基于翻轉課堂的水文遙感課程教學改革

顧娟　黃春林

摘? 要：水文遙感是水文學與水資源工程專業教學的重要組成部分，旨在訓練水文與水資源工程專業學生發現和解決問題的能力，逐步鍛煉學生的創新思維和科研素養。通過分析當前水文遙感教學的現狀及存在的問題，建立一種基于傳統授課和翻轉課堂相結合的雙模式教學實踐，對水文遙感課程進行改革和創新，并從學生滿意度和能力提升度兩個方面對教學效果進行評價，為相關專業的課程建設和教學改革提供新的思路。

關鍵詞：水文遙感；翻轉課堂；雙模式教學；教學改革；教學效果

中圖分類號：G642.0? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）13-0126-05

Abstract： As a vital part of the teaching in hydrology and water resources， the class of Hydrology Remote Sensing aims to cultivate the ability to find and solve problems in students， which can gradually develop innovative thinking and scientific research literacy. After analyzing the current situation and existing problems in hydrological remote sensing teaching， the authors established a new double teaching mode based on flipped classroom and lecture-based learning. By applying the mode in practice， it was confirmed that flipping classroom mode is superior to the traditional teaching mode for promoting the ability of students. This double teaching mode can further be applied to routine hydrology remote sensing teaching， providing reference for curriculum construction and teaching reform of related specialties.

Keywords： Hydrology Remote Sensing; flipped classroom; double mode teaching; teaching reform; teaching effect

水文遙感是水文學與水資源工程專業的重要課程，是水文與水資源工程專業學生進一步研究區域水文運動規律和定量評價水資源的重要支撐。其教學目的是要求學生掌握利用遙感數字圖像技術開展水文學研究，了解各種現代遙感信息在水文學和水資源工程管理等相關領域的專題應用研究。

在平時的教學工作中，發現現階段學生無法將所學的水文遙感理論和工程實踐有機地聯系起來，導致課堂中所學與實踐環節不能有效統一，不能很好地運用遙感圖像處理方法和基本理論，獨立地分析、解決水文和水資源工程管理實踐、科學研究中遇到的各種問題。因此，在現階段新工科人才教育背景下，對水文遙感課程需要開展有效地改革和創新。無論是從教學內容還是教學模式上，都需要著重提高學生的學習興趣，使學生對水文遙感知識有深入的理解、對遙感數據在水文水資源領域中的應用有更深層次的推進，滿足用人單位對現代水文水資源工程專業畢業生的需求。

一? 翻轉課堂

翻轉課堂（flipped classroom） 是指將傳統的課堂和課外作業進行翻轉，強調學生要積極參與其中的教學策略，是一種為了激勵學生主動學習的教學方式[1]。

翻轉課堂的要義是將對知識傳授的過程放在課堂之外，讓學生在信息化環境下通過網絡學習平臺，根據自己的特點選擇不同的平臺接受新知，把知識的消化過程放在課堂內，通過學生和教師之間的互動交流完成學習的一種模式。這種方式旨在通過實施因材施教的教學方式，引導學生主動學習，積極開展課下合作，是一種新型的網絡化時代的教育理念和教學思維[2-3]。

在翻轉課堂環境中，結合教學內容開發適宜的教學設計方案，使學生能夠積極深入地參與學習。因此，翻轉課堂正越來越多地應用于水文與水資源工程等領域的教學模式改革，已得到越來越廣泛的關注。

二? 水文遙感課程的教學現狀

傳統的水文遙感課程多以培養學生的知識接收能力為主，缺乏與其他學科的交叉，而創新性內容占比稀少。傳統教學中一般均為教師授課和學生聽課的單項輸入，學生按照學科預設的教學安排完成課程目標。傳統的教學方式對每堂課的教學內容都很明確，對學生的主動參與沒有過多的要求，易于教師掌控整個教學過程。然而，在教師講授為主的教學方式中，學生以被動接受為主，積極思考的環節較少，整個課堂學習過程中學生的主觀能動性不能被調動起來，應用所學知識和技能進行分析并綜合應用的能力較為薄弱[4-5]。

