新時期遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)微波成像理論教學(xué)與課程實習(xí)設(shè)計

石書祝 嚴(yán)頌華 董杰

摘? 要：針對全鏈路遙感人才培養(yǎng)的迫切需求，本研究梳理了微波成像課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，分析了微波成像課程在武漢大學(xué)遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)第二版“遙感科學(xué)與技術(shù)大類培養(yǎng)方案”課程體系中的位置和作用。并在此基礎(chǔ)之上，將思政教育、國內(nèi)外微波成像新知識融入教學(xué)內(nèi)容中，為微波成像課程分別設(shè)計了合適的理論教學(xué)內(nèi)容與課程實習(xí)內(nèi)容，最后對改進(jìn)微波成像課程的教學(xué)方法進(jìn)行了探討，以期實現(xiàn)“三全育人、課程思政、學(xué)研協(xié)同、實踐創(chuàng)新”的新時期教育模式。

關(guān)鍵詞：微波成像；理論教學(xué)設(shè)計；課程實習(xí)設(shè)計；遙感科學(xué)與技術(shù)；課程思政

中圖分類號：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2024）17-0106-05

作為全國第一個創(chuàng)立遙感科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的單位，武漢大學(xué)針對該專業(yè)的多學(xué)科交叉特色以及新時期下國家對遙感人才的客觀需求，于2018年開始實施第一版遙感科學(xué)與技術(shù)大類培養(yǎng)方案。隨著航空航天遙感技術(shù)的發(fā)展，國家亟須培養(yǎng)熟悉從傳感器研制、衛(wèi)星設(shè)計到遙感信息處理、遙感應(yīng)用的全鏈路遙感人才，［1］因此該培養(yǎng)方案首次將遙感儀器作為遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)大類培養(yǎng)的模塊，旨在培養(yǎng)遙感衛(wèi)星平臺和遙感傳感器方向的人才。［2］

微波成像主要指合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar， SAR）成像。SAR是一種主動式微波成像傳感器，通過發(fā)射寬帶線性調(diào)頻信號，并且結(jié)合合成孔徑技術(shù)，在距離向和方位向上同時獲得二維高分辨率圖像。［3］與光學(xué)和高光譜遙感手段相比，SAR成像不受云霧雨雪等天氣因素的影響，具有全天時全天候監(jiān)測的優(yōu)勢，對地表覆蓋層有一定的穿透性，獲取的圖像能夠反映植被、土壤、雪、冰層等地物的微波散射特性，是實現(xiàn)空間軍事偵察、自然資源普查、自然災(zāi)害監(jiān)測等的一種重要遙感手段。［4］雖然，目前武漢大學(xué)遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)已經(jīng)開設(shè)了微波遙感課程，但課程內(nèi)容側(cè)重于講述雷達(dá)遙感影像的處理及應(yīng)用，對微波成像系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及信號處理算法講得比較淺顯，［5］導(dǎo)致學(xué)生難以掌握微波成像的基本原理以及常用的信號處理方法。鑒于當(dāng)前國內(nèi)外雷達(dá)遙感衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展以及新時期下全鏈路遙感人才培養(yǎng)的迫切需求，武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院在2023年開始實施的第二版遙感科學(xué)與技術(shù)大類培養(yǎng)方案中，正式將微波成像作為遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的選修課。雖然目前國內(nèi)已有相關(guān)高校開設(shè)了雷達(dá)成像技術(shù)等微波成像課程，［6-7］但這些課程大部分都是針對研究生開設(shè)，而且只側(cè)重于講述SAR成像，沒有結(jié)合SAR系統(tǒng)與搭載平臺研制、衛(wèi)星發(fā)射與數(shù)據(jù)接收、SAR圖像處理及其遙感應(yīng)用整個遙感技術(shù)鏈路進(jìn)行講述。此外，這些課程大部分都沒有將思政元素和國內(nèi)外SAR成像新技術(shù)引入教學(xué)內(nèi)容中。［8］由此可見，如何針對全鏈路遙感人才培養(yǎng)的迫切需求，為微波成像課程設(shè)計合適的理論教學(xué)內(nèi)容與課程實習(xí)內(nèi)容，將思政元素、國內(nèi)外微波成像新技術(shù)等引入課程教學(xué)中，最終實現(xiàn)“三全育人”、課程思政、學(xué)研協(xié)同、實踐創(chuàng)新的教育目標(biāo)，是微波成像課程教學(xué)亟須解決的一個問題。

