国家精品课程“遥感原理与应用”创新教学实践

方圣辉，张 熠，潘 励

(武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉430079)

一、引 言

全面提高高等教育质量，大力提升人才培养水平，是国家中长期教育规划纲要的核心思想，为贯彻落实规划纲要要求，武汉大学从2010年开始全面实施《本科创新人才培养发展规划—武大课程2010》。所谓创新教学模式，即在传统的理论教学或实践教学基础上，采用更加注重发挥学生主体的能动作用的教学方式，让学生主动思考、主动探索、主动实践。围绕着创新人才培养发展规划，学校老师正积极参与和实践着教学改革［1］。“遥感原理与应用”作为第一批国家级精品课程和遥感科学与技术本科专业的主干课程，在教学中采取了创新教学模式的教学实践，并在4年的实践中取得了较好的效果。从内容上看，“遥感原理与应用”课程有遥感物理基础，卫星轨道、传感器成像，辐射处理、几何处理、遥感影像自动分类和遥感技术应用等内容。根据遥感学科的特点，在课堂教学中具体的创新实践做法包括:紧跟遥感技术的发展，拓宽学生视野;引导学生自主学习，培养学生学习能力;加强实验教学环节，提高学生实践能力;注重理论联系实际，引导学生进行大学生创新课题申报，激发学生创新能力，如图1所示。这些实践改革使得学生能够紧跟国家空间信息基础设施建设的步伐，具有遥感学科的相关知识自主学习能力，并具备空间信息获取、处理、分析、应用的实践和创新能力，从而为国家遥感事业的发展提供优秀的人才储备。

二、紧跟遥感技术的发展，拓宽学生视野

“遥感原理与应用”是一门现势性、发展性很强的课程，它与国内外卫星遥感技术的发展密切相关。进入新世纪以来，美国、日本和欧盟等发达国家相继发射搭载有新型传感器的不同卫星和飞船，并且随着中国高分辨率对地观测计划重大专项的建设，我国也相继发射了系列资源卫星、海洋卫星、气象卫星等。从美国的landsat7、QuickBird、MODIS，法国的SPOT6，加拿大的RADARSAT，意大利的COSMO以及我国的资源三号等来看，现代遥感技术已经进入一个能动态、快速、多平台、多时相、高分辨率地提供对地观测数据的新阶段［2］。掌握这些最新遥感技术动态将有利于大大拓展学生视野，开拓学生的思路，使学生体会到遥感技术应用的巨大前景和价值，从而以更高的积极性和热情投入到遥感领域中去。为此，在课堂教学时结合教材的传感器及其成像特点的内容，课程组重点介绍了我国测绘卫星的特点，展示卫星获取的图像及利用卫星数据制作的各种测绘产品、专题产品等。例如近几年，新闻媒体先后对嫦娥系列和神舟系列等发射进行了直播，使学生了解到嫦娥一号先从绕地球飞行，逐渐变轨后再脱离地球飞向月球，然后绕月球变轨，最后绕月球平稳飞行并获取月球表面数据。而嫦娥二号的发射直接从地球飞向月球，然后再绕月球变轨，最后绕月球平稳飞行并获取月球表面数据。课程组结合教材的遥感平台及其运行特点的内容，分析嫦娥一号和二号轨道特点和关键技术，并围绕着我国嫦娥国际首创关键点，分析了嫦娥一号用紫外姿态测量技术测量卫星姿态的原理和利用卫星姿态等参数进行月球表面三维建立的关键技术;同时也比较了嫦娥一号与美国和日本等国家发射的月球卫星的区别，指出了嫦娥一号在有些技术方面还有待于进一步提高。再如在讲解传感器原理和发展方向时，结合科研经验，介绍了传感器方面的国际最新进展，分析了我国目前在传感器方面的实际水平，用不同的传感器图像直观地展现了我国与国际先进水平之间的差距。另外在讲解遥感物理基础方面，指出遥感是交叉学科，它与计算机科学、环境学、光学、数学等密切相关，强调基础学科的重要性，分析了我国在遥感基础研究方面存在严重的不足，在物体的特性研究、大气传输特性研究等方面与美国等发达国家有很大的距离。在微波遥感的讲解中，指出微波遥感技术是当前国际遥感技术发展重点之一，其全天候性、穿透性和纹理特性是其他遥感方法不具备的，利用这些特性对解决我国海况检测，恶劣气候条件下的灾害监测，冰雪覆盖区、云雾覆盖区、松散层掩盖区及国土资源勘查都将具有重大作用，多极化技术、多波段技术和多工作模式是其当前方向发展。通过以上系列的分析对比，使学生了解国内外遥感技术的最新发展，拓宽了视野;同时也指出了我国与先进国家存在的差距，大大提高了学生的学习热情。

