以航天遙感為主題的問題驅(qū)動式研究生教學(xué)模式探索

王文華 趙淑波 張冠宇 張帆

摘? 要：產(chǎn)教融合創(chuàng)新能力培養(yǎng)是我國新時代研究生教育的研究方向之一。該文結(jié)合航天遙感的行業(yè)特點，把研究生教育跟航天需求方案論證、問題驅(qū)動創(chuàng)新結(jié)合起來，探索新時代研究生更貼近產(chǎn)業(yè)需求的培養(yǎng)模式。從生活中常見的手機拍照入手，將專業(yè)遙感相機與“遙感手機”作對比，拋出問題并引導(dǎo)研究生拆解問題，查閱文獻資料獲取手機攝像頭的主要成像參數(shù)，逐步分析計算手機作為遙感載荷對地成像的分辨力指標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生對比專業(yè)遙感相機的成像指標(biāo)參數(shù)，激發(fā)討論熱情，適當(dāng)歸納結(jié)論，最終回歸到圖像處理與成像技術(shù)這門研究生課程的深層知識講解。在提高課堂教學(xué)效率的同時，將目前航天遙感領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)狀況與當(dāng)下研究生教學(xué)緊密結(jié)合在一起，探索產(chǎn)教融合的研究生培養(yǎng)新模式。

關(guān)鍵詞：航天遙感；問題驅(qū)動；研究生教學(xué)；產(chǎn)教融合；成像技術(shù)

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）20-0129-04

Abstract： The cultivation of innovation ability through the integration of industry and education is one of the research directions of postgraduate education in the new era in my country. In view of the characteristics of the aerospace remote sensing industry， this article combines graduate education with aerospace demonstration in the problem-based learning environment. Starting from taking pictures with cellphones that are common in life， we compare professional remote sensing cameras with "remote sensing cellphones"， raise questions and guide students to disassemble the problems， consult literature and obtain the main imaging parameters of phone cameras， and gradually analyze the resolution parameter of cellphones as remote sensing loads. The contrast of two cameras will guide students to stimulates enthusiasm for discussion and finally go deep on the course "Image Processing and Imaging Technology". While improving the efficiency of teaching， we should closely integrate the aerospace remote sensing with current postgraduate teaching， and explore a new cultivation mode that integrates industry and education.

Keywords： remote sensing; problem-based learning; postgraduate teaching; integration of industry and education; imaging technology

隨著我國綜合國力的迅速增強，高等教育得到了快速發(fā)展，尤其是研究生教育規(guī)模呈現(xiàn)出從單一類型的數(shù)量擴張逐步走向多樣化內(nèi)涵發(fā)展的局面。2023年3月，教育部在發(fā)布會上公布了2022年研究生招生數(shù)據(jù)[1]：全國共招收研究生124.25萬人，比上年增長5.61%。其中，招收博士生13.90萬人，碩士生110.35萬人。在學(xué)研究生365.36萬人，比上年增長9.64%。研究生遞增的態(tài)勢也給研究生培養(yǎng)質(zhì)量的提高帶來了不小的壓力。

為培養(yǎng)既具有扎實理論基礎(chǔ)，又能適應(yīng)特定行業(yè)需要的應(yīng)用型高層次專業(yè)人才，我國調(diào)整研究生教育的學(xué)科類型和布局結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展專業(yè)學(xué)位研究生教育，以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的要求。國務(wù)院學(xué)位委員會、教育部關(guān)于印發(fā)《專業(yè)學(xué)位研究生教育發(fā)展方案（2020-2025）》的通知明確指出[2]，要著力優(yōu)化碩士專業(yè)學(xué)位研究生教育結(jié)構(gòu)。2023年11月30日，教育部發(fā)布《關(guān)于深入推進學(xué)術(shù)學(xué)位與專業(yè)學(xué)位研究生教育分類發(fā)展的意見》[3]，明確提出：以國家重大戰(zhàn)略、關(guān)鍵領(lǐng)域和社會重大需求為重點，進一步提升專業(yè)學(xué)位研究生比例，到“十四五”末將碩士專業(yè)學(xué)位研究生招生規(guī)模擴大到碩士研究生招生總規(guī)模的三分之二左右，大幅增加博士專業(yè)學(xué)位研究生招生數(shù)量。專業(yè)學(xué)位應(yīng)強化產(chǎn)教融合協(xié)同育人，將人才培養(yǎng)與用人需求緊密對接，深入建設(shè)專業(yè)學(xué)位聯(lián)合培養(yǎng)基地，強化專業(yè)學(xué)位類別與相應(yīng)職業(yè)資格認證的銜接機制，完善行業(yè)產(chǎn)業(yè)部門參與專業(yè)學(xué)位人才培養(yǎng)的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)測評價，確保協(xié)同育人基本條件與成效。

