“定量遙感”課程教學與實踐改革

陳 健，趙巧華

（南京信息工程大學遙感學院，江蘇南京 210044）

“定量遙感”課程教學與實踐改革

陳 健，趙巧華

（南京信息工程大學遙感學院，江蘇南京 210044）

根據(jù)遙感專業(yè)發(fā)展特點及高校學生具體情況，在分析了“定量遙感”課程現(xiàn)狀的基礎上，確定了該課程的教學大綱與教學內(nèi)容。針對該課程教學與實踐中的教學方法和教學手段進行了總結(jié)與探討，使該課程能夠適應我國遙感科學技術(shù)的發(fā)展和人才培養(yǎng)的需要。

“定量遙感”課程；多媒體；啟發(fā)式教學；項目式教學

遙感是當代空間信息科學的核心技術(shù)之一，作為信息獲取與信息更新重要的技術(shù)手段，已經(jīng)廣泛應用于政府的各個部門以及經(jīng)濟領域的眾多行業(yè)之中，并在新興起的全球性的“數(shù)字地球”計劃中占有重要的地位。與遙感衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)的能力相比，遙感數(shù)據(jù)的自動、定量化處理乃至對遙感數(shù)據(jù)信息的理解能力卻遠遠不足，因此定量遙感已經(jīng)逐漸成為遙感科學發(fā)展的主要方向[1]。為適應遙感科學的發(fā)展，南京信息工程大學遙感科學與技術(shù)專業(yè)自2006年開始連續(xù)5年開設了“定量遙感”課程。根據(jù)遙感科學與技術(shù)專業(yè)的課程體系和專業(yè)特色，遙感學院曾多次組織有關專家和骨干教師，在參考兄弟院校課程設置的基礎上，針對教學目標和教學內(nèi)容進行過多次討論，確定了“定量遙感”在整個課程體系中的地位。但是定量遙感涉及范圍廣泛、內(nèi)容眾多，并且隨著遙感科學的發(fā)展，部分研究內(nèi)容更新很快，如何選取適合本科教學的課程內(nèi)容，制定合理的教學方法仍存在較多的問題。在多年的教學活動基礎上，筆者針對定量遙感課程的教學與實踐改革進行了初步的探討，得到了一些有益的規(guī)律與經(jīng)驗。

1“定量遙感”課程現(xiàn)狀分析

在我國，遙感學科發(fā)展速度非常快。隨著社會對遙感人才需求的增大，許多高校如武漢大學、南京信息工程大學、山東科技大學、長安大學等都開設了“遙感科學與技術(shù)”專業(yè)，同時許多一級學科（如地學）中也設立了遙感相關的二級學科。遙感專業(yè)作為一個新興的專業(yè)，其課程體系設置仍然存在不完善的問題。“定量遙感”課程作為遙感專業(yè)的重要專業(yè)必修課，其教學內(nèi)容和方法的改革研究也越來越受到重視。

定量遙感研究涉及的內(nèi)容非常廣泛，如可見光與近紅外、熱紅外、微波等不同電磁波段的定量遙感；如輻射定標、大氣校正、定量遙感建模與反演、尺度問題、真實性檢驗、不確定性等基本理論和方法；在各個應用領域，定量遙感也有各自的研究特色。目前有關定量遙感的專著已經(jīng)比較多，比如《定量遙感》、《遙感物理》、《遙感應用分析原理與方法》等[2-4]，這些論著均在某方面反映了定量遙感的主要內(nèi)容與發(fā)展現(xiàn)狀，但是作為本科生教材則存在內(nèi)容過多過深，過于注重應用或機理研究的問題。

由于定量遙感缺乏合適的教材，并且內(nèi)容過多，如何選擇講授內(nèi)容成為該課程開設的關鍵。北京師范大學地理與遙感學院主要圍繞可見光-近紅外波段遙感反射模型，熱紅外波段遙感模型，遙感反演模型和地表參數(shù)的反演方法，地表參數(shù)的定量遙感實驗和應用等方面進行講授。北京大學自 2004年連續(xù)舉辦了 7期“定量遙感”的暑期精品課程班，邀請國內(nèi)外著名專家以講座的形式進行講授，講座內(nèi)容主要圍繞定量遙感中的關鍵問題和專家近些年所進行的科研工作。中國科學院遙感所開設課程為“遙感物理”，主要也是講授定量遙感的內(nèi)容，側(cè)重于定量遙感的物理基礎。以上課程或是主要面向研究生講授，或以講座的形式進行，針對遙感專業(yè)本科生來講，還存在教學內(nèi)容過深、教學目標差別較大的現(xiàn)象。

