農(nóng)業(yè)院校《遙感數(shù)字影像處理與分析》教學(xué)中育人元素探索

蘇 偉 趙瑞春 楊建宇 黃健熙 李 俐 尹冬勤

（[1]中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100083；[2]農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)災(zāi)害遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100083）

0 引言

2019年9月5日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習(xí)近平給全國涉農(nóng)高校的書記校長(zhǎng)和專家代表回信，提出了“以立德樹人為根本，以強(qiáng)農(nóng)興農(nóng)為己任”的殷切期望。為了全面貫徹黨的教育方針，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)提出了將育人元素融入專業(yè)課程的育人大綱建設(shè)思路，目的是緊緊圍繞立德樹人根本任務(wù)，以社會(huì)主義核心價(jià)值觀為引領(lǐng)，加強(qiáng)“課程思政”育人要求，以專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成為核心、落實(shí)OBE教育教學(xué)理念，融入學(xué)科建設(shè)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步、教育教學(xué)改革的新成果，突出學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)提升，打造有深度、有難度和挑戰(zhàn)度的“一流課程”，從而提高農(nóng)業(yè)院校的人才培養(yǎng)質(zhì)量。

如何在課時(shí)緊張的情況下，實(shí)現(xiàn)專業(yè)核心課程的“課程思政”，從而讓專業(yè)課程不僅僅能完成知識(shí)傳授、學(xué)生創(chuàng)新能力提高的同時(shí)，突出育人價(jià)值，讓立德樹人做到“潤(rùn)物細(xì)無聲”，是農(nóng)業(yè)院校所有課程育人大綱建立時(shí)首要遇到的問題。為此，本文以《遙感數(shù)字影像處理與分析》課程為例，探索如何將育人元素與專業(yè)知識(shí)有機(jī)結(jié)合。

1 課程簡(jiǎn)介

《遙感數(shù)字影像處理與分析》是我校地理信息系統(tǒng)專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，主要講授遙感影像處理基礎(chǔ)知識(shí)、遙感影像預(yù)處理（幾何校正、輻射校正）、遙感影像增強(qiáng)、遙感影像融合、遙感影像分類、植被冠層模型及農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)分析、雷達(dá)影像處理及土壤水分反演等內(nèi)容，該門課程的實(shí)踐要求較高，需要學(xué)生在所學(xué)理論知識(shí)和技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，能夠?qū)嶋H動(dòng)手對(duì)遙感影像進(jìn)行各種預(yù)處理操作，并在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行土地覆被分類、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)等實(shí)際應(yīng)用。在教學(xué)過程中，具體專業(yè)知識(shí)與育人元素有機(jī)融合：（1）通過對(duì)遙感影像處理技術(shù)發(fā)展歷史的講授，讓學(xué)生了解到科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)社會(huì)各方面的發(fā)展；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的遙感研究始于1979年中國農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用與培訓(xùn)中心的成立，該中心是在聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）與計(jì)劃開發(fā)暑（UNDP）援華的第一批科技項(xiàng)目支持下在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)成立，成為我國首批遙感人才的搖籃，我們應(yīng)該接過前輩的火炬將農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用做好。（2）通過利用各種遙感影像處理技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)許多人眼無法直接觀察到的現(xiàn)象和規(guī)律，我們應(yīng)該切實(shí)保護(hù)好自然環(huán)境，科學(xué)、合理利用農(nóng)業(yè)資源、土地資源等。（3）在現(xiàn)代信息技術(shù)條件下，遙感在國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)都有充分應(yīng)用，遙感已從上世紀(jì)早期單純的軍事用途擴(kuò)大到現(xiàn)代生活的各方面，如土地管理、氣象預(yù)報(bào)、全球變化、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、生態(tài)調(diào)查、旅游、交通等各行各業(yè)，成為服務(wù)人類現(xiàn)代生活的重要高科技手段之一，以此讓同學(xué)們知遙感的農(nóng)業(yè)應(yīng)用，愛遙感應(yīng)用。（4）通過展望遙感影像處理發(fā)展前景，引導(dǎo)同學(xué)們強(qiáng)農(nóng)愛農(nóng)，增強(qiáng)責(zé)任感與使命感。《遙感數(shù)字影像處理與分析》課程知識(shí)體系與育人元素融合關(guān)系圖見圖1。

