將國產遙感軟件PIE引入遙感概論課程實踐探究

庾露 初愛萍 鐘仕全

【摘要】本文在分析遙感概論課程的實踐教學部分現狀的基礎上，從實踐教學工具和實踐教學過程兩方面進行了改進探討，提出引入國產遙感軟件PIE作為實踐教學工具、采取問題為導向的教學模式、設計對應的實踐案例庫優化實踐教學流程等策略，構建新的遙感實踐教學體系，以引導學生解決問題的方式培養學生的自主學習能力和創新能力，進一步鞏固學生的理論知識，提升綜合能力。

【關鍵詞】遙感概論 實踐教學 PIE軟件 PBL

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）06-0152-04

遙感概論課程復雜度高、理論性強，且具多學科交叉的特性，其中的課程實踐環節是教學的重要組成部分。PIE（Pixel Information Expert）是航天宏圖信息技術股份有限公司研發的具有完全自主知識產權的遙感處理系列軟件，具有操作簡便、功能豐富、適配國產衛星數據等優點。目前對PIE的探究主要集中于學術研究和工程應用方面，其與遙感教學過程結合方面的教學研究尚少見。本文針對南寧師范大學（前身為廣西師范學院）地理科學與規劃學院（以下簡稱“本學院”）遙感概論課程實踐環節的現狀，嘗試從改變教學工具軟件出發，將PIE引入其中，結合PBL（Problem Based Learning，PBL）理念設計相應的實踐教學案例庫和教學過程，并對改進思路進行探討。

一、遙感概論課程實踐教學現狀

遙感是20世紀60年代興起并得到迅速發展的一門綜合性探測技術，現已廣泛應用于多個領域。隨著遙感技術的發展，我國的遙感技術教育也蓬勃發展。筆者所在的南寧師范大學地理科學與規劃學院于2000年開設遙感概論課程，該課程是本學院地理信息科學專業的核心課程，也是其他地學類專業的主要選修課程。

遙感是一門學科也是一門技術，在教學過程中，教師不但要注重傳授理論知識，還要加大實踐教學環節的建設力度，以提高學生的理論知識吸收效率和實踐動手能力，更要思考如何在教學中融入最新的研發成果，在提升教學能力、培養高質量的遙感技術人才的同時對該學科的發展做出貢獻。目前各高校多采用ENVI、ERDAS等國外遙感處理軟件作為實踐教學工具，以如何培養學生綜合運用遙感圖形解決實際問題能力為目標，建立相應的實踐內容體系和課程案例庫。而對于國產遙感軟件與課程教學相結合的探討則很少。

本學院在遙感概論課程實踐教學過程中也長期使用ENVI作為教學工具，該軟件具備強大且完善的遙感數據處理及分析能力，可以準確地從遙感圖像中獲取所需的信息，但在長期教學活動中也暴露出一些問題。

首先是軟件上手不易，學生存在畏難情緒。ENVI軟件入門難度偏大，這體現在以下兩個方面。一方面，軟件只有英文界面，學生接受度普遍較低，自行上手操作不易，學生自愿投入研究的興趣不高。而目前大學英語教學主要以通用英語為主，在語言基本技能培養方面較少涉及學科專業領域。一些遙感學科的常用詞匯如光譜（spectral）、地形（topographic）、柵格（raster）等，并非大學英語4級要求掌握的詞匯。因此，教師在進行課程實踐教學時不可避免地需要講解軟件內出現的生詞，影響教學連貫性拖慢教學進程，學生也容易產生倦怠。另一方面，ENVI的功能設計較為復雜，軟件采用了松耦合的集成模式，即模塊功能之間聯系松散、缺乏統一的目的性導向，這是為了讓各模塊間靈活調用并降低關聯度。如對光學影像進行預處理，通常包含輻射校正、大氣校正和地形校正三個環節，在ENVI中這些環節所涉及的基礎工具均歸類分別放置于各自所屬大類內。學生一旦面對較復雜的案例，便難以理解各環節的具體操作和前后聯系，或容易遺忘所需的模塊，難以獨立完成實驗。隨著實踐教學進程開展，學生在上述兩個因素的共同影響下，往往會持續累積畏難情緒，漸漸失去學習遙感技術的學習興趣、主動性，自主學習的投入時間亦隨之減少。

