基于云教材建設(shè)思維的GIS專業(yè)“遙感數(shù)字圖像處理”課程優(yōu)化研究

張欣佳 劉建忠 張寅寶

基金項(xiàng)目：本文系2022年鄭州大學(xué)教育改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“基于云教材建設(shè)思維的《遙感數(shù)字圖像處理》課程改革研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2022ZZUJG257）研究成果之一。

作者簡(jiǎn)介：張欣佳（1988—），女，博士，鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)榈乩硇畔⒖茖W(xué)；劉建忠（1964—），男，博士，鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授，研究方向?yàn)榈乩硇畔⒖茖W(xué)；張寅寶（1980—），男，碩士，鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)榈乩硇畔⒖茖W(xué)。

摘? 要：遙感課程群是地理信息科學(xué)專業(yè)的主干內(nèi)容，“遙感數(shù)字圖像處理”更是其中最主要的專業(yè)核心課程之一。文章基于云教材建設(shè)思維對(duì)“遙感數(shù)字圖像處理”課程展開優(yōu)化，提出了相應(yīng)改革方案，提高了前置與后置課程的銜接度、加強(qiáng)了課程與GIS專業(yè)契合度、進(jìn)一步體現(xiàn)了地理科學(xué)學(xué)科特色。改革優(yōu)化后的課程能切實(shí)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)、實(shí)踐以及探究能力，將為培養(yǎng)優(yōu)秀GIS本科專業(yè)人才做出重要貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：遙感數(shù)字圖像處；地理信息科學(xué)；課程優(yōu)化；云教材

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1673-7164（2024）14-0059-04

鄭州大學(xué)地理信息科學(xué)（GIS）本科專業(yè)開設(shè)于2001年，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前已成為學(xué)校地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的核心本科專業(yè)。GIS是一門廣泛的交叉學(xué)科，按照《本科專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)標(biāo)”）要求，GIS專業(yè)本科生需在掌握自然地理、人文地理和地理信息科學(xué)相關(guān)知識(shí)、理論、分析方法和應(yīng)用技能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)測(cè)繪、遙感、計(jì)算機(jī)等各類專業(yè)知識(shí)，靈活運(yùn)用3S（GIS、GPS、RS）技術(shù)解決地理學(xué)相關(guān)問題。因此，GIS本科專業(yè)呈現(xiàn)出專業(yè)知識(shí)背景復(fù)雜、交叉學(xué)科特點(diǎn)突出的特征，而GIS本科培養(yǎng)方案中各課程間的銜接成為教學(xué)過程中最需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。［1］

遙感是GIS本科專業(yè)的主干內(nèi)容，相關(guān)課程群在各院校GIS本科專業(yè)課程體系中均設(shè)置為專業(yè)必修課。而此類課程群中遙感影像處理相關(guān)內(nèi)容更是貫穿理論教學(xué)、實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)、分析應(yīng)用等方方面面的重要組成部分。［2-4］

對(duì)國(guó)內(nèi)外各院校地理信息科學(xué)本科專業(yè)中遙感課程群，尤其是“遙感數(shù)字圖像處理”課程的設(shè)置現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前許多院校受限于師資力量、專業(yè)結(jié)構(gòu)、歷史遺留問題等因素，在課程內(nèi)容設(shè)置方面普遍存在一定的問題。鄭州大學(xué)GIS專業(yè)過去20多年來在課程體系、課程設(shè)置、實(shí)踐教學(xué)及科學(xué)研究等方面有了長(zhǎng)足發(fā)展，但也存在類似問題。［5-9］

近年來，隨著GIS本科專業(yè)在全國(guó)范圍內(nèi)的大量開設(shè)，GIS本科專業(yè)建設(shè)和本科生培養(yǎng)也面臨著更高的要求，而“遙感數(shù)字圖像處理”作為專業(yè)核心課程的改革迫在眉睫。如何有效解決教學(xué)實(shí)踐中遇到的相關(guān)問題，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果是課程改革的核心。