綜上所述，“定量遙感”課程存在著涉及內(nèi)容眾多、各學校課程內(nèi)容不一致、沒有合適教材等諸多問題，容易產(chǎn)生教學內(nèi)容廣而不深的現(xiàn)象。作為遙感科學與技術(shù)專業(yè)重要的專業(yè)基礎課，“定量遙感”課程仍然存在著課程體系不夠完善，教學內(nèi)容不夠穩(wěn)定等問題，不能充分滿足專業(yè)人才的培養(yǎng)和社會的需求。因此，開展“定量遙感”課程教學和實踐內(nèi)容改革，對提高我校遙感科學與技術(shù)專業(yè)教學質(zhì)量與人才培養(yǎng)水平具有重要意義。

2 教材大綱的制定和教學內(nèi)容的確定

“定量遙感”是遙感科學與技術(shù)專業(yè)本科生的必修課程。本課程的主要目的是使學生掌握遙感定量模型的建立和地表參數(shù)的遙感反演方法，并且了解定量遙感中存在的各種問題。通過這門課的學習，使學生在掌握定量遙感的理論、方法及其應用的基礎上，了解遙感領域最新的應用和熱點前沿。同時通過實習實踐，培養(yǎng)學生的全面動手操作能力和綜合運用定量遙感知識來分析問題解決問題的能力，為學生以后繼續(xù)深造和到相關部門工作打好專業(yè)基礎。

本課程共48課時，其中理論課36課時，實習課12課時。課時有限而教學內(nèi)容多，因此在教學中不可能面面俱到，必須針對本科專業(yè)學生的特點與課程的接續(xù)情況進行教學內(nèi)容的選擇與凝練。因此在教學模塊確定后，應對講授內(nèi)容作必要的取舍，原則是：注重理論與應用的結(jié)合；基礎知識與前沿技術(shù)兼顧。

該課程講授的主要內(nèi)容有：定量遙感中的基礎理論與知識，如定量遙感概論、輻射定標、大氣校正、定量遙感建模、模型反演等；制約定量遙感發(fā)展的關鍵問題，如尺度問題、真實性檢驗、不確定性、同化等。由于定量遙感發(fā)展仍未成熟，在講授基本理論時，可著重選擇較成熟的植被定量遙感進行，并在大量實例中介紹定量遙感的前沿知識。實習課主要包括大氣校正、定量遙感建模和地表參數(shù)反演 3個內(nèi)容，緊密圍繞定量遙感的核心內(nèi)容展開。

根據(jù)以上確定的教學內(nèi)容，以及上面對定量遙感教材與專著的分析，本課程沒有指定教材。但考慮到作為本科專業(yè)的必修課，缺乏教材可能會在一定程度上影響教學效果，因此在以往的課程中，筆者在課前將所有課件打印出來，學生可事先進行預習，彌補沒有教材的缺點；并且，在接下來的教學中，計劃編寫適合本專業(yè)的定量遙感課程講義，提高該課程的教學質(zhì)量。

3 教學方法的改革

教學內(nèi)容確定后，如何使其在授課過程中能被學生接受，很大程度上取決于教學方法，因此采用適合的教學方法是完成教學任務、提高教學質(zhì)量的關鍵環(huán)節(jié)。采用新的成熟的教育理論和先進的教學手段，是提高教學質(zhì)量的一個重要途徑，也是教學改革的重要內(nèi)容。在本課程的教學中，采用了以下教學方法與教學手段。

3.1 傳統(tǒng)講授與多媒體教學結(jié)合

講授教學中教師能充分發(fā)揮主導作用，把握教學的重點和難點，在較短的時間內(nèi)有計劃、有目的地傳授給學生較多的知識內(nèi)容，較快達到教學目的。多媒體教學法具有信息容量大、表現(xiàn)形式多種多樣、圖文并茂、聲像并舉、動靜結(jié)合、直觀明了等優(yōu)點，能激發(fā)學生興趣、提高效率等優(yōu)勢與功能，是一種不可多得的現(xiàn)代化教學方法。定量遙感課程理論性、邏輯性較強，如果一味地由教師講授，學生很容易失去興趣，注意力分散，但單純依靠多媒體，則學生容易過于依賴多媒體，缺乏主動的思考，而最終影響對教學內(nèi)容的消化和吸收。因此必須正確處理好多媒體和粉筆、黑板、普通教具、語言表述之間的轉(zhuǎn)換關系，特別要注意時間上的分配、銜接，注重設計好哪些教學內(nèi)容需要用多媒體形式表達、哪些教學內(nèi)容用傳統(tǒng)教學方式表達更恰當?shù)取?/p>

