施“多元化”教學(xué)評價,調(diào)動“思考動能”

通過設(shè)置“課堂討論”(5%)、“實驗考核”(5%)、“對抗設(shè)計考核”(30%)、“辯論考核”(30%)等過程性考核完善教學(xué)評價體系,并結(jié)合最后的研究報告(30%)對學(xué)生進(jìn)行綜合能力考核,如圖4所示。在“對抗設(shè)計考核”和“辯論考核”中,根據(jù)辯論規(guī)則由主席(主講教師)和各團隊評出冠、亞、季軍和參與各2隊。主席和各團隊權(quán)重各一半,各團隊只能給非本對抗題和辯題團隊打分,每場按照學(xué)生投票票數(shù)評出最佳辯手1名(單獨加分),詳情如圖5所示,梯度分值的設(shè)置充分調(diào)動了學(xué)生的思考動能。

圖4 教學(xué)評價體系

圖5 辯論賽打分規(guī)則

本文對改革前后的學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行了評估,實驗組采取四層次遞進(jìn)實戰(zhàn)訓(xùn)練教學(xué)法完成研究報告,控制組直接開展研究報告工作。如圖6所示,通過統(tǒng)計學(xué)生成績發(fā)現(xiàn),研究報告成績評價中位于中上水平的學(xué)生人數(shù),實驗組明顯高于控制組,這說明采用實戰(zhàn)教學(xué)法的學(xué)生獲得了較大的能力提升。

圖6 教改效果對比圖其中90～100分為優(yōu),80～90分為良,70～80分為中,60～70分為差,60分以下為不及格。

4 結(jié)束語

結(jié)合真實航天型號項目對課堂知識內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu),使學(xué)生知識學(xué)習(xí)與國家戰(zhàn)略發(fā)展緊密相連,構(gòu)建系列實戰(zhàn)訓(xùn)練場域,逼近國家航天工程,通過激活舊識、示證新知和應(yīng)用新知,實現(xiàn)知識的融會貫通。真刀真槍的實戰(zhàn),讓學(xué)生切實感知航天實戰(zhàn)環(huán)境、感受航天任務(wù)壓力、感悟航天精神文化,發(fā)揮航天型號總師價值塑造作用,深挖航天精神,將熱愛祖國、追逐夢想、協(xié)同攻堅和自主創(chuàng)新等航天精神融入課程。通過對抗賽的方式不斷引導(dǎo)對抗雙方明白彼此的邏輯框架,進(jìn)而雙方方案都能取長補短,以此訓(xùn)練學(xué)生的協(xié)同攻堅能力,在學(xué)術(shù)辯論賽實戰(zhàn)訓(xùn)練過程中,學(xué)生思考問題的方式將經(jīng)歷“找出問題、分析矛盾、解決辦法”的不斷螺旋上升過程,實現(xiàn)了學(xué)生培養(yǎng)從知識學(xué)習(xí)到知識應(yīng)用的“無縫銜接”,在實際教學(xué)中初見成效,希望能對工科類課程結(jié)合院校特色進(jìn)行教學(xué)改革工作提供一些參考。