基于產出導向的遙感科學與技術專業實踐教學體系構建

王 玥, 趙 旎, 潘 勵, 潘 斌, 高衛松

(1. 武漢大學 遙感信息工程學院, 湖北 武漢 430079； 2. 武漢大學 實驗室與設備管理處, 湖北 武漢 430072)

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基于產出導向的遙感科學與技術專業實踐教學體系構建

王 玥1, 趙 旎2, 潘 勵1, 潘 斌1, 高衛松1

(1. 武漢大學 遙感信息工程學院, 湖北 武漢 430079； 2. 武漢大學 實驗室與設備管理處, 湖北 武漢 430072)

產出導向是工程教育認證的核心理念。以遙感科學與技術專業的培養目標和畢業要求為出發點,構建了實踐教學體系的目標體系,結合目標體系的實現構建了反映現代遙感與地理信息學科特點的“分階段、多層次、廣關聯、全方位”的實踐教學內容體系,從提高實踐教學師資水平、加強科研反哺實驗教學、構建虛實結合的開放式實驗教學環境等方面構建了實踐教學保障體系。

產出導向； 工程教育認證； 實踐教學體系

目前,正在各高校進行的高等工程教育專業認證是繼本科教學評估和質量工程后高校關注的焦點工作[1]。在工程教育認證中,專業培養標準被稱為“學生產出”或“畢業要求”,是保證培養目標實現的關鍵。由中國工程教育專業認證協會制定的工程教育認證標準(2015版)中提出的12條通用標準,均以“學生的能力培養”為核心[2-3]。能力是在學習知識和訓練技能中逐步形成的,因此實踐教學是培養學生實踐能力和創新能力的“切入點”[4],為了使實踐教學體系能夠有效地支撐培養目標和畢業要求的實現,就應該基于產出導向對原有的課程體系進行改革重組[5-7]。面向我國測繪地理信息發展的人才需求,本文以遙感科學與技術專業的培養目標和畢業要求為出發點,構建了實踐教學體系的目標體系,又結合目標體系的實現構建了反映現代遙感與地理信息學科特點的“分階段、多層次、廣關聯、全方位”的實踐教學內容體系,從提高實踐教學師資水平、加強科研反哺實驗教學、構建虛實結合的開放式實驗教學環境等方面構建了實踐教學保障體系。

1 實踐教學目標體系

“遙感科學與技術”本科專業是由我校遙感信息工程學院于2002年首先在全國申請創辦的,經過多年的發展,已被評為“211工程”重點建設學科、國家特色專業和湖北省品牌專業。依托于學科優勢,學院樹立了“面向國家空間信息基礎設施建設的需要,培養掌握遙感科學基本理論、方法和技術,具有空間信息獲取、處理、分析和應用專業知識和技能的跨學科復合型高級技術應用人才”[8]的培養目標,并努力加強學生學科群基礎,促進相關學科交叉融合,提高地球空間信息科學教學質量。

面向我國測繪地理信息發展的人才需求,以工程專業認證為標準[9],學院參與制定了《測繪類專業本科教學質量國家標準》,同時起草制定了《遙感科學與技術專業補充標準》,并遵循遙感學科的實踐教學規律和人才成長規律,制定了基于產出導向的實踐教學人才培養標準,通過實踐教學使學生:

(1) 具有良好的科學素養和社會責任感,能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業道德和規范,履行責任；

(2) 掌握本專業所需的工程基礎,包括空間科學、地球科學、測繪科學和計算機應用的基本知識和技能；

(3) 具有扎實基礎理論和專門知識,初步具備分析解決工程實際問題以及進行新技術研發和工程設計的能力；

(4) 具有較強的項目組織管理與執行能力、語言表達、溝通能力和團隊合作意識；

(5) 具有較強的自學能力,能與時俱進地學習,緊跟遙感與地理信息學科和專業發展。

2 實踐教學內容體系

遙感科學與技術是在空間科學、地球科學、測繪科學、計算機科學及其他學科交叉滲透、相互融合的基礎上發展起來的一門新興學科[10],其課程設置包含5大類課程,即數學與自然科學類、工程基礎類、專業基礎類、專業類、人文社會科學類。實踐教學與理論教學既有機結合又相對獨立,緊緊圍繞遙感與地理信息數據獲取、分析與處理、表達與應用體系的各個環節,形成反映現代遙感與地理信息學科特點的“分階段、多層次、廣關聯、全方位”的實踐教學內容體系,見圖1。