針對產(chǎn)教融合，何建麗等[4]提出“深化協(xié)同育人”思路，強調(diào)政府、高校、企業(yè)協(xié)同發(fā)力，這種協(xié)同在研究生二年級以后更為實用；朱為國等[5]提出了“321”培養(yǎng)模式探索與實踐，需要政府、高校和行業(yè)企業(yè)三方共同參與，著重于單個研究生的專業(yè)技能培養(yǎng)，對研究生第一學(xué)年課堂教育未做討論；劉紀(jì)新等[6]提出建立校企師資“互聘互兼”機制，以提升師資隊伍專業(yè)技術(shù)能力，這有利于活躍研究生課堂教育的實踐氛圍，大大提高學(xué)生與教師互動的積極性。

與產(chǎn)教融合緊密相關(guān)的研究生專業(yè)中，儀器儀表與航空航天類專業(yè)是備受關(guān)注的專業(yè)之一。近幾年來，該專業(yè)發(fā)展之所以迅速，既源于較大的社會需求，也源于社會對本專業(yè)教育的認同。該專業(yè)以光、機、電和算為學(xué)科基礎(chǔ)的人才知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)基礎(chǔ)厚、知識面廣。近年來，逐漸上升發(fā)展的商業(yè)航天遙感行業(yè)，也是集成了光、機、電和算等多個學(xué)科的工程應(yīng)用，在專業(yè)學(xué)科需求方面，與儀器專業(yè)人才培養(yǎng)的方向不謀而合，具有很高的契合度。

在空間衛(wèi)星逐步放開的世界大環(huán)境下，政策、資本、技術(shù)和人才源源不斷地涌向商業(yè)航天領(lǐng)域。一方面是政策層面推進高校研究生教育模式改革，另一方面是蓬勃發(fā)展的民用商業(yè)航天行業(yè)對高技術(shù)人才需求倍增，而遙感探測所涉及的光電信息產(chǎn)業(yè)與工程專業(yè)人才能力培養(yǎng)是密不可分的[7]，因此開展以航天遙感為主題的儀器專業(yè)研究生教育產(chǎn)教融合培養(yǎng)模式研究勢在必行。

本文立足大學(xué)研究生課程圖像處理與成像技術(shù)教學(xué)，深度挖掘課程理論與工程實踐的契合點，以航天遙感為主題，以問題驅(qū)動式教學(xué)為方法，在傳授理論知識的同時，融入航天遙感相機的成像系統(tǒng)研制過程，使學(xué)生從理論和工程兩個維度來理解掌握該研究生課程的教學(xué)內(nèi)容。

一? 圖像處理與成像技術(shù)課程概述

本課程主要基于數(shù)字圖像，從多學(xué)科的角度切入，研究典型電磁波譜成像特征及光電成像技術(shù)，結(jié)合電子技術(shù)及計算機技術(shù)來探討成像系統(tǒng)設(shè)計、軟硬件層面的數(shù)字圖像處理方法。主要課程內(nèi)容涵蓋圖像處理MATLAB基礎(chǔ)、圖像變換、圖像編碼、圖像增強與復(fù)原、成像基本原理、成像硬件設(shè)計及航空航天遙感成像等知識。

在成像技術(shù)課程部分，從航天遙感相機角度，講解相機的基礎(chǔ)組成、光電探測器成像原理、成像驅(qū)動開發(fā)、圖像發(fā)送與接收傳輸協(xié)議、圖像整合方式、輻射校正及硬件實時處理等知識。