一、“遙感數(shù)字圖像處理”課程存在的問題

（一）學(xué)時(shí)、課時(shí)不足

目前，我國(guó)大多數(shù)院校的地理信息科學(xué)本科專業(yè)在遙感相關(guān)課程方面配置的課時(shí)數(shù)普遍較少，大多僅開設(shè)一門“遙感技術(shù)/導(dǎo)論”，內(nèi)容上看似囊括了遙感原理、應(yīng)用以及遙感數(shù)字圖像處理，但課時(shí)普遍偏少，大多內(nèi)容的講授淺嘗輒止。以鄭州大學(xué)地理信息科學(xué)專業(yè)為例，此前地理信息科學(xué)本科專業(yè)培養(yǎng)方案中“遙感技術(shù)”課程只有44課時(shí)（32理論+12實(shí)驗(yàn)）。近兩年增加為52課時(shí)（40理論+12實(shí)驗(yàn)），但相較于課程的理想教學(xué)目標(biāo)，課時(shí)依然有所不足。還可能進(jìn)一步導(dǎo)致理論和實(shí)踐教學(xué)無(wú)法平衡，學(xué)生對(duì)理論不清不楚，實(shí)踐不明不白，甚至連基本操作都成了問題。因此，地理信息科學(xué)專業(yè)本科生在遙感相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備和應(yīng)用方面較之遙感、測(cè)繪等相關(guān)專業(yè)本科生有著極大劣勢(shì)。

（二）課程內(nèi)容失衡

部分院校的地信專業(yè)在“遙感技術(shù)/導(dǎo)論”課程的基礎(chǔ)上又增設(shè)了“遙感數(shù)字圖像處理”或“數(shù)字圖像處理”等課程。“遙感數(shù)字圖像處理”課程內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)具有高度的交叉性和綜合性，充分發(fā)揮其地理信息科學(xué)專業(yè)整體培養(yǎng)體系中應(yīng)有的作用，達(dá)到相應(yīng)目標(biāo)。學(xué)生應(yīng)掌握遙感數(shù)字圖像的處理原理、方法，具備豐富的地理學(xué)知識(shí)，以便能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、氣象、海洋、交通等領(lǐng)域。但此類課程的具體課程內(nèi)容設(shè)置都普遍存在一定問題。

目前，地理信息科學(xué)本科專業(yè)開設(shè)“遙感數(shù)字圖像處理”課程較多，其主要教學(xué)內(nèi)容為遙感影像的具體案例處理以及ENVI等專用軟件的使用，整體與地理信息科學(xué)本科專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)具有更高適配度。但目前從各院校所用教材和授課實(shí)際效果來看，普遍存在“重操作（非實(shí)踐）、輕原理”的問題。主要體現(xiàn)在對(duì)概念與算法原理不求甚解、照本宣科，甚至不做講解，僅針對(duì)具體案例進(jìn)行操作教學(xué)，學(xué)生知其然不知其所以然等方面。之所以說是“重操作”而非“重實(shí)踐”，是因?yàn)檎n堂及教材所使用的案例均已預(yù)設(shè)固定條件，使用特定軟件進(jìn)行處理，導(dǎo)致部分學(xué)生在脫離案例后，無(wú)法處理更復(fù)雜多變的實(shí)際問題。

“數(shù)字圖像處理”課程一般應(yīng)設(shè)置“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”等前置課程，學(xué)習(xí)MATLAB等專業(yè)軟件。但地理信息科學(xué)本科專業(yè)普遍不具備設(shè)置類似前置課程的條件，因此進(jìn)行高質(zhì)量教學(xué)難度較大。此外，雖然“數(shù)字圖像處理”課程的基礎(chǔ)理論和算法原理是學(xué)習(xí)遙感數(shù)字圖像處理知識(shí)的重要基石，但知識(shí)落地到具體應(yīng)用方面，其側(cè)重點(diǎn)和研究方向都與地信和遙感專業(yè)需求有著較大差異，最直觀的后果就是現(xiàn)有“數(shù)字圖像處理”主流教材原理偏深而GIS專業(yè)相關(guān)內(nèi)容嚴(yán)重不足。

