新時期遙感科學與技術專業微波成像理論教學與課程實習設計

石書祝 嚴頌華 董杰

摘? 要：針對全鏈路遙感人才培養的迫切需求，本研究梳理了微波成像課程傳統教學中存在的問題，分析了微波成像課程在武漢大學遙感科學與技術專業第二版“遙感科學與技術大類培養方案”課程體系中的位置和作用。并在此基礎之上，將思政教育、國內外微波成像新知識融入教學內容中，為微波成像課程分別設計了合適的理論教學內容與課程實習內容，最后對改進微波成像課程的教學方法進行了探討，以期實現“三全育人、課程思政、學研協同、實踐創新”的新時期教育模式。

關鍵詞：微波成像；理論教學設計；課程實習設計；遙感科學與技術；課程思政

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2024）17-0106-05

作為全國第一個創立遙感科學與技術本科專業的單位，武漢大學針對該專業的多學科交叉特色以及新時期下國家對遙感人才的客觀需求，于2018年開始實施第一版遙感科學與技術大類培養方案。隨著航空航天遙感技術的發展，國家亟須培養熟悉從傳感器研制、衛星設計到遙感信息處理、遙感應用的全鏈路遙感人才，［1］因此該培養方案首次將遙感儀器作為遙感科學與技術專業大類培養的模塊，旨在培養遙感衛星平臺和遙感傳感器方向的人才。［2］

微波成像主要指合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar， SAR）成像。SAR是一種主動式微波成像傳感器，通過發射寬帶線性調頻信號，并且結合合成孔徑技術，在距離向和方位向上同時獲得二維高分辨率圖像。［3］與光學和高光譜遙感手段相比，SAR成像不受云霧雨雪等天氣因素的影響，具有全天時全天候監測的優勢，對地表覆蓋層有一定的穿透性，獲取的圖像能夠反映植被、土壤、雪、冰層等地物的微波散射特性，是實現空間軍事偵察、自然資源普查、自然災害監測等的一種重要遙感手段。［4］雖然，目前武漢大學遙感科學與技術專業已經開設了微波遙感課程，但課程內容側重于講述雷達遙感影像的處理及應用，對微波成像系統的硬件構成及信號處理算法講得比較淺顯，［5］導致學生難以掌握微波成像的基本原理以及常用的信號處理方法。鑒于當前國內外雷達遙感衛星產業的蓬勃發展以及新時期下全鏈路遙感人才培養的迫切需求，武漢大學遙感信息工程學院在2023年開始實施的第二版遙感科學與技術大類培養方案中，正式將微波成像作為遙感科學與技術專業的選修課。雖然目前國內已有相關高校開設了雷達成像技術等微波成像課程，［6-7］但這些課程大部分都是針對研究生開設，而且只側重于講述SAR成像，沒有結合SAR系統與搭載平臺研制、衛星發射與數據接收、SAR圖像處理及其遙感應用整個遙感技術鏈路進行講述。此外，這些課程大部分都沒有將思政元素和國內外SAR成像新技術引入教學內容中。［8］由此可見，如何針對全鏈路遙感人才培養的迫切需求，為微波成像課程設計合適的理論教學內容與課程實習內容，將思政元素、國內外微波成像新技術等引入課程教學中，最終實現“三全育人”、課程思政、學研協同、實踐創新的教育目標，是微波成像課程教學亟須解決的一個問題。

本研究首先梳理了微波成像課程傳統教學中存在的問題，然后將思政教育、國內外微波成像新技術等融入教學內容中，并且為微波成像課程分別設計合適的理論教學內容與課程實習內容，最后對改進微波成像課程的教學方法進行了探討。

一、微波成像課程傳統教學中存在的問題

通過參與本科生微波成像課程的建設，發現在該課程的傳統教學環節中主要存在如下問題。

（一）缺乏合適的教材

盡管目前國內外在雷達成像上已經有比較多的經典參考書籍，比如保錚院士、刑孟道和王彤教授編著的《雷達成像技術》、艾倫·卡明（Ian G. Cumming）和弗蘭克·黃（Frank H. Wong）教授編著的《合成孔徑雷達數據的數字化處理：算法與實現（Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data： Algorithms and Implementation）》，但這些書籍大部分都是面向電子科技類專業研究生或有實踐經驗的科研及工程人員。對前期只學習了信號處理與分析、遙感物理基礎、遙感原理與應用這些基礎課程的遙感科學與技術專業本科生而言，如果直接將這些書籍用作微波成像教材，學生對書本內容難以理解，導致學生課堂學習和課后自習的興趣與積極性降低。