其次是課程實踐和理論講授脫節，難以實現有效互補。目前本學院的遙感概論課程總學時為64學時，其中48學時為理論講授，16學時為課程實踐。教師在理論講授環節為學生講解遙感的基本原理和系統組成，以及遙感信息處理、判讀的基本方法，介紹遙感在資源調查、地物監測等方面的綜合應用。理論講授的目標是使學生初步具備運用遙感技術方法分析問題和解決問題的能力，為進一步學習其他專業課程打下基礎。課程實踐環節的目標則是深化所學理論知識，培養學生的應用技能和獨立思考能力，激發其自主學習熱情和創新意識。但本學院目前課程實踐和理論講授的時間安排相對獨立，實踐課安排在臨近期末，在理論講授結束后集中開展。此時，學生已不可避免地遺忘了部分知識點，導致教師在課程實踐教學中更多將重心放在復習理論課的知識上從而擠占了實踐教學的時間。

再者，由于現有遙感軟件功能復雜，對剛接觸遙感的學生而言門檻較高，教師必須先花費大量時間指導學生操作軟件，這會將原本連貫的實驗拆分成多個小塊講授，學生在缺乏完整觀念的情況下多采取死記硬背操作步驟，再照葫蘆畫瓢復現整個實驗流程的方式，難以深刻理解其中的遙感理論原理，導致課程推進效率不高，實踐效果也不理想。

由于遙感概論課程所涉及的領域十分廣泛，存在多學科交叉、理論性強、公式推導多、復雜度高的特點，理論講授仍是主要且必需的授課方式。目前理論講授和課程實踐的學時比為3∶1，這也是不少高校在開設該課程過程中長期積累經驗得到的一個較為合理的方案。因此，筆者認為應在不增加總課時或不調整講授與實踐課時比的前提下，從實踐教學工具和實踐教學過程兩方面對課程實踐環節做進一步優化。

二、PBL視域下以PIE為載體開展實踐教學的優勢

筆者認為將PIE引入遙感概論課程實踐有以下4點優勢。

第一，PIE為全中文界面且包含完備的幫助文檔。學生可通過查閱幫助文檔理解所使用工具的使用方法，及其相關參數設置背后的原因，對該工具的使用效果擁有更透徹的理解，做到“知其然，更知其所以然”。

第二，PIE是高度集成化并面向工程生產和應用的產品。PIE采用分領域獨立模塊的設計思想，可有效地將不同領域的功能分離，減少彼此干擾，并集中同一領域的功能，形成清晰的數據處理流程。教師講解某一實驗專題時可根據內置在軟件模塊中的工作流，自然地將實驗的操作融入軟件操作的步驟中，學生也能結合軟件的功能布局和教師的講解，對實驗的目標和背后的遙感原理有較完整和明確的認識。

第三，PIE對國產衛星平臺和載荷有深入研究，在國產衛星數據處理的精度和效率等方面，較國外ENVI、ERDAS等同類產品具有更強的技術優勢。近年來，本學院在遙感類課程中，使用國產衛星數據作為教學案例的比例也在逐年上升，對應地使用PIE作為教學實踐工具，可探索遙感課程思政教學新模式，激發學生對使用國產遙感軟件的自豪感，增強對民族科技創新的自信心。

第四，有利于教學研相長。在PIE的實踐教學過程中，師生也發現了一些處理模塊功能的不足。針對發現的問題，教師可以引導學生思考，找出問題所在，并總結反饋，會同開發公司技術人員討論解決方案，在提高學生學習參與程度的同時也提升教師使用PIE軟件的熟練度。另外通過鼓勵學生積極參加PIE大賽、參與研發工作，不斷完善模塊的功能，有助于提高國產遙感圖像處理軟件的研發水平。

三、實踐教學過程改進

結合具體的遙感概論課程實踐教學，筆者選擇PIE產品系列中的PIE-BASIC（遙感圖像基礎處理軟件）、PIE-Ortho（衛星影像測繪處理軟件）和PIE-SAR（雷達影像數據處理軟件）這3個模塊作為本文實踐教學工具的闡釋案例。

在引入PIE后，筆者還將對實踐教學過程加以改進，使實踐教學從以往聚焦于強調對軟件操作技能熟練化和專項化的訓練，轉變為更注重綜合性和真實情境化的研究活動。為此，筆者選擇了以問題為導向PBL教學模式，即首先選擇一個實際的遙感工程應用，提取與課程知識點相關的重點部分講解，設定完成目標，營造真實的項目驅動式學習情境；然后引導學生在這個擬真的情境中對驅動問題展開探究，通過解決問題，增進學生的自主學習能力和創新能力。具體實踐環節如下。

