新工科背景下遙感原理與應(yīng)用課程建設(shè)方案探討

孔春芳　董玉森　徐凱　田宜平

摘? 要：隨著“數(shù)字地球”建設(shè)的不斷拓展，社會(huì)對(duì)遙感科學(xué)與技術(shù)人員的需求日益增大。針對(duì)遙感原理與應(yīng)用的學(xué)科特點(diǎn)及當(dāng)前教學(xué)中存在的問題，探討該課程的教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法、考核制度改革等問題，提出在遙感原理與應(yīng)用教學(xué)過(guò)程中，以STEM理念與“新工科”理念為牽引，注重啟發(fā)式教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式案例教學(xué)等多種教學(xué)方法的使用，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造潛能，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立探索、勇于開拓進(jìn)取的自學(xué)能力和創(chuàng)新思維能力，為國(guó)家和社會(huì)培養(yǎng)一批引領(lǐng)未來(lái)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程科技人才。

關(guān)鍵詞：遙感原理與應(yīng)用? 新工科? STEM理念? 動(dòng)手能力? 創(chuàng)新思維能力

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）06（c）-0170-05

Abstract： With the continuous expansion of the construction of "digital earth"， the demand for remote sensing science and technology personnel is increasing. In view of the discipline characteristics of remote sensing principle and application and the problems existing in the current teaching， this paper discusses the teaching contents， experimental methods， examination system reform and other problems of the course， and puts forward that in the process of remote sensing principle and application teaching， we should take STEM concept and "new engineering" concept as the traction， and pay attention to the use of heuristic teaching， project driven case teaching and other teaching methods， give full play to students' creative potential， effectively cultivate students' self-study ability and innovative thinking ability of independent exploration and courage to forge ahead， and cultivate a group of outstanding engineering and scientific talents leading the future technology and industrial development for the country and society.

Key Words： Remote sensing principle and application; New engineering; STEM concept; Hands-on ability; Innovative thinking ability

遙感科學(xué)與技術(shù)是當(dāng)今世界上異?；钴S，發(fā)展日新月異的高新科技之一，是構(gòu)建“玻璃地球”與“地學(xué)大數(shù)據(jù)”必不可少的核心技術(shù)，已成為自然資源調(diào)查與地球科學(xué)研究的全新技術(shù)方法。在資源環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測(cè)、數(shù)字城市規(guī)劃與管理、農(nóng)林等可再生資源監(jiān)測(cè)與評(píng)估、災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、土地資源管理、野生動(dòng)物保護(hù)、精細(xì)農(nóng)業(yè)、國(guó)家安全等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

遙感原理與應(yīng)用是關(guān)于遙感科學(xué)與技術(shù)原理、遙感數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)這門課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生從不同的尺度認(rèn)識(shí)地球，理解地球，獲取地球的各種參數(shù)和信息;同時(shí)，讓學(xué)生熟練掌握遙感科學(xué)與技術(shù)的基本理論與基礎(chǔ)知識(shí)，熟練應(yīng)用各種遙感數(shù)據(jù)的處理技術(shù)與方法，并能靈活應(yīng)用于測(cè)量、大氣、地理、資源與環(huán)境、地質(zhì)、農(nóng)林、海洋等學(xué)科領(lǐng)域。高等院校的自然地理、測(cè)繪科學(xué)與測(cè)繪工程、地學(xué)信息工程、地球探測(cè)與信息技術(shù)、資源與環(huán)境等專業(yè)都把遙感原理與應(yīng)用作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，可見其在高等教育中的地位和作用都是非常重要的。因此，遙感原理與應(yīng)用的教學(xué)理念、內(nèi)容、方法、模式等也應(yīng)該不斷調(diào)整與改革。特別是在2017年國(guó)家提出“新工科”的背景下，如何改革該課程的教學(xué)模式，更有效地培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力與創(chuàng)新思維能力，是一個(gè)需要深刻研究的問題。本文結(jié)合教研組多年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)目前遙感原理與應(yīng)用的教學(xué)理念、內(nèi)容、方法以及考試制度等內(nèi)容進(jìn)行反思與探討。

