以航天遙感為主題的問題驅動式研究生教學模式探索

王文華 趙淑波 張冠宇 張帆

摘? 要：產教融合創新能力培養是我國新時代研究生教育的研究方向之一。該文結合航天遙感的行業特點，把研究生教育跟航天需求方案論證、問題驅動創新結合起來，探索新時代研究生更貼近產業需求的培養模式。從生活中常見的手機拍照入手，將專業遙感相機與“遙感手機”作對比，拋出問題并引導研究生拆解問題，查閱文獻資料獲取手機攝像頭的主要成像參數，逐步分析計算手機作為遙感載荷對地成像的分辨力指標，引導學生對比專業遙感相機的成像指標參數，激發討論熱情，適當歸納結論，最終回歸到圖像處理與成像技術這門研究生課程的深層知識講解。在提高課堂教學效率的同時，將目前航天遙感領域的產業狀況與當下研究生教學緊密結合在一起，探索產教融合的研究生培養新模式。

關鍵詞：航天遙感；問題驅動；研究生教學；產教融合；成像技術

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）20-0129-04

Abstract： The cultivation of innovation ability through the integration of industry and education is one of the research directions of postgraduate education in the new era in my country. In view of the characteristics of the aerospace remote sensing industry， this article combines graduate education with aerospace demonstration in the problem-based learning environment. Starting from taking pictures with cellphones that are common in life， we compare professional remote sensing cameras with "remote sensing cellphones"， raise questions and guide students to disassemble the problems， consult literature and obtain the main imaging parameters of phone cameras， and gradually analyze the resolution parameter of cellphones as remote sensing loads. The contrast of two cameras will guide students to stimulates enthusiasm for discussion and finally go deep on the course "Image Processing and Imaging Technology". While improving the efficiency of teaching， we should closely integrate the aerospace remote sensing with current postgraduate teaching， and explore a new cultivation mode that integrates industry and education.

Keywords： remote sensing; problem-based learning; postgraduate teaching; integration of industry and education; imaging technology

隨著我國綜合國力的迅速增強，高等教育得到了快速發展，尤其是研究生教育規模呈現出從單一類型的數量擴張逐步走向多樣化內涵發展的局面。2023年3月，教育部在發布會上公布了2022年研究生招生數據[1]：全國共招收研究生124.25萬人，比上年增長5.61%。其中，招收博士生13.90萬人，碩士生110.35萬人。在學研究生365.36萬人，比上年增長9.64%。研究生遞增的態勢也給研究生培養質量的提高帶來了不小的壓力。

為培養既具有扎實理論基礎，又能適應特定行業需要的應用型高層次專業人才，我國調整研究生教育的學科類型和布局結構，大力發展專業學位研究生教育，以適應產業結構調整和發展戰略性新興產業的要求。國務院學位委員會、教育部關于印發《專業學位研究生教育發展方案（2020-2025）》的通知明確指出[2]，要著力優化碩士專業學位研究生教育結構。2023年11月30日，教育部發布《關于深入推進學術學位與專業學位研究生教育分類發展的意見》[3]，明確提出：以國家重大戰略、關鍵領域和社會重大需求為重點，進一步提升專業學位研究生比例，到“十四五”末將碩士專業學位研究生招生規模擴大到碩士研究生招生總規模的三分之二左右，大幅增加博士專業學位研究生招生數量。專業學位應強化產教融合協同育人，將人才培養與用人需求緊密對接，深入建設專業學位聯合培養基地，強化專業學位類別與相應職業資格認證的銜接機制，完善行業產業部門參與專業學位人才培養的準入標準及監測評價，確保協同育人基本條件與成效。

針對產教融合，何建麗等[4]提出“深化協同育人”思路，強調政府、高校、企業協同發力，這種協同在研究生二年級以后更為實用；朱為國等[5]提出了“321”培養模式探索與實踐，需要政府、高校和行業企業三方共同參與，著重于單個研究生的專業技能培養，對研究生第一學年課堂教育未做討論；劉紀新等[6]提出建立校企師資“互聘互兼”機制，以提升師資隊伍專業技術能力，這有利于活躍研究生課堂教育的實踐氛圍，大大提高學生與教師互動的積極性。

與產教融合緊密相關的研究生專業中，儀器儀表與航空航天類專業是備受關注的專業之一。近幾年來，該專業發展之所以迅速，既源于較大的社會需求，也源于社會對本專業教育的認同。該專業以光、機、電和算為學科基礎的人才知識結構，培養基礎厚、知識面廣。近年來，逐漸上升發展的商業航天遙感行業，也是集成了光、機、電和算等多個學科的工程應用，在專業學科需求方面，與儀器專業人才培養的方向不謀而合，具有很高的契合度。

