生態(tài)建設(shè)背景下“林業(yè)遙感”課程教學(xué)改革實(shí)踐

張 瑜 王鵬程 滕明君

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院，武漢 430070)

遙感是在航空攝影測(cè)量的基礎(chǔ)上，隨著空間信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展而形成的一門新興的綜合探測(cè)技術(shù)。我國(guó)是較早將遙感技術(shù)應(yīng)用于林業(yè)的國(guó)家之一。遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用包括森林資源調(diào)查與規(guī)劃、森林生物物理參數(shù)反演、森林病蟲害監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、森林災(zāi)害損失評(píng)估、森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模擬、森林可視化經(jīng)營(yíng)等多個(gè)方面[1]。隨著國(guó)家“智慧林業(yè)”“數(shù)字林業(yè)”以及天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，包括遙感在內(nèi)的3S技術(shù)與林業(yè)的結(jié)合更加緊密，因此林業(yè)行業(yè)和林業(yè)相關(guān)部門對(duì)遙感技術(shù)人才的需求也更加迫切[2]。在此背景下，為了培養(yǎng)更多與行業(yè)發(fā)展需求相匹配的人才，2005年華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院針對(duì)本科生開設(shè)了“林業(yè)遙感”選修課程，至今已形成了較為完整的課程教學(xué)體系。

一、生態(tài)建設(shè)背景下遙感技術(shù)在林業(yè)建設(shè)中的作用

遙感技術(shù)是信息技術(shù)新的發(fā)展方向[3]，也是進(jìn)行空間數(shù)據(jù)采集最有效的手段，可快速獲取不同時(shí)間和空間分辨率的地理空間信息[4]。遙感技術(shù)在林業(yè)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。一是改變了林業(yè)數(shù)據(jù)的獲取方式。傳統(tǒng)的林業(yè)數(shù)據(jù)獲取主要是依靠人工調(diào)查的方式，要快速高效地獲取宏觀的林業(yè)信息存在一定困難，而遙感技術(shù)可借助不同高度的遙感平臺(tái)，快速獲取宏觀的林業(yè)資源分布信息，為林業(yè)相關(guān)部門掌握林業(yè)資源的總體分布情況并對(duì)其進(jìn)行宏觀規(guī)劃與管理提供支撐。二是遙感技術(shù)有助于病蟲害與火災(zāi)的監(jiān)測(cè)。遙感技術(shù)能提供實(shí)時(shí)的病蟲害與火災(zāi)監(jiān)測(cè)信息，方便林業(yè)部門迅速對(duì)病蟲害與火災(zāi)等作出科學(xué)決策與應(yīng)對(duì)措施，盡可能地降低受災(zāi)程度，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。三是遙感技術(shù)豐富了可獲取林業(yè)信息的類型。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用遙感數(shù)據(jù)可提取的林業(yè)信息越來越豐富，例如利用多光譜遙感數(shù)據(jù)可計(jì)算多種不同的植被指數(shù)，還可通過不同類型的遙感數(shù)據(jù)提取樹高、冠幅、蓄積量、生物量等參數(shù)。

二、“林業(yè)遙感”課程教學(xué)存在的問題

(一)課程教材落后于遙感技術(shù)的發(fā)展

目前，“林業(yè)遙感”課程還沒有全國(guó)統(tǒng)編教材，各高校所選用的教材多為全國(guó)高等農(nóng)林院校“十二五”規(guī)劃教材，如《林業(yè)遙感》《遙感導(dǎo)論》《遙感基礎(chǔ)與應(yīng)用》等。這些教材編寫時(shí)間較早，內(nèi)容陳舊，相比于發(fā)展迅速的遙感技術(shù)，教材中的知識(shí)與實(shí)際逐漸脫節(jié)[5]。

(二)學(xué)生對(duì)課程的重視程度有待加強(qiáng)

“林業(yè)遙感”雖然是一門應(yīng)用前景廣闊的課程，但學(xué)生對(duì)該課程并沒有引起足夠的重視。究其原因，首先，課程教學(xué)內(nèi)容涵蓋了大量的物理知識(shí)，如電磁波原理、攝影測(cè)量技術(shù)、光學(xué)與彩色原理等，部分學(xué)生物理知識(shí)基礎(chǔ)較為薄弱，因此學(xué)習(xí)該課程有一定難度[6]；其次，在學(xué)習(xí)遙感類課程之前，林學(xué)專業(yè)學(xué)生對(duì)遙感相關(guān)知識(shí)缺乏總體認(rèn)識(shí)，對(duì)于遙感在林業(yè)中的應(yīng)用了解得較少，這也在一定程度上導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高[5]。

(三)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)較為薄弱

理論教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)遙感技術(shù)的應(yīng)用起著基礎(chǔ)的支撐作用，而實(shí)踐則是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用遙感技術(shù)能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是，由于實(shí)踐教學(xué)的學(xué)時(shí)較少，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更多地停留在室內(nèi)圖像的處理與分析上，導(dǎo)致學(xué)生無法全面掌握理論應(yīng)用的方法，對(duì)一些實(shí)驗(yàn)操作的目的和內(nèi)涵缺乏較為深入的理解。例如，“林業(yè)遙感”課程實(shí)驗(yàn)部分僅有16課時(shí)，分為4次實(shí)驗(yàn)。在這有限的4次實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，只能安排遙感圖像預(yù)處理、遙感圖像目視解譯、遙感圖像監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而對(duì)于同樣較為重要的數(shù)字圖像增強(qiáng)與變換等內(nèi)容則由于課時(shí)原因無法涵蓋。

