定量遙感課程有效教學方法探索與實踐

孫 灝，崔希民，袁德寶，蔣金豹，孫文彬

(中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

隨著社會對遙感人才需求的增大，許多高校開設了遙感科學與技術本科專業。據《慧天地》統計，截止到2018年9月，全國具有遙感科學與技術本科專業的普通高校共40所左右，如武漢大學、北京航空航天大學、中南大學及中國礦業大學(北京)等。定量遙感是遙感科學與技術專業發展的重要組成部分，與國家保障生態安全、改善環境質量、提高資源利用效率、推動人與自然和諧發展的現代化建設需求密切相關。因此定量遙感儼然成為遙感科學與技術本科專業一門重要的專業核心課程[1]。

定量遙感是遙感研究與應用的重要領域，是一種非常重要的地表信息獲取與分析的方法。它強調通過數學或物理的模型將遙感信息與觀測地表目標參量聯系起來，定量地反演或推算出某些地學目標參量[2]。目前已存在多本有關定量遙感的學術專著，如《定量遙感》《定量遙感-理念與算法》《遙感物理》《遙感應用分析原理與方法》等，這些論著均不同程度地反映出定量遙感涉及的內容非常廣泛，涵蓋了可見光與近紅外、熱紅外、微波等不同電磁波段，并且涉及輻射定標、大氣校正、定量遙感建模與反演、尺度問題、真實性檢驗、不確定性等多種基本理論和方法[3-5]。在不同應用領域，定量遙感也有各自的研究特色。此外一些典型定量遙感課程主要面向研究生講授，或以講座的形式進行。針對遙感專業本科生而言，還存在教學內容過深、教學目標差別較大的現象。如北京大學自2004年連續舉辦了多期定量遙感的暑期精品課程班，邀請國內外著名專家以講座的形式進行講授，講座內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。中國科學院遙感所也曾開設遙感物理課程，主要也是講授定量遙感的內容，側重于定量遙感的物理基礎。因此，針對定量遙感課程的復雜性，采用何種教學方法才能有效完成本科教學目標，成為目前教學過程中的重點和難點[6-9]。

綜上所述，定量遙感課程存在著涉及內容眾多、知識體系復雜、缺乏合適教材等諸多問題，為定量遙感課程有效教學方法的確立帶來了困難。筆者在多年教學經驗的總結感悟之下，提煉出實現有效教學方法的“知識轉化率模型”。本文詳細闡述該模型的基本原理和組成，并結合定量遙感課程中的具體知識點介紹該模型的應用實踐。本文在定量遙感課程有效教學方法方面的探索，有助于進一步提高遙感科學與技術專業教學質量與人才培養水平，也可為其他相關課程的教學提供參考。

1 教學方法探索

本文提出的“知識轉化率模型”教學方法既來自于筆者多年的教學經驗總結，也參考了美國教育家鮑里奇的《有效教學方法》一書[10]。筆者認同在判斷教學方法是否有效時，要考慮到教師對學生的影響，重視課堂里的師生互動關系，并把師生互動作為有效教學的核心[11]。基于上述原則，構建如下“知識轉化率模型”

KA=KO×KR×ε

(1)

式中，KA表示在單位學時內，學生最終獲得的知識量；KO表示在單位學時內，教師輸出的規定授課知識量；KR表示在單位學時內，學生接收到的知識量；ε代表學生對所接收到知識的轉化率，代表其對所接收的知識的消化吸收能力。式(1)表明，只有當KO、KR和ε同時達到最優狀態時，KA才能達到最佳的理想狀態。因此教師在教學過程中，所有具體教學方法的實施均應為了促使KO、KR和ε達到最優狀態。針對上述具體單項參量的最優化方法展開介紹，具體如下。