在空間衛星逐步放開的世界大環境下，政策、資本、技術和人才源源不斷地涌向商業航天領域。一方面是政策層面推進高校研究生教育模式改革，另一方面是蓬勃發展的民用商業航天行業對高技術人才需求倍增，而遙感探測所涉及的光電信息產業與工程專業人才能力培養是密不可分的[7]，因此開展以航天遙感為主題的儀器專業研究生教育產教融合培養模式研究勢在必行。

本文立足大學研究生課程圖像處理與成像技術教學，深度挖掘課程理論與工程實踐的契合點，以航天遙感為主題，以問題驅動式教學為方法，在傳授理論知識的同時，融入航天遙感相機的成像系統研制過程，使學生從理論和工程兩個維度來理解掌握該研究生課程的教學內容。

一? 圖像處理與成像技術課程概述

本課程主要基于數字圖像，從多學科的角度切入，研究典型電磁波譜成像特征及光電成像技術，結合電子技術及計算機技術來探討成像系統設計、軟硬件層面的數字圖像處理方法。主要課程內容涵蓋圖像處理MATLAB基礎、圖像變換、圖像編碼、圖像增強與復原、成像基本原理、成像硬件設計及航空航天遙感成像等知識。

在成像技術課程部分，從航天遙感相機角度，講解相機的基礎組成、光電探測器成像原理、成像驅動開發、圖像發送與接收傳輸協議、圖像整合方式、輻射校正及硬件實時處理等知識。

單純的知識教學內容難免灌輸式課堂模式，面對新時代研究生，尤其專業學位研究生，課堂培養模式的轉變勢在必行。由教師單向灌輸式教學模式轉為學生主動探究式的教學模式，探究的過程就要用到問題驅動式（Problem-Based Learning，PBL）教學法[8]，結合航天遙感相機的項目方案論證、研制過程難點、工藝流程等航天實踐，激發學生對實踐類工程問題的探索欲望，以達到訓練學生主動探求知識、自主創新思維的目的。

問題驅動教學法能夠提高學生學習的主動性，提高學生在教學過程中的參與程度，容易激起學生的求知欲，活躍其思維。下面針對此門研究生課堂的教學特點，探索以航天遙感為主題的問題驅動式的課堂教學模式。

二? 問題驅動課堂引導

問題驅動學習法是Barrows等[9]在加拿大麥克馬斯特大學醫學教育項目中倡導的一種教學方法。該方法以學生為中心，強調以問題為學習起點的教學活動。實踐表明，該方法有助于培養學生提出問題、給出解決方案和得出結論的綜合應用能力， 同時有助于提高學生的協作能力。從國內外研究現狀來看，問題驅動學習法具有很多優勢，能有效激發學生的學習興趣和潛能，更好地培養其創新思維和能力。本文深入剖析研究生培養目標的內涵和外延， 并設計問題驅動的研究生培養模式。

為了使研究生更容易理解成像技術中的諸多考慮因素，提高研究生對成像鏈路的研究興趣，凸顯研究生教學的引導思維模式，本課程采用問題驅動法，以航天遙感相機為主題，逐步將成像技術貫穿于“提出問題—分析問題—解決問題—總結分析”的研究思路中。

（一）? 基于航天遙感的問題驅動鏈設計

說到成像技術，早些年的數碼相機如今逐漸淡出人們的視野，而伴隨移動通信電話的飛速發展，高分辨率攝像頭已經成為了智能手機必不可少的硬件配置。加之許多圖像處理算法在手機核心處理器的移植，諸如美顏、夜景、廣角圖像合成等攝影技術都已被人們廣泛使用。課堂上的研究生對目前生活中的手機攝影技術更是毫不陌生。

那么，如何使學生們對成像技術的原理快速入門、詳細了解甚至深入學習呢？結合當前我國不斷發展的航天遙感技術，將手機太空拍照與遙感相機成像對比，如圖1所示，挖掘生活中的成像應用，喚起同學們對“熟悉的手機攝像”和“自豪而又陌生的遙感成像”之間的極大興趣，進而展開以航天遙感為主題的“問題驅動式”研究生教學新模式。

（二）? 提出問題

為什么發射衛星，同學們是大概了解的，航天衛星有很多優勢，可以做很多地面上做不了的事情。那么，用遙感相機，對地球表面拍照，人們要專門研制遙感相機，為什么不把現在性能如此強悍的手機攝像頭直接搬到太空呢（圖2），向學生拋出問題。