图1 国家精品课程“遥感原理与应用”教学创新实践内容

三、引导学生自主学习，培养学生学习能力

教育家叶圣陶说过:“教是为了不教”。这不仅适用于教书，也适用于育人［3］。教书应注意培养学生自学能力，特别是遥感科学，涉及空间科学、信息科学、地球科学、电子科学及计算机科学等众多学科的融合，只有充分发挥学生的自主自动学习能力，才能广泛获取相关学科知识，补充课堂学习的不足。

为传授自学方法，课程组采用以下方法:第一，思考题和教材同步下发，培养学生带着问题读书的意识，要求学生分析、判断、归纳问题。本课程组在开始的一节课上，概要介绍课程的主要内容、重点、难点及和相关课程的关系，让学生了解所学的课程在专业课中的位置，每章讲课开始之前把本章的思考题发给大家，让学生带着问题学习。在回答问题中要求学生能从多角度、多方面去寻求多样性的答案，从而激发学生的学习兴趣和热情。例如，在回答资源遥感卫星轨道有哪些特征时，一般的答案是指近圆型轨道、近极地轨道、与太阳同步轨道和可重复观测轨道。然而，有的同学回答近极地轨道的特征不是必须的，由于近极地轨道的目的是为了增大卫星的观测面积，它同时带来的负面影响即重复周期变大，如果某颗卫星对时间分辨率要求很高，则可以不采用近极地轨道。在点评中，首先肯定同学的回答，然后解释近极地轨道可以增加重复周期的原理等。事实上，世界上有极少数卫星为了增加卫星的重复周期不采用通常使用的近极地轨道。第二，注重师生之间互动，使用多种教学方法提高学生学习能力。在教学方法上，要经常走下讲台了解学生学习中存在的问题，加强与学生的互动，收集每位学生提出教授该课程拟采取的方法，老师要综合考虑到多数学生建议的教学方法。在课堂教学时用肢体语言和教具加强学生的印象，例如，在解释扫描式传感器成像特点时，老师拿一个扫帚在教室从前向后扫地，扫帚摆动的速度和人前进的速度要配合好才能达到高效，如果配合不好就可能出现漏扫和效率不高的情况等。再如，讲到影像变化检测时，在第一节课对教室照一张像，第二节课再照一张，把两张照片投影到屏幕上，让学生找出变化的地方即教室里两节课学生人员的变化。针对两张照片，讲解影像变化检测的原理和方法，分析可能影响变化检测的各种因素。第三，采用以教师为主导，学生为主体的教学模式，允许学生在有准备的情况下上讲台交流知识点。在布置课后作业方面，注重学生完成作业的质量，作业题大部分以开放式给出，要求学生思考并查找相关资料后才能完成，学生对布置的作业可以任选一题或几题进行解答，但解答时必须有自己的思路。对主要的思考题安排学生先做准备再在讲台上进行讲解，然后和大家一起讨论，激发同学翻阅课外资料进行自主学习的热情。从课堂教学、课后作业、课间实习和课程考试等方面加强学生自主学习的能力和积极性，逐步引导学生自主学习。例如:课程组在完成遥感图像几何处理的教学后组织了一次教学尝试，并邀请了学校和学院教学督导团的老师进行观摩和指导。在那次课堂上，有7名同学分别对7个不同题目根据自己的理解进行讲解，在学生讲解后，其余同学从不同侧面还给出不同的理解和看法等，最后，老师对学生提出的问题和理解进行适当的点评，这样的教学可以发挥学生学习的热情和主动性。通过这些方法，使得学生不再仅仅成为教学组织过程中的受众者，更是参与者、组织者。在老师的监督和策划下，学生参与教学过程，自主提出问题，针对自己的问题尝试解决办法，这种做法大大提高了学生的参与感，并能够在更广阔的自主学习天地发挥作用。