上述課程普遍僅針對(duì)圖像處理本身進(jìn)行教學(xué)，不重視其所代表的實(shí)際地物的地理特征。而地理信息科學(xué)本科專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中的自然地理、人文地理等課程專業(yè)基礎(chǔ)課程與遙感數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容出現(xiàn)了明顯脫節(jié)，而且學(xué)生本身對(duì)相應(yīng)知識(shí)的儲(chǔ)備較少，這將進(jìn)一步導(dǎo)致學(xué)生難以利用遙感影像解決實(shí)際問題。

總而言之，鄭州大學(xué)現(xiàn)有“遙感數(shù)字圖像處理”課程定位不夠明晰、內(nèi)容不夠豐富、實(shí)踐不夠深入，與GIS專業(yè)契合度不足，無(wú)法體現(xiàn)地理科學(xué)學(xué)科特色。本研究結(jié)合學(xué)院實(shí)際，以云教材建設(shè)為切入點(diǎn)對(duì)“遙感數(shù)字圖像處理”課程進(jìn)行改革，旨在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

二、改革方法探索

“遙感數(shù)字圖像處理”課程內(nèi)容應(yīng)同時(shí)兼顧基礎(chǔ)理論算法與地信專業(yè)具體內(nèi)容，平衡理論與實(shí)踐授課環(huán)節(jié)，另外還需要綜合培養(yǎng)學(xué)生的地理學(xué)認(rèn)知。這就需要綜合遙感、數(shù)字圖像、地理學(xué)等多方面知識(shí)內(nèi)容，然而單一教材是不夠的。基于上述改革需求，云教材建設(shè)思路將是非常行之有效的方式方法。

（一）云教材概況及優(yōu)勢(shì)

云教材是集成移動(dòng)學(xué)習(xí)、富媒體數(shù)字出版和云服務(wù)三大領(lǐng)域的前沿技術(shù)，能夠提供數(shù)字教學(xué)資源與智能化教學(xué)形式。云教材配合云課堂將是信息化時(shí)代線下線上、課上課下教學(xué)與學(xué)習(xí)發(fā)展的重要形式和方向。［10-11］

1. 靈活的多源數(shù)字教學(xué)資源

云教材可以依據(jù)學(xué)習(xí)者情景化、動(dòng)態(tài)化、形象化的學(xué)習(xí)需求，配合文本、圖片、音視頻等多種資源將傳統(tǒng)紙質(zhì)教材內(nèi)容重新進(jìn)行富媒體編排設(shè)計(jì)和交互設(shè)計(jì)，形成豐富的數(shù)字資源。數(shù)字教學(xué)資源將課程內(nèi)容進(jìn)行全新設(shè)計(jì)呈現(xiàn)，配合相應(yīng)App，可在手機(jī)、平板等各種電子終端上進(jìn)行使用，在教學(xué)與學(xué)習(xí)內(nèi)容、方式上都更加豐富與靈活。

將傳統(tǒng)紙質(zhì)教材轉(zhuǎn)換為形式豐富的數(shù)字教材資源后，云教材可以將這些資源進(jìn)行自由調(diào)配與靈活組合以形成全新的教學(xué)資料，而不必編撰新教材。這使得教師可以按照本專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)相應(yīng)課程進(jìn)行“個(gè)性化定制”。

