基于OBE理念的“遙感數(shù)字圖像處理”課程混合式教學改革與實踐

摘"要：傳統(tǒng)“遙感數(shù)字圖像處理”課程存在教學與創(chuàng)新實踐融合度不高、教學模式單一、課程內(nèi)容涉及前沿技術(shù)知識偏少、過程考核評價缺乏量化表達等痛點問題，為此，課程提出基于OBE理念的混合式課程教學創(chuàng)新改革。以創(chuàng)新實踐為牽引，重構(gòu)課程實踐的教學內(nèi)容，提升學生的Python編程實踐能力；以學生為主體，通過線上線下混合式教學模式，開展翻轉(zhuǎn)課堂活動，提升學生的參與度；將人工智能技術(shù)引入課堂教學，解決課程理論與先進技術(shù)脫節(jié)的問題；利用網(wǎng)絡(luò)信息平臺建立全面的考核體系，綜合評價學生的學習效果。本課程的創(chuàng)新改革通過智慧教室、分組討論、信息技術(shù)等方法有效提升了學生的課堂參與度，讓測繪類專業(yè)學生的創(chuàng)新實踐能力得到增強，改革措施的使用具有實際效果并具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：OBE教學理念；混合式教學策略；人工智能；遙感圖像處理

1"概述

隨著人工智能、虛擬仿真、大數(shù)據(jù)和云計算等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，測繪遙感學科專業(yè)課程的實踐與理論教學正面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)［12］。當前測繪遙感專業(yè)課程教學改革的關(guān)鍵是讓學生基于前沿科學技術(shù)，夯實理論基礎(chǔ)并通過實踐操作提升解決實際工程問題的能力，為國家的發(fā)展戰(zhàn)略培養(yǎng)具備科研創(chuàng)新能力的人才［3］。其中，以產(chǎn)出為本的教育（Outcome"Based"Education，OBE）是一種以學習成果為導向的新型教育理念，該理念以學生為中心，基于學生的學習成果對教學方法、教學內(nèi)容和教學過程進行持續(xù)改進與優(yōu)化，從而提升教學質(zhì)量［4］。OBE理念相比傳統(tǒng)的教學模式，更加關(guān)注學習方法和學習成果，是一種反向設(shè)計、正向?qū)嵤┑慕逃砟睿?7］。在OBE的教育理念下，教師需要明確學生課程學習結(jié)束后應(yīng)達到的各項目標，根據(jù)該目標設(shè)計對應(yīng)的教學模式、教學內(nèi)容、教學方法和評價模式［89］，這是當前專業(yè)課程教學改革的重要方向。

“遙感數(shù)字圖像處理”課程主要承擔培養(yǎng)學生遙感學科素養(yǎng)和技能的基本任務(wù)，是學生由遙感理論知識學習走向地物高效快速識別以及多源數(shù)據(jù)數(shù)字化融合處理等遙感應(yīng)用的重要依托，旨在掌握“遙感數(shù)字圖像處理”課程的知識架構(gòu)和經(jīng)典算法，培養(yǎng)學生能夠具備處理遙感圖像的技能，為學生后續(xù)從事遙感領(lǐng)域研究與應(yīng)用奠定重要的研究基礎(chǔ)［10］。該課程呈現(xiàn)算法理論復雜、內(nèi)容難度大、涉及前沿技術(shù)多、理論和實踐結(jié)合緊密等特點，在傳統(tǒng)的教學過程中，學生的課堂參與度較低，學習效果不理想，實踐與創(chuàng)新能力缺乏培養(yǎng)。為此，本文通過分析課程在傳統(tǒng)教學過程中存在的痛點問題，主要從教學實踐、教學模式、教學內(nèi)容與課程考核四個方面進行了改革與實踐，從而提升測繪遙感專業(yè)學生的課程學習效果，加強培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力，以適應(yīng)人工智能時代測繪行業(yè)的人才培養(yǎng)需求。

2"痛點問題

2.1"教學與創(chuàng)新實踐融合度不高，缺乏與課程內(nèi)容匹配的編程實驗

測繪遙感專業(yè)學生學習計算機語言的時間有限，由于缺少與課程教學內(nèi)容匹配的Python編程實驗，學生的編程實踐能力缺乏鍛煉，學生的實踐能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)不足。

2.2"課程理論涉及的算法公式復雜，單一教學模式導致學生理解困難

課程理論涵蓋較多的復雜公式與算法，公式的獲得缺乏底層的數(shù)學推演過程，單一的教學模式導致學生對公式與算法性質(zhì)理解不深入。

2.3"課程內(nèi)容與科技發(fā)展節(jié)奏脫節(jié)，涉及前沿人工智能方法的知識偏少

課程內(nèi)容缺乏與人工智能相關(guān)前沿算法與案例的引入，難以支撐與人工智能和地理空間大數(shù)據(jù)相關(guān)主題的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動。