（一）實踐案例設計

在PBL教學模式下，實踐案例設計以項目為具體單元，以課堂教學用書《遙感概論（第二版）》中所列章節為參照，共設置6個案例（如表1所示，見下頁）。這些案例均為綜合性實驗，所涉及的知識點基本覆蓋了教學用書的大部分內容，并包含多個操作和分析環節，其難度和工作量適中，可在2—3個課時內完成。每個實踐案例安排在對應知識點的理論講授之后實施，可通過實操及時回顧所學知識點。

在具體的內容設計上，教學團隊首先觀照地理信息科學專業人才培養方案中遙感概論課程體系與畢業要求的關聯度矩陣。“矩陣”中規定，該課程對學生畢業要求在“基礎知識”“知識整合”“國際視野”三方面為強支撐，在“研究能力”和“實踐能力”方面為中度支撐。因此，教學團隊結合學院歷年開設遙感類課程積累的經驗，充分體現本學院面向生態環境、國土資源、農業、自然災害等遙感監測領域的辦學特色，設計了案例1和案例2，用于強化學生遙感基礎理論知識，并逐步訓練操作軟件的技能；通過將研究區設定為學生家鄉，使用國產遙感衛星數據等方式，引入課程思政元素，培養學生的家國情懷，增強文化自信；設計了案例3案例4案例5，聚焦廣西區內，將身邊熟悉的地理現象與遙感理論整合，在學生已有認知的基礎上，引導其利用課堂講授的知識點，對自己處理得到的結果進行更深入分析，逐步歸納總結現象背后的本質規律，從而培養科研和探索能力；以發生在國外的一次強烈地震為例，設計了案例6，引導學生將視野拓展至全球范圍，積極關注世界各地發生的重大地學事件，鼓勵利用目前掌握的遙感理論和分析方法開展探索性研究，形成主動思維。

（二）實踐案例教學實施

實踐案例教學實施可分為以下4個階段：課前準備、課程導入、課堂實操和成果評價階段。

1.課前準備階段，教師提前分發本次實踐項目的知識要點、實踐內容、課件資料和所需數據（或數據獲取途徑）等，要求學生在課前準備好所需的數據，并根據分發的資料開展預習。安排學生提前查詢并收集各自家鄉或特定研究區的數據，預先了解此次實踐的內容和目的，預先構建真實的學習情境，使學生與實踐任務產生情感上的聯系。另一方面，遙感數據是所有項目實踐的基礎和出發點，由學生親自動手尋找數據，而非直接使用發放的數據，這種方式有利于強化學生主動意識，減少“等、靠、要”思想的產生。

2.課程導入階段，教師對學生集中講授本次實踐項目的背景和所需達成的目標、對應的遙感課程理論知識點和數據處理流程，并帶領學生以項目從業者的視角思考項目推進過程中面臨的基本問題，如“本項目需要達成什么目標”“達成該目標所需的知識儲備有哪些”“達成該目標需要使用哪些類型的遙感數據，所收集的數據是否適合”“處理這些數據的步驟是什么”“如何評判處理結果的正確性”等。教師和學生共同圍繞這些問題開展研究，能夠促進學習活動高效開展，避免出現惰性、停滯的情況，促進學生的遙感知識、PIE軟件操作技能和已有地學經驗之間相互關聯。另一方面，由于導入的項目為真實具體的項目，帶有完整的工作流程與明確的組織架構，可以為學生提供提綱挈領式的記憶線索，對學生未來檢索和回顧遙感相關知識，充當了脈絡和提綱的作用，進而減少刻板、重復、枯燥的死記硬背，提高學習的意義性和記憶效果。