水文遙感是基于遙感科學的基本原理、方法和技術手段，結合水文學的基本原理和方法，利用對地觀測遙感數據提取或反演地球水循環要素或組分的物理屬性，以反映水文現象或水文過程，從而建立起的一套理論、方法和技術體系[6]。伴隨著強烈的社會需求和對地觀測技術的迅猛發展，遙感作為反映全球水循環變化過程的關鍵技術已成為一種新的探索方式，水文遙感課程相應設立。水文遙感融合了水文學、地理學、信息學等多學科知識，是知識面較廣、涉及較多的專業課程。課程內容主要包含水文遙感的基本概念和原理、觀測手段和研究方法，以及遙感產品和應用案例等方面。同時還涉及大氣水分、陸地水體、土壤水分、冰川積雪、降水和蒸散，以及海洋水體等地球水循環要素的遙感探測，在課程重點講授內容之外，引入水文遙感領域的相關進展，增進學生對遙感探測地球水圈的認識和理解。如基于遙感數據的水域識別專題，需要結合具體的遙感數據和算法理解相關的原理和開展實踐。單純地依靠教師講授，學生很難完成對相關知識中重點和難點的把握。傳統的“填鴨式”灌輸易于學生快速掌握課程內容，但總體而言學生將理論應用于實踐的過程略顯薄弱[7-8]。同時，水文遙感的飛速發展要求相關的課程教學內容做到及時更新和補充。如近年來得到廣泛關注的虛擬星座概念：通過相對獨立衛星的協同合作，實現統一標準下的全球持續、系統地對地觀測方式[6]，盡管在課程教學內容設計上，向學生講授了與水文遙感密切相關的AC虛擬星座和PC虛擬星座，然而由于傳統教材中較少涉及，相關參考內容少，單純的講授方式無法取得較好的教學效果，學生對該部分的內容普遍感覺不易理解。

因此，隨著信息技術的發展，傳統的水文遙感課程教學方式已很難適應新工科時代的發展和教學需求，亟需采用現代教學手段對水文遙感課堂教學模式進行改革。通過理念轉變，注重對內容、形式等多方面改革，激發學生主動參與課程學習，使學生更好地適應新工科的發展目標[9-10]。

三? 基于翻轉課堂的水文遙感教學實踐

本教學團隊就水文遙感課程采用雙模式教學法（圖1），探索翻轉課堂和傳統講授相結合的教學模式實踐。

（一）? 講授內容及教學形式

1? 學習資料收集與動態測試相結合

課前要求學生對課程內容進行了解，預先學習參考教材內對應章節。學習資料不再局限于課程的參考教材，還可登錄Web of Science、中國知網、萬方數據和超星等網站查閱最新專業資料作為課程內容補充。

課程基本知識點和核心內容主要通過傳統的講授方式對教學內容進行剖析。通過水文遙感課程中的講授環節使學生初步了解遙感技術的基礎知識及在學科中的應用，同時了解如何應用遙感技術研究區域水文運動規律和對水資源開展定量評價。采用多媒體講授方式及課堂討論的方法，要求學生在掌握基本原理的基礎上，進一步學習利用遙感、數字圖像處理方法監測水文要素的方法，將遙感基礎理論與水文遙感的具體應用相結合，提高學生的學習興趣，以期達到良好的教學效果。

同時，引入課堂答疑、課后作業輔導等環節，對學生學習過程中仍然存在的問題做進一步的闡述和解答。每一章節學習結束之后，開展對應的測試，隨堂測試所學的知識。學生通過題庫中隨機選擇的測試試題進行解答，測驗結果可以提供學生學習狀態的參考。

2? 專題應用與翻轉課堂模式

針對遙感在水資源管理中的應用、遙感在洪水預報中的應用和遙感技術在灌溉管理中的應用等專題，設置水文水資源相關主題組織學生分組研討。根據課程內容安排，傳統講授和翻轉課堂的比例始終保持在4∶1，既保障了學生對課程基本知識點的牢固把握，也有效地拓展了學生的視野。