2. 智能化教學(xué)形式

云教材是集成多種智能功能的新型教學(xué)工具，其中嵌合了互動(dòng)式教學(xué)模塊以及智能輔助學(xué)習(xí)工具等。在課堂上可以形成高效的課堂互動(dòng)、課堂外可以對(duì)學(xué)生的任務(wù)完成情況進(jìn)行智能追蹤與評(píng)價(jià)。配合云班課、雨課堂等其他智能教學(xué)方法，可以在教學(xué)實(shí)踐中貫通線上線下、課上課下，切實(shí)提升教學(xué)質(zhì)量。

（二）基于云教材建設(shè)思路的課程優(yōu)化方案

本研究以云教材建設(shè)思維為指導(dǎo)，從教學(xué)內(nèi)容與方法兩個(gè)方面對(duì)“遙感數(shù)字圖像處理”課程進(jìn)行全面優(yōu)化。優(yōu)化后的課程加強(qiáng)了與遙感導(dǎo)論等前置課程的銜接，提高了與GIS專業(yè)的契合度，著重體現(xiàn)地理教學(xué)的學(xué)科特色。

1. 課程教學(xué)大綱優(yōu)化

教學(xué)大綱是開展高質(zhì)量本科教學(xué)的重要基礎(chǔ)。以前的教學(xué)大綱多是基于某一固定教材進(jìn)行編撰，教學(xué)內(nèi)容往往受限于所選擇的教材。根據(jù)課程改革的目標(biāo)，這種單一教材有著很大的不足。但如果需要擴(kuò)充教學(xué)內(nèi)容，要么同時(shí)使用多本紙質(zhì)教材，要么教師自編教材，非常不方便。云教材可以提供靈活的手段將多方資源整合成一個(gè)整體，便于師生教學(xué)使用。因此教師可以拋開對(duì)自編教材的巨大工作量的顧慮，按照自己的教學(xué)目標(biāo)靈活安排教學(xué)內(nèi)容。

理論部分：由于遙感影像隸屬于數(shù)字圖像，因此對(duì)數(shù)字圖像基本理論及算法原理的學(xué)習(xí)是必要的。但數(shù)字圖像處理領(lǐng)域內(nèi)容繁多，部分內(nèi)容與遙感以及地理信息科學(xué)契合度不高。本課程優(yōu)化是以地理科學(xué)為背景，以數(shù)字圖像處理為基礎(chǔ)，以遙感為主干，突出地理信息科學(xué)特色，形成了“遙感數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)大綱的理論部分。

實(shí)踐部分：在近年來課時(shí)縮減的背景下，首先保障實(shí)踐教學(xué)的基本課時(shí)。在實(shí)踐方案設(shè)計(jì)中，本科階段的遙感影像處理多使用ENVI等專業(yè)軟件，采用經(jīng)典案例分析進(jìn)行。但此類教學(xué)方式易使學(xué)生陷入不求甚解、機(jī)械應(yīng)對(duì)的境地。因此課程實(shí)踐教學(xué)大綱要求學(xué)生除掌握ENVI相關(guān)操作外，還會(huì)使用Python或MATLAB等工具，通過算法深入理解概念原理。實(shí)踐教學(xué)主要形式為學(xué)生自主上機(jī)、完成課題、形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

表1? 教學(xué)大綱總體安排（部分）

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2. 課程教學(xué)內(nèi)容完善與深化

教學(xué)內(nèi)容的深化是基于優(yōu)化后的教學(xué)大綱完成的。

表2? 實(shí)踐部分教學(xué)安排（部分）

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首先對(duì)國(guó)內(nèi)外各院校所使用經(jīng)典教材進(jìn)行調(diào)研與整理，如《遙感數(shù)字影像處理與地理特征提取》（錢樂祥編著，科學(xué)出版社出版）、《遙感數(shù)字圖像處理教程》（韋玉春等主編，科學(xué)出版社出版），以及國(guó)外知名教材，由岡薩雷斯等主編的《數(shù)字圖像處理》。