2.4"課程考核方式單一，過程考核評價缺乏量化表達

學生考核成績主要由平時成績與期末考試成績兩部分組成，過程考核評價方法缺乏量化表達，評分機制的合理性與科學性存在不足。

3"教學改革設(shè)計與對策

基于OBE理念的“遙感數(shù)字圖像處理”混合式教學改革設(shè)計與思路如圖1所示，課程依據(jù)教學目標設(shè)計教學方法，開展線上/線下學習活動，并進行多元化的教學評價。借助超星學習通平臺，課前教師布置任務(wù)讓學生線上自主學習；課中教師開展互動式課堂教學；課后教師布置在線教學任務(wù)，促使學生進行復習鞏固及拓展學習。綜合采用問題驅(qū)動、案例分析、編程實踐等多種教學方法，提升教學效果。

基于OBE理念的“遙感數(shù)字圖像處理”教學改革設(shè)計與思路圖

3.1"基于OBE理念優(yōu)化教學目標

基于OBE的教學理念，本文優(yōu)化了課程的教學目標，具體內(nèi)容如下。

（1）知識目標：掌握遙感數(shù)字圖像處理算法的概念與原理，理解算法的數(shù)學公式與性質(zhì)，掌握算法的作用與效果。

（2）能力目標：能夠利用數(shù)學思維分析算法，將數(shù)學性質(zhì)推廣到遙感數(shù)字圖像處理領(lǐng)域；能夠結(jié)合知識理論與編程實踐，完成遙感圖像處理任務(wù)。

（3）素質(zhì)目標：培養(yǎng)學生解決遙感數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的工程應(yīng)用問題的能力，并具有一定的創(chuàng)新思維；使學生了解中國科技文化發(fā)展現(xiàn)狀，將所學所用與國家科技戰(zhàn)略發(fā)展建立關(guān)聯(lián)。

3.2"針對痛點問題實施的教學改革對策

3.2.1"構(gòu)建Python編程引領(lǐng)實踐教學的新模式

基于Python語言簡單易學的特點，構(gòu)建了編程實踐引領(lǐng)教學的新模式，學生采用編程語言實現(xiàn)基本算法，提高學生的編程實踐能力；以科技前沿實踐案例和師生研討合作為切入點，降低實踐教學活動中教師與學生的角色區(qū)分度，強化學生的自主探索能力；以學院實驗室平臺為支撐，以學生編程實踐能力的提高為成效評價，構(gòu)建了協(xié)同推進的教學模式，改變傳統(tǒng)教學方法僅對理論知識進行考核的模式，加入上機實踐考核，全面評價學生的學習效果。

3.2.2"構(gòu)建逐層深入的“線上+線下”混合式教學模式

堅持“以學生為中心”的教學理念，利用在線教學平臺與資源，構(gòu)建了逐層深入的專業(yè)課程混合式教學模式，“線上預習”與“線下研討”相互配合、互為補充。布置課程線上學習資源讓學生完成課程預習，并預留實際問題進行深入思考，引導學生復習與梳理課程相關(guān)數(shù)學知識點，幫助學生在線下學習過程快速理解算法的公式表達與推導；課堂教學時，根據(jù)學生的預習情況，教師有針對性地在課堂上深入引導學生理解難點知識，啟發(fā)學生根據(jù)數(shù)學公式的性質(zhì)，推導出對應(yīng)算法的性質(zhì)，加深學生對算法性能的理解；線下教學過程中，學生通過編程實驗自主探索并驗證預習的理論知識，強化“虛實結(jié)合”的線下互動教學；針對預留的科學問題，組織學生分組研討，開展翻轉(zhuǎn)課堂活動，并演示研討成果，激發(fā)學生探索學習知識的內(nèi)驅(qū)力與主觀能動性。教學過程與方法如表2所示。

3.2.3"引入覆蓋人工智能與大數(shù)據(jù)前沿技術(shù)的教學內(nèi)容

通過引入優(yōu)質(zhì)的前沿科研成果和應(yīng)用案例，讓學生更多地了解人工智能技術(shù)在遙感圖像處理的前沿應(yīng)用。綜合國內(nèi)外優(yōu)秀的數(shù)字圖像處理教材與資源，進一步優(yōu)化各章節(jié)的教學內(nèi)容，適度提升課程的廣度與深度。在課程中加入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)分析等作為教學內(nèi)容，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卷積運算的基本原理；應(yīng)用于遙感圖像分類、目標識別、變化檢測等任務(wù)的不同類型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；遙感大數(shù)據(jù)分析與挖掘的基本概念；多源遙感數(shù)據(jù)融合的基本方法以及應(yīng)用案例等。在課程實習實踐環(huán)節(jié)中，設(shè)置面向遙感應(yīng)用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遙感大數(shù)據(jù)挖掘的上機實驗，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可視化案例讓學生直觀理解抽象算法。

3.2.4"構(gòu)建多元化的考核評價體系

增加線上學習效果的考核方式，優(yōu)化和調(diào)整線下考核方式的比值與權(quán)重，將兩者有機結(jié)合，使其能夠更好地促進學生自主學習、更好地評價與反映學生的學習效果。構(gòu)建基于多目標（素質(zhì)目標、能力目標和知識目標）、多方式（結(jié)合實踐操作評價與試卷評價、結(jié)合結(jié)果評價與過程評價）、多主體（教師評價與學生互評）的多元考核評價體系，優(yōu)化后的考核方式如表3所示。

