“合成孔徑雷達干涉測量”課程思政建設與實踐

范洪冬,郝 明,張宏貞,鄧喀中

(中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

2017年，中共中央、國務院印發了《關于加強和改進新形勢下高校思想政治工作的意見》提出，堅持全員全過程全方位育人，把思想價值引領貫穿教育教學全過程和各環節[1,2]。因此，作為肩負著培養我國建設者和接班人的高等院校，有責任也有義務將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，把“立德樹人”作為教育的根本任務。然而，已有研究表明，相比于本科生、高職院校學生，研究生課程思政教育研究在CNKI數據庫中的占比僅為1%[3]，并且人文社科的“課程思政”研究明顯多于自然學科。因此，如何針對研究生教學的自身特點，探索相應的工學碩士課程思政建設方案是廣大研究生導師需要解決的問題之一。

合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)是一種先進的對地觀測技術，經過近二十年的飛速發展，該技術已廣泛應用于地形測繪、地質災害監測、資源開發地表沉降監測等領域[4,5]。其綜合了遙感技術與大地測量技術，逐漸成為測繪科學與技術學科的一個重要分支。然而，由于該技術存在理論性強、難度大、數據處理復雜等問題，國內開設“合成孔徑雷達干涉測量”課程的高校較少[6]，常將其混雜于3S課程中進行簡要介紹[7]，更缺乏相應的課程思政教學設計。為此，本文以中國礦業大學研究生課程為例，探討工科專業研究生課程思政建設的方法，為測繪類研究生課程思政改革提供借鑒和參考。

1 課程概況

中國礦業大學自2017年開始設置“合成孔徑雷達干涉測量”研究生專業選修課程，授課對象包括學術型和專業型碩士，學時為32課時。由于不同類型碩士研究生的培養目標和要求不同，2020年之后，本課程主要面向學術型研究生開設，而專業型碩士課程改為“InSAR技術及應用”，其更偏向于工程實踐應用。為適應學術型研究生的培養需要，本課程以提高創新能力為目標，突出科教結合，強化知識學習力、科研創新力和學術競爭力的培養。在課堂講授中多以理論、前沿知識為主，同時結合國內外的科研成果和案例，營造學術創新氛圍，培養學生的創新意識。

本科階段深入接觸InSAR技術的測繪類專業較少，大部分高校都沒有相關基礎，因此，在教學過程中本課程采用三級課程體系進行遞進式講授，即：“筑基礎-尋拓展-謀創新”。課程首先著重講解InSAR數據處理的相關基礎理論，包括雷達信號處理基本原理，SAR衛星系統發展，合成孔徑雷達成像原理，InSAR和差分InSAR(D-InSAR)的基本原理及數據處理步驟等；然后拓展到經典的時序InSAR基本原理方法，包括永久散射體干涉測量(PS-InSAR)和短基線干涉測量(SBAS)；最后講解InSAR技術的研究前沿，包括分布式目標干涉測量，極化干涉測量等。此外，本教學團隊在授課過程中將課程的經典算法拆解成小的案例，要求學生通過程序語言實現，提高其分析問題和解決實際問題的能力。

就InSAR技術而言，該課程與思政有密切的聯系，如：雷達系統在我國國防軍工建設方面一直扮演著重要角色，經過眾多科研工作者的不懈努力，涌現出一批國之重器，這與我黨的英明領導密不可分；在地震[8]、滑坡[9]等重大災害面前，SAR往往為災區救援提供第一手資料，增強了從業者的社會責任感和使命擔當。因此，在講授專業理論知識的同時，教師有必要挖掘課程中隱含的思政元素，尋求融入理論教學的切入點，對學生起到潛移默化的影響。

2 課程思政教學設計

2.1 課程思政元素融合點

思政元素是課程思政建設的基礎，在思政課程建設時應首先結合課程培養目標、授課內容等進行深度挖掘。為此，結合本課程“筑基礎-尋拓展-謀創新”的三級教學體系，依據課程教學內容特點，在國家意識、文化自信、人格塑造、職業素養等方面發掘課程思政元素。經分析總結，將本課程蘊含的課程思政元素列于表1。