在生態(tài)建設(shè)背景下，林業(yè)空間數(shù)據(jù)采集、森林資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)及病蟲害監(jiān)測(cè)等都需要遙感技術(shù)提供快速、高效、精準(zhǔn)的信息，以方便林業(yè)資源的現(xiàn)代化管理。林學(xué)專業(yè)學(xué)生能否掌握“林業(yè)遙感”課程的關(guān)鍵理論知識(shí)與實(shí)踐技能，關(guān)系到林業(yè)的發(fā)展與未來。基于生態(tài)建設(shè)背景下林業(yè)發(fā)展對(duì)遙感技術(shù)的需求及當(dāng)前“林業(yè)遙感”課程中存在的問題，開展“林業(yè)遙感”課程改革顯得尤為必要。

三、生態(tài)建設(shè)背景下“林業(yè)遙感”課程教學(xué)改革的實(shí)踐

(一)將遙感技術(shù)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)融入課程教學(xué)內(nèi)容

“林業(yè)遙感”課程理論教學(xué)應(yīng)當(dāng)與學(xué)科發(fā)展前沿緊密結(jié)合，將最新的發(fā)展和應(yīng)用實(shí)例引入課程教學(xué)，從不同的角度讓學(xué)生深入了解最新的遙感技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，這樣在增加課程趣味性的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在課程教學(xué)過程中，筆者及時(shí)補(bǔ)充了近年來遙感技術(shù)的發(fā)展情況，例如Planet Labs遙感衛(wèi)星群、高景1號(hào)、吉林1號(hào)、珞珈1號(hào)等商業(yè)衛(wèi)星的應(yīng)用現(xiàn)狀，植被高光譜遙感技術(shù)的興起與發(fā)展，DMSP/LOS遙感夜間燈光數(shù)據(jù)的應(yīng)用等。同時(shí)，筆者還將新近發(fā)生的一些遙感技術(shù)應(yīng)用的典型事例，以小專題的形式向?qū)W生進(jìn)行了介紹。例如，在講授地物電磁波譜時(shí)，加入利用嫦娥4號(hào)和玉兔2號(hào)光譜探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)月幔物質(zhì)開展研究的最新進(jìn)展；在電磁波章節(jié)引入2019年關(guān)于世界上第一張黑洞照片的發(fā)布情況等。將最新遙感技術(shù)融入課程教學(xué)，可以使學(xué)生及時(shí)了解遙感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，拓展學(xué)生的視野，提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

(二)注重與其他相關(guān)課程知識(shí)的融合

“林業(yè)遙感”課程與林學(xué)專業(yè)的“數(shù)字林業(yè)技術(shù)”“景觀生態(tài)學(xué)”“森林經(jīng)理學(xué)”等課程具有密切聯(lián)系，注重與其他相關(guān)課程知識(shí)的融合，有助于學(xué)生更好的將課程知識(shí)應(yīng)用到林業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐中。首先，在課程開始時(shí)，筆者向?qū)W生介紹了“林業(yè)遙感”課程與其他課程的關(guān)系，讓學(xué)生有一個(gè)總體認(rèn)識(shí)。其次，在講授與其他課程有聯(lián)系的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，要強(qiáng)調(diào)該知識(shí)點(diǎn)在其他課程中的應(yīng)用情況。例如，講授遙感影像處理時(shí)，在向?qū)W生介紹遙感影像處理方法的同時(shí)，也向?qū)W生介紹了獲取的數(shù)據(jù)在景觀生態(tài)學(xué)中可為景觀格局、景觀動(dòng)態(tài)變化以及景觀功能分析提供數(shù)據(jù)支撐，在森林經(jīng)理學(xué)中則能為林業(yè)資源的經(jīng)營(yíng)管理提供森林資源的空間分布、數(shù)量與質(zhì)量等信息。此外，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)方面，也安排了與其他課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)生從具體的操作中學(xué)會(huì)如何綜合運(yùn)用交叉學(xué)科知識(shí)。

(三)實(shí)施案例教學(xué)

案例教學(xué)可以保證學(xué)生在有限的課時(shí)里，快速了解遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用方法和途徑，讓他們深刻體會(huì)遙感技術(shù)對(duì)于林業(yè)的重要性，激發(fā)他們開展科學(xué)研究的熱情。同時(shí)在吸收案例信息的同時(shí)，也能逐漸強(qiáng)化他們解決實(shí)際問題的能力[7]。因此，在課程教學(xué)中，筆者圍繞森林資源遙感監(jiān)測(cè)、森林結(jié)構(gòu)參數(shù)反演、森林災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)等設(shè)置了遙感技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的案例，通過對(duì)這些案例的介紹分析，讓學(xué)生了解我國(guó)“一類清查”和“二類清查”等森林資源遙感監(jiān)測(cè)的基本過程和方法、森林結(jié)構(gòu)參數(shù)的基本類型和反演方法、主要森林災(zāi)害的監(jiān)測(cè)過程等內(nèi)容，為學(xué)生在林業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用遙感技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

