基于产出导向的遥感科学与技术专业实践教学体系构建

王 玥, 赵 旎, 潘 励, 潘 斌, 高卫松

(1. 武汉大学 遥感信息工程学院, 湖北 武汉 430079； 2. 武汉大学 实验室与设备管理处, 湖北 武汉 430072)



基于产出导向的遥感科学与技术专业实践教学体系构建

王 玥1, 赵 旎2, 潘 励1, 潘 斌1, 高卫松1

(1. 武汉大学 遥感信息工程学院, 湖北 武汉 430079； 2. 武汉大学 实验室与设备管理处, 湖北 武汉 430072)

产出导向是工程教育认证的核心理念。以遥感科学与技术专业的培养目标和毕业要求为出发点,构建了实践教学体系的目标体系,结合目标体系的实现构建了反映现代遥感与地理信息学科特点的“分阶段、多层次、广关联、全方位”的实践教学内容体系,从提高实践教学师资水平、加强科研反哺实验教学、构建虚实结合的开放式实验教学环境等方面构建了实践教学保障体系。

产出导向； 工程教育认证； 实践教学体系

目前,正在各高校进行的高等工程教育专业认证是继本科教学评估和质量工程后高校关注的焦点工作[1]。在工程教育认证中,专业培养标准被称为“学生产出”或“毕业要求”,是保证培养目标实现的关键。由中国工程教育专业认证协会制定的工程教育认证标准(2015版)中提出的12条通用标准,均以“学生的能力培养”为核心[2-3]。能力是在学习知识和训练技能中逐步形成的,因此实践教学是培养学生实践能力和创新能力的“切入点”[4],为了使实践教学体系能够有效地支撑培养目标和毕业要求的实现,就应该基于产出导向对原有的课程体系进行改革重组[5-7]。面向我国测绘地理信息发展的人才需求,本文以遥感科学与技术专业的培养目标和毕业要求为出发点,构建了实践教学体系的目标体系,又结合目标体系的实现构建了反映现代遥感与地理信息学科特点的“分阶段、多层次、广关联、全方位”的实践教学内容体系,从提高实践教学师资水平、加强科研反哺实验教学、构建虚实结合的开放式实验教学环境等方面构建了实践教学保障体系。

1 实践教学目标体系

“遥感科学与技术”本科专业是由我校遥感信息工程学院于2002年首先在全国申请创办的,经过多年的发展,已被评为“211工程”重点建设学科、国家特色专业和湖北省品牌专业。依托于学科优势,学院树立了“面向国家空间信息基础设施建设的需要,培养掌握遥感科学基本理论、方法和技术,具有空间信息获取、处理、分析和应用专业知识和技能的跨学科复合型高级技术应用人才”[8]的培养目标,并努力加强学生学科群基础,促进相关学科交叉融合,提高地球空间信息科学教学质量。

面向我国测绘地理信息发展的人才需求,以工程专业认证为标准[9],学院参与制定了《测绘类专业本科教学质量国家标准》,同时起草制定了《遥感科学与技术专业补充标准》,并遵循遥感学科的实践教学规律和人才成长规律,制定了基于产出导向的实践教学人才培养标准,通过实践教学使学生:

(1) 具有良好的科学素养和社会责任感,能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范,履行责任；

(2) 掌握本专业所需的工程基础,包括空间科学、地球科学、测绘科学和计算机应用的基本知识和技能；

(3) 具有扎实基础理论和专门知识,初步具备分析解决工程实际问题以及进行新技术研发和工程设计的能力；

(4) 具有较强的项目组织管理与执行能力、语言表达、沟通能力和团队合作意识；

(5) 具有较强的自学能力,能与时俱进地学习,紧跟遥感与地理信息学科和专业发展。

2 实践教学内容体系

遥感科学与技术是在空间科学、地球科学、测绘科学、计算机科学及其他学科交叉渗透、相互融合的基础上发展起来的一门新兴学科[10],其课程设置包含5大类课程,即数学与自然科学类、工程基础类、专业基础类、专业类、人文社会科学类。实践教学与理论教学既有机结合又相对独立,紧紧围绕遥感与地理信息数据获取、分析与处理、表达与应用体系的各个环节,形成反映现代遥感与地理信息学科特点的“分阶段、多层次、广关联、全方位”的实践教学内容体系,见图1。