2.2 課程思政“三步”實踐教學法

在確立了教學內容與課程思政元素的融合點之后，需要在具體的教學實踐中將兩者有機融合。由于經過本科階段知識的儲備，研究生在課程學習過程中已經具備了一定的獨立思考、設計、寫作等能力，具有較好的主觀能動性，而在研究生階段，尤其是學術型碩士，更應注重理論創新、獨立解決工程難題、學術表達與交流等方面的培養。因此，我們在教學過程中，探索了課程思政“三步”實踐教學法。具體步驟如下。

1)科研引導。工科研究生在學習和工作過程中都需要在工程應用中發現問題，研究問題，進而解決問題。因此，課堂教學設計時，教師首先從教學內容的工程及研究背景出發，發掘授課內容中存在的科學或技術難題，進而構思針對該問題的思政元素。

2)隱性融合。在教學過程中，設計思政要素與課堂知識點的有機融合方法，使兩者自然銜接，達到“潤物細無聲”的教學效果。

3)創新拓展。學術型碩士以學術研究為導向，注重理論研究與創新。培養過程中以課程學習、文獻追蹤、科研實踐、導師指導4個方面為主[10]。從中可以看出，除參與少量公共基礎課之外，學生大部分精力都集中在與專業相關的學習和研究中。因此，在融合思政元素講解課堂知識之后，應結合學術前沿、工程應用、科研實踐進行創新拓展，從而達到專業知識與思政元素融合升華的目的，也有助于拓展學生學術研究的思路。

表1 合成孔徑雷達干涉測量課程思政元素融合點及教學目標

圖1 課程思政教學實踐案例

3 課程思政教學實踐

根據上節總結的思政元素融合點，結合課程思政“三步”實踐教學法，本節以創新模塊中的“資源開發地表形變監測與環境保護意識”為例，將提高學生生態環境保護意識，培養創新意識，強化責任擔當等思政培養目標融入課程講授過程中，探討具體授課過程中的課程思政教學實踐。該課程思政案例的具體教學實踐流程如圖1所示。

3.1 科研引導

通過課程講授可知，DInSAR解算地表形變時，當纏繞相位的相位梯度(地表形變梯度)增大到一定的數值后，則存在解纏錯誤的問題[11]。圖1中展示相位解纏問題的圖片分別為大柳塔煤礦真實地表形變相位和利用DInSAR解算的解纏相位，兩者在量級上差別很大，主要原因是該處地表最大下沉達4 m以上，已大大超出了相位解纏的能力范圍。為解決這一問題，可以在硬件和算法兩方面制定解決方案。硬件方面措施有：增加重訪周期、增大波長、減小垂直基線、減小雷達載波頻率、提高影像分辨率等；算法方面措施有：精確配準(偏移量跟蹤)、子帶干涉、同質濾波時序分析等。

3.2 隱性融合

在講授相位解纏存在的問題之后，從科研案例、工程應用或自身經歷出發，逐步將思政元素與課堂知識點進行融合。首先講解煤炭資源是國家的能源保障，目前仍約占我國一次能源消費的60%，必須進行煤炭資源開采。但是，開采后地表沉陷往往會導致嚴重的環境損害。課堂上通過展示相關圖片、數據等例證初步讓學生了解生態環境保護的重要性。圖2是課堂講授的礦區開采損害案例，其中：圖2(a)為江蘇沛縣某礦煤炭開采導致的地表沉陷積水，此時村莊房屋已被淹沒；圖2(b)為煤炭開采后，地表出現了錯斷，嚴重破壞了房屋的地基結構，威脅居民的生命財產安全。通過該案例，學生們可以直觀認知因煤炭開采導致的礦區生態環境破壞問題。

圖2 礦區開采沉陷損害

煤炭開采導致地表沉降后進一步引發積水、耕地損毀、房屋損壞、地表裂縫、水土流失等諸多生態環境問題，尤其當前煤炭開發重心西移以后，無疑會對西部干旱半干旱區的生態環境造成更為嚴重的破壞。如何在既開采煤炭資源，又把地質環境損傷控制在合理的范圍，需要研究開采沉陷規律，而開采沉陷規律的認識與預測均建立在實測數據基礎上，因此，有必要引入InSAR技術進行大范圍、高頻次、高精度地表形變監測。然而，當地下煤炭資源開發后，由于地表沉陷量級過大，很容易超出InSAR相位解纏的能力范圍，導致難以提取準確的形變信息。為此，在研究過程中將偏移跟蹤技術引入礦區地表形變監測，利用幅度信息解算地表時序地表形變信息[12]，為礦區地表形變監測、地下開采規劃、礦山綠色開采等提供了新的技術方法。最后指出，通過學習解決InSAR技術監測煤礦區面臨的問題，是學生們義不容辭的責任，應具有的擔當精神。通過上述授課知識點與思政元素的融合，對學生的人格品格進行塑造，提高其環境保護意識，強化責任擔當。