四、加强实验教学环节，提高学生实践能力

遥感是一门科学，也是一门工程，需要掌握基本的工程实践技能，因此大量实习课程的设置是遥感学科教育区别于其他学科的一个重要特色。在“遥感原理与应用”精品课程中，共进行了4次课堂实习，其中包括地物光谱测量实习、遥感图像辐射处理、遥感图像几何处理和遥感图像自动分类等，这些实验教学环节成为学生提高实践能力的重要条件。

在实际操作过程中，学生对出现的问题进行思考和交流，能够获得许多书本无法获取的知识。例如，在地物光谱测量的实验中，学生不仅仅为了测量出不同物体的光谱曲线，还根据测量中遇到的问题和学到的技巧，分析了影响物体光谱特性的不同因素。有些学生提出了对物体进行分离的波段选择;有些学生对地物光谱特征曲线所代表的意义进行了分析，提出了利用同种物体不同光谱可以揭示出物体存在变异的想法等。再如在进行几何处理的课间实习中，有的学生发现在选取控制点时，如果采用一次多项式进行纠正，在选好了3个点，再选第4个点时，计算机自动找到同名点，但计算机自动找到的同名点存在误差，如果人工移动点到正确的点位，就发现以前选择的点都存在误差值;还有的学生发现选择的同名点分布不同、点位偏移等一些问题。针对这些问题，老师要结合几何纠正模型和平差理论给予一一解答。在整个实习过程中，学生感到最困难的是控制点的寻找问题，能否让计算机自动寻找控制点的问题一提出，有些学生即根据数字图像处理和模式识别的相关知识，设计了一套计算机自动寻找控制点的方案，老师详细分析了方案的每一步，包括有些步骤还存在不足，甚至有些现在还不可行、有些知识现在还没学到，要告诉学生目前的每一步还存在的困难，让学生自己去思考。再如在遥感影像自动分类实验中，首先把武汉地区的TM影像分发给大家，同学们自由组合4～5人一个小组，每个小组自己安排时间到实验室进行分类实验，实验室为学生们准备了不同的分类软件(如PCI、EDARS和EVEN等)，学生根据不同软件的教学指导书自己学习操作流程;然后，每个小组要把实验中得出的结果和发现的问题准备3 min的报告在课堂上展示，学生在展示成果和出现的问题时可以互相讨论学习，老师做一定程度的点评。通过以上的实验，学生反映他们不仅对分类原理有了更深的理解，同时对分类的方法和策略掌握得更加全面。总之，实践教学对培养学生的实践能力有着理论教学不可替代的特殊作用，是创新人才培养过程中贯穿始终的、不可或缺的重要组成部分。通过几年的实践，学生的实践能力得到了提高、表达能力得到了锻炼。

五、注重理论联系实际，培养学生创新能力

目前遥感科学技术的发展对学生的创新能力提出了很高要求，这与教育部提出的“卓越工程师”的培养计划相吻合［4］。遥感学科作为应用型本科专业，应当不断强化核心课程的教学改革，将学生的实践能力和创新意识培养作为探索的方向。