（二）缺乏針對遙感技術全鏈路知識體系的培養

傳統的微波成像課程教學往往只側重介紹微波成像系統及信號處理方面的知識，忽略了從SAR系統與搭載平臺研制、衛星發射與數據接收，到SAR圖像處理及其遙感應用整個遙感技術鏈路知識體系的完整性，使得學生難以將學到的知識點與后續的SAR圖像處理及其遙感應用進行融會貫通。例如傳統的微波成像教學中都會講述星載SAR分辨率的概念以及它與發射信號帶寬、天線孔徑等因素之間的關系，但通常忽略了講述SAR分辨率具體如何影響后續的星載SAR圖像處理及其實際的遙感應用。

（三）未能有機融入思政元素

課程思政是指通過深入挖掘課程中的思政內涵，建立全員、全程、全課程育人格局，形成與思政課程同行的協同效應，實現“立德樹人”的根本教育理念。［9］在微波成像課程的傳統教學中，專業教師通常只注重專業教育而忽視學生精神層面的培養，包括價值觀、人生觀和世界觀等方面。課堂中學生更多接觸的是微波成像的專業知識而很少受到思想政治方面的引導，沒有面向“培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人”的根本問題，培養具有優秀道德素養、正確科學的做事態度，致力于服務國家人民、具有家國情懷的遙感人才。［10］

（四）未能與時俱進地引入微波成像新知識

近十年國內外微波成像技術快速發展，很多新概念、新技術和新傳感器層出不窮，比如全息合成孔徑雷達概念、渦旋雷達成像技術和以導航衛星信號作為發射源的無源雙基地SAR，但微波成像課程的傳統教學內容偏重于講述成熟的基本概念和原理方法，更新速度比較慢，沒有及時引入國內外在微波成像領域的新概念、新技術和新型傳感器，導致學生創新思維不足，無法掌握國內外微波成像技術的最新動態。

二、微波成像課程的理論教學內容構建

（一）微波成像在課程體系中的位置與作用

在進行微波成像課程的理論教學內容設計之前，首先需要了解該課程在武漢大學遙感科學與技術專業第二版“遙感科學與技術大類培養方案”課程體系中的位置和作用。如圖1所示，學生在學習微波成像課程之前，已經學習了高等數學、大學物理這些公共基礎課程，因此對微波成像課程中涉及的數學公式推導以及電磁場等物理概念已經有一定的了解。學生還學習了遙感物理基礎、遙感原理與應用以及信號處理與分析這些大類平臺課程，因此對微波成像課程中涉及的SAR基本概念、不同地物目標對電磁波的散射機理以及雷達信號處理等知識點也有一定的掌握。另一方面，學習微波成像課程，學生對SAR系統及其成像原理、信號處理算法有比較深入的了解，進而為后續的微波遙感、定量遙感、遙感圖像智能解譯、遙感傳感器原理、航天工程概論等專業核心課程中涉及星載SAR系統設計與SAR圖像處理方面的知識點學習奠定良好的基礎。

（二）微波成像理論教學內容設計

依據遙感科學與技術專業學生的已有知識結構，結合近幾年在微波遙感教學方面的經驗，通過查閱國內外多本微波成像參考書籍以及了解目前國內外在微波成像領域的前沿技術動態，設計了如表1所示的微波成像課程理論教學內容。對微波成像課程蘊含的思政元素也進行了挖掘，并且將這些思政元素融入教學內容中，提升該專業課程的價值引領。

通過這10個章節的學習，學生對微波成像知識有綜合的學習和掌握，為后期深入開展微波成像和微波遙感方面的工作和科研奠定了良好的基礎，也能形成優秀的道德素養、正確的科學觀、服務國家人民的意識等。

三、微波成像課程的課程實習內容構建

（一）課程實習在微波成像課程中的必要性

微波成像技術理論比較復雜，新的概念和知識點也比較多，如果缺乏針對性的實踐訓練，容易導致學生在課堂上學到的理論知識與實際應用脫節，進而造成學生的動手實踐能力比較差。針對這個問題，采用理論課程和課程實習相結合的方式進行教學，一方面學生利用學到的理論知識去指導實踐。比如學生利用在課堂上學到的各種SAR成像算法對無人機載SAR系統實際采集的數據進行處理，獲取地物目標的實際SAR圖像。另一方面使學生在實踐中發現并解決問題，以加深對理論認識的理解和掌握。比如在對無人機載SAR系統實際采集的數據進行處理時，首先讓學生不進行運動補償處理，并觀察得到的SAR圖像中存在的問題。然后進行運動補償處理，再將得到的SAR圖像與不進行運動補償得到的SAR圖像進行對比分析，加深對運動補償在SAR成像處理中發揮的作用的理解。