一石激起千層浪。利用這一問題，教師激發學生們的研究興趣，并在后續分析階段建立以學生為主的討論氛圍。首先，鼓勵全班同學對問題本身進行討論和交流，爭取讓每個學生都提出自己的觀點和看法，將問題本身拆解，使問題潛在的喚醒作用深入到每個學生的腦海中，為下一步頭腦風暴——大膽分析并解決問題奠定基礎。然后教師將學生們進行適當分組，每組學生自行討論分工，以明確每個人在分析解決問題中的作用，提高積極性。在此階段，教師主要發揮引導作用，當討論發生跑題或者學生們誤解問題的本意時，給予及時的提醒和引導。

（三）? 查文獻獲得手機攝像頭參數

先把遙感相機放在一邊，從學生手里的手機攝像頭開始入手研究。

引導學生們查閱自己手機的硬件配置參數，除了表面廣告宣傳的性能參數以外，要查到手機攝像頭的圖像傳感器（一般為感光CMOS芯片）參數、攝像頭光學參數與內部結構等。

作為一名研究生，科學素養是新時代工程碩士研究生教育所必備的素養之一。獨立的科研能力培養需要從查閱文獻開始。當今手機已經不只是簡單的通信工具，尤其智能手機，已成為人們日常生活中攝像、聊天、購物、金融理財及醫療教育等諸多方面都必不可少的電子產品。鼓勵研究生從這個日常形影不離的智能手機開始查閱文獻，是一個非常好的激發興趣的切入點。查閱文獻并非都在期刊的專業官方網站，面對這個熟悉的手機，其實有很多注明生產廠家的官網、排名手機跑分的專業評價網站等，都可以成為調研手機攝像頭參數的文獻來源。

比如通過查閱某款智能手機的官方網站宣傳網頁，可得到攝像頭采用的圖像傳感器CMOS芯片像元尺寸a=1.4 μm，等效焦距f=26 mm。手機攝像頭的光學系統內剖示意圖如圖3所示，可見類似潛望鏡光路，26 mm的焦距并不是意味著鏡頭入瞳直接下穿到探測器感光面，而是垂直反射一次，將鏡頭組件在有限厚度內展開，有利于手機外觀尺寸的優化設計。

（四）? 計算手機太空拍照的指標參數

手機能否作為遙感載荷放到衛星上成像？單就可能性分析，教師可引導學生從太空環境特點、手機硬件構成、衛星傳輸與控制的簡單機理等多個工程層面，調動學生們潛在的研究積極性和無限的想象力，最后可以告訴學生們目前已經實現太空搭載手機的遙感衛星情況，此時又一次驅動學生們查閱該信息的真實性、準確性，進一步營造研究生課堂的科研氛圍。

若是將手機平放在距離地球表面高度H=550 km（常規低軌衛星高度）軌道位置，那么手機成像獲得地面圖片的采樣間隔d可通過下面公式計算獲得[10]

=。

通過公式計算可算出地面采樣間隔d=29.6 m，近似為30 m。

到此，我們引導學生們通過計算評估了自己的手機若是成為“遙感手機”所具備的成像能力。那么，進一步追問：地面分辨力30 m是什么概念呢？

一般來說，家用轎車長度接近5 m；集裝箱卡車含拖車總長約12 m；北京鼓樓南北長約33 m、東西長約56 m[11]……

如圖4所示，教師與同學們通過計算討論發現，地面分辨力30 m的“遙感手機”看不到普通汽車，北京鼓樓的輪廓在“遙感手機”上也只是成了兩個像素點而已，根本不能分辨出北京鼓樓（此處引導學生查閱與物體識別有關的判據文獻）。

通過對比汽車和鼓樓的成像分辨能力，教師可引導學生分析，如何在相機論證階段定性分析出相機應該具備的分辨力指標（針對特定的景物目標），然后確定相機光學系統的焦距參數。

（五）? 對比遙感相機與“遙感手機”

某遙感相機的圖像傳感器像元尺寸為7 μm，相機焦距3 850 mm，同樣在距離地球表面高度H=550 km（常規低軌衛星高度）軌道位置，能夠實現的地面分辨力為1 m。此時的遙感相機對地面家用轎車所成的像在長度方向至少能夠達到5個像素點，大大優于手機在相同太空條件下的成像能力。