1.1 教師輸出量KO的優化方法

為最優化KO，首先需要確保授課清晰，即指在向全班講授教學內容時確保較高的清晰程度。這種清晰有4個層次：第一層次指教師發音的清晰，教師普通話要達標，不會因為濃重的地方口音而造成學生接受知識的困難，也不會因為口齒模糊、結巴、口誤等分散學生的注意力；第二層次為教師用詞清晰，不采用語言含糊、有歧義或不明確的用詞，如可能、也許、大概、或許等模棱兩可的詞語或句子盡量少用；第三層次為教師語言邏輯的清晰，確保按照連貫的邏輯順序講課，提出要求或發布指令時要緩慢而明確，避免使用復雜冗長的句子，講解知識點時要照顧到不同學生的理解程度；第四層次為教學內容的組織安排清晰，如明確教學目標和重點，預先通過教學內容的組織，告訴學生每節課的教學目標和重點，指出哪些重點將出現在今后的學習中。上課前進行必要的復習與檢查，每節課結束時進行必要的回顧總結等[12]。

其次要確保在單位學時內，教師用于講授規定知識點的時間比例較高。這又包括兩個具體措施：第一，要盡量規避非教學事務的打擾，教師要以身作則，如關閉手機、拒絕行政性事務等，另外教師在制止學生搗亂、穩定教學秩序中也要做到快速有效處理，不過多占用教學時間；第二，針對不同的教學內容還需要采用不同的教學策略，如針對事實、規則和動作序列的學習，比較適宜采用直接教學策略，即教師通過講解和示范，并結合學生的練習和反饋，進行直接介入式教學。而對于概念、模式和抽象概念的學習，則較適宜采用間接教學策略，即通過創設學習環境，讓學生參與調研或推理，鼓勵學生形成自己的看法或問題解決辦法[13]。

除上述兩種具體方法之外，教師在教學過程中還需注意教學語言的組織結構。如在前后教學內容之間建立恰當的聯系，使得學生在接受新知識時，邏輯上是連貫的，不會因為思維的跳躍而分散學習注意力。

1.2 學生接收量KR的優化方法

盡管教師盡最大努力向學生傳授知識，然而學生未必能夠百分百地接收教師輸出的知識量。學生本身的身體不適、疲勞等客觀原因教師較難改變，但心理上的貪玩、追求新鮮、不喜歡聽課等主觀原因則可以通過有效的教學方法加以干預，即通過一些有效的方法最優化KR。非常重要的一種優化方法為采用多樣化教學，即采用多樣化、高靈活性的形式呈現教學內容。這種多樣化具體體現在3個方面：一是教師本人在教學過程中可以通過變化目光接觸、語音和手勢展示熱情和活力，從而感染學生；在教學過程中可以通過多種形式的提問或提不同類型的問題，如事實問題、發散性問題等，激發學生的斗志，滿足學生解決挑戰性問題的榮譽感。二是教學材料的多樣化，表現為熟練運用多媒體教學手段，使用多種教學材料和道具。對于某些特定的教學內容，可以改變教學場地，甚至使用專業的儀器設備。第三是教學活動的多樣化，這要求教師不局限于傳統的班級教學，而是可以通過分組討論、小組活動等方式吸引學生的注意力，從而增加學生投入學習的精力，增加學生接受的知識量。

另外一種有效方法是引導學生投入學習過程。具體的措施包括在每次的教學刺激之后及時安排練習或問題，如教學過程中在講解完地表溫度的單窗反演算法后，可立即安排一個課堂試驗，讓學生利用學到的算法原理針對試驗數據開始地表溫度的反演，期間所用到的參數可以預先假定，主要引導學生理解和掌握地表溫度反演算法的基本原理和過程。上述多樣化教學和引導學生投入學習過程的兩種措施，均有助于吸引學生的注意力，使學生接收到的知識量KR達到最大化。