本研究首先梳理了微波成像課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，然后將思政教育、國內(nèi)外微波成像新技術(shù)等融入教學(xué)內(nèi)容中，并且為微波成像課程分別設(shè)計合適的理論教學(xué)內(nèi)容與課程實習(xí)內(nèi)容，最后對改進(jìn)微波成像課程的教學(xué)方法進(jìn)行了探討。

一、微波成像課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

通過參與本科生微波成像課程的建設(shè)，發(fā)現(xiàn)在該課程的傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)中主要存在如下問題。

（一）缺乏合適的教材

盡管目前國內(nèi)外在雷達(dá)成像上已經(jīng)有比較多的經(jīng)典參考書籍，比如保錚院士、刑孟道和王彤教授編著的《雷達(dá)成像技術(shù)》、艾倫·卡明（Ian G. Cumming）和弗蘭克·黃（Frank H. Wong）教授編著的《合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理：算法與實現(xiàn)（Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data： Algorithms and Implementation）》，但這些書籍大部分都是面向電子科技類專業(yè)研究生或有實踐經(jīng)驗的科研及工程人員。對前期只學(xué)習(xí)了信號處理與分析、遙感物理基礎(chǔ)、遙感原理與應(yīng)用這些基礎(chǔ)課程的遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生而言，如果直接將這些書籍用作微波成像教材，學(xué)生對書本內(nèi)容難以理解，導(dǎo)致學(xué)生課堂學(xué)習(xí)和課后自習(xí)的興趣與積極性降低。

（二）缺乏針對遙感技術(shù)全鏈路知識體系的培養(yǎng)

傳統(tǒng)的微波成像課程教學(xué)往往只側(cè)重介紹微波成像系統(tǒng)及信號處理方面的知識，忽略了從SAR系統(tǒng)與搭載平臺研制、衛(wèi)星發(fā)射與數(shù)據(jù)接收，到SAR圖像處理及其遙感應(yīng)用整個遙感技術(shù)鏈路知識體系的完整性，使得學(xué)生難以將學(xué)到的知識點與后續(xù)的SAR圖像處理及其遙感應(yīng)用進(jìn)行融會貫通。例如傳統(tǒng)的微波成像教學(xué)中都會講述星載SAR分辨率的概念以及它與發(fā)射信號帶寬、天線孔徑等因素之間的關(guān)系，但通常忽略了講述SAR分辨率具體如何影響后續(xù)的星載SAR圖像處理及其實際的遙感應(yīng)用。

（三）未能有機(jī)融入思政元素

課程思政是指通過深入挖掘課程中的思政內(nèi)涵，建立全員、全程、全課程育人格局，形成與思政課程同行的協(xié)同效應(yīng)，實現(xiàn)“立德樹人”的根本教育理念。［9］在微波成像課程的傳統(tǒng)教學(xué)中，專業(yè)教師通常只注重專業(yè)教育而忽視學(xué)生精神層面的培養(yǎng)，包括價值觀、人生觀和世界觀等方面。課堂中學(xué)生更多接觸的是微波成像的專業(yè)知識而很少受到思想政治方面的引導(dǎo)，沒有面向“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人”的根本問題，培養(yǎng)具有優(yōu)秀道德素養(yǎng)、正確科學(xué)的做事態(tài)度，致力于服務(wù)國家人民、具有家國情懷的遙感人才。［10］

（四）未能與時俱進(jìn)地引入微波成像新知識

近十年國內(nèi)外微波成像技術(shù)快速發(fā)展，很多新概念、新技術(shù)和新傳感器層出不窮，比如全息合成孔徑雷達(dá)概念、渦旋雷達(dá)成像技術(shù)和以導(dǎo)航衛(wèi)星信號作為發(fā)射源的無源雙基地SAR，但微波成像課程的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容偏重于講述成熟的基本概念和原理方法，更新速度比較慢，沒有及時引入國內(nèi)外在微波成像領(lǐng)域的新概念、新技術(shù)和新型傳感器，導(dǎo)致學(xué)生創(chuàng)新思維不足，無法掌握國內(nèi)外微波成像技術(shù)的最新動態(tài)。