下面對比某遙感相機與上述“遙感手機”的成像參數，見表1，其中GSD代表地面采樣間隔（Ground Sample Distance）。

表1? 某遙感相機與某“遙感手機”成像參數對比

回應第一步提出的問題，結合上述分析，引導學生形成初步概念性結論。通過對比，學生們會發現：雖然手機在生活中的成像能力很強，但放置到太空對地遙感的場景下，與專業的航天遙感相機對比，成像能力遠遠不夠。上述差異參數主要體現在像元尺寸大小、焦距上，然而作為老師，需要進一步引導學生探究：為什么會有這樣的差異？相機成像的光電原理、光學原理以及輻射學原理是什么？諸如此類問題，逐漸延伸知識的深度，構成問題驅動式教學的有效問題驅動鏈。

三? 教學效果與總結

在本門研究生課程的課堂教學中，以問題驅動式教學引入的案例超過20次（授課32學時）。針對平均46名學生的課堂（出勤率在93%以上），將學生分為六組，每當涉及問題驅動教學的時候，以小組為單位，每組獨立展開研究，遵循“提出問題、分析問題、解決問題、總結問題”的基本思路，組內可自由討論，組外與其他組或者與老師展開互動交流，加深對工程知識的理解，營造科研氛圍。

在課程即將結束前，一方面作為課程收尾作業，另一方面強化所學知識的框架性理解與工程化應用能力，教師組織六個小組對預先準備好的“航天遙感相機方案論證專題”進行論證競標模擬，以“小組互評+教師點評”相結合的考核方式集體討論各個論證方案的優缺點。當然，論證的深度遠遠不如工程專業的方案報告，只是針對課堂教學所涉及的常用遙感相機關鍵指標參數。通過簡單的相機方案論證，學生們不僅真正學到了數字成像技術的原理、過程以及工程指標參數，還體驗到了獨立進行科學研究的樂趣，收獲了團隊溝通與協作的友誼和情懷。

四? 結束語

伴隨著研究生課程的逐步深入，關于成像技術的教學知識還有很多。通過引入航天遙感的工程實踐，以問題驅動教學法引導學生從提出問題到分析解決問題，最后到對比得出結論的研究過程。在這個教學過程中，喚起興趣僅僅是個開始，后續的分組研討更能讓全體學生參與到工程問題的分析過程中，不僅大大提高了學生們課堂研討的效率，還有利于學生們建立類似航天相機研制的工程團隊配合意識。這種與工程實踐緊密結合的研討過程，與產教融合的初衷非常契合，在一定程度上增進研究生對航天遙感相機產業的認可度，值得在更多遙感領域進行產教融合的課程實踐探索。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.2022年國民經濟和社會發展統計公報[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s5147/202303/t20230301_1048

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[2] 國務院學位委員會、教育部關于印發《專業學位研究生教育發展方案（2020-2025）》的通知[EB/OL].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-10/01/content_5548870.htm.

[3] 教育部關于深入推進學術學位與專業學位研究生教育分類發展的意見[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A22/moe_826/202312/t20231218_1095043.html.

[4] 何建麗，董萬鵬，劉淑梅，等.新工科背景下產教融合深化協同育人探究[J].高教學刊，2024，10（2）：165-168.

[5] 朱為國，高榮，許兆美，等.基于產教融合的專業學位研究生“321”培養模式探索與實踐[J].高教學刊，2024，10（1）：160-163.

[6] 劉紀新，胡鳳菊，邵瑞影，等.產教融合下工科專業人才培養探索與實踐[J].教育信息化論壇，2022（2）：66-68.

[7] 尹鈺，李施，王鵬飛.新工科背景下人才創新能力培養探索——以光電信息科學與工程專業為例[J].高教學刊，2024，10（5）：149-152.

[8] 孟淑娟，張夢，王睿，等.基于PBL和雙語教學的研究性教學模式探索與實踐[J].高教學刊，2023，9（36）：45-48.

[9] BARROWS， HOWARD S. Problem-based learning in medicine and beyond：A brief overview[J].New Directions for Teaching and Learning，1996（68）：3-12.

[10] 薛旭成，傅瑤，韓誠山.TDI CCD相機的衛星姿態穩定度確定[J].中國光學，2013，6（5）：767-772.

[11] 北京鼓樓[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/北京鼓樓、鐘樓？fromModule=lemma search-box.

基金項目：國家自然科學基金“基于跨尺度宏微協同的超精密空間光機跟瞄儀”（62227812）；吉林大學研究生教育教學改革項目“以航天遙感為主題的儀器專業研究生教育產教融合培養模式研究”（2022JGY077）

第一作者簡介：王文華（1982-），男，漢族，山東泰安人，工學博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為光電成像與定量遙感。

*通信作者：張帆（1979-），男，漢族，遼寧錦州人，工學博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為空間相機光機結構/熱設計及仿真分析。