1.3 知識轉化率ε的優化方法

根據式(1)所示的知識轉化率模型可知，即使KO達到最優狀態、KR達到最大化，學生自身最終能夠獲得的知識量還取決于知識轉化率ε。以下具體的措施可有效提升學生的知識轉化率：第一教師在安排教學知識點時，要循序漸進，顧及學生的學習背景和經歷，如要了解目前已經上過哪些課，是否具備理解相關知識點的條件。教師不宜突然安排超出學生背景知識的內容，而是應該有節奏地呈現教學內容，并為每一個教學高潮或關鍵事件做好鋪墊準備。也要確保學生處于中高水平的成功率上，教師要組織與安排能產生中高水平成功率的教學，并向學生指出超越給定知識點的挑戰。第二要有效利用學生的思想，即通過認可、修改、應用、比較和總結學生的回答，從而促成課時目標，并鼓勵學生參加教學過程。其中認可的含義是使用一個學生的正確回答，并向全班學生不斷重復；修改是用自己的話或其他同學的話修改學生的回答；應用是使用學生的想法進一步推論；比較是將不同學生的想法進行比較分析；總結是利用學生們的回答，概述所教的概念或過程[14]。第三要掌握提問的藝術。提問在教學過程中非常有必要，它將學生從被動的接受轉為主動的思考，進而提高學生的知識轉化率。教學中的提問按照教學內容的不同，可分為內容相關的提問和過程相關的提問。內容相關的提問，其答案往往是固定的，基本可在書本上或教學材料里直接找到。這種提問方式大多是為了直接考核學生對特定知識點的記憶或理解程度。過程相關的問題則充滿了不確定性，問題的答案往往具有很高的發散性。通過過程相關的問題可鼓勵學生運用學到的知識進行思考和推理，因而可鍛煉學生分析、綜合和判斷的能力。第四要利用好誘導、探詢和調整過程[10,14]，即教師通過提問或評述誘導學生的思維向著理解知識點的方向前進。這一過程往往從誘導開始，探詢作為承前啟后，調整則根據學生的思維狀態而選擇是否使用。通過誘導—探詢—調整的循環進行，把課堂討論有計劃地導向更高的水平，從而最大化學生的知識轉化率。

以下通過遙感地表溫度與植被蓋度空間(LST/FVC)模型這一定量遙感課程知識點為例(如圖1所示)，介紹分享筆者在教學過程中對上述“知識轉化率模型”教學方法的實踐。

圖1 LST/FVC特征空間的基本概念

2 教學方法實踐

LST/FVC模型被廣泛應用于估算土壤濕度、地表蒸散、裸土溫度及近地表氣溫等水熱平衡研究中的重要參量，是定量遙感教學過程中的一個重要知識點。筆者首先對教學內容進行了清晰的組織安排，明確教學目標和重點：使學生理解LST/FVC模型的基本概念、相關假設、形成過程、變體形式和物理意義。通過教學內容的組織，講課過程中的發音清晰、用詞清晰、語言邏輯清晰，以及確保教學時間等措施，使教師的輸出量KO達到最優狀態。筆者采用直接教學策略、多樣化教學手段、圖文并茂地介紹LST/FVC模型的基本概念。即LST/FVC空間是指由植被覆蓋度和地表溫度圖像構成的二維散點圖，橫軸是植被覆蓋度(或植被指數)，縱軸是地表溫度，當研究區植被覆蓋度和土壤濕度存在較大變化時，散點圖的形狀呈現出三角形或梯形的形狀。LST/FVC空間模型的下邊界是濕邊(wet boundary)，上邊界是干邊(dry boundary)，由下到上代表土壤逐漸由濕變干。LST/FVC空間的端元分別表示干燥植被、濕潤植被、干燥土壤和濕潤土壤4個極端狀態下的地表溫度。針對LST/FVC空間中的任一像素，其相對干邊和濕邊的距離，可以表征地表的干濕狀況或蒸散發狀況。

緊接著引出一個問題，LST/FVC空間模型具有一定的理論基礎，我們如何推演其形成過程呢？帶著這一問題，采用探究式的教學模式，引導學生一步步地理解LST/FVC空間模式的構建過程。首先根據能量可加性原理，有如下公式成立

(2)

式中，等號左邊代表地表混合像素的輻射能量；等號右邊第一項代表來自裸土部分的輻射能量；等號右邊第二項代表來自植被部分的輻射能量；T代表地表混合像元的溫度；Tv和Ts分別代表植被和裸土組分溫度；fv為植被覆蓋度。上述公式可以進一步簡化為

T=fv(Tv-Ts)+Ts

(3)