翻轉課堂主要以小組匯報的形式開展，鼓勵學生認真準備、積極參與，共同完成翻轉課堂的建設，提升學生對知識點的掌握。每一小組制作PPT并進行講解，詳細介紹衛星資料及其在水文水資源管理中的應用實例。教師及其他學生對講解小組的整體表現進行綜合評價，同時開展組間互評。具體的評價標準包括內容完整程度，重點突出與否，專業術語使用、PPT制作與多媒體資源的應用，問答環節的有效性。教師根據小組匯報內容設計對應的思考題、判斷題、選擇題，在翻轉課堂的環節間，測試學生是否能夠很好地對所學知識實現“吸收內化”，是否能夠通過翻轉課堂環節達到該階段預期的課程教學目標。如小組匯報中對衛星遙感平臺介紹一節內容，通過結合學生自主選擇的衛星資料，教師輔助講授進一步加深學生對衛星遙感平臺分類的了解，理解對地靜止衛星和近地軌道衛星的軌道特征。以“風云”氣象衛星系列為例，從軌道特征上，對比介紹了我國研制的第一代太陽同步軌道氣象衛星風云一號氣象衛星，和中國研制的第一代地球同步軌道氣象衛星風云二號氣象衛星。從傳感器特征上，進一步介紹了風云四號A星全球領先的對地綜合觀測能力，了解風云四號A星是國際上首顆單星實現對地“多光譜二維成像+高光譜三維探測+超窄帶閃電成像”綜合觀測的靜止軌道氣象衛星。從衛星資料應用上，介紹了不同風云系列衛星在天氣預報、海洋資源探測、火災監測、沙塵暴監測和冰凌監測等領域的應用。從衛星資料定標上，介紹了全球自主輻射定標場網（RadCalNET）和我國首個遙感衛星在軌定標固定式靶標場——位于河南省登封市的嵩山遙感衛星定標場，采用多媒體方式對定標場進行介紹，使學生了解到通過遙感觀測手段對定標場及周邊地面景物和大氣環境參數進行實時觀測，以實現與衛星遙感的同步觀測，用于高分辨率航空航天遙感影像的輻射與光譜定標，為多顆衛星的輻射定標、幾何定標、載荷性能驗證提供服務。通過增加教師對學生報告專題內容的進一步講授這一環節，即有助于新知識的介紹，同時也利于課程基本知識點的深入理解，學生之間也在翻轉課堂環節中有了進一步的交流，有效激發了學生將所學知識與應用實踐相結合的動力。

（二）? 雙模式教學法效果評價

基于雙模式課堂教學實踐了一個完整學期，通過學生的反饋，可以看出在翻轉課堂環節中，學生對新知的了解及對所學理論的運用方面均有顯著的優勢，對課程內相關知識點的靈活應用和對學科相關新知的檢索能力明顯優于傳統的教學方式。

此外，學生在準備課程報告的過程中，積極性更高，特別是以小組競賽的方式參與，學生對翻轉課堂環節內容的準備更加充分，通過查閱大量資料對知識點的理解更加深刻，表達也更加清晰。以下我們從學生滿意度跟蹤評價、專項能力認可度兩個方面對雙模式教學效果進行了比較分析。

1? 學生自主學習能力增強

學生實際成績由傳統講授內容的考試（60%）與翻轉課堂的考核（40%）兩部分組成。翻轉課堂在于學生從以往的被動接受教師講解向學生自己查閱資料學習的轉變，經過完整的課程教學實踐，90%的學生認為翻轉課堂的參與度更高，80%的學生認為新方式對提高學習積極性有幫助，結果表明傳統講授與翻轉課堂相結合的雙模式教學法有良好的效果。

圖2表示了不同教學模式下學生的滿意度?？傮w而言，翻轉課堂環節中學生的滿意度更高，非常滿意和滿意程度的比例達到81%，而傳統模式中該級別的比例僅占72%。因此，可以看出學生對翻轉課堂的滿意度更高。

圖3表示了不同教學模式對學生專項能力提升認可度的對比。整體來看，翻轉課堂在對學生理解、分析、綜合應用三方面較傳統課堂均有提升，但在綜合應用能力方面，翻轉課堂的認可度為70%，遠高于傳統課堂的45%。

在翻轉課堂環節，學生圍繞衛星資料及其應用的主題凸顯了綜合應用能力的增強。如介紹衛星資料在水域面積提取的應用中，能夠根據衛星傳感器的差異，開展光學遙感方法、微波遙感方法及多傳感器聯合反演方法的調研，針對晴天條件下、沙漠高山等干旱區、洪澇面積提取、云雨天氣等不同情境下水體信息的提取方法進行說明和分析。在應用主題的匯報中，學生通過對多光譜遙感影像的波段特征分析，以歸一化植被指數（NDVI）、歸一化水體指數（NDWI）及改進的歸一化水體指數（MNDWI）為例，深入理解了波段比值法在水體信息提取中的應用。能夠通過不同多光譜遙感影像的光譜特征差異，認識波段比值法的目的在于通過比值運算增強水體和其他地物間的差異，從而區分水體和其他地物特征。通過對比分析光學遙感波段的缺點，進一步介紹了被動微波遙感數據在陸地水體中的提取和監測應用，了解了極化比值指數的含義，通過地表極化輻射差異特征分離土壤濕度、地表粗糙度、植被和大氣等因素的影響，有效提取水體信息。通過不同小組的匯報和組間的討論，再結合內容講授的方式，引入國際對地觀測技術發展的新方向介紹，從而完成了傳統講授方式與翻轉課堂方式相結合的課堂實踐，選擇合適的課程內容使兩種教學方式有機地融為一體，教學效果顯著改善。