1? 遙感原理與應(yīng)用的學(xué)科特點(diǎn)及當(dāng)前教學(xué)中存在的問題

遙感原理與應(yīng)用是一門多學(xué)科交叉的綜合性強(qiáng)、技術(shù)性強(qiáng)的應(yīng)用性學(xué)科，在眾多的專業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)及國(guó)民事業(yè)發(fā)展有著不可或缺的影響和效應(yīng)[1]。特別是隨著我國(guó)高分系列遙感衛(wèi)星的成功發(fā)射，遙感科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用范圍深入到資源環(huán)境調(diào)查、社會(huì)進(jìn)步、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以及國(guó)家安全的方方面面，新的概念和理論被相繼提出，知識(shí)內(nèi)容越來(lái)越豐富。這就使得遙感科學(xué)與技術(shù)的前沿性、技術(shù)性、應(yīng)用性、綜合性等特點(diǎn)更加鮮明[2]。因此，也就對(duì)掌握遙感科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)人才的各項(xiàng)要求更高。

但是，目前在遙感原理與應(yīng)用教學(xué)中依然有些問題需要面對(duì)并及時(shí)解決[3]。首先，由于遙感技術(shù)發(fā)展日新月異，應(yīng)用范圍十分廣泛，造成教學(xué)內(nèi)容嚴(yán)重滯后于生產(chǎn)實(shí)踐和時(shí)代要求;其次，在遙感科學(xué)與技術(shù)的教學(xué)過(guò)程中，重理論，輕實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)較少，學(xué)生缺少上機(jī)實(shí)踐操作訓(xùn)練;最后，教學(xué)方法單一，手段落后，不能滿足對(duì)學(xué)生專業(yè)技能及科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)要求。因此，本文針對(duì)以上問題，以STEM理念與“新工科”理念為牽引，對(duì)遙感原理與應(yīng)用課程建設(shè)與教學(xué)改革進(jìn)行探討。

2? 遙感原理與應(yīng)用課程建設(shè)與教學(xué)方法改革探討

課程建設(shè)是教學(xué)改革和教學(xué)建設(shè)的基礎(chǔ)和重要內(nèi)容，必須以STEM理念與“新工科”理念為牽引，堅(jiān)持“以學(xué)生為本”和“可持續(xù)發(fā)展”的教育思想，把遙感原理與應(yīng)用的課程建設(shè)深入到具體的“教”與“學(xué)”中去。

2.1 STEM理念與“新工科”理念

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）4門學(xué)科首字母的縮寫，其核心理念是加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生在4個(gè)方面的能力。首先是科學(xué)素養(yǎng)，即培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用各種知識(shí)認(rèn)識(shí)自然界的客觀規(guī)律，能積極參與并該做自然界的過(guò)程;其次是技術(shù)素養(yǎng)，即培養(yǎng)學(xué)生掌握并使用各種技術(shù)的能力;然后是工程素養(yǎng)，即培養(yǎng)學(xué)生理解并尊重自然界的客觀規(guī)律，同時(shí)，利用所學(xué)的技術(shù)有目的地改造自然，創(chuàng)造美好生活;最后是數(shù)學(xué)素養(yǎng)，即培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)方法和模型描述客觀世界的能力，為技術(shù)與工程學(xué)科奠定扎實(shí)的數(shù)理根基[4]。

美國(guó)歷屆執(zhí)政者一直大力提倡并積極推動(dòng)STEM教育，激勵(lì)各級(jí)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)，積極引導(dǎo)學(xué)生掌握過(guò)硬的科學(xué)技術(shù)與工程技能，以及牢固的數(shù)理基礎(chǔ)，進(jìn)而保持美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)力。2016年，我國(guó)的《教育信息化十三五規(guī)劃》指出：利用信息技術(shù)推動(dòng)眾創(chuàng)空間建設(shè)，深入研究STEM教育等新教育理念與模式，積極培養(yǎng)學(xué)生的基本科技素養(yǎng)與創(chuàng)新思維意識(shí)[5]。

2017年，我國(guó)提出“新工科”理念，是為我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)提供智力支持和人才保障而提出的教育理念[6]，目的就是為了培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)人才[7];促進(jìn)我國(guó)從教育大國(guó)走向教育強(qiáng)國(guó)，在世界工程教育改革中發(fā)揮舉足輕重的全球影響力[6]。

2.2 教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合

遙感原理與應(yīng)用課程內(nèi)容一般根據(jù)專業(yè)的具體情況，采用“遙感+圖像處理+”的形式設(shè)計(jì)，即“遙感原理”+“圖像處理”+“行業(yè)應(yīng)用”。本文以中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）空信專業(yè)的課程內(nèi)容為例，主要包括以下幾個(gè)模塊：物理基礎(chǔ)、輻射傳輸基礎(chǔ)、遙感平臺(tái)與傳感器系統(tǒng)、圖像數(shù)字處理、熱紅外遙感、微波遙感、植被遙感、海洋水色遙感、陸面蒸散遙感估算、土地利用/土地覆蓋變化檢測(cè)、地質(zhì)遙感等。從中可以看出，這門課程涉及的內(nèi)容較多，不但需要學(xué)生具有一定的數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)等基礎(chǔ)知識(shí)，還需要學(xué)生具有相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，因此難度較大。