图1 实践教学体系结构图

实践教学内容由空间科学、信息科学、地球科学、光电科学、计算机课学等5大学科群组成,在实践教学中,以遥感科学与技术、理论、方法和应用为主线构建一个多学科关联的实验网络,按专业基础实验、专业综合实验、科研探索设计实验、自主创新应用实验4个层次开设实验项目,按由浅入深、循序渐进的认知规律组织实习。

2.1 专业基础实验

专业基础实验注重培养学生掌握遥感与地理信息所需的工程科学基础,具备基本工程理论素养和基础操作技能。开设了“测量学课程实验”“GPS测量与数据处理实验”“数字图像处理课程实验”“空间数据误差处理实验”“Matlab应用实验”“数据结构实验”“走进遥感世界——遥感技术系列实验”等课程, 并且要求学科基础课在课堂教学的同时必须开设一定比例的专业基础实验,所涉及的基本概念、基本原理、基本方法及作为工程技术专业人才必须掌握的基本技能,贯穿于具体的实习环节。

“走进遥感世界——遥感技术系列实验”以遥感通用及核心应用技术为主线,设计不同板块的实验项目,包括“揭开遥感的神秘面纱”“空间的探索”“找到自己的家”“寻找古文明”“制定旅游路线”“天气预报为何经常不准”“立体测图体验”“实景逛街”“遥感卫星仿真”等内容,通过不同的实践教学环节展示遥感在生产、生活中的应用及其科学性、趣味性,使学生在较短的时间内了解遥感技术原理,建立遥感技术在不同专业领域的应用概念和逻辑,激发学生的学习、创新欲望。

2.2 专业综合实验

专业综合实验注重培养学生能够熟练操作与遥感信息处理、摄影测量三维信息提取和地理信息工程相关的常用商业软件系统,初步具备分析解决工程实际问题的能力。专门开设针对学科专业课中有提高性内容、或者是多门课程理论知识与多种实验技术综合应用的实验或实践内容,包括设置了“遥感原理与应用课程设计”“遥感图像解译课程综合实习”“摄影测量原理综合实习”“微波遥感课程综合实习”“摄影测量基础课程设计”“时空数据库课程实验”“地表覆盖与土地利用课程实验”“GIS原理综合实习”“地理国情模拟与可视化课程实习”等实习课程。这部分实验主要安排在大学一、二年级。

“遥感原理与应用课程设计”内容分为2部分:第一部分是软件使用部分,使学生全面深入掌握ERDAS软件的使用，并且通过遥感专业软件的熟练应用,加深理解和巩固理论课上所学的有关遥感的基本原理、遥感传感器的成像机理、遥感图像的处理方法、专题信息提取以及遥感综合应用技术；第二部分为自主程序设计部分,要求学生通过用VC等高级语言编写遥感图像处理的一些常用算法程序,巩固和掌握遥感图像处理的算法原理与程序设计,提高动手能力,并通过实际编程了解遥感图像处理软件实现的基本方法,为进一步学习数字摄影测量、遥感和地理信息系统等专业课程以及应用图像处理解决实际问题奠定基础[11]。

2.3 科研探索设计实验

科研探索设计实验注重培养学生能够解决遥感信息处理与应用、摄影测量三维信息提取和地理信息管理与应用等相关的系统开发与设计中的问题,具备较强的创新意识和进行系统开发和集成的初步能力。设置了“GIS工程设计开发综合实习”“计算机图形学课程设计”“数字摄影测量课程设计”“网络GIS程序设计实习”“遥感应用模型实习” 等课程,这部分课程主要安排在大学三、四年级,实验项目多由教师科研成果转化而来,使科研、教学双向支持力度得到加强。