圖1 實踐教學體系結構圖

實踐教學內容由空間科學、信息科學、地球科學、光電科學、計算機課學等5大學科群組成,在實踐教學中,以遙感科學與技術、理論、方法和應用為主線構建一個多學科關聯的實驗網絡,按專業基礎實驗、專業綜合實驗、科研探索設計實驗、自主創新應用實驗4個層次開設實驗項目,按由淺入深、循序漸進的認知規律組織實習。

2.1 專業基礎實驗

專業基礎實驗注重培養學生掌握遙感與地理信息所需的工程科學基礎,具備基本工程理論素養和基礎操作技能。開設了“測量學課程實驗”“GPS測量與數據處理實驗”“數字圖像處理課程實驗”“空間數據誤差處理實驗”“Matlab應用實驗”“數據結構實驗”“走進遙感世界——遙感技術系列實驗”等課程, 并且要求學科基礎課在課堂教學的同時必須開設一定比例的專業基礎實驗,所涉及的基本概念、基本原理、基本方法及作為工程技術專業人才必須掌握的基本技能,貫穿于具體的實習環節。

“走進遙感世界——遙感技術系列實驗”以遙感通用及核心應用技術為主線,設計不同板塊的實驗項目,包括“揭開遙感的神秘面紗”“空間的探索”“找到自己的家”“尋找古文明”“制定旅游路線”“天氣預報為何經常不準”“立體測圖體驗”“實景逛街”“遙感衛星仿真”等內容,通過不同的實踐教學環節展示遙感在生產、生活中的應用及其科學性、趣味性,使學生在較短的時間內了解遙感技術原理,建立遙感技術在不同專業領域的應用概念和邏輯,激發學生的學習、創新欲望。

2.2 專業綜合實驗

專業綜合實驗注重培養學生能夠熟練操作與遙感信息處理、攝影測量三維信息提取和地理信息工程相關的常用商業軟件系統,初步具備分析解決工程實際問題的能力。專門開設針對學科專業課中有提高性內容、或者是多門課程理論知識與多種實驗技術綜合應用的實驗或實踐內容,包括設置了“遙感原理與應用課程設計”“遙感圖像解譯課程綜合實習”“攝影測量原理綜合實習”“微波遙感課程綜合實習”“攝影測量基礎課程設計”“時空數據庫課程實驗”“地表覆蓋與土地利用課程實驗”“GIS原理綜合實習”“地理國情模擬與可視化課程實習”等實習課程。這部分實驗主要安排在大學一、二年級。

“遙感原理與應用課程設計”內容分為2部分:第一部分是軟件使用部分,使學生全面深入掌握ERDAS軟件的使用，并且通過遙感專業軟件的熟練應用,加深理解和鞏固理論課上所學的有關遙感的基本原理、遙感傳感器的成像機理、遙感圖像的處理方法、專題信息提取以及遙感綜合應用技術；第二部分為自主程序設計部分,要求學生通過用VC等高級語言編寫遙感圖像處理的一些常用算法程序,鞏固和掌握遙感圖像處理的算法原理與程序設計,提高動手能力,并通過實際編程了解遙感圖像處理軟件實現的基本方法,為進一步學習數字攝影測量、遙感和地理信息系統等專業課程以及應用圖像處理解決實際問題奠定基礎[11]。

2.3 科研探索設計實驗

科研探索設計實驗注重培養學生能夠解決遙感信息處理與應用、攝影測量三維信息提取和地理信息管理與應用等相關的系統開發與設計中的問題,具備較強的創新意識和進行系統開發和集成的初步能力。設置了“GIS工程設計開發綜合實習”“計算機圖形學課程設計”“數字攝影測量課程設計”“網絡GIS程序設計實習”“遙感應用模型實習” 等課程,這部分課程主要安排在大學三、四年級,實驗項目多由教師科研成果轉化而來,使科研、教學雙向支持力度得到加強。