單純的知識教學(xué)內(nèi)容難免灌輸式課堂模式，面對新時代研究生，尤其專業(yè)學(xué)位研究生，課堂培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變勢在必行。由教師單向灌輸式教學(xué)模式轉(zhuǎn)為學(xué)生主動探究式的教學(xué)模式，探究的過程就要用到問題驅(qū)動式（Problem-Based Learning，PBL）教學(xué)法[8]，結(jié)合航天遙感相機的項目方案論證、研制過程難點、工藝流程等航天實踐，激發(fā)學(xué)生對實踐類工程問題的探索欲望，以達到訓(xùn)練學(xué)生主動探求知識、自主創(chuàng)新思維的目的。

問題驅(qū)動教學(xué)法能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)生在教學(xué)過程中的參與程度，容易激起學(xué)生的求知欲，活躍其思維。下面針對此門研究生課堂的教學(xué)特點，探索以航天遙感為主題的問題驅(qū)動式的課堂教學(xué)模式。

二? 問題驅(qū)動課堂引導(dǎo)

問題驅(qū)動學(xué)習(xí)法是Barrows等[9]在加拿大麥克馬斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)教育項目中倡導(dǎo)的一種教學(xué)方法。該方法以學(xué)生為中心，強調(diào)以問題為學(xué)習(xí)起點的教學(xué)活動。實踐表明，該方法有助于培養(yǎng)學(xué)生提出問題、給出解決方案和得出結(jié)論的綜合應(yīng)用能力， 同時有助于提高學(xué)生的協(xié)作能力。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，問題驅(qū)動學(xué)習(xí)法具有很多優(yōu)勢，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，更好地培養(yǎng)其創(chuàng)新思維和能力。本文深入剖析研究生培養(yǎng)目標(biāo)的內(nèi)涵和外延， 并設(shè)計問題驅(qū)動的研究生培養(yǎng)模式。

為了使研究生更容易理解成像技術(shù)中的諸多考慮因素，提高研究生對成像鏈路的研究興趣，凸顯研究生教學(xué)的引導(dǎo)思維模式，本課程采用問題驅(qū)動法，以航天遙感相機為主題，逐步將成像技術(shù)貫穿于“提出問題—分析問題—解決問題—總結(jié)分析”的研究思路中。

（一）? 基于航天遙感的問題驅(qū)動鏈設(shè)計

說到成像技術(shù)，早些年的數(shù)碼相機如今逐漸淡出人們的視野，而伴隨移動通信電話的飛速發(fā)展，高分辨率攝像頭已經(jīng)成為了智能手機必不可少的硬件配置。加之許多圖像處理算法在手機核心處理器的移植，諸如美顏、夜景、廣角圖像合成等攝影技術(shù)都已被人們廣泛使用。課堂上的研究生對目前生活中的手機攝影技術(shù)更是毫不陌生。

那么，如何使學(xué)生們對成像技術(shù)的原理快速入門、詳細了解甚至深入學(xué)習(xí)呢？結(jié)合當(dāng)前我國不斷發(fā)展的航天遙感技術(shù)，將手機太空拍照與遙感相機成像對比，如圖1所示，挖掘生活中的成像應(yīng)用，喚起同學(xué)們對“熟悉的手機攝像”和“自豪而又陌生的遙感成像”之間的極大興趣，進而展開以航天遙感為主題的“問題驅(qū)動式”研究生教學(xué)新模式。

（二）? 提出問題

為什么發(fā)射衛(wèi)星，同學(xué)們是大概了解的，航天衛(wèi)星有很多優(yōu)勢，可以做很多地面上做不了的事情。那么，用遙感相機，對地球表面拍照，人們要專門研制遙感相機，為什么不把現(xiàn)在性能如此強悍的手機攝像頭直接搬到太空呢（圖2），向?qū)W生拋出問題。

一石激起千層浪。利用這一問題，教師激發(fā)學(xué)生們的研究興趣，并在后續(xù)分析階段建立以學(xué)生為主的討論氛圍。首先，鼓勵全班同學(xué)對問題本身進行討論和交流，爭取讓每個學(xué)生都提出自己的觀點和看法，將問題本身拆解，使問題潛在的喚醒作用深入到每個學(xué)生的腦海中，為下一步頭腦風(fēng)暴——大膽分析并解決問題奠定基礎(chǔ)。然后教師將學(xué)生們進行適當(dāng)分組，每組學(xué)生自行討論分工，以明確每個人在分析解決問題中的作用，提高積極性。在此階段，教師主要發(fā)揮引導(dǎo)作用，當(dāng)討論發(fā)生跑題或者學(xué)生們誤解問題的本意時，給予及時的提醒和引導(dǎo)。