在選擇和安排教學(xué)內(nèi)容時(shí)，首先要把STEM理念與“新工科”理念貫穿其中，一方面重視學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的培養(yǎng)，另一方面重視訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和跨學(xué)科思維能力。因此，教學(xué)內(nèi)容與上機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)密切聯(lián)系，相輔相成。如第一部分遙感的基礎(chǔ)知識(shí)講解完成后，會(huì)安排4個(gè)學(xué)時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是關(guān)于遙感圖像處理軟件集成環(huán)境介紹與遙感圖像處理系統(tǒng)的基本構(gòu)成。通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生理解遙感科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論，掌握遙感圖像處理軟件集成環(huán)境、軟件的數(shù)據(jù)組織方法，加深學(xué)生對(duì)多分辨率、多光譜、多時(shí)相遙感影像的理解，以及多光譜遙感影像特征與地物波譜特征曲線的關(guān)系等。第二部分主要講遙感圖像處理，隨后的實(shí)驗(yàn)主要包括圖像預(yù)處理，多項(xiàng)式幾何糾正，DEM微分糾正，單波段與多波段彩色圖像的鑲嵌與拼接、融合等處理，以及分類、地學(xué)信息提取等處理。通過(guò)這次上機(jī)實(shí)習(xí)，讓學(xué)生掌握遙感圖像處理各個(gè)環(huán)節(jié)的基本技能，為以后的行業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。第三部分主要講遙感行業(yè)應(yīng)用，包括熱紅外、微波、植被、海洋水色、陸面蒸散估算、土地利用/覆被變化檢測(cè)、地質(zhì)遙感等應(yīng)用專題。通過(guò)這部分的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用遙感科學(xué)與技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)行業(yè)中的相關(guān)問題。隨后的實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)土地利用/覆被信息提取和遙感地質(zhì)應(yīng)用。通過(guò)這2次實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握土地利用/覆被信息分類與提取;掌握遙感技術(shù)在國(guó)土資源調(diào)查中的作用、技術(shù)流程、目的及結(jié)果等應(yīng)用過(guò)程;掌握三大巖類型、產(chǎn)狀、與圍巖關(guān)系、與構(gòu)造形跡關(guān)系等遙感圖像特征及解譯方法;掌握遙感科學(xué)與技術(shù)在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查與找礦勘查等方面的應(yīng)用。由于目前實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，只能有針對(duì)性地安排2次遙感應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。如果實(shí)驗(yàn)課時(shí)充足，應(yīng)該在每個(gè)行業(yè)應(yīng)用專題講解完成以后，都安排一次實(shí)驗(yàn)，這樣可以讓學(xué)生掌握每個(gè)行業(yè)應(yīng)用的流程和具體細(xì)節(jié)。因此，建議增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的上機(jī)實(shí)習(xí)能力和解決問題的動(dòng)手能力。同時(shí)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束以后，要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、流程、技術(shù)路線、過(guò)程、結(jié)果等內(nèi)容。一方面，可以讓學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)會(huì)融會(huì)貫通，加深理解與記憶;另一方面，可以訓(xùn)練學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和專業(yè)素養(yǎng)[8]，同時(shí)，加強(qiáng)跨學(xué)科思維能力的培養(yǎng)。

2.3 教學(xué)方法的多樣化

遙感原理與應(yīng)用是一門理論性、技術(shù)性、應(yīng)用性、實(shí)踐性及綜合性都很強(qiáng)的課程，具有內(nèi)容多、課時(shí)少、知識(shí)點(diǎn)雜、知識(shí)面廣等特征。課題組的教師在教學(xué)過(guò)程中，充分執(zhí)行“以學(xué)生為本”和“可持續(xù)發(fā)展”的思想，采用STEM理念與“新工科”理念，運(yùn)用多種教學(xué)技術(shù)與多元化教學(xué)方法，以及課內(nèi)和課外相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式，使課程內(nèi)容中的難點(diǎn)易教、重點(diǎn)易學(xué)，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效率。

對(duì)于一些典型的遙感基礎(chǔ)知識(shí)與基本理論，以教師的課堂講解為主，同時(shí)，在講解的過(guò)程中，注重使用具有啟發(fā)性的語(yǔ)言，采取講解演示式、問題教學(xué)式、探究發(fā)現(xiàn)式、自學(xué)輔導(dǎo)式等多形式相結(jié)合的方式，改變教師上課“一言堂”“滿堂灌”的單向輸入模式[9]，積極啟發(fā)并鼓勵(lì)學(xué)生的主動(dòng)思考、積極探索、尋求答案、理解知識(shí)、掌握方法、增強(qiáng)技能。