3.3 創新拓展

在利用偏移跟蹤技術初步解決了InSAR監測礦區開采沉陷大量級地表形變問題之后，如何尋求創新拓展是需要進一步解決的問題。在課堂講授時，根據筆者的科研經歷，從改進基礎算法、構建融合算法及拓展監測信息3方面進行深入講解，培養學生獨立思考和創新性思維的能力。詳述如下：

1)針對基礎偏移跟蹤算法未顧及地形起伏，配準窗口大小固定導致最優偏移量可能遺漏的問題，計算并去除地形起伏導致的偏移量，研究根據相關系數自適應選取配準窗口的方法，可有效提高偏移跟蹤算法的計算精度。

2)針對單軌道SAR影像在大梯度地表形變區域監測精度偏低的問題，構建融合開采沉陷模型(概率積分法)、多源數據(SAR、Lidar等)、其它InSAR算法(分布式目標InSAR、子帶干涉等)的監測方法，提高地表形變解算精度。

3)研究單、多軌道SAR影像提取礦區地表三維形變的方法，進而計算傾斜、曲率、水平變形等評價指標，為礦區建構筑物損害評估提供新的技術支撐。此外，以SAR技術獲取的高精度地表形變為約束，利用開采沉陷模型和群智能優化算法，還可反演地下采空區的位置信息，為相關部門監控、監管地下資源違法開采提供新的技術方法。

為全面踐行“綠水青山就是金山銀山”的發展理念，拓展InSAR應用領域，筆者在研究過程中深入挖掘了其它類型生態環境監測與評估問題，如廣域煤火區識別與監測、充填開采變形監測、尾礦庫安全監測等。以煤火燃燒引起的生態環境問題為例，據統計，新疆在燃的46處火區每年損失煤炭資源4.42×106t，排放CO21.32×107t,CO 1.03×105t,總烴2.05×105t,SO24.4×104t,煙塵1.05×104t，造成了數百萬平方米的植被破壞[13]。圖3為新疆在燃某火區的現場照片，從中可以看出煤火燃燒不僅浪費了大量煤炭資源，而且產生了地表塌陷、裂縫等地質災害，使新疆本已脆弱的生態環境更是雪上加霜，亟需利用InSAR等新技術對其進行監測、評估和預警。充填開采則是一種綠色采煤方法，既采出了大量地下煤炭資源，又控制了地表沉降量，保護了地表建構筑物。但是目前對該技術減沉效果的評價仍以水準、全站儀等傳統測量方法為主，不僅成本高，點位易丟失，而且所布設的點位往往并不位于最大沉降位置，導致評估結果可能出現誤差，而InSAR技術則可以有效解決這些問題，為綠色礦山建設提供了技術支持。此外，InSAR可為尾礦庫提供高密度、高頻次的壩體監測數據，減少安全責任事故的發生。

通過講授上述算法的改進思路和應用領域的拓展，實現了課程教學內容與礦區地質環境監測的有機融合，既培養了學生發現問題、思考問題、解決問題的科研創新思路，也提高了學生環境保護意識，增強其對測繪專業的認同感及自身的使命擔當，有效提高了“合成孔徑雷達干涉測量”課程教學效果。

圖3 新疆在燃火區現場照片

4 結束語

“合成孔徑雷達干涉測量”是一門融合信號處理、遙感、大地測量等相關理論知識的測繪專業課程。目前針對該課程的思政教學建設相對較少。本文在分析中國礦業大學該課程三級教學體系的基礎上，總結了各教學內容中蘊含的思政元素，構建了“科研引導-隱性融合-創新拓展”的課程思政“三步”實踐教學法。通過教學實踐，實現了教學內容與思政元素的有機融合，在培養學生提升國家安全意識、文化自信、職業素養，塑造人格品格等方面取得了較好的教學實踐效果。