二、微波成像課程的理論教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建

（一）微波成像在課程體系中的位置與作用

在進(jìn)行微波成像課程的理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)計之前，首先需要了解該課程在武漢大學(xué)遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)第二版“遙感科學(xué)與技術(shù)大類培養(yǎng)方案”課程體系中的位置和作用。如圖1所示，學(xué)生在學(xué)習(xí)微波成像課程之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理這些公共基礎(chǔ)課程，因此對微波成像課程中涉及的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)以及電磁場等物理概念已經(jīng)有一定的了解。學(xué)生還學(xué)習(xí)了遙感物理基礎(chǔ)、遙感原理與應(yīng)用以及信號處理與分析這些大類平臺課程，因此對微波成像課程中涉及的SAR基本概念、不同地物目標(biāo)對電磁波的散射機(jī)理以及雷達(dá)信號處理等知識點也有一定的掌握。另一方面，學(xué)習(xí)微波成像課程，學(xué)生對SAR系統(tǒng)及其成像原理、信號處理算法有比較深入的了解，進(jìn)而為后續(xù)的微波遙感、定量遙感、遙感圖像智能解譯、遙感傳感器原理、航天工程概論等專業(yè)核心課程中涉及星載SAR系統(tǒng)設(shè)計與SAR圖像處理方面的知識點學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。

（二）微波成像理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

依據(jù)遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的已有知識結(jié)構(gòu)，結(jié)合近幾年在微波遙感教學(xué)方面的經(jīng)驗，通過查閱國內(nèi)外多本微波成像參考書籍以及了解目前國內(nèi)外在微波成像領(lǐng)域的前沿技術(shù)動態(tài)，設(shè)計了如表1所示的微波成像課程理論教學(xué)內(nèi)容。對微波成像課程蘊含的思政元素也進(jìn)行了挖掘，并且將這些思政元素融入教學(xué)內(nèi)容中，提升該專業(yè)課程的價值引領(lǐng)。

通過這10個章節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對微波成像知識有綜合的學(xué)習(xí)和掌握，為后期深入開展微波成像和微波遙感方面的工作和科研奠定了良好的基礎(chǔ)，也能形成優(yōu)秀的道德素養(yǎng)、正確的科學(xué)觀、服務(wù)國家人民的意識等。

三、微波成像課程的課程實習(xí)內(nèi)容構(gòu)建

（一）課程實習(xí)在微波成像課程中的必要性

微波成像技術(shù)理論比較復(fù)雜，新的概念和知識點也比較多，如果缺乏針對性的實踐訓(xùn)練，容易導(dǎo)致學(xué)生在課堂上學(xué)到的理論知識與實際應(yīng)用脫節(jié)，進(jìn)而造成學(xué)生的動手實踐能力比較差。針對這個問題，采用理論課程和課程實習(xí)相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)，一方面學(xué)生利用學(xué)到的理論知識去指導(dǎo)實踐。比如學(xué)生利用在課堂上學(xué)到的各種SAR成像算法對無人機(jī)載SAR系統(tǒng)實際采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取地物目標(biāo)的實際SAR圖像。另一方面使學(xué)生在實踐中發(fā)現(xiàn)并解決問題，以加深對理論認(rèn)識的理解和掌握。比如在對無人機(jī)載SAR系統(tǒng)實際采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，首先讓學(xué)生不進(jìn)行運動補(bǔ)償處理，并觀察得到的SAR圖像中存在的問題。然后進(jìn)行運動補(bǔ)償處理，再將得到的SAR圖像與不進(jìn)行運動補(bǔ)償?shù)玫降腟AR圖像進(jìn)行對比分析，加深對運動補(bǔ)償在SAR成像處理中發(fā)揮的作用的理解。

（二）微波成像課程實習(xí)內(nèi)容設(shè)計

依據(jù)微波成像教學(xué)大綱要求學(xué)生著重掌握的知識點，結(jié)合武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院目前已有的無人機(jī)載Ku波段和X波段SAR設(shè)備，設(shè)計了如表2所示的微波成像課程實習(xí)內(nèi)容。在實驗內(nèi)容的設(shè)計上，既能讓學(xué)生更深入理解微波成像原理，也能和后續(xù)的微波遙感等專業(yè)課程進(jìn)行很好的銜接，讓學(xué)生學(xué)習(xí)到最新的SAR系統(tǒng)構(gòu)成和成像技術(shù)，為以后的工作和科研打下良好的基礎(chǔ)。