其次以優(yōu)化后的教學(xué)大綱為框架，將填充相應(yīng)內(nèi)容，并進(jìn)行數(shù)字化處理。利用云教材的富媒體特色功能（如多媒體素材、擴(kuò)展鏈接、交互學(xué)習(xí)等）制作拓展教學(xué)資料，進(jìn)一步豐富教學(xué)內(nèi)容。實(shí)踐部分的教學(xué)分為上機(jī)實(shí)驗(yàn)和課外拓展兩部分。課外拓展部分將根據(jù)理論教學(xué)內(nèi)容，基于不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的實(shí)踐教學(xué)任務(wù)要求與流程開展，達(dá)到與理論完美配合的目標(biāo)。

最后依托云教材編輯器或其他電子書制作平臺(tái)完成教學(xué)資料的整體編制。同時(shí)教材制作與教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化屬雙線并行，利用云教材制作上的靈活性隨時(shí)將教學(xué)實(shí)踐中的收獲運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐中接受、檢驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)問題，依據(jù)實(shí)際教學(xué)反饋進(jìn)行完善。

3. 課程教學(xué)方法多元化

目前各類智能教學(xué)方法眾多，各院校也鼓勵(lì)教師在實(shí)際教學(xué)中積極運(yùn)用相關(guān)手段。而在課時(shí)縮減的背景下，智能教學(xué)方法的確可以充分利用課堂和課余時(shí)間，提升教學(xué)效果。方法雖好，但不可盲目亂用。一味堆砌新手段新方法將會(huì)舍本逐末，導(dǎo)致教學(xué)流于形式。因此，本研究立足傳統(tǒng)教學(xué)手段，結(jié)合雨課堂等線上課堂形式，形成高效互動(dòng)機(jī)制，在課堂上充分發(fā)揮以學(xué)生為認(rèn)知主體的作用，引導(dǎo)學(xué)生抽絲剝繭學(xué)習(xí)知識(shí)，而非單純地被動(dòng)接受知識(shí)。充分利用課堂時(shí)間，提高教學(xué)效率；合理布置課余任務(wù)，鞏固加強(qiáng)課堂知識(shí)吸收，拓展知識(shí)廣度與深度；線上線下與課上課下緊密配合，綜合提升教學(xué)效果。切實(shí)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)、實(shí)踐以及探究能力，有效提高課程教學(xué)效果，以實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目的。

三、結(jié)語(yǔ)

“遙感數(shù)字圖像處理”作為GIS本科專業(yè)的主干課程是高質(zhì)量GIS專業(yè)人才培養(yǎng)中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。本研究從課程本身和整體培養(yǎng)方案兩個(gè)層次出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有“遙感數(shù)字圖像處理”課程的問題進(jìn)行了剖析，并提出基于云教材建設(shè)思維的課程優(yōu)化方案。該方案從教學(xué)內(nèi)容與方法兩個(gè)方面進(jìn)行，優(yōu)化后的課程加強(qiáng)了與遙感導(dǎo)論等前置課程的銜接，提高了與GIS專業(yè)的契合度，著重體現(xiàn)出地理科學(xué)的學(xué)科特色，為培養(yǎng)優(yōu)秀的GIS本科專業(yè)人才打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

優(yōu)化后的教學(xué)大綱如表1和表2所示，在已有學(xué)時(shí)條件下進(jìn)一步平衡了理論與實(shí)踐的授課學(xué)時(shí)比例，課程章節(jié)與遙感課程群銜接緊密且基本無(wú)重復(fù)、無(wú)斷層；與地理信息科學(xué)本科專業(yè)培養(yǎng)方案高度契合；體現(xiàn)了地理科學(xué)的學(xué)科特色，將自然地理、人文地理、地質(zhì)學(xué)、氣候?qū)W等相關(guān)知識(shí)與遙感影像解譯充分聯(lián)系起來，使學(xué)生更加深入理解遙感影像，靈活利用所學(xué)知識(shí)解決問題，在未來的競(jìng)爭(zhēng)中擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

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（責(zé)任編輯：邵秋露）