圖1：遙感數(shù)字影像處理與分析知識(shí)體系與育人元素融合關(guān)系

2 教學(xué)理念

黨的十九大以來，聚焦實(shí)現(xiàn)全員全過程全方位育人，教育部啟動(dòng)“三全育人”綜合改革工作，要求高校將立德樹人作為立身之本，著力構(gòu)建“三全育人”工作體系。在《遙感數(shù)字影像處理與分析》課程育人大綱建立過程中，采用課堂講授、動(dòng)手實(shí)踐、社會(huì)調(diào)研等多種途徑將“立德樹人”的教育理念融入到教學(xué)全過程。在立德樹人”的教育理念下，《遙感數(shù)字影像處理與分析》課程的教學(xué)理念為：

（1）以先進(jìn)的教學(xué)理念引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。“教師的責(zé)任不在教，而在引導(dǎo)，教會(huì)學(xué)生學(xué)”；以教學(xué)團(tuán)隊(duì)已上線的MOOC在線課程《遙感數(shù)字影像處理與農(nóng)業(yè)應(yīng)用》為依托，在教學(xué)過程中“先學(xué)后教，以教導(dǎo)學(xué)，以學(xué)促教”；教師引導(dǎo)“得當(dāng)”，學(xué)生學(xué)習(xí)“得體”，從而取得最佳的教學(xué)效果。

（2）秉承“以學(xué)生為中心”的理念，以學(xué)習(xí)為基本邏輯展開教學(xué)。教學(xué)的目的是為了學(xué)生的發(fā)展，教學(xué)的手段是促使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、親身實(shí)踐，在講授遙感影像處理方法、原理的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生通過ENVI軟件或者Python編程實(shí)現(xiàn)算法內(nèi)容，從而做到“做中學(xué)”，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

（3）以新信息技術(shù)手段激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)上，融入對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”新時(shí)代教育教學(xué)等多方位的思考，將深度學(xué)習(xí)、GoogleEarth Engine(GEE)地理計(jì)算云平臺(tái)等新信息技術(shù)融入到遙感影像處理與分析的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)上，讓學(xué)生接觸最新的研究成果和技術(shù)進(jìn)步，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3 課程內(nèi)容

本課程內(nèi)容包括8個(gè)章節(jié)，理論課為32個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課為24個(gè)學(xué)時(shí)，理論課與實(shí)踐課穿插進(jìn)行，在學(xué)生掌握了理論知識(shí)后盡快動(dòng)手實(shí)踐，加深對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與掌握，課程教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

表1：課程內(nèi)容與教學(xué)要求

4 教學(xué)方法

針對(duì)遙感課程理論多而雜、技術(shù)性強(qiáng)、抽象難學(xué)等特點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容的完善與改革、積極結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)手段和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的信息技術(shù)手段、突出農(nóng)業(yè)應(yīng)用案例等教學(xué)手段和教學(xué)方法的改革方面進(jìn)行積極探索和嘗試，通過三種教學(xué)改革措施將遙感課程不再“遙不可測(cè)”，以達(dá)到讓學(xué)生體會(huì)到“遙感即藝術(shù)”的目標(biāo)，具體工作做法如下：