“GIS工程設計開發綜合實習”是以地理信息系統原理、網絡GIS、GIS工程技術等課程為理論基礎,以GIS程序設計和編程語言為前導課程的面向GIS應用的綜合開發實踐課程。實習課程從開設之初就堅持以理論和方法為指導,綜合應用GIS專業知識實現綜合性的設計、開發和系統實現。課程開設至今,伴隨著軟件系統的進步、算法語言的升級,實習的基本要求和采用的軟件平臺都在逐步完善和升級。考慮到GIS應用系統的開發與軟件技術、計算機系統的發展密切相關,在認真分析GIS應用市場對技術開發的基本需求的基礎上,課程較為科學地進行實習平臺的選擇和實習內容的設置和更新。采用的開發語言由最初的VB.net更新為C#；采用的開發環境從Visual Studio 2005升級到Visual Studio 2008,再到Visual Studio 2010；采用的GIS二次開發平臺經歷了從ArcEngine 9.2到ArcEngine 9.3,再到現在的ArcEngine 10.1,始終把握軟件平臺和GIS開發的技術發展趨勢[12]。

2.4 自主創新應用實驗

自主創新應用實驗主要是從科研成果和企業工程中提煉出來的實驗項目。這些實驗內容在知識體系、實驗方法和實驗技術方面具有較高的要求,目的是將優秀學生引入學科前沿,激發科學研究興趣,培養研究探索和創新能力。實驗教學形式較為靈活,不受課時限制,除課程實驗外,相關科研團隊、學生工作辦緊密配合,積極引導學生課余參與教師的科研課題、假期的校外科研基地和企業實習基地實踐活動、大學生創新基金項目、畢業論文和各種學科競賽等,自主開展實驗實踐活動。

3 實踐教學質量保障體系

3.1 教學科研融為一體的實驗教學隊伍

實驗教學與管理隊伍是專業人才培養方案中關鍵的設計者、組織者和實施者,直接影響人才培養的質量。以高素質人才的培養質量為切入點,積極開展實驗隊伍建設,為實驗教學的順利開展提供了保障。長期以來,學院的實驗教學隊伍除了在遙感與地理信息實驗教學方面不斷總結經驗、提高教學水平外,在遙感學科研究方面,其水平也在國內名列前茅,承擔了大量的科研和社會服務項目。這既有利于實驗教學人員提高自身的業務水平,還可從科研和服務項目中提煉合適的實驗范例,充實教學的內容,促進了實驗教學與科研、工程和社會應用實踐的結合。

3.2 緊密結合工程實際的能力培養模式

建立教學科研互動、科研反哺教學的機制,為實驗教學質量的提升提供了保障。采取補充更新教學案例庫、畢業設計選題向科研團隊傾斜、吸收本科生參與教師的科研課題、引進國外先進實驗室實驗訓練項目、鼓勵實驗室專兼職教師和實驗技術人員廣泛參與國際學術交流等方式,積極將最新學科前沿技術和實驗教學方法融入實驗教學內容,開發設計綜合性、創新性實驗,讓學生接觸到學科的最新技術,啟發學生的創新性思維,提高學生參與實驗的積極性和興趣,在實驗教學中培養創新能力和動手能力。

在不同的實驗教學項目中可以采用不同的教學方式,使學生在提高實踐能力的同時,盡早建立工程概念和學以致用的思維方式。例如在科研探索設計實驗、自主創新應用實驗中重點實行以學生為本的基于問題、項目、案例的互動式、探討式教學方式和自主、合作、探究的學習方式。在專業基礎實驗、專業綜合實驗中,注重遙感學科基礎與前沿、經典與現代相結合,通過參觀攝影測量儀器博物館、遙感光譜野外測量、遙感圖像野外調繪解譯等方式,將虛擬仿真與真實操作體驗相結合,注重學生基本工程規范養成、基礎能力訓練與創新能力結合。

3.3 虛擬仿真與真實體驗相結合的開放實驗環境

遙感實驗教學設備價格昂貴并且受場地、天氣、復雜地形的限制,學生直接操作機會少,而依托虛擬現實、人機交互、數據庫、多媒體、網絡通信等技術構建高度仿真的遙感與地理信息虛擬實驗環境和實驗對象，可以為學生提供全新的地理視角、開放的實驗環境,開闊視野、激發創新。如學院自主開發的移動測量車虛擬仿真平臺、基礎測量儀器虛擬仿真平臺、遙感衛星運行虛擬仿真平臺、無人機飛行操控虛擬仿真平臺、地理建模與可視化虛擬仿真平臺，在“航空與航天攝影課程實驗”“走進遙感世界——遙感技術系列實驗”“時空數據庫課程實驗”“測量學課程實驗”“4D產品生產實習”“GIS原理綜合實習”等課程中得到了廣泛應用,學生通過配戴立體眼鏡、操作三維鼠標、Kinect、Leap motion等體感設備,深入探索遙感傳感器成像機理和平臺運行規律、地理環境空間分異的規律和演化過程，以及地理環境信息采集、集成、分析、建模的機理,實現對地理環境的模擬分析、預測預報和動態監控。