（三）? 查文獻獲得手機攝像頭參數(shù)

先把遙感相機放在一邊，從學(xué)生手里的手機攝像頭開始入手研究。

引導(dǎo)學(xué)生們查閱自己手機的硬件配置參數(shù)，除了表面廣告宣傳的性能參數(shù)以外，要查到手機攝像頭的圖像傳感器（一般為感光CMOS芯片）參數(shù)、攝像頭光學(xué)參數(shù)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。

作為一名研究生，科學(xué)素養(yǎng)是新時代工程碩士研究生教育所必備的素養(yǎng)之一。獨立的科研能力培養(yǎng)需要從查閱文獻開始。當(dāng)今手機已經(jīng)不只是簡單的通信工具，尤其智能手機，已成為人們?nèi)粘Ｉ钪袛z像、聊天、購物、金融理財及醫(yī)療教育等諸多方面都必不可少的電子產(chǎn)品。鼓勵研究生從這個日常形影不離的智能手機開始查閱文獻，是一個非常好的激發(fā)興趣的切入點。查閱文獻并非都在期刊的專業(yè)官方網(wǎng)站，面對這個熟悉的手機，其實有很多注明生產(chǎn)廠家的官網(wǎng)、排名手機跑分的專業(yè)評價網(wǎng)站等，都可以成為調(diào)研手機攝像頭參數(shù)的文獻來源。

比如通過查閱某款智能手機的官方網(wǎng)站宣傳網(wǎng)頁，可得到攝像頭采用的圖像傳感器CMOS芯片像元尺寸a=1.4 μm，等效焦距f=26 mm。手機攝像頭的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)剖示意圖如圖3所示，可見類似潛望鏡光路，26 mm的焦距并不是意味著鏡頭入瞳直接下穿到探測器感光面，而是垂直反射一次，將鏡頭組件在有限厚度內(nèi)展開，有利于手機外觀尺寸的優(yōu)化設(shè)計。

（四）? 計算手機太空拍照的指標(biāo)參數(shù)

手機能否作為遙感載荷放到衛(wèi)星上成像？單就可能性分析，教師可引導(dǎo)學(xué)生從太空環(huán)境特點、手機硬件構(gòu)成、衛(wèi)星傳輸與控制的簡單機理等多個工程層面，調(diào)動學(xué)生們潛在的研究積極性和無限的想象力，最后可以告訴學(xué)生們目前已經(jīng)實現(xiàn)太空搭載手機的遙感衛(wèi)星情況，此時又一次驅(qū)動學(xué)生們查閱該信息的真實性、準(zhǔn)確性，進一步營造研究生課堂的科研氛圍。

若是將手機平放在距離地球表面高度H=550 km（常規(guī)低軌衛(wèi)星高度）軌道位置，那么手機成像獲得地面圖片的采樣間隔d可通過下面公式計算獲得[10]

=。

通過公式計算可算出地面采樣間隔d=29.6 m，近似為30 m。

到此，我們引導(dǎo)學(xué)生們通過計算評估了自己的手機若是成為“遙感手機”所具備的成像能力。那么，進一步追問：地面分辨力30 m是什么概念呢？

一般來說，家用轎車長度接近5 m；集裝箱卡車含拖車總長約12 m；北京鼓樓南北長約33 m、東西長約56 m[11]……

如圖4所示，教師與同學(xué)們通過計算討論發(fā)現(xiàn)，地面分辨力30 m的“遙感手機”看不到普通汽車，北京鼓樓的輪廓在“遙感手機”上也只是成了兩個像素點而已，根本不能分辨出北京鼓樓（此處引導(dǎo)學(xué)生查閱與物體識別有關(guān)的判據(jù)文獻）。

通過對比汽車和鼓樓的成像分辨能力，教師可引導(dǎo)學(xué)生分析，如何在相機論證階段定性分析出相機應(yīng)該具備的分辨力指標(biāo)（針對特定的景物目標(biāo)），然后確定相機光學(xué)系統(tǒng)的焦距參數(shù)。

（五）? 對比遙感相機與“遙感手機”

