遙感課程漸進式實踐教學研究

摘要：遙感課程作為遙感技術專業化教育的重要載體，承載著將理論技術向生產應用轉化的紐帶作用。由于我國遙感技術起步晚，遙感圖像處理軟件受限于使用生態成熟度較低，國外軟件在我國教學和生產中多處于壟斷地位，對我國的遙感技術發展存在潛在不利因素。為此，本文從遙感課程實踐教學出發，以提高學生實踐能力為導向，依托PIE遙感系列軟件，通過理論課程面向重點、實踐教學面向應用以及考核面向過程的漸進式教學，建立采用我國遙感軟件解決實際問題的意識，培育該遙感軟件使用生態，為遙感課程的實踐教學提供參考。

關鍵詞：遙感課程；實踐教學；PIE遙感軟件；漸進式教學

培養應用型人才是構建創新型國家的需要，能夠為國家經濟產業結構的供給和產出環節提供人才儲備。應用型人才的教學模式需要建立理論知識與實際問題的有效轉化過程[1]。遙感技術作為唯一的能夠持續獲取地表覆蓋信息的技術手段，在國民生產、生活中發揮著重要作用[2]。近年來，隨著我國衛星和傳感器技術的快速發展，遙感技術取得了實質性的突破。同時，中國科學院大學、武漢大學、解放軍信息工程大學等一大批我國高校的遙感科學理論研究成果已經躋身世界前列[3]。然而，考慮到基層員工的軟件使用習慣以及對新技術的較差適應性，我國測繪生產單位大多采用國外成熟遙感處理軟件，并以人工解譯的方法解決實際問題，對具有后發技術優勢的我國遙感軟件的接受度欠佳[4]。

我國的遙感應用仍具有較大的提升空間，這其中的關鍵在于遙感方向應用型人才的培養，逐步消化和應用我國軟件的先進技術。實踐教學是銜接理論知識向實際應用的關鍵過程。遙感技術是一門新興的信息化科學，其實踐教學平臺主要為遙感處理軟件[5]。由于我國遙感衛星系統發展起步較晚，我國自主研發的遙感處理軟件發展相對滯后。目前，美國的ERDAS和ENVI、德國的eCognition、加拿大的PCI等國外遙感處理軟件在測繪生產和教學中處于主導地位[6]。這些軟件采用的語言環境和使用習慣對我國使用者并不友好，需要較高的英文水平和邏輯能力，阻礙了遙感技術的深入推廣。我國遙感軟件的發展經歷了萌芽期、追趕期到自主創新的發展。1972年到2000年為萌芽期，我國遙感應用市場被國外遙感衛星數據和軟件長期壟斷。

2001年～2010年為追趕期，Titan、PIE、Virtuozo、JX4等我國軟件開始嶄露頭角。2011年至今，我國遙感處理軟件進入自主創新時期，并抓住了人工智能圖像處理技術更新換代的先機。盡管我國遙感處理軟件得到了長足發展，但長期的國外軟件使用習慣使得我國高校實踐教學對我國軟件的消化吸收較慢，遙感方向課程實踐教學軟件平臺的改革仍需要加強。此外，我國生產單位在解決實際問題過程中，受限于國外遙感軟件的技術壁壘以及使用門檻高等限制，無法將最新技術投入到應用，導致多采用傳統的生產工藝，影響了生產效率[7]。我國遙感處理軟件對新技術的開發已經有了質的進步，PIE-Basic的遙感處理算法已經和ERADS、ENVI等國外傳統品牌處于同一水平，PIE-SIAS打破了eCognition在面向對象處理領域的壟斷地位，PIE-Engine則成為了除Google Earth Engine之外唯一的遙感云計算平臺[8]。我國生產單位多面臨具體的實際生產需求，而軟件針對國內應用的優化遠勝于國外軟件。通過實踐教學可以有效建立我國生產單位實際需求與遙感軟件推廣之間的聯系，新的實踐教學模式建設無疑是必然趨勢。

綜上所述，為了建立我國遙感處理軟件與生產單位在創新開發與實際應用上的紐帶，推動服務于遙感方向應用型人才培養的教學模式，構建應用導向下理論與新技術漸進式實踐教學具有重要意義。

一、遙感課程實踐教學存在的問題

（一）理論覆蓋學科多

遙感課程與較多學科存在交叉關系，導致僅僅依托本專業課程難以有效全面掌握其中知識點。該課程與線性代數、概率論等數學理論具有強相關性，依托機器學習算法實現，以數字圖像處理為具體理論落腳點。可見，學習此門課程需要有較強的知識儲備。

（二）應用出口創新性強

遙感課程的應用多與地理國情普查、土地調查等國家性工程有關，而且數據源為衛星數據，無論從應用對象和數據獲取上與日常生活具有一定的距離，這些無疑對學生的創新能力具有較高要求。同時，考慮到遙感技術和人工智能技術的快速發展，遙感技術的應用創新性需要進一步加強。

（三）理論與應用過渡困難

遙感課程的實踐環節通過遙感圖像處理軟件完成相關理論應用。由于我國進入該領域較晚，目前遙感圖像處理軟件以為國外研發，其語言環境以及操作習慣對我國學生并不友好，需要較長時間的適應過程，增加了學生將理論向應用過渡的難度。遙感軟件的使用難度進一步阻礙了學生應用其解決具體問題的可操作性。

二、遙感課程漸進式實踐教學設計

以提高學生實踐能力為導向，將我國遙感軟件理論技術與專業理論融合，解決軟件與遙感實踐銜接問題，從線上線下混合教學模式構建、理論課程設計、實踐教學案例庫設計和課程考核設計等內容展開，具體如下：