4 結語

遙感與地理信息學科正朝著數據采集多樣化、處理和分析智能化、行業應用多元化的方向發展,基于產出導向的遙感科學與技術專業實踐教學體系的構建,實現了教學培養目標、畢業要求及其實踐課程體系的一致性,從而使實踐教學體系能夠有效地支撐培養目標和畢業要求的實現,使學生始終站在學科發展前沿，更好地滿足了行業發展需求。

References)

[1] 楊化超,張書畢,卞和方.專業認證背景下測繪工程專業建設研究[J].教育教學論壇,2014(46):147-149.

[2] 林健.工程教育認證與工程教育改革和發展[J].高等工程教育研究,2015(2):10-19.

[3] 賈衛平.工程教育認證背景下的應用型機械類人才工程能力培養體系的構建[J].實驗技術與管理,2015,32(1):38-47.

[4] 江頡,董天陽,王衛紅.基于畢業產出導向的軟件工程課程教學改革[J].計算機教育,2015(8):1-4.

[5] 趙旭麗.工程教育認證背景下的人才培養體系[J].教書育人:高教論壇,2015(5):68-69.

[6] 潘艷平,包秋燕,江吉彬.基于卓越工程師培養的本科實踐教學體系改革[J].實驗室科學,2011,14(6):213-220.

[7] 趙志群,何興國,沈軍,等.產出導向的職業教育質量監控:職業院校的職業能力測評案例[J].中國職業技術教育,2015(9):5-13.

[8] 艾明耀,胡慶武,潘勵.卓越GIS工程師能力培養體系探索[J].測繪通報,2016(1):142-145.

[9] 中國工程教育認證通用標準(2015)[EB/OL]. http://ceeaa.heec.edu.cn/column.php?cid=17.

[10] 孫家炳.遙感原理與應用[M].2版.武漢:武漢大學出版社,2009.

[11] 李剛,萬幼川.基于CDIO模式的“遙感原理與應用課程設計”創新型實驗教學示范[J].測繪通報,2015(1):134-136.

[12] 艾明耀,潘勵,張豐,等.卓越工程師能力考核探討與分析:以“GIS原理課程設計”為例[J].測繪通報,2015(11):123-126.

Construction of practice teaching system about remote sensing science and technology based on outcome-based education

Wang Yue1, Zhao Ni2, Pan Li1, Pan Bin1, Gao Weisong1

(1. School of Remote Sensing and Information Engineering, Wuhan University, Wuhan 430079, China；2. Department of Laboratory and Equipment Management, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

The core idea of the engineering education accreditation is outcome-based education(OBE). This paper establishes the goal system of practical teaching from the professional training target and graduation requirements of remote sensing science and technology. Also, with the purpose of realizing the goal system,a multiple-phased, hierarchical, widely-associated, and complete system is constructed, which reflects the characteristics of modern remote sensing and geographical information subject. The guaranteeing system is also developed from the following three aspects: to improve the teachers’ qualification, to strengthen research-assisting-teaching mechanism, and to create an open practical teaching environment with the combination of virtual simulation and real experience.

outcome-based education；engineering education accreditation；practical teaching system

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.047

2016-05-18

教育部 2012年度“本科教學工程”項目；中央高校基本科研業務費專項資金(2042015kf0060)；武漢大學2014年實驗技術項目(whu-2014-syjs-03)；武漢大學教學改革研究項目“基于產生導向的遙感科學與技術專業實踐教學體系構建”

王玥(1982—),女,山東掖縣,博士,實驗師,主要從事攝影測量與遙感實踐教學工作

E-mail：rswy@whu.edu.cn

趙旎(1977—),女,湖北南漳,本科,7級職員,研究方向為實驗室建設和實驗室管理.

E-mail：shiyanshi@whu.edu.cn

G642.0

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1002-4956(2016)11-0186-03