某遙感相機的圖像傳感器像元尺寸為7 μm，相機焦距3 850 mm，同樣在距離地球表面高度H=550 km（常規(guī)低軌衛(wèi)星高度）軌道位置，能夠?qū)崿F(xiàn)的地面分辨力為1 m。此時的遙感相機對地面家用轎車所成的像在長度方向至少能夠達到5個像素點，大大優(yōu)于手機在相同太空條件下的成像能力。

下面對比某遙感相機與上述“遙感手機”的成像參數(shù)，見表1，其中GSD代表地面采樣間隔（Ground Sample Distance）。

表1? 某遙感相機與某“遙感手機”成像參數(shù)對比

回應(yīng)第一步提出的問題，結(jié)合上述分析，引導(dǎo)學(xué)生形成初步概念性結(jié)論。通過對比，學(xué)生們會發(fā)現(xiàn)：雖然手機在生活中的成像能力很強，但放置到太空對地遙感的場景下，與專業(yè)的航天遙感相機對比，成像能力遠遠不夠。上述差異參數(shù)主要體現(xiàn)在像元尺寸大小、焦距上，然而作為老師，需要進一步引導(dǎo)學(xué)生探究：為什么會有這樣的差異？相機成像的光電原理、光學(xué)原理以及輻射學(xué)原理是什么？諸如此類問題，逐漸延伸知識的深度，構(gòu)成問題驅(qū)動式教學(xué)的有效問題驅(qū)動鏈。

三? 教學(xué)效果與總結(jié)

在本門研究生課程的課堂教學(xué)中，以問題驅(qū)動式教學(xué)引入的案例超過20次（授課32學(xué)時）。針對平均46名學(xué)生的課堂（出勤率在93%以上），將學(xué)生分為六組，每當(dāng)涉及問題驅(qū)動教學(xué)的時候，以小組為單位，每組獨立展開研究，遵循“提出問題、分析問題、解決問題、總結(jié)問題”的基本思路，組內(nèi)可自由討論，組外與其他組或者與老師展開互動交流，加深對工程知識的理解，營造科研氛圍。

在課程即將結(jié)束前，一方面作為課程收尾作業(yè)，另一方面強化所學(xué)知識的框架性理解與工程化應(yīng)用能力，教師組織六個小組對預(yù)先準(zhǔn)備好的“航天遙感相機方案論證專題”進行論證競標(biāo)模擬，以“小組互評+教師點評”相結(jié)合的考核方式集體討論各個論證方案的優(yōu)缺點。當(dāng)然，論證的深度遠遠不如工程專業(yè)的方案報告，只是針對課堂教學(xué)所涉及的常用遙感相機關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)。通過簡單的相機方案論證，學(xué)生們不僅真正學(xué)到了數(shù)字成像技術(shù)的原理、過程以及工程指標(biāo)參數(shù)，還體驗到了獨立進行科學(xué)研究的樂趣，收獲了團隊溝通與協(xié)作的友誼和情懷。

四? 結(jié)束語

伴隨著研究生課程的逐步深入，關(guān)于成像技術(shù)的教學(xué)知識還有很多。通過引入航天遙感的工程實踐，以問題驅(qū)動教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生從提出問題到分析解決問題，最后到對比得出結(jié)論的研究過程。在這個教學(xué)過程中，喚起興趣僅僅是個開始，后續(xù)的分組研討更能讓全體學(xué)生參與到工程問題的分析過程中，不僅大大提高了學(xué)生們課堂研討的效率，還有利于學(xué)生們建立類似航天相機研制的工程團隊配合意識。這種與工程實踐緊密結(jié)合的研討過程，與產(chǎn)教融合的初衷非常契合，在一定程度上增進研究生對航天遙感相機產(chǎn)業(yè)的認可度，值得在更多遙感領(lǐng)域進行產(chǎn)教融合的課程實踐探索。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金“基于跨尺度宏微協(xié)同的超精密空間光機跟瞄儀”（62227812）；吉林大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項目“以航天遙感為主題的儀器專業(yè)研究生教育產(chǎn)教融合培養(yǎng)模式研究”（2022JGY077）

第一作者簡介：王文華（1982-），男，漢族，山東泰安人，工學(xué)博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向為光電成像與定量遙感。

*通信作者：張帆（1979-），男，漢族，遼寧錦州人，工學(xué)博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向為空間相機光機結(jié)構(gòu)/熱設(shè)計及仿真分析。