課程實習(xí)內(nèi)容部分可根據(jù)教學(xué)進(jìn)度靈活安排，其中實驗1—5可安排在相應(yīng)的理論課程教學(xué)之后，讓學(xué)生及時消化所學(xué)的理論知識，提高學(xué)習(xí)興趣。實驗6屬于步驟較多的綜合實驗，可安排在理論課程教學(xué)完成之后，提高學(xué)生的動手實踐能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。

四、微波成像課程的教學(xué)方法改進(jìn)

由于微波成像課程的專業(yè)性比較強(qiáng)，而且微波成像設(shè)備在日常生活中并不常見，因此容易使學(xué)生產(chǎn)生“不知為何而學(xué)”的觀點，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不高，容易產(chǎn)生畏難和抵觸情緒。針對上述問題，將從有機(jī)結(jié)合時政要點、適當(dāng)引入實際SAR衛(wèi)星案例兩個方面對微波成像課程的教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)。

（一）時政要點的有機(jī)結(jié)合

在教學(xué)過程中通過有機(jī)結(jié)合國內(nèi)外時政要點，讓學(xué)生能切實體會到微波成像在國防安全以及防災(zāi)減災(zāi)等方面的重要性，拉近理論知識與實際應(yīng)用的距離。例如在國防安全方面，由于光學(xué)衛(wèi)星容易受到云霧雨雪等天氣因素的影響，難以實時掌握戰(zhàn)場動態(tài)，因此一些國家利用SAR衛(wèi)星全天時全天候不間斷監(jiān)視現(xiàn)代戰(zhàn)場，及時獲取所需的情報。SAR衛(wèi)星的分辨率越高，越容易在SAR圖像上正確識別指揮所、坦克、火炮等高價值目標(biāo)。在減災(zāi)防災(zāi)方面，2021年7月17日至23日河南省遭遇歷史罕見特大暴雨，發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。河南省自然資源衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)中心通過對高分三號、海絲一號、哨兵一號等國內(nèi)外多顆SAR衛(wèi)星拍攝的洪澇災(zāi)害影像進(jìn)行分析，快速提取了洪水淹沒范圍，為應(yīng)急指揮管理指揮中心制定抗洪措施提供數(shù)據(jù)支撐。

（二）實際SAR衛(wèi)星案例的適當(dāng)引入

在教學(xué)過程中通過將實際SAR衛(wèi)星案例適當(dāng)引入課程教學(xué)中，使學(xué)生能夠了解到微波成像的最新發(fā)展動態(tài)、在地物遙感中的實際應(yīng)用和尚未解決的科學(xué)問題，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生解決實際問題，提高創(chuàng)新能力。例如，通過介紹我國目前在軌的高分三號、海絲一號、陸探一號、礦大南湖號、涪城一號等SAR衛(wèi)星的性能參數(shù)、成像處理算法和實際應(yīng)用，使學(xué)生了解我國在星載SAR成像技術(shù)方面的發(fā)展動態(tài)。2023年5月21日武漢大學(xué)牽頭研制并成功發(fā)射了“珞珈二號01星”，該衛(wèi)星是全球首顆Ka頻段高分辨率SAR衛(wèi)星。因此通過邀請“珞珈二號01星”研制組成員參與微波成像課程的授課，講述該衛(wèi)星從總體設(shè)計、實際研制、數(shù)據(jù)處理到實際遙感應(yīng)用的整個流程，既能讓學(xué)生更直觀地感受到微波成像技術(shù)的實際應(yīng)用效果，更好地理解所學(xué)理論知識的應(yīng)用前景，又能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和增加學(xué)習(xí)動力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

五、結(jié)語

微波成像是遙感科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)本科生教學(xué)中必不可少的一門專業(yè)課，本研究梳理了微波成像課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，將思政教育、國內(nèi)外微波成像新知識等融入教學(xué)內(nèi)容，并且為微波成像課程分別設(shè)計了合適的理論教學(xué)內(nèi)容與課程實習(xí)內(nèi)容，探討了微波成像課程的教學(xué)方法改進(jìn)，以期實現(xiàn)“三全育人、課程思政、學(xué)研協(xié)同、實踐創(chuàng)新”相結(jié)合的新時期教育模式，為有效支撐我國軍民遙感技術(shù)發(fā)展培養(yǎng)全鏈路遙感人才。

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（責(zé)任編輯：邵秋露）