在實際教學時，要注意以下幾個問題：①課件內(nèi)容要精心選擇，多媒體課件不是教材的翻版，盡量避免一頁中有大量文字，文字過多，容易使學生疲乏。②教學中的重點難點內(nèi)容盡量的用圖、表、動畫、視頻來表達，增加課堂的直觀性、趣味性。③多媒體課件的制作要美觀精良。④注意理論的精講，以避免單一的讓學生自己觀看，沒有收到實質(zhì)性的效果。

比如在介紹幾何光學模型時，可首先引入例子，“明月幾時有？把酒問青天”，通過提問引起學生的興趣，進而使學生明白光源-目標-傳感器三者的幾何關系對遙感成像的重要性。然后通過制作的動畫，使學生直觀地了解到幾何光學模型成像時的地表的 4個分量的面積變化。但是在計算 4個分量的面積時，如果僅僅用幻燈片將公式列出來，多數(shù)學生在此時容易走神，這個時候，可以使用板書把球狀樹冠的計算過程推導出來，從而加深學生印象，使學生能夠舉一反三，能夠自己去推導其他情況下的四分量。

3.2 啟發(fā)式教學

在多樣的教學方法中，如何增強與學生在教學活動中的互動是非常重要的。應確立以學生為主體的觀念，引導學生積極地參與到教學活動中，鼓勵學生大膽提出問題，積極發(fā)表自己的看法。可根據(jù)教學內(nèi)容的需要適時采用討論教學法，培養(yǎng)學生獨立思考能力與表達能力。為了確保討論法的教學效果，課前的準備工作是非常重要的。課前，教師設計有意義的主題或帶有爭論性的問題，策劃討論方法，預計學生討論情況等；然后將討論主題布置給學生，要求學生閱讀教材有關部分內(nèi)容，并利用圖書館資料，做好上課前的知識儲備。由于討論必須以學生對某一課題有所了解，掌握了一定知識為基礎，因此討論法主要安排在課程學習階段的中后期，且在新知識傳授階段不宜采用。討論法作為講授法的補充，有助于學生知識點的鞏固與加深，促進學生專業(yè)技能的提高。

有些內(nèi)容要進行提綱挈領式講解，為學生的領悟留下空間。如在講解反演時，為了強調(diào)“病態(tài)反演”的問題，給學生提了一個貌似簡單的問題:“柳絮是什么顏色的?”這個問題實在是太簡單了，學生毫不遲疑回答“白色的”。然后用詩詞“夕陽方照桃花塢，柳絮飛來片片紅”反問“詩人為什么說柳絮是紅色的?”通過這樣一來設疑，學生產(chǎn)生了憤悱心理，然后師生一起從夕陽、下墊面和氣溶膠等方面分析就得出了反演是病態(tài)反演這樣一個結(jié)論。毫無疑問，這樣的結(jié)果學生是非常容易記住的[5]。

3.3 項目式教學

在傳統(tǒng)教學中，填鴨式教育的弊端已越來越明顯，學生學習的過程主要是被動接受知識的過程，許多學生對一門課程的認識比較模糊，在一些外界條件干擾下，很容易就放棄該課程，而僅僅為了學分而消極地學習。項目式教學的目的就是激勵學生探究問題的原動力，提高學生學習的有效性。

比如在講授地表參數(shù)反演時，以筆者曾經(jīng)參與的項目為例，讓學生進行葉面積指數(shù)的反演研究。讓學生切身參加到一個實際項目中來。當學生把被動接受知識的過程變?yōu)橹鲃犹骄揩@得知識的過程時，就會產(chǎn)生一種成功感，就能激勵他們的學習興趣，提高其學習的有效性。該研究的過程是學生高度自主學習的過程，在這個過程中，學生的腦海中會出現(xiàn)一個又一個的問題，為什么要反演葉面積指數(shù)，如何實測葉面積指數(shù)、應該獲取何種遙感數(shù)據(jù)？遙感數(shù)據(jù)如何處理？如何建立模型？如何進行反演？反演的精度如何控制？反演的結(jié)果如何使用？問題驅(qū)動是學生思維高速運轉(zhuǎn)的過程，是應用已有知識提出解決新問題的過程，它將極大地強化學生的源動力，激發(fā)學生濃烈的探求欲望及學習興趣，使學生進入一個積極思考的活躍狀態(tài)。