3.課堂實操階段，教師利用PIE軟件對案例中的重點或難點做邊講解邊操作演示，引導學生結合前期預習、課堂上教師的講解和演示的教學成果，完成全部流程。在這一過程中，教師的演示只是提綱挈領的操作，而非手把手復現整個項目，學生需要主動思考每個流程背后的底層邏輯，完成教師給出提示但沒有實施的操作步驟，并自行動手解決實踐中可能遇到的問題。在這一階段，教師將上一階段的數據處理流程進一步細化成多個問題，并引導學生一一解決。盡管每個學生面對的數據可能存在差異（如各自家鄉的遙感影像中地物類型和分布不同）但所呈現的問題應是符合良構問題原則的，即：問題是為了進一步鞏固某個遙感專題知識，揭示所涉及的某個遙感科學概念，有清晰的組成部分；問題以一種預測性和描述性的方式明確地界定限制條件；問題只圍繞本次實踐教學項目展開，其中包含了解決的規則和理論原理；教師在組織課堂實操時，已經提供了明確的解決思路和步驟，以及正確統一的答案。

在課堂實操階段，教師通過劃分清晰的問題構成，并設計明確的達成目標，在整個課堂實踐活動中保持主導地位，并形成學生上機實踐為主，教師輔助啟發的教學模式。教師通過巡堂啟發式指導和答疑的方式與學生形成互動，激發學生的自主學習興趣，提高教學質量。

4.成果評價階段，根據項目目標設計，要求學生以結果數據、制圖或實驗報告等形成多樣的方式提交項目成果。從PBL的角度來看，教師應重點關注學生解決問題的能力和對使用方法的理解程度。因此，在評價內容設計上，不但要設置評判成果正確性的直接指標，而且要增加能夠反映學生是否主動對每個實踐項目背后的遙感問題進行了理解、分析和反思的間接考核選項，從而避免學生僅是為了獲得正確結果而對實踐項目做簡單、機械性的模仿復現。而作為教師也能通過學生展示的思維過程及其在提交結果上的表現情況，更全面地評價學生的水平，這對教學效果也起到反饋作用。

自2020年本學院嘗試引入PIE遙感軟件輔助開展遙感概論課程實踐改革試點以來，取得了一定的教學和育人成效，切實降低了遙感實踐課程教與學的門檻，使教師能從繁瑣的對軟件操作講授中解脫，更加專注于教學方法的研究和知識傳授，同時也逐步培養了學生對遙感科學的學習興趣和自主學習能力。本學院還以此為契機，通過進一步與航天宏圖信息技術股份有限公司深度合作，共同成功申報了教育部2020年第二批產學合作協同育人項目“資源環境遙感信息工程創新聯合實驗室”。在該項目的支撐下，配合大學生創新創業訓練計劃和本學院推行的“本科生導師制”，鼓勵學生將自身興趣愛好、大創項目內容和導師研究方向三者充分融合，在PIE遙感實踐課程學習的基礎上，進一步將研學活動從軟件操作應用往軟件編程二次開發方向深化。自2020年起，本學院派出多支代表隊連續參加了“航天宏圖杯”PIE遙感與地理信息一體化軟件二次開發大賽，總計獲得二等獎1項、三等獎1項、優勝獎4項，有效地提升了學生的綜合能力。

綜上所述，本文針對使用國外遙感軟件進行課程實踐過程中存在操作復雜、實踐與理論脫節等問題，以優化實踐教學工具和教學過程設計為出發點，提出了更符合學院實際的以國產遙感軟件PIE為實踐教學工具的新思路。同時在PBL視域下，聚焦PIE軟件自身特點、遙感概論課程性質、學院在遙感領域的積淀、對畢業生能力支撐度、課程思政元素呈現等多個方面，設計了6個綜合性實踐教學案例，并就這些案例的具體實施過程和改進方案進行了探究。總而言之，實踐教學是“遙感概論”課程的重要組成部分，實踐過程作為學生鞏固專業知識、培養動手解決問題和創新思維的重要手段，對學生的后續學習與發展起著舉足輕重的作用。在遙感科學和數據處理技術不斷更替發展的大背景下，我們應以與時俱進的思維面對遙感新時代的機遇和挑戰，持續調整教育觀念，優化教育方法，拓展教育內容，推動課程改革和創新。

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注：本文系教育部2020年第二批產學合作協同育人項目“資源環境遙感信息工程創新聯合實驗室”（202101162011）和南寧師范大學2021年度教學改革項目“基于PIE的《遙感概論》課程教學改革”（2021JGX038）的研究成果之一。

作者簡介：庾露（1984— ），廣西靈川人，博士，南寧師范大學講師，研究方向為遙感科學；初愛萍（1982— ），通訊作者山東煙臺人，本科，高級工程師，主要研究方向為無人機攝影遙感。

（責編 羅異豐）