上述分析表明，LST與FVC定量關系在LST/FVC特征空間中可表達為一條斜線。其中斜線的斜率為植被組分溫度與裸土組分溫度之差(Tv-Ts)，斜線的截距為裸土組分溫度(Ts)。由于斜率和截距決定了LST/FVC斜線的位置，因此驅動組分溫度發生變化的因子，即為驅動這條斜線發生位置變化的因子。已有研究表明，在相對小的局域范圍內，土壤濕度是驅動組分溫度發生變化的主要影響因子[15]，因而土壤濕度的變化通過驅動組分溫度的變化形成了LST/FVC空間。在上述的公式推導或邏輯推演過程中，學生起到主體作用，很多工作均是在筆者的引導下由學生完成的，具體的措施包括利用學生的思想、提問、利用誘導—探詢—調整循環等。

隨后利用板書，假設初始狀態下土壤濕度處于飽和狀態，地表潛熱通量占主導，植被組分溫度和裸土組分接近，此時LST和FVC的關系在LST/FVC空間中接近于一條水平直線。之后隨著土壤濕度變干，裸土組分溫度和植被組分溫度會發生不同程度的升高。由于植被的熱慣性大，植被組分溫度的變化程度會較小、裸土組分溫度的變化程度會較大。如果我們認為植被組分溫度不隨土壤濕度變化，那么隨著土壤濕度逐漸變干，會形成如圖2(a)所示的三角形特征空間模式[16]。此時，通過板書引導學生逐漸畫出這一特征空間的形成過程。

這時再引出一種情況，即植被組分溫度和裸土組分均隨土壤濕度變化，會得出什么形狀的LST/FVC特征空間呢？通過提問和引導同學參與推演，可得出LST/FVC傳統梯形空間的形成過程，即隨著土壤濕度逐漸變干，植被組分溫度和裸土組分溫度同步升高，只是由于熱慣性的差異，裸土組分溫度升高程度較大、植被組分溫度升高程度較小，因而形成了LST/FVC傳統梯形空間模式(如圖2(b)所示)[17]。至此，學生在教師的問題和推演引導下，經過幾番思路的變化，推導出了LST/FVC三角形空間和傳統梯形空間的形成過程。由于學生自己始終參與這一過程，因而很快就能理解和吸收這一知識點。

圖2 LST/FVC特征空間模式

但推演過程還沒有結束，此時再拋出另一個質疑。上述推導LST/FVC傳統梯形空間時，默認植被組分溫度和裸土組分溫度同步升高，這種默認是否具有合理性呢？筆者通過植被能夠借助根系作用而維持自身蒸騰作用這一事實，引導學生發現另一種情況存在，即植被組分溫度和裸土組分溫度不會同步升高，而是會存在一個先后狀態，即裸土組分溫度先升高，當土壤濕度下降到一定程度，打破植被自身的維持機制時，植被溫度開始升高。此時，通過板書的形式引導學生在這一認識下，重新推導LST/FVC空間的形成過程，會推導出LST/FVC兩階段梯形空間模式[18](如圖2(c)所示)。這一教學過程一波三折，在教師的引導下學生經歷了肯定-否定-肯定的轉換過程，對LST/FVC空間模型這一知識點有了深入的理解。筆者也在上述教學過程中，充分綜合利用“知識轉化率模型”教學方法，心里始終想到教師的輸出量是否最優、是否使學生的接受量達到最大、是否使學生的知識轉化率達到最大，在這一思想的驅使下，綜合利用各種具體的教學措施以順利完成教學目的。

3 結 語

本文發展了一套“知識轉化率模型”教學方法，認為單位學時內學生習得的知識量是教師輸出量、學生接受量及學生知識轉化率三者的乘積，只有每一單項達到最優，最終的教學效果才能達到最優。最優化教師輸出量的具體措施包括授課清晰和確保教學時間等；最優化學生接受量的具體措施有教學多樣化及引導學生投入學習過程；最優化知識轉化率的具體措施包括循序漸進地安排教學知識點、有效利用學生的思想、掌握提問的藝術、利用好誘導—探詢—調整循環等。本文最后結合“遙感地表溫度與植被蓋度空間”模型這一定量遙感知識點，闡述了上述教學方法的應用實踐。本文探索的有效教學方法，有助于提升遙感科學與技術專業教學質量與人才培養水平，也可為其他相關課程的教學提供參考。