4"課程教學改革效果

4.1"學生學習效果全面提升

該課程教學改革反響熱烈，網(wǎng)上評教結(jié)果位列專業(yè)必修課前茅，獲得了學校教學督導組的好評。學生們在討論環(huán)節(jié)各抒己見、暢所欲言，充分表達了自己對知識的理解，提升了課堂參與度。通過優(yōu)化上機實踐課程，學生的Python編程能力得到大幅度提升。

4.2"學生創(chuàng)新實踐能力明顯提升

通過在課程中引入深度學習技術(shù)的基礎(chǔ)知識，學生具備了基本的人工智能遙感數(shù)字圖像處理實踐技能。我院學生參加人工智能主題的科研活動和學科競賽的數(shù)量與質(zhì)量顯著提升，本科生獲批校級以上大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的數(shù)量不斷增加，與遙感數(shù)字圖像處理相關(guān)的科技論文、專利、軟件著作權(quán)等科研成果數(shù)量也在逐年增長，學生的創(chuàng)新實踐能力顯著提高。

4.3"解決遙感圖像實際應(yīng)用工程問題的能力明顯提升

通過在課程中增加人工智能與大數(shù)據(jù)前沿技術(shù)應(yīng)用案例，學生利用人工智能技術(shù)解決遙感應(yīng)用實際問題的創(chuàng)新實踐能力明顯增強。例如，針對河北省石家莊市長安區(qū)典型地物變化監(jiān)測的實際遙感應(yīng)用工程問題，學生能夠讀懂卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)論文并總結(jié)變化監(jiān)測的最新研究進展，能夠設(shè)計遙感圖像變化檢測的算法與方案，提出集成視覺變壓器的城市典型地物變化檢測方法，最終在航天宏圖舉辦的PIE二次開發(fā)競賽中獲得獎項。

結(jié)語

為提升“遙感數(shù)字圖像處理”課程的教學質(zhì)量，本文基于OBE教學理念探索出了“以學生為中心、以產(chǎn)出為導向”的混合式教學改革，通過構(gòu)建Python編程引領(lǐng)實踐教學的新模式，構(gòu)建逐層深入的“線上+線下”混合式教學模式，引入覆蓋人工智能與大數(shù)據(jù)前沿技術(shù)的教學內(nèi)容，構(gòu)建多元化的考核評價體系等舉措，學生在課堂學習效果、創(chuàng)新實踐能力、解決實際遙感工程問題等方面取得了一定學習成效。日后，該課程將繼續(xù)堅持以立德樹人為本，以學生為中心，穩(wěn)固完善課程建設(shè)，為培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型工科人才而努力。

參考文獻：

［1］史彩娟，李偉，劉利平，等.人工智能時代數(shù)字圖像處理與分析研究生課程教學改革探討［J］.中國教育技術(shù)裝備，2021（2）：100101+104.

［2］邵振峰，李德仁，胡濱，等.遙感前沿科研反哺本科課程教學改革模式探討［J］.測繪地理信息，2021，46（5）：172175.

［3］張成業(yè)，李軍，袁德寶，等.人工智能與大數(shù)據(jù)時代的“遙感數(shù)字圖像處理”教學內(nèi)容改革探討［J］.北京測繪，2020，34（6）：876880.

［4］張浩，李文梅，崔斌.基于OBE教學理念的微波遙感原理課程教學改革探討［J］.測繪通報，2024（S1）：308311.

［5］徐永明，祝善友.“遙感數(shù)字圖像處理”課程實踐教學改革與探索［J］.地理空間信息，2022，20（8）：155157.

［6］鐘鳳媛，宋超，王澤根.基于螺旋式模型思想的實驗教學改革：以遙感圖像處理課程設(shè)計實驗課教學為例［J］.中國教育技術(shù)裝備，2020（1）：102103.

［7］李鵬，李振洪，王厚杰，等.地球大數(shù)據(jù)背景下遙感地質(zhì)學課程體系構(gòu)建與教學內(nèi)容改革探索［J］.測繪與空間地理信息，2020，43（11）：47.

［8］曹艷萍，王增艷，苗書玲.“遙感地學分析與應(yīng)用”課程教學改革與實踐［J］.計算機時代，2020（9）：99102.

［9］袁媛，李文梅，陳一祥，等.面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的“遙感圖像處理”課程教學改革初探［J］.教育現(xiàn)代化，2019，6（53）：6466.

［10］艾金泉，田申，楊玉成，等.基于OBE理念的“遙感軟件應(yīng)用”課程教學改革與實踐［J］.科教導刊，2023（26）：118120.

基金項目：南京工業(yè)大學校級教改課題，人工智能技術(shù)引領(lǐng)的遙感數(shù)字圖像處理課程理論與實踐教學改革（項目編號：20230076）

作者簡介：莫楠（1991—"），女，漢族，遼寧鞍山人，博士研究生，講師，研究方向：遙感圖像智能處理。