（一）線上線下混合教學模式構建

通過混合教學模式，將教學過程分解為課前、課中和課后三個部分，發揮混合教學模式的靈活性，合理利用課程時間。在課前，通過線上發布預習課件和布置課前預習題，通過預期題完成情況分析課程難點、重點；在課中，線下課堂講授理論，并在線上布置課堂答題，通過課堂答題分析知識點掌握情況；在課后，利用線上平臺開展學生課后討論，進一步加深學生對知識點理解。

（二）面向熱點技術的遙感理論課程設計

以多源遙感數據綜合處理、海量衛星影像智能分析、遙感大數據技術應用等熱門技術領域涉及的遙感技術理論需求為導向，突出行業工程應用中常用的理論重點，有的放矢的開展理論教學，杜絕無重點的理論講授方式。在此基礎上，結合熱點技術講解我國軟件技術特點，為實踐教學鋪墊基礎。

（三）面向應用的實踐教學案例庫設計

1.實驗課程設計

實驗教學是理論教學的延伸，并且是實踐應用的技術儲備。遙感實驗主要涉及遙感圖像幾何處理、圖像增強、計算機分類的關鍵技術要素，這些要素組合運用構成了實踐應用。結合我國遙感軟件的技術特點，針對行業工程應用的關鍵技術環節設計實驗課程，為系統的工程應用做鋪墊，加深對理論的理解，提高學生動手能力。

2.實踐教學案例設計

針對當前遙感工程，結合我國軟件的應用案例，設計典型教學案例，例如將全國土地調查、地理國情普查等項目中涉及遙感技術的部分分離出來，檢索我國軟件對土地覆蓋信息提取的應用案例，以此重構為實踐應用教學流程，使得理論、實驗與實踐融會貫通。

（四）面向過程的課程考核設計

依據OBE教學理念，參照生產規范制定實踐教學考核評價，提高學生實踐操作的規范性。改革單一采用報告評價實踐教學的形式，加入課堂表現的評價，例如遲到早退、提交成果完成效率、成果準確性、是否向指導教師求教等綜合表現。

三、實施方案

本文的實施方案包括項目導向、任務驅動、案例教學、線上線下穿插提高和構建成果導向評價體系。

（一）項目導向

根據項目目標，基于課程思政、OBE教學理念和我國軟件平臺重構課程內容，組織項目訓練，設置遙感知識體系構建、遙感圖像預處理、遙感圖像解譯等教學項目，教學項目的選取具有“實用、可操作、可檢驗”的特點，以激發學生的學習興趣。遙感課程建設的項目導向思路圖如圖1所示。

（二）任務驅動

在項目教學過程中，注重培養學生獨立完成工作任務的能力，以解決問題為目的，依托我國遙感軟件，把單純的知識傳授轉化為解決實際問題的能力，加強實踐能力。對實踐性強的學習任務，在講授相關知識的基礎上，通過教師的引導，學生自主完成生產性任務。具體內容可包括基于PIE-Basic的遙感圖像幾何校正、基于PIE-Basic的遙感圖像增強、基于PIE-Basic的遙感圖像監督分類、基于PIE-Basic的遙感圖像非監督分類等實驗內容。

（三）案例教學

案例教學可以更好的將學生的思路引到任務的完成和問題的解決上來，并作為我國遙感軟件實踐的落腳點。具體內容如下：其一，基于云計算的遙感影像建成區提取，講解PIE-ENGINE平臺的優勢及特點，并傳授使用方法，教授采用遙感影像的建成區提取相關理論，重點講解歸一化建成指數構建及二值分割等算法。其二，基于PIE-SDK二次開發的遙感影像變化圖斑檢測開發及實踐，講解PIE-SDK二次開發包的優勢及特點，并傳授使用方法，教授采用遙感影像變化檢測相關理論，重點講解多特征差分處理、二值分割變化檢測、支持向量機分類等等算法。

（四） 線上、線下穿插提高

學習項目的理論知識點，采用多媒體講授為主，線上學習為輔的授課方式，利用混合式教學突破重難點。實踐訓練在其中穿插進行，實踐包括面向課程思政的教學案例學習總結及實驗教學，實驗教學采用線上講授預習，課下教師針對性、一對一輔導落實的形式。線上、線下穿插提高內容如表1所示。

（五）構建成果導向評價體系

為了綜合考核學生的學習成果，以過程性考核為途徑，本課程采用理論考試、實踐（實驗+實踐教學案例）、線上考核的評價體系。理論考核考查學生對遙感相關理論的掌握程度，實踐考核考查學生動手解決實際生產任務中存在問題的能力，注重學生課堂表現的過程評價。通過課程考核檢驗學生是否達成培養目標，能否滿足生產單位的用人需求，并為課程優化提供依據。

四、結束語

本文立足于解決軟件實踐教學的難點問題，實現了理論、新技術和應用實踐的漸進式教學過程。為遙感實踐教學提供了一個切實可行的解決方案，具有具體教學師范價值。以落實應用實例為教學目標，并將理論搭建在新技術載體上，使得學生知道所學、所用以及如何用。切實的為我國專業軟件推廣做出了貢獻，我國專業軟件生態環境的構建是個十分漫長的過程，本文使得本校學生明確了我國專業軟件的優勢，接受了該軟件的使用習慣，對我國遙感軟件的推廣起到了一定的促進作用。

作者單位：謝志偉 翟帥智 孫立雙 楊大勇 沈陽建筑大學交通與測繪工程學院

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