“GIS工程设计开发综合实习”是以地理信息系统原理、网络GIS、GIS工程技术等课程为理论基础,以GIS程序设计和编程语言为前导课程的面向GIS应用的综合开发实践课程。实习课程从开设之初就坚持以理论和方法为指导,综合应用GIS专业知识实现综合性的设计、开发和系统实现。课程开设至今,伴随着软件系统的进步、算法语言的升级,实习的基本要求和采用的软件平台都在逐步完善和升级。考虑到GIS应用系统的开发与软件技术、计算机系统的发展密切相关,在认真分析GIS应用市场对技术开发的基本需求的基础上,课程较为科学地进行实习平台的选择和实习内容的设置和更新。采用的开发语言由最初的VB.net更新为C#；采用的开发环境从Visual Studio 2005升级到Visual Studio 2008,再到Visual Studio 2010；采用的GIS二次开发平台经历了从ArcEngine 9.2到ArcEngine 9.3,再到现在的ArcEngine 10.1,始终把握软件平台和GIS开发的技术发展趋势[12]。

2.4 自主创新应用实验

自主创新应用实验主要是从科研成果和企业工程中提炼出来的实验项目。这些实验内容在知识体系、实验方法和实验技术方面具有较高的要求,目的是将优秀学生引入学科前沿,激发科学研究兴趣,培养研究探索和创新能力。实验教学形式较为灵活,不受课时限制,除课程实验外,相关科研团队、学生工作办紧密配合,积极引导学生课余参与教师的科研课题、假期的校外科研基地和企业实习基地实践活动、大学生创新基金项目、毕业论文和各种学科竞赛等,自主开展实验实践活动。

3 实践教学质量保障体系

3.1 教学科研融为一体的实验教学队伍

实验教学与管理队伍是专业人才培养方案中关键的设计者、组织者和实施者,直接影响人才培养的质量。以高素质人才的培养质量为切入点,积极开展实验队伍建设,为实验教学的顺利开展提供了保障。长期以来,学院的实验教学队伍除了在遥感与地理信息实验教学方面不断总结经验、提高教学水平外,在遥感学科研究方面,其水平也在国内名列前茅,承担了大量的科研和社会服务项目。这既有利于实验教学人员提高自身的业务水平,还可从科研和服务项目中提炼合适的实验范例,充实教学的内容,促进了实验教学与科研、工程和社会应用实践的结合。

3.2 紧密结合工程实际的能力培养模式

建立教学科研互动、科研反哺教学的机制,为实验教学质量的提升提供了保障。采取补充更新教学案例库、毕业设计选题向科研团队倾斜、吸收本科生参与教师的科研课题、引进国外先进实验室实验训练项目、鼓励实验室专兼职教师和实验技术人员广泛参与国际学术交流等方式,积极将最新学科前沿技术和实验教学方法融入实验教学内容,开发设计综合性、创新性实验,让学生接触到学科的最新技术,启发学生的创新性思维,提高学生参与实验的积极性和兴趣,在实验教学中培养创新能力和动手能力。

在不同的实验教学项目中可以采用不同的教学方式,使学生在提高实践能力的同时,尽早建立工程概念和学以致用的思维方式。例如在科研探索设计实验、自主创新应用实验中重点实行以学生为本的基于问题、项目、案例的互动式、探讨式教学方式和自主、合作、探究的学习方式。在专业基础实验、专业综合实验中,注重遥感学科基础与前沿、经典与现代相结合,通过参观摄影测量仪器博物馆、遥感光谱野外测量、遥感图像野外调绘解译等方式,将虚拟仿真与真实操作体验相结合,注重学生基本工程规范养成、基础能力训练与创新能力结合。

3.3 虚拟仿真与真实体验相结合的开放实验环境

遥感实验教学设备价格昂贵并且受场地、天气、复杂地形的限制,学生直接操作机会少,而依托虚拟现实、人机交互、数据库、多媒体、网络通信等技术构建高度仿真的遥感与地理信息虚拟实验环境和实验对象，可以为学生提供全新的地理视角、开放的实验环境,开阔视野、激发创新。如学院自主开发的移动测量车虚拟仿真平台、基础测量仪器虚拟仿真平台、遥感卫星运行虚拟仿真平台、无人机飞行操控虚拟仿真平台、地理建模与可视化虚拟仿真平台，在“航空与航天摄影课程实验”“走进遥感世界——遥感技术系列实验”“时空数据库课程实验”“测量学课程实验”“4D产品生产实习”“GIS原理综合实习”等课程中得到了广泛应用,学生通过配戴立体眼镜、操作三维鼠标、Kinect、Leap motion等体感设备,深入探索遥感传感器成像机理和平台运行规律、地理环境空间分异的规律和演化过程，以及地理环境信息采集、集成、分析、建模的机理,实现对地理环境的模拟分析、预测预报和动态监控。