（二）微波成像課程實習內容設計

依據微波成像教學大綱要求學生著重掌握的知識點，結合武漢大學遙感信息工程學院目前已有的無人機載Ku波段和X波段SAR設備，設計了如表2所示的微波成像課程實習內容。在實驗內容的設計上，既能讓學生更深入理解微波成像原理，也能和后續的微波遙感等專業課程進行很好的銜接，讓學生學習到最新的SAR系統構成和成像技術，為以后的工作和科研打下良好的基礎。

課程實習內容部分可根據教學進度靈活安排，其中實驗1—5可安排在相應的理論課程教學之后，讓學生及時消化所學的理論知識，提高學習興趣。實驗6屬于步驟較多的綜合實驗，可安排在理論課程教學完成之后，提高學生的動手實踐能力和團隊協作能力。

四、微波成像課程的教學方法改進

由于微波成像課程的專業性比較強，而且微波成像設備在日常生活中并不常見，因此容易使學生產生“不知為何而學”的觀點，進而導致學習積極性不高，容易產生畏難和抵觸情緒。針對上述問題，將從有機結合時政要點、適當引入實際SAR衛星案例兩個方面對微波成像課程的教學方法進行改進。

（一）時政要點的有機結合

在教學過程中通過有機結合國內外時政要點，讓學生能切實體會到微波成像在國防安全以及防災減災等方面的重要性，拉近理論知識與實際應用的距離。例如在國防安全方面，由于光學衛星容易受到云霧雨雪等天氣因素的影響，難以實時掌握戰場動態，因此一些國家利用SAR衛星全天時全天候不間斷監視現代戰場，及時獲取所需的情報。SAR衛星的分辨率越高，越容易在SAR圖像上正確識別指揮所、坦克、火炮等高價值目標。在減災防災方面，2021年7月17日至23日河南省遭遇歷史罕見特大暴雨，發生嚴重洪澇災害。河南省自然資源衛星應用技術中心通過對高分三號、海絲一號、哨兵一號等國內外多顆SAR衛星拍攝的洪澇災害影像進行分析，快速提取了洪水淹沒范圍，為應急指揮管理指揮中心制定抗洪措施提供數據支撐。

（二）實際SAR衛星案例的適當引入

在教學過程中通過將實際SAR衛星案例適當引入課程教學中，使學生能夠了解到微波成像的最新發展動態、在地物遙感中的實際應用和尚未解決的科學問題，進而引導學生解決實際問題，提高創新能力。例如，通過介紹我國目前在軌的高分三號、海絲一號、陸探一號、礦大南湖號、涪城一號等SAR衛星的性能參數、成像處理算法和實際應用，使學生了解我國在星載SAR成像技術方面的發展動態。2023年5月21日武漢大學牽頭研制并成功發射了“珞珈二號01星”，該衛星是全球首顆Ka頻段高分辨率SAR衛星。因此通過邀請“珞珈二號01星”研制組成員參與微波成像課程的授課，講述該衛星從總體設計、實際研制、數據處理到實際遙感應用的整個流程，既能讓學生更直觀地感受到微波成像技術的實際應用效果，更好地理解所學理論知識的應用前景，又能激發學習興趣和增加學習動力，提高學生學習的積極性和主動性。

五、結語

微波成像是遙感科學與技術等專業本科生教學中必不可少的一門專業課，本研究梳理了微波成像課程傳統教學中存在的問題，將思政教育、國內外微波成像新知識等融入教學內容，并且為微波成像課程分別設計了合適的理論教學內容與課程實習內容，探討了微波成像課程的教學方法改進，以期實現“三全育人、課程思政、學研協同、實踐創新”相結合的新時期教育模式，為有效支撐我國軍民遙感技術發展培養全鏈路遙感人才。

參考文獻：

［1］ 李德仁，龔健雅，秦昆，等. 面向國家需求的世界一流遙感人才培養體系創新與實踐［J］. 高等工程教育研究，2023（02）：1-5+177.

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［5］ 趙伶俐，楊杰，李平湘，等. 面向地理國情專業的微波遙感教學與實習設計［J］. 測繪地理信息，2022，47（S1）：34-37.

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［9］ 謝志偉，單佳強，陶麗，等. 遙感類專業課程思政建設探索與實踐［J］. 科學咨詢：教育科研，2022（06）：49-51.

［10］ 劉喜要. 高校課程思政建設的理念革新和實踐路徑［J］. 文教資料，2022（23）：52-56.

（責任編輯：邵秋露）