（1）教學(xué)內(nèi)容的完善與改革。在農(nóng)業(yè)院校遙感課程學(xué)時(shí)非常有限的條件下，在保證所要掌握的遙感數(shù)字影像處理內(nèi)容完整、系統(tǒng)、保證邏輯聯(lián)系的前提下，精簡(jiǎn)傳統(tǒng)遙感數(shù)字影像預(yù)處理的內(nèi)容，突出遙感影像幾何校正、輻射校正、遙感影像增強(qiáng)、遙感影像融合、遙感影像分類等教學(xué)重點(diǎn)；增加基于深度學(xué)習(xí)和AI技術(shù)的農(nóng)作物種植面積提取、農(nóng)作物冠層參數(shù)定量反演及長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、基于微波遙感的土壤水分反演等極具農(nóng)業(yè)應(yīng)用特色的教學(xué)內(nèi)容。在保證學(xué)生能夠聽懂、消化所有知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將最新技術(shù)融入到教學(xué)內(nèi)容中，使學(xué)生能夠具有敏銳的專業(yè)洞察力和創(chuàng)新能力。

（2）調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)，讓每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)成為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遵循多思考、勤動(dòng)手的原則，動(dòng)手做的嵌套有三個(gè)環(huán)節(jié)：第一個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)小知識(shí)點(diǎn)數(shù)學(xué)模型的編程實(shí)現(xiàn)，比如遙感影像的最近鄰域法、二次多項(xiàng)式法、三次卷積法的重采樣方案、影像的線性和非線性增強(qiáng)方法、遙感影像的數(shù)學(xué)融合方法等知識(shí)點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生利用C++或者Python語言編程實(shí)現(xiàn)；第二個(gè)環(huán)節(jié)，具體遙感影像處理過程的實(shí)現(xiàn)，包括遙感影像的幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、空間域影像增強(qiáng)、影像融合、非監(jiān)督和監(jiān)督分類的實(shí)現(xiàn)、分類精度評(píng)價(jià)；第三個(gè)環(huán)節(jié)，具體遙感應(yīng)用案例的全流程實(shí)驗(yàn)，即在前面第一環(huán)節(jié)小知識(shí)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)和第二環(huán)節(jié)遙感影像預(yù)處理實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，完成一個(gè)完整的遙感數(shù)字影像處理的農(nóng)業(yè)應(yīng)用案例，包括基于機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)方法的農(nóng)作物種植面積提取、用于作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)垂直植被指數(shù)構(gòu)建、基于微波遙感的水云模型農(nóng)田土壤水分反演。通過三個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，讓學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有感性認(rèn)識(shí)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)算法、模型有更深入的了解，從而讓學(xué)生有對(duì)所學(xué)知識(shí)并有將來可以單獨(dú)承擔(dān)一項(xiàng)遙感應(yīng)用研究的自信。

（3）將專業(yè)遙感測(cè)量?jī)x器進(jìn)課堂，讓所有知識(shí)點(diǎn)不再“遙不可測(cè)”。在講述農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)時(shí)，將 SVC地物光譜儀、LAI-2200C植物冠層分析儀、SPAD502植物葉綠素測(cè)定儀帶入課堂，給學(xué)生講述用于作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)精度驗(yàn)證依據(jù)的地面作物冠層光譜、葉片光譜、作物冠層葉面積指數(shù)、作物葉片葉綠素含量、作物冠層葉綠素含量如何測(cè)量；在講述農(nóng)田土壤水分反演時(shí)，將TDR土壤水分測(cè)定儀帶入課堂，教給學(xué)生如何測(cè)量土壤各剖面深度（10cm、20cm、50cm）土壤水分的測(cè)量方法。通過將農(nóng)業(yè)用專業(yè)測(cè)量?jī)x器帶入課堂，讓課上所講授理論知識(shí)可測(cè)量、可解釋、可應(yīng)用。

（4）教學(xué)與科研相長(zhǎng)：通過所講授的遙感數(shù)字影像處理算法，鼓勵(lì)本科生申請(qǐng)國家、北京市創(chuàng)新項(xiàng)目、URP項(xiàng)目，參與老師的科研工作，并鼓勵(lì)學(xué)生將所發(fā)現(xiàn)的研究成果寫出來發(fā)表學(xué)術(shù)論文。