基于OBE 理念的“遙感軟件應(yīng)用”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

艾金泉，田 申，楊玉成，何海清

（東華理工大學(xué)測(cè)繪與空間信息工程學(xué)院 江西 南昌 330013）

人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和虛擬仿真等新興技術(shù)的快速發(fā)展給遙感、地信等產(chǎn)業(yè)帶來了深遠(yuǎn)的影響，對(duì)相關(guān)專業(yè)的教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容也帶來了前未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[1-3]。如何讓學(xué)生掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)和過硬的實(shí)踐技術(shù)，培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)發(fā)展與國(guó)家需求的創(chuàng)新型人才，是當(dāng)前教學(xué)改革的熱點(diǎn)問題[4]。

成果導(dǎo)向教育（outcome-based education，OBE）是基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式，教學(xué)過程遵循“以學(xué)生為中心”，教學(xué)聚焦學(xué)習(xí)成果，反向設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過程，并強(qiáng)調(diào)對(duì)教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)[5]。相比于傳統(tǒng)的教育模式，OBE 教育模式更強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)方法和什么時(shí)候?qū)W習(xí)，更強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)會(huì)了什么以及是否能夠成功[6-7]。在OBE 教育模式下，教師對(duì)學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)達(dá)到的專業(yè)能力有明確的要求，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和評(píng)價(jià)方法來保障學(xué)生達(dá)到這些預(yù)期目標(biāo)[8]，這也是當(dāng)前教學(xué)改革的重要方向。

“遙感軟件應(yīng)用”是遙感專業(yè)開設(shè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐課。目前，該課程教學(xué)側(cè)重基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)現(xiàn)和遙感基礎(chǔ)應(yīng)用，課程內(nèi)容缺乏創(chuàng)新性，學(xué)生對(duì)于如何把理論知識(shí)和遙感工程項(xiàng)目有機(jī)融合還存在諸多盲點(diǎn)，解決實(shí)際遙感工程問題的能力還需要進(jìn)一步提高。針對(duì)這一現(xiàn)狀，授課教師團(tuán)隊(duì)提出基于OBE 理念的課程教學(xué)改革，包括優(yōu)化、優(yōu)化課程教學(xué)目標(biāo)、優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容、完善課程考核機(jī)制。實(shí)踐表明，這些措施能夠取得較好的實(shí)踐效果。

1 “遙感軟件應(yīng)用”課程教學(xué)存在的主要問題

1.1 課程設(shè)計(jì)不能很好地解決實(shí)際遙感工程問題

舊版的“遙感軟件應(yīng)用”課程大綱，側(cè)重于ENVI 軟件操作實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置偏容易，針對(duì)實(shí)際遙感工程問題的實(shí)踐教學(xué)偏少，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置脫離了實(shí)際應(yīng)用工程背景。部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置與當(dāng)前測(cè)繪遙感產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向脫軌，無法較好地培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)最新人才需求的應(yīng)用技能，造成課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)缺乏實(shí)用性。

1.2 課程教學(xué)內(nèi)容缺乏創(chuàng)新性

傳統(tǒng)的課程教學(xué)內(nèi)容相對(duì)陳舊，最新的云計(jì)算遙感、深度學(xué)習(xí)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等最新熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容和技術(shù)方法在教學(xué)內(nèi)容中缺乏，學(xué)生所學(xué)遙感圖像處理技能與社會(huì)現(xiàn)實(shí)需求有一定的差距。以“遙感圖像分類與制圖”實(shí)驗(yàn)為例，舊版的大綱仍然以傳統(tǒng)的非監(jiān)督分類方法和最大似然方法等傳統(tǒng)的監(jiān)督分類方法進(jìn)行地物分類，對(duì)于最新的隨機(jī)森林算法、深度學(xué)習(xí)分類技術(shù)并未介紹，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，亟須在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面進(jìn)行優(yōu)化，提升課程的創(chuàng)新性。

1.3 課程考核機(jī)制不完善

目前，實(shí)驗(yàn)類課程通常采用多元化的方法對(duì)學(xué)生課程學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。然而，舊版的“遙感軟件應(yīng)用”課程教學(xué)評(píng)價(jià)主要是教師依據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和平時(shí)出勤情況來確定學(xué)生的成績(jī)。這種評(píng)價(jià)方式比較單一，不利于真實(shí)地反映學(xué)生的實(shí)際掌握情況。因此，亟須優(yōu)化課程考核機(jī)制。

2 “遙感軟件應(yīng)用”課程教學(xué)改革對(duì)策

2.1 優(yōu)化課程教學(xué)目標(biāo)

基于OBE 理念，根據(jù)課程存在的問題，授課團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了課程教學(xué)目標(biāo)（表1），使課程目標(biāo)根植于學(xué)生畢業(yè)要求的指標(biāo)點(diǎn)，聚焦學(xué)生能夠熟練使用常見的國(guó)內(nèi)外遙感軟件（學(xué)到什么），以及處理實(shí)際復(fù)雜遙感工程問題的能力（能做什么）這一核心思想。

表1 “遙感軟件應(yīng)用”課程目標(biāo)與對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求之間的關(guān)系