由于學生的積極參與，在對專業知識的綜合應用方面翻轉課堂較傳統課堂具有明顯的優勢。通過課下的資料查閱與課堂匯報，學生能夠認識到隨著遙感技術的發展，隨著不同時間、空間、光譜和輻射分辨率衛星的涌現，對陸地水體信息的探測能力日益增強。結合課程匯報中的衛星遙感平臺內容，加深對遙感數據特征參數的理解，結合陸地水體提取的多傳感器聯合方法實例，展望了光學傳感器、主被動微波傳感器的多波段、多時相數據在水文水資源領域的綜合應用前景。因此，翻轉課堂更重視學生對知識的綜合應用，在現代信息技術高速發展的時代中，線上與線下相結合，課前與課后相結合，使學生參與到課程的每一個過程中，小組內實現互相協作，共同完成課程的學習，有效地加強學生的自主學習能力。

2? 教學水平有效提升

利用各種多媒體，融合“互聯網+”技術，將課程教學內容整合成完整的教材體系，并進行實時更新，在傳統教學內容和知識獲取途徑上都有了極大的擴展。雙模式教學法充分依存各種網絡教學資源平臺，更好地實現課程教學資源更新。教師的角色從講授者變成了集講授、啟發、引導于一體的綜合體，完整的“傳統講授+翻轉課堂”形式對教師的教學能力也有極大的促進。雙模式的引入對師生角色產生深刻的變革，同時要求教師采用更加靈活的考核方式，對學生學習成果的考察從原來的單一考試模式，轉為多階段多形式的考核評價體系。

通過線上和線下不同形式的教學互動，鼓勵學生積極參與課程學習，包含課堂討論、以選擇題和判斷題為主的知識點測試，讓新型的教學形式充分體現在教學的各個環節中。通過在線學習平臺對課后問題進行討論，及時對學生的課程疑問進行解答，實現相關課程資源的課下分享。

四? 結束語

傳統的以理論講授為主的水文遙感教學模式，由于內容涉及較廣泛，學生在學習過程中對于衛星遙感平臺等內容常感到枯燥難懂，教學過程不能達到預期的效果。針對此問題，本課程實踐了“傳統講授+翻轉課堂”的雙模式教學法，并對教學效果進行了綜合評價。

在水文遙感課程實踐過程中，選擇適宜于翻轉課堂的章節內容開展，因課制宜，有限翻轉，內容主要針對衛星遙感平臺和知識綜合應用兩個專題。對于課程的核心知識點仍然采用傳統的講授方式及課程考試的方式進行，翻轉課堂占課程總課時的1/4。

在翻轉課堂環節中，教師和學生均要充分參與其中，充分考慮學生的個體學習特征及課程先修知識的儲備情況，圍繞大氣水分、陸地水體、土壤水分、冰川積雪、降水和蒸散及海洋水體等地球水循環要素建設線上、線下的各種課程資源，開展有針對性的教學。翻轉課堂中涉及的內容有賴于學生的課外考察能力，需要學生付出更多的時間和精力對課程內容進行廣泛的閱讀和思考，從而形成高質量的課程報告和課內互動，同時結合課程報告內容加入適當的講授，引導學生關注與地球水循環要素研究關系密切的主要遙感平臺和傳感器特性，注重理論、方法、案例相結合，加深學生對核心知識點的把握，進而達到預期的教學目標。

總體而言，水文遙感課程因課制宜，開展翻轉課堂與傳統講授相結合的雙模式教學法，較傳統的單一講授模式取得了更好的課堂教學效果。翻轉課堂環節有效融合了線上、線下資源，促進了學生與學生之間、教師與學生之間的交流，激發了學生對課程學習的動力，提高了學生學習水文遙感課程的主動性，提升了學生綜合應用遙感技術解決水文水資源相關問題的能力。

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基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目“基于數據同化方法的人類活動對植被動態變化貢獻率估計及其不確定性分析”

（41101387）；蘭州大學2022年“課程思政”示范課程建設項目“《水文遙感》”（蘭州大學校教【2022】87號）

第一作者簡介：顧娟（1982-），女，漢族，甘肅白銀人，博士，講師。研究方向為水文遙感。

*通信作者：黃春林（1979-），男，回族，寧夏吳忠人，博士，研究員。研究方向為環境遙感。