4 结语

遥感与地理信息学科正朝着数据采集多样化、处理和分析智能化、行业应用多元化的方向发展,基于产出导向的遥感科学与技术专业实践教学体系的构建,实现了教学培养目标、毕业要求及其实践课程体系的一致性,从而使实践教学体系能够有效地支撑培养目标和毕业要求的实现,使学生始终站在学科发展前沿，更好地满足了行业发展需求。

References)

[1] 杨化超,张书毕,卞和方.专业认证背景下测绘工程专业建设研究[J].教育教学论坛,2014(46):147-149.

[2] 林健.工程教育认证与工程教育改革和发展[J].高等工程教育研究,2015(2):10-19.

[3] 贾卫平.工程教育认证背景下的应用型机械类人才工程能力培养体系的构建[J].实验技术与管理,2015,32(1):38-47.

[4] 江颉,董天阳,王卫红.基于毕业产出导向的软件工程课程教学改革[J].计算机教育,2015(8):1-4.

[5] 赵旭丽.工程教育认证背景下的人才培养体系[J].教书育人:高教论坛,2015(5):68-69.

[6] 潘艳平,包秋燕,江吉彬.基于卓越工程师培养的本科实践教学体系改革[J].实验室科学,2011,14(6):213-220.

[7] 赵志群,何兴国,沈军,等.产出导向的职业教育质量监控:职业院校的职业能力测评案例[J].中国职业技术教育,2015(9):5-13.

[8] 艾明耀,胡庆武,潘励.卓越GIS工程师能力培养体系探索[J].测绘通报,2016(1):142-145.

[9] 中国工程教育认证通用标准(2015)[EB/OL]. http://ceeaa.heec.edu.cn/column.php?cid=17.

[10] 孙家炳.遥感原理与应用[M].2版.武汉:武汉大学出版社,2009.

[11] 李刚,万幼川.基于CDIO模式的“遥感原理与应用课程设计”创新型实验教学示范[J].测绘通报,2015(1):134-136.

[12] 艾明耀,潘励,张丰,等.卓越工程师能力考核探讨与分析:以“GIS原理课程设计”为例[J].测绘通报,2015(11):123-126.

Construction of practice teaching system about remote sensing science and technology based on outcome-based education

Wang Yue1, Zhao Ni2, Pan Li1, Pan Bin1, Gao Weisong1

(1. School of Remote Sensing and Information Engineering, Wuhan University, Wuhan 430079, China；2. Department of Laboratory and Equipment Management, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

The core idea of the engineering education accreditation is outcome-based education(OBE). This paper establishes the goal system of practical teaching from the professional training target and graduation requirements of remote sensing science and technology. Also, with the purpose of realizing the goal system,a multiple-phased, hierarchical, widely-associated, and complete system is constructed, which reflects the characteristics of modern remote sensing and geographical information subject. The guaranteeing system is also developed from the following three aspects: to improve the teachers’ qualification, to strengthen research-assisting-teaching mechanism, and to create an open practical teaching environment with the combination of virtual simulation and real experience.

outcome-based education；engineering education accreditation；practical teaching system

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.047

2016-05-18

教育部 2012年度“本科教学工程”项目；中央高校基本科研业务费专项资金(2042015kf0060)；武汉大学2014年实验技术项目(whu-2014-syjs-03)；武汉大学教学改革研究项目“基于产生导向的遥感科学与技术专业实践教学体系构建”

王玥(1982—),女,山东掖县,博士,实验师,主要从事摄影测量与遥感实践教学工作

E-mail：rswy@whu.edu.cn

赵旎(1977—),女,湖北南漳,本科,7级职员,研究方向为实验室建设和实验室管理.

E-mail：shiyanshi@whu.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2016)11-0186-03