基于PBL和OBE理念的遙感原理與應用課程設計探索

包妮沙 周斌 劉善軍 劉亞男 李諾

摘? 要：以東北大學測繪工程專業核心專業課遙感原理與應用課程為例，依托國家一流本科專業（建設點）和遼寧省一流專業，對教學內容、教學方式進行持續改革，聚焦教學過程中存在的新技術更新快、理論與實踐深度結合以及線上互動教學和學生自主學習能力等迫切要求等問題，從思政元素、授課模塊和體系、作業和實驗設計方面對課程內容進行重構，基于OBE理念逆向設計教學目標，通過深度融合項目驅動式教學方法（PBL），以學生學習為中心，設計科研成果創新、工程應用、行業需求引導的實驗教學內容，注重實驗內容的實用性和科學性，提高上機實踐環節中學生的主觀能動性和興趣，通過鼓勵學生主動完成項目驅動式的實驗內容，使學生系統地掌握所學的理論知識。

關鍵詞：PBL；OBE；遙感原理與應用；測繪專業人才培養；思政元素

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）28-0063-04

Abstract： Taking Remote Sensing Principle and Application， the core professional course of Surveying and Mapping Engineering major of Northeastern University， as an example， the teaching content and teaching methods are continuously reformed by relying on the national first-class undergraduate major （construction point） and the first-class major of Liaoning Province. Focusing on the problems existing in the teaching process， such as the rapid update of new technology， the deep combination of theory and practice， and the urgent requirements of online interactive teaching and students' self-learning ability， the course content is reconstructed from ideological and political elements， teaching modules and systems， homework and experimental design. The teaching objectives are reverse designed based on the OBE concept， and the project-driven teaching method is deeply integrated. Centering on students' learning， design experimental teaching content guided by scientific research achievements innovation， engineering application and industry demand， we pay attention to the practicability and scientificity of experimental content， improve students' subjective initiative and interest in computer practice， and encourage students to take the initiative to complete project-driven experiment content， so that students can systematically master the theoretical knowledge.

Keywords： PBL; OBE; Remote Sensing Principle and Application; professional talent training of surveying and mapping; ideological and political elements

全國開設有測繪工程和遙感科學與技術的高等院校已經超過200所，在一流專業建設的背景下，積極開展了測繪類課程的教學改革、課程創新設計等[1]。遙感原理與應用是測繪工程專業重要的專業基礎課，也是相關學科如地理、地質、土地資源管理等專業的平臺必修課，遙感課程教學勢必需要緊跟或引領時代的潮流，才能確保培養的人才能適應社會與行業需要，為國家與社會培養高層次人才[2]。因此，建設好遙感原理與應用課程，對提高測繪相關專業人才培養質量具有重要的作用。

遙感原理與應用課程在內容上側重于遙感基本原理和方法介紹，使學生在掌握基本知識的基礎上，進一步了解遙感技術的應用，閱讀遙感相關英文文獻，能在實踐中運用所學知識，解決復雜工程問題，適應科學技術發展的需要，并為學生從事測繪工程專業相關工程實踐和科學研究打下基礎。從教材選擇、任課教師國際化、教學手段和方法3個方面，對該門課程進行教學改革，采用啟發式、互動式教學手段和多種評價考核方式可以激發學生的學習興趣，培養學生獨立思考和表達能力，促進團隊協作意識的培養，提高教學質量，培養“高品質、國際化、創新型”高級測繪工程專業人才。

目前課程在教學過程中還存在以下問題。一是課程更新速度與遙感新技術的發展不匹配。近10年，遙感技術發展迅猛，光譜分辨率、空間分辨率和時間分辨率不斷提高，大量搭載高光譜、微波、光學的衛星發射升空，包括歐洲空間局的哨兵數據、我國的高分系列衛星等，遙感圖像處理的算法和定量反演的方法不斷創新，而教學內容更新速度過慢，與遙感技術的發展不匹配。二是教學內容與工程實踐聯系不強。圍繞新工科建設和工程認證，課程作業和實驗設計的問題及案例，不是源于工程實踐或企業實踐問題，無法真正培養學生解決綜合性復雜工程問題的能力。三是線上教學的雙向互動程度不夠。線上教學過程由于缺乏面對面的交流，對學生的自律性要求高，因此課程中互動、啟發式教學是保證課程質量的基礎。此外，注重線上教學的過程評價，從多個角度對學生進行考核，鼓勵學生完成測試，是提高線上教學效果的重要途徑。四是目前通過調查問卷、課下座談等多渠道了解到，部分學生自學能力有待增強，尤其遙感課程在遙感圖像處理分析中涉及大量的線性代數、概率論等數學基礎知識，在定量遙感部分涉及輻射傳輸、電磁波理論等物理基礎知識，對學生的數學和物理基礎知識有一定的要求。此外，有些學生經過專業分流，進入測繪專業后，還會出現學習目標不明確、學習主動性不足等問題。