由于一個項目，即較小的課題涉及內(nèi)容也很多，這不是幾堂課內(nèi)學生能夠很好把握的，因此，在介紹完第一章概論時，就應該將該任務布置下去，鼓勵學生在以后的每堂課后都應該積極進行思考，鼓勵學生通過網(wǎng)絡尋找解決問題的放方案，老師在該過程中只要給出必要的指導或建議而不要直接給出答案。

4 實踐環(huán)節(jié)的改革

“定量遙感”實踐課要求緊密圍繞理論課程內(nèi)容，加深對定量遙感理論與方法的理解，同時，培養(yǎng)學生的自主動手能力。圍繞定量遙感核心內(nèi)容，設計了 3個實習內(nèi)容，每個實習4個學時，分別為6S大氣校正實習、植被冠層輻射傳輸模型和葉面積指數(shù)的遙感反演。時間安排與課堂教學穿插進行，目的是使學生加深理解課堂教學中學到的有關定量遙感的基本理論、基本知識和基本技術(shù)方法，并熟悉流行的遙感工具軟件的使用。

如果僅僅是按部就班地做實驗，僅僅沿用“老師演示、學生重復，學習理論、實驗證實”的傳統(tǒng)教學方法，效果往往是不理想的。為了增加學生的動手能力、創(chuàng)新能力和自主學習能力，進行了實踐環(huán)節(jié)的改革探討。比如6S大氣校正模型部分，鼓勵學生去查閱資料及幫助文件，自己尋找解決問題的方法。在植被冠層輻射傳輸模型實習中，給出的實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)存在誤差較大，可以采取分組討論的方式，尋求辦法減小結(jié)果誤差等。

5 結(jié) 語

從三學期的教學情況看，通過這些教學環(huán)節(jié)的精心設計與安排、認真實施，既豐富了學生的知識面，提高了自我解決問題的能力，又取得了良好的教學效果，學生在課程學習中表現(xiàn)出了較高的積極性與熱情，學習過程中能夠主動去圖書館及期刊網(wǎng)查閱資料，大部分學生反映學習目標性強了，而且課程內(nèi)容直觀易懂，能夠扎實掌握遙感的知識與技能，自學能力和創(chuàng)新能力也得到了提高。

針對該課程的教學情況，以后仍然需要解決的幾個問題:

1）定量遙感發(fā)展迅速，各個應用領域?qū)b感的要求也越來越高，相應的理論與方法逐步完善，教師應該即使了解前沿知識，補充到課程中來。

2）學生對定量遙感大型野外實驗了解較少，條件允許的話，可以增加去某些實驗基地參觀，使學生增加對定量遙感野外實驗的感性認識。

[1] 李小文.定量遙感的發(fā)展與創(chuàng)新[J].河南大學學報：自然科學版，2005，35（4）：49-56

[2] 梁順林.定量遙感[M].北京:科學出版社，2009

[3] 徐希孺.遙感物理[M].北京:北京大學出版社，2005

[4] 趙英時.遙感應用分析原理與方法[M].北京:科學出版社,2003

[5] 王行風.《遙感原理及應用》課程教學及改革初探[J].文教資料，2006，10：52-53

Teaching and PracticeReform of"Quantitative Remote Sensing"Courseby

CHEN Jian

According to the development characteristics of remote sensing professionaland thespecific situation of students in universities,thispaperanalysised quantitative remote sensing course based on the current situation to determ ine the course teaching outlineand content.The teachingmethodsandmeans in practiceof the coursewere summarized and discussed so thatthe coursewasadopt to China's remotesensing scienceand technology developmentand personnel training needs.

quantitative remote sensing course,multimedia,heuristic teaching,project-based teaching （Page:127）

P237

B

1672-4623(2011)02-0127-03

2010-10-08

項目來源：國家自然科學基金資助項目（40901239）；南京信息工程大學第六期教學建設與改革工程（09JY0012）；南京信息工程大學第七期教學建設與改革工程（10JY044）。

陳健，副教授，博士，主要從事定量遙感、遙感與GIS應用研究。