2.2 優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容

針對(duì)當(dāng)前“遙感軟件應(yīng)用”課程教學(xué)存在的問題，授課團(tuán)隊(duì)基于OBE 理念對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化（表2）。①引入最新的深度學(xué)習(xí)技術(shù)、隨機(jī)森林算法、時(shí)序變化檢測(cè)技術(shù)、遙感云計(jì)算技術(shù)到相應(yīng)課程教學(xué)之中，解決學(xué)生知識(shí)陳舊、創(chuàng)新性不足、無法適應(yīng)社會(huì)最新技術(shù)潮流的問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。②強(qiáng)化多源遙感數(shù)據(jù)智能處理與分析能力，特別是將最新的多種傳感器數(shù)據(jù)和新技術(shù)增加到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，解決學(xué)生處理多源遙感數(shù)據(jù)集成使用和智能提取能力不足的問題。③引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，如新增“虛擬仿真技術(shù)在遙感影像分類中的應(yīng)用”的實(shí)驗(yàn)，解決教學(xué)之中危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嶒?yàn)無法實(shí)現(xiàn)的問題，增強(qiáng)學(xué)生的情景體驗(yàn)感，激發(fā)學(xué)生的興趣。④引入國(guó)產(chǎn)遙感軟件PIE 和國(guó)產(chǎn)高分系列數(shù)據(jù)，更大力度支持國(guó)產(chǎn)高分辨遙感數(shù)據(jù)與國(guó)產(chǎn)軟件，解決學(xué)生就業(yè)中對(duì)于國(guó)產(chǎn)軟件和國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)不懂處理的“怪現(xiàn)象”。⑤新增一個(gè)研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，替換原有的一個(gè)案例教學(xué)，讓學(xué)生圍繞“自然生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)”這一主題確定一個(gè)方向進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮學(xué)生的自主性。此外，為了讓學(xué)生有效發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性和自主能動(dòng)性，教師可推薦學(xué)生參加相關(guān)專業(yè)比賽，踐行以賽促教，以賽促學(xué)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

表2 “遙感軟件應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

2.3 完善課程考核機(jī)制

傳統(tǒng)的“遙感軟件應(yīng)用”課程評(píng)價(jià)主要依據(jù)學(xué)生考勤、實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種評(píng)價(jià)方法的缺點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容，弱化了學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的真實(shí)表現(xiàn)，考核指標(biāo)無法體現(xiàn)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維能力和綜合能力，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。為了解決這一問題，基于OBE 理念，圍繞學(xué)生能夠解決實(shí)際復(fù)雜遙感工程問題這一目標(biāo)，授課團(tuán)隊(duì)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考核時(shí)需要采用更為靈活的方式，形成多元化的實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制（表3）。

表3 基于OBE 理念的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方法

3 “遙感軟件應(yīng)用”課程教學(xué)改革效果

3.1 多源遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)處理能力明顯提高

從數(shù)據(jù)源類型處理能力看，相比于舊版的課程大綱中實(shí)驗(yàn)基于單一類型數(shù)據(jù)展開，新版課程大綱中實(shí)驗(yàn)過程使用了無人機(jī)數(shù)據(jù)及MODIS、Landsat-8、Sentinel-1、Sentinel-2、GF-1 WFV、HJ-1A、GF-5 等多種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，使得學(xué)生能夠較好地掌握國(guó)內(nèi)外不同類型的多光譜數(shù)據(jù)、高光譜數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理過程，切實(shí)提升了多源遙感數(shù)據(jù)處理水平。從數(shù)據(jù)規(guī)模處理能力看，通過引入云遙感平臺(tái)，學(xué)生能夠高效地處理時(shí)序遙感大數(shù)據(jù)，強(qiáng)化了學(xué)生遙感大數(shù)據(jù)快速自動(dòng)處理的能力。

3.2 創(chuàng)新能力明顯提升

“遙感軟件應(yīng)用”課程引入深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、VR技術(shù)、無人機(jī)數(shù)據(jù)處理等最新熱點(diǎn)技術(shù)之后，學(xué)生創(chuàng)新能力明顯增強(qiáng)。通過以賽促教、以賽促學(xué)的形式，在校生參加國(guó)家級(jí)專業(yè)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)數(shù)量和質(zhì)量明顯增加。例如，2020 級(jí)遙感專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)了“遙感軟件應(yīng)用”課程后，參加2022 年易智瑞杯中國(guó)大學(xué)生GIS 軟件開發(fā)競(jìng)賽——遙感應(yīng)用組比賽，獲得了1 項(xiàng)二等獎(jiǎng)、6 項(xiàng)三等獎(jiǎng)，學(xué)生獲獎(jiǎng)人數(shù)占班級(jí)人數(shù)高達(dá)60%，取得了該競(jìng)賽近5 年來最好的成績(jī)。從科研成果來看，本科生省級(jí)和校級(jí)科技立項(xiàng)項(xiàng)目逐年遞增，科技論文和專利發(fā)表均逐年增加。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，遙感專業(yè)近三年來發(fā)表學(xué)術(shù)論文13 篇、專利3 項(xiàng)，相比以往都取得了較好的進(jìn)步。

3.3 解決實(shí)際遙感工程問題的能力明顯提升

通過增加綜合性應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生解決實(shí)際遙感工程問題的能力明顯提升。例如，針對(duì)2020 年鄱陽湖區(qū)洪澇淹沒過程監(jiān)測(cè)的實(shí)際遙感工程問題，學(xué)習(xí)完課程后，學(xué)生能夠通過文獻(xiàn)綜述學(xué)習(xí)洪水淹沒遙感提取的最新研究進(jìn)展，下載光學(xué)與雷達(dá)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，提出集成光學(xué)與雷達(dá)數(shù)據(jù)的洪水淹沒遙感監(jiān)測(cè)新方法，并最終在ESRI 競(jìng)賽中獲得獎(jiǎng)項(xiàng)。