一? 面向能力需求的知識體系和內容重構

（一）? 以航空報國精神和測繪精神為底蘊，以環境觀、倫理觀、價值觀為核心，促進教學內容思政化

在課程涉及遙感技術的發展歷史、國內外前沿技術、應用案例以及原理算法等內容時，潤物細無聲地將思政教育融入教學環節，注重學生對國家安全、科學精神、創新精神及專業自信方面的引導和培養，提升學生的愛國情操和人文關懷，引導學生樹立正確的人生觀、價值觀和世界觀。在課程教學中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養結合起來[3]，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。通過思政教育提煉學科底蘊、專業情懷，挖掘航空報國精神、北斗精神和珠峰精神，以及熱愛祖國、自主創新、團結協作和勇攀高峰的思政元素，實現價值塑造、知識傳授與能力培養融合，引導學生錘煉品格、學習知識、創新思維和奉獻祖國。

（二）? 以“遙感成像機理-圖像預處理-圖像分析-多場景應用”為主線，設計模塊化教學內容

針對遙感原理與應用課程在成像機理和圖像預處理中涉及數學、物理等基礎知識，概念多、內容散，在圖像分析以及場景應用中，與地理、環境、地質等多個學科有交叉，體系雜，課程以“遙感成像機理-圖像預處理-圖像分析-多場景應用”四大模塊為主線，串聯分散知識點。既重視模塊內知識點的學習，也重視模塊間知識點的聯系，構建“點-線-面”知識體系和邏輯關系。模塊整體突出了教學重點，強化了學習思路，幫助學生厘清遙感原理與應用的理論體系和脈絡結構，同時在授課中實時調整和回應學生不同需求。

（三）? 深入挖掘光學-熱紅外-微波多源遙感數據特點，將教學、科研、實踐充分結合，設計課程作業和上機實習內容

依托學科2個省部級遙感平臺以及先進設備，包括無人機、可見光-近紅外光譜儀、成像光譜儀、微波輻射計、熱紅外輻射計及熱紅外成像儀等全波段遙感對地觀測設備，在自主開放實驗新環節設置開放或半開放的實踐內容，由學生選擇合適的遙感觀測設備設計實驗內容、技術方案等，在老師的指導下，對學生進行分組，通過團隊協作完成，從而真正實現OBE與PBL相結合，激發學生的創新能力。

二? OBE理念創新教學模式和內容

（一）? 教學目標的逆向設計

通過用人單位和往屆畢業生調研，對職業崗位和能力需求進行分析，按照布魯姆教育目標分類理論確定課程教學目標，為后期混合式的教學設計、教學大綱的更新指明方向。先后對300名畢業生和150名在讀生針對課程教學大綱、教學內容、教學手段等進行了調研（圖1—圖4），利用校友會、校企合作等多渠道針對用人單位對畢業生遙感的能力要求進行調研，并對調研結果進行分析，從而實現課程的持續改進。

（二）? 開展了線上線下一體化的混合式教學

通過以慕課、微課、翻轉課堂的融合創新教學模式，調動學生課堂積極性，提高課堂教學效率，培養學生自主分析問題和解決問題的能力[4]。本課程充分利用現代化信息平臺，通過雨課堂、信息通知發布課前課程資源，通過中國大學MOOC、愛課程提醒學生進行課程預習，通過騰訊會議、釘釘、雨課堂記錄教學活動、發布訓練習題、分析教學效果。線上通過問卷調查、隨機選人、舉手表決等活動實現雙向互動，線下通過隨堂練習、主題討論、計時搶答等提高學生的主動性和參與度。在考核部分，綜合考慮學生的課堂互動和交流程度、學生小組作業的完成質量、上機實驗過程中的創新能力和團隊寫作能力以及期末成績等多個部分，實現教學過程的評價和實時反饋。

（三）? 推進教學組織與改革，讓企業、行業專家走進課堂

課程邀請了相關學科教師和企業、行業專家作為兼職教師，承擔有針對性的教學任務，包括邀請美國亞利桑那州立大學、加利福尼亞大學、德國地學中心領域專家對深度學習、時空分析以及高光譜遙感原理和算法進行講解，邀請了長光衛星市場部部長針對我國航天事業發展、在軌衛星的特點進行介紹。在教學活動中充分發揮了行業專家的優勢和特點，拓寬了學生的眼界，激發了學生的興趣。

（四）? 創新教學方法，讓課堂“火”起來

在課程教學工作中，任課教師選擇結合當下熱點話題，選擇與課程教學內容相關的主題內容，組織專題研討，引導學生通過自主查閱文獻，撰寫綜述、課程報告，制作幻燈片進行匯報，在這個過程中一方面注重學生深度挖掘與專業知識相關的一些前沿技術，同時也鼓勵學生進行學科交叉，對學生的語言表達能力、自主閱讀能力、總結能力進行綜合考察。

三? 基于PBL的實驗課程設計

以PBL問題為導向進行實驗內容設計[5]，培養學生自主學習遙感圖像以及處理、分析的能力，在此基礎上融入科研成果和工程應用，學生通過實驗過程的資料查閱、討論等多種方式獲得解決科學問題和工程問題的方法，使學生由被動變成主動，提高學生自主學習能力[6]。