(四)強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

在開展案例教學(xué)的同時(shí)，還要強(qiáng)化相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以利用無人機(jī)、激光雷達(dá)等技術(shù)完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，并將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于具體的實(shí)踐中。以森林病蟲害為例，在講授完理論知識(shí)后，筆者帶領(lǐng)學(xué)生到發(fā)生森林病蟲害的林地開展野外調(diào)查，讓學(xué)生利用遙感技術(shù)調(diào)查森林病蟲害的嚴(yán)重程度，分析森林病蟲害發(fā)生前后林地光譜的變化特征，并嘗試構(gòu)建相應(yīng)的森林病蟲害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，制定應(yīng)對(duì)策略。通過開展森林病蟲害遙感調(diào)查的實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生學(xué)會(huì)如何獲取遙感影像，并能通過對(duì)林地的光譜特征的分析快速識(shí)別出森林病蟲害區(qū)域的光譜特征。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)不僅強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，也為以后的工作奠定基礎(chǔ)。

(五)增加文獻(xiàn)閱讀及匯報(bào)教學(xué)環(huán)節(jié)

為了幫助學(xué)生快速掌握和消化課程知識(shí)，提升學(xué)生解決問題的能力[7]，在課程學(xué)習(xí)初期，筆者給學(xué)生布置了文獻(xiàn)閱讀與匯報(bào)的任務(wù)，要求學(xué)生圍繞遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用，從《Remote Sensing of Environment》《Forest Ecology and Management》等林業(yè)和遙感行業(yè)的權(quán)威期刊上，選擇最新的學(xué)科前沿研究案例，從遙感數(shù)據(jù)、技術(shù)方法、應(yīng)用結(jié)果等方面，對(duì)所選文獻(xiàn)案例進(jìn)行閱讀分析，在課程結(jié)束時(shí)，每位學(xué)生要對(duì)閱讀的文獻(xiàn)進(jìn)行匯報(bào)展示。在這個(gè)過程中，每位學(xué)生對(duì)自己閱讀文獻(xiàn)中的林業(yè)遙感技術(shù)應(yīng)用的實(shí)例都有較為深入的研究，通過匯報(bào)，可以加深學(xué)生對(duì)遙感技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用范圍的了解。

四、生態(tài)建設(shè)背景下“林業(yè)遙感”課程教學(xué)改革的成效

(一)提升了學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)同感

“林業(yè)遙感”課程教學(xué)改革后，在課程教學(xué)內(nèi)容中增加了遙感技術(shù)的最新動(dòng)態(tài)，有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生在課堂上注意力較為集中，在課后也會(huì)針對(duì)一些相關(guān)內(nèi)容積極與教師討論。同時(shí)，案例教學(xué)的實(shí)施，有助于學(xué)生將課程知識(shí)與林業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，使學(xué)生能夠透過這些教學(xué)案例切身體會(huì)到林學(xué)專業(yè)的使命感。近年來，有越來越多的林學(xué)專業(yè)學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，積極參加全國(guó)高校GIS技能大賽、高光譜遙感影像智能處理行業(yè)應(yīng)用大賽，并在比賽中獲獎(jiǎng)。學(xué)生逐步對(duì)林學(xué)專業(yè)有了全面深入的認(rèn)識(shí)，專業(yè)認(rèn)同感也在逐步提高。

(二)提升了畢業(yè)生的就業(yè)率

通過課程教學(xué)改革，林學(xué)專業(yè)學(xué)生在掌握了扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，也提升了實(shí)踐能力，從而增強(qiáng)了考研和就業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，林學(xué)專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)率逐年提升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近3年來，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)專業(yè)就業(yè)率由2016年的92.2%提高到2018年的97.8%。每年均有一批優(yōu)秀的學(xué)生被保送或考入武漢大學(xué)、廈門大學(xué)、浙江大學(xué)、華東師范大學(xué)等高校與科研院所進(jìn)行研究生階段的學(xué)習(xí)與深造。同時(shí)，畢業(yè)生的就業(yè)面也在逐步拓展，呈現(xiàn)出多元化的趨勢(shì)，包括了空間信息采集與管理、森林災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警等林學(xué)專業(yè)相關(guān)行業(yè)與領(lǐng)域。

資助項(xiàng)目：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)2019年教學(xué)研究與改革項(xiàng)目“成果導(dǎo)向(OBE)理念下林學(xué)類專業(yè)生態(tài)學(xué)課程群建設(shè)與改革”，項(xiàng)目編號(hào)2019116；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)2019年教學(xué)研究與改革項(xiàng)目“深度融合信息技術(shù)的林學(xué)專業(yè)綜合實(shí)習(xí)課程整合實(shí)踐”，項(xiàng)目編號(hào)2019124。