为此，根据“遥感原理与应用”的应用型课程的特点，在教学中应注重理论联系实际，将教材内容与实际的应用联系在一起，从而激发学生的创新意识和创新能力。例如结合遥感的几何纠正原理，采用一幅武汉地区的有几何误差的遥感影像，学生可以将影像与实际情况进行对比，发现误差并进行几何处理，然后将处理后的影像再与实际的进行对比，在整个过程中，学生增强了动手能力，也增强了实验的直观效果。再如，众所周知，遥感影像几何处理通常是需要控制点的，而对缺乏控制点的月球影像进行几何处理时，应利用嫦娥得到的月球图像，课堂上讲解利用嫦娥的姿态、坐标等采用空间前方交会的原理进行解算，为了提高解算精度，必须有很高的坐标、卫星姿态精度和合适的处理方法等。

针对国家热点事件，介绍遥感技术在不同领域的应用，激发同学的创新热情。例如介绍遥感技术在汶川地震中的应用时，提到现代遥感技术能够大范围获取城镇房屋、建筑物、农作物、水电站、供水供气部门等重要设施破坏信息，能够精确地判读公路、铁路、飞机航道等交通的受损情况，帮助决策部门制定救援计划，还能准确确定水系和河道阻塞状况，检测预报滑坡、泥石流和堰塞湖等次生灾害［5］。有了这些实际应用例子，学生在对待课程中的实习时思路更加活跃，想法也更加开阔。近几年有的同学已经进行了创新实践，其中有两组学生成功获得国家级大学生科研项目的资助，分别为“航空影像上水体自动提取的方法研究”和“利用激光快速进行三维建模方法研究”。

关注身边的遥感，让学生知道遥感技术可以为国民经济和社会发展提供技术服务，课程组介绍了谷歌地图、天地图、天气预报、环境监测、农作物估产、森林监测、水污染监测等应用实例。在课堂上用不同时间、不同分辨率和不同传感器的实际遥感影像给学生讲解1998年长江流域和松花江流域的洪水发生、发展和灾后评估的具体方法和步骤，激发学生学习遥感利用遥感的潜力。在此引导下，有学生以《遥感和GIS结合分析方法研究武汉城市热岛与水体的关系》《遥感技术在沙尘暴监测中应用》和《遥感技术在海洋赤潮成因分析中的应用》为课题得到了国家级大学生科研项目的资助，提出了许多创新思路，展现了学生的巨大创新潜力。

六、结束语

遥感学科教育创新人才的培养是一个复杂的系统工程，也是国家、社会、学校和个人共同承担的一个长期效益工程［6］。“遥感原理与应用”国家精品课程在教学实践中，不断促进教学和实践改革，拓宽学生视野，推进自主学习能力培养，重视实践教学效果，采用多种手段理论联系实际培养学生的创新能力。通过这些实践使得学生在毕业走向和用人单位的反馈中取得了良好的反馈意见，为我国遥感事业的发展作出了贡献。

［1］ 陈江平，潘励，单杰．浅谈地理国情监测技术专业课程体系建设［J］．测绘通报，2013(10):125-128．

［2］ 常艳，吴桂生．浅谈遥感新技术及其发展动态［J］．微计算机信息，2006，22(1):1-15．

［3］ 侯建军，佟景才，鞠颂东，等．引导学生自主学习促进学改教改互动［J］．中国高教研究，2004(1):90-91．

［4］ 刘旭辉，李芳，吴雁，等．应用型本科院校大学生创新能力培养模式探索［J］．中国电力教育，2013(19):33-34．

［5］ 许亚平．从汶川地震看遥感技术在突发自然灾害中的应用［J］．贵州地质，2008，25(4):306-310．

［6］ 李华，蒋华林．研究型大学创新性人才培养的实践探索［J］．高等工程教育研究，2006(4):46-52．