對(duì)于圖像處理方面的內(nèi)容，則借助計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)，通過(guò)邊講解、邊演示的方式進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生通過(guò)講與練的模式，掌握其理論、技術(shù)、方法和流程，并且明白每一步操作后面的理論含義，為后續(xù)的遙感應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

對(duì)于遙感應(yīng)用，則采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式案例教學(xué)法與行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合的方法進(jìn)行教學(xué)，其實(shí)施過(guò)程如圖1所示。

首先在課前，教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)設(shè)置相應(yīng)的教學(xué)任務(wù)。讓學(xué)生自己動(dòng)手，查閱遙感技術(shù)在相關(guān)行業(yè)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀與案例，分析遙感技術(shù)在該行業(yè)應(yīng)用中存在的問題，并利用自己已有的知識(shí)去分析問題，還可以通過(guò)小組討論的形式去解決問題。其次，教師在課堂上組織學(xué)生通過(guò)討論或者項(xiàng)目案例的方式進(jìn)行教學(xué)。與此同時(shí)，對(duì)遙感行業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行構(gòu)思，指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并要求學(xué)生自行完成實(shí)驗(yàn)開發(fā)與應(yīng)用，形成一個(gè)完整的集分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用為一體的小型遙感專題系統(tǒng)。這樣設(shè)置的目的是培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、思維表達(dá)能力、組織溝通能力和協(xié)調(diào)能力，使學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能、科學(xué)素養(yǎng)、專業(yè)知識(shí)、創(chuàng)新能力、工程能力和職業(yè)素質(zhì)都得到鍛煉。最后，讓學(xué)生提交一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容、步驟、過(guò)程、結(jié)論及總結(jié)與自我反思等內(nèi)容。通過(guò)這樣的訓(xùn)練，讓學(xué)生掌握遙感科學(xué)與技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用過(guò)程，為以后進(jìn)一步學(xué)習(xí)與工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ);切實(shí)踐行“新工科”理念，不斷鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)思索、積極尋找解決方案、提高工程技術(shù)能力，培養(yǎng)造就一批引領(lǐng)未來(lái)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程科技人才，為國(guó)家產(chǎn)業(yè)進(jìn)步和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)儲(chǔ)備智力支撐和人才保障[6]。

2.4 考核方式改革的探索

考核是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)之一，合理而科學(xué)的考核制度，可以發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的不足與問題，改善教學(xué)質(zhì)量。為此，在給學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定時(shí)，除了傳統(tǒng)的期末考試方式外，嘗試把平時(shí)的實(shí)驗(yàn)技能測(cè)試、平時(shí)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，都列為考核成績(jī)的重要組成部分，也就是平時(shí)成績(jī)10%（課堂表現(xiàn)）+上機(jī)操作實(shí)驗(yàn)成績(jī)30%（實(shí)驗(yàn)技能操作）+實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)30%（實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫）+期末考試30%。這樣大大激發(fā)了學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)與上機(jī)實(shí)驗(yàn)的主觀能動(dòng)性，提高了實(shí)驗(yàn)效率與教學(xué)效率。多年的實(shí)踐表明，這樣的考核方式不但調(diào)動(dòng)了學(xué)生平時(shí)課堂學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，而且也提高了學(xué)生對(duì)上機(jī)實(shí)驗(yàn)操作的積極性與重視度，教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果也得到明顯提高。

3? 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，遙感科學(xué)與技術(shù)的新理論、新方法、新技術(shù)與新成果發(fā)展迅速，因此，遙感原理與應(yīng)用課程內(nèi)容與教學(xué)方法都需要不斷更新與改革。本文根據(jù)教研室教師多年的教學(xué)工作實(shí)踐，提出在遙感原理與應(yīng)用教學(xué)過(guò)程中，切實(shí)貫徹“以學(xué)生為本”和“可持續(xù)發(fā)展”的思想，踐行STEM理念與“新工科”理念，注重啟發(fā)式教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式案例教學(xué)等多種教學(xué)方法的使用。同時(shí)，加強(qiáng)遙感理論與技術(shù)在行業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)與創(chuàng)造潛能，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立探索、勇于開拓進(jìn)取的自學(xué)能力和創(chuàng)新思維能力，為國(guó)家和社會(huì)造就一批引領(lǐng)未來(lái)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程科技人才，為國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)提供智力支持和人才保障。

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