（一）? 科研成果創新實驗教學內容

以團隊承擔的國家級、省部級等重大科研項目的成果為核心更新教學內容，將遙感科學研究中的新理論、新技術用以解決“卡脖子”和熱點問題而產生的新成果轉化為教學內容，提高學生的科學素養，增強學生的科研興趣，培養學生的創新應用能力。

（二）? 工程應用改革實驗教學內容

以工程項目為導向更新教學內容，讓學生了解現場中可能遇到的工程問題，引導學生利用已學的理論知識，聯系現場實際問題，提出解決方案。這一部分的實驗內容，注重理論聯系實踐，提高學生的動手能力和數據分析能力。

（三）? 行業需求引導實驗教學內容

緊密關注測繪及相關行業的需求發展，結合用人單位的意見反饋和調查文件，將行業對人才培養的最新要求引入教學實踐環節，課程設置對標行業要求，教學內容滿足企業需求。

四? 思政融入塑造新時代測繪人才

課程深入貫徹國家教育方針和教育部《高等學校課程思政建設指導綱要》的文件精神，挖掘測繪類及遙感相關的思政元素，將專業培養目標和思政教育目標緊密結合，設計專業知識和思政知識的框架與結構，做到專業知識傳授和人生價值引領齊頭并進[7]。首先，強化教師團隊的思政培訓以及教學研究，積極參加學校以及學院的課程思政教改項目研究，在教材建設中強化習近平新時代中國特色社會主義思想進教材，積極將教研成果轉化為課程思政的資源。其次，深度挖掘思政元素，有機融入案例教學，結合我國航空航天事業的發展歷程，以及遙感技術在國民經濟、國防等建設領域顯示出獨特的戰略地位，通過梳理、挖掘這些思政元素并融入課堂教學（表1），一方面讓同學們看到我國測繪以及航空航天事業取得的巨大成就，培養其民族自豪感；另一方面，也讓同學們清楚認識到，在關鍵原材料、基礎研究以及重大創新上還存在一些“卡脖子”技術，激發學生科技報國的情懷和測繪人的使命擔當，培養學生精益求精的大國工匠精神[8-9]。最后，建立完備的課程思政評價體系，把價值目標、知識目標、能力目標融入專業課教學目標，納入學生的課程學習評價體系[10]。

五? 結束語

本文對標國家一流本科專業（建設點）和工程認證，以東北大學測繪工程專業為例，綜合考慮遙感技術的特點、測繪工程專業人才培養目標、課程體系等因素，基于OBE理念從高階性、創新性和挑戰度，對知識體系、教學內容、教學模式和教學方法進行設計，運用翻轉課堂與PBL項目驅動式教學方法，設計教學案例和實驗課程，以期改善目前存在的教學內容更新不及時、線上互動不積極、學生實踐創新能力偏弱等問題，同時為測繪類其他課程的教學改革提供參考。

參考文獻：

[1] 鄒濱，許珊，馮徽徽，等.測繪類國家一流專業課程思政育人機制建設研究[J].高教學刊，2021，7（32）：24-27.

[2] 馮徽徽，鄒濱，王威，等.新時期遙感類課程教學改革的傳承與變革辯證關系[J].測繪通報，2022（S1）：73-77.

[3] 孫雷，胥孝川，王青，等.人文社科與工程科技交叉融合下的工程專業課程創新與實踐[J].新課程研究，2021（27）：42-43.

[4] 張智韜，楊江濤，李援農，等.慕課和微課背景下的遙感課程翻轉課堂教學模式改革[J].教育教學論壇，2019（44）：110-113.

[5] 杜翔云，KOLMOS A，HOLGAARD J E.PBL：大學課程的改革與創新[J].高等工程教育研究，2009（3）：29-35.

[6] 李剛，秦昆，萬幼川，等.面向新工科的遙感實驗教學改革[J].高等工程教育研究，2019（3）：40-46.

[7] 楊可明，王敏，許志華.滴灌式開展“課程思政”的課程教學方法探討——以“遙感原理與應用”課程為例[J].教育教學論壇，2021（2）：129-132.

[8] 賈建虎，姚琴風.測繪類課程思政建設路徑探討與實踐[J].大學，2021（52）：106-108.

[9] 李英杰，麻慶苗，梁亮，等.“遙感原理與應用”課程思政案例教學[J].江蘇師范大學學報（自然科學版），2021，39（4）：68-70.

[10] 楊強，陳動，鄭加柱，等.課程思政在教學中的實施與探索——以“遙感原理與應用”為例[J].教育教學論壇，2021（6）：77-80.

基金項目：2022年東北大學PBL教學法研究與應用項目“基于PBL的《遙感原理與應用》線上線下一體化實驗課程設計與改革”（PBL-JX2022yb041）；2022年東北大學資源與土木工程學院教改項目“國家級一流測繪專業建設培育項目”（21301007）

第一作者簡介：包妮沙（1985-），女，蒙古族，內蒙古呼倫貝爾人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為高光譜遙感、礦區環境遙感教學和科學研究。