“遥感概论”实验课程多层次教学方法改革探索

何 玲,张 利

(河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000)



“遥感概论”实验课程多层次教学方法改革探索

何 玲,张 利

(河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000)

“遥感概论”是一门实践性很强的课程，实验教学是掌握该课程的重要环节。通过对理论和实验教学内容的介绍，提出将多层次教学法作为实验课程教学方法改革的重要举措。多层次教学提出知识验证型实验(初级)、任务驱动型实验(中级)和综合研究型实验(高级)，针对不同实验内容、学生情况和学时开展不同层次教学。经过2年实施验证，多层次教学取得了较好的效果，并由河北农业大学本科专业人才培养方案和“遥感概论”课程规范提供实施保障。

“遥感概论”课程；知识验证型实验；任务驱动型实验；综合研究型实验

DOI号：10.13320/j.cnki.jauhe.2017.0070

遥感是20世纪60年代发展起来的一门新兴学科，与现代物理学、计算机科学、地理学和数学密切相关。遥感技术作为识别地表要素类型与分布、采集地球数据信息的一种强有力工具，已成为资源调查、区域规划、环境监测等诸多领域必备的有效研究手段，因此随着社会对遥感人才需求的日益增加，我国高等院校地球科学相关专业基本都增设了遥感课程。遥感在我国高等院校科研领域侧重于应用研究，注重遥感技术在土地、水资源、植被等要素研究[1,2]；遥感教学则包括讲授和上机实验，讲授主要包括相关原理和技术方法体系，实验主要是各种图像处理技术方法的实际运用。目前各高校实验课程多数仍以教师讲授为主，学生主要进行知识验证型实验，不同成绩、学习兴趣的学生遥感实验操作技能差别不大[1,3,4]。

河北农业大学国土资源学院开设的“遥感概论”实验课程目前也仅局限于采用传统操作演示方法对基本操作进行讲解。为了激发学生学习兴趣，提高学生拓展能力，国土资源学院在2016版专业人才培养方案和课程规范中对该课程进行了修改与完善，力求为社会培养出更优秀的遥感专业人才。

一、实验教学内容

“遥感概论”是河北农业大学国土资源学院自然地理与资源环境、土地资源管理、环境科学、农业资源与环境等专业开设的专业教育课程，课程详细介绍了遥感的基本概念、电磁辐射与地物波谱、遥感成像原理、遥感图像特征、遥感图像处理、遥感目视解译与计算机解译、遥感应用和3S技术综合应用等方面的内容，反映了现代遥感技术的最新成果与应用内容[5]。

“遥感概论”实验课程(以下简称“遥感”课程)紧密结合当今遥感数据、遥感设备、计算机图像处理软件等最新现状与技术，实验设计包括4部分，即ENVI软件简介及图像视窗操作、遥感数据转换与图像预处理、遥感图像增强与数据复合、遥感图像计算机分类。实验课程旨在培养学生的动手能力和解决实际问题的能力，实验设计使学生掌握专业软件操作基本技能，增强图像处理技能，加深对遥感基础知识进一步应用的认识与理解，为学习专业课程、从事专业技术工作和进行科学研究打下基础[6,7]。

二、实验教学方法改革

(一)多层次教学方法设置

实验教学主要有3种层次：知识验证型实验、任务驱动型实验和综合研究型实验。知识验证型实验是指学生根据实验指导在实验室内进行独立操作，通过对实验现象的观察与对实验结果的分析来验证新知识，同时训练操作技能的实验；任务驱动型实验是将所学知识内容隐含在实验过程中，学生分析、讨论任务，明确问题，通过实验过程和教师指导找到问题的解决方法，完成实验并提高自主探究及解决问题的能力[8-10]；综合研究型实验是在验证型和驱动型实验的基础上，学生结合科研课题，明确实验目的，独立分解任务，独立设计实验步骤，自行操作全部实验流程的一种实验教学模式[10-12]。

针对“遥感”课程的特点，我院该课程由上述3种层次共同构成：掌握基本操作技能实验环节采用初级层次，即知识验证型实验；在掌握基本操作技能基础上，根据学生操作基础和学习兴趣，教师布置不同难度教学任务，学生以小组形式完成，提高学生的初步应用能力，此环节采用中级教学层次，即任务驱动型实验；为拓展学生的科研能力，设置高层次实验教学，即综合研究型实验，该环节利用实验课程最后8课时，让学生参与教师科研课题，由学生独立确定研究方法、技术路线，完成研究报告。

(二)初级层次——知识验证型实验设置

传统的“遥感”实验课程以知识验证型为主，遥感实验采用“教师演示，学生练习”的形式，教师全程示范操作，学生按部就班模仿，学生对教师和实验指导教材高度依赖，抑制了学习的积极性和主动性，不利于学生差异化学习[7,8]。另外，实验考核以实验报告为主，验证性实验报告内容较一致，少有梯度差异，很难准确、合理量化实验报告质量，学生上机操作能力难以全面考核。

根据“遥感”实验课的课程性质，全部否定知识验证型实验并不科学。实验课程前期讲授专业软件操作，在学生对软件完全陌生的情况下，教师演示学生练习的验证型实验使学生最短时间内掌握软件基本操作的途径，教师可以把各软件模块功能、操作技巧通过示范传授给学生，如进行几何校正时控制点的布局和精度的确定，学生通过教师演示，能选择出精准的位置及坐标，否则学生很难理解教科书上的精度描述。

但是实验课程全部为知识验证型实验，学生不足以具备独立处理遥感影像图件的能力，可以安排4次知识验证型实验(每次试验2～4课时)用于学生掌握基本操作技能，其他课时安排任务驱动式综合型实验和差异化研究型实验。

(三)中级层次——任务驱动型实验设置

任务驱动型实验需要学生具备基本操作技能，即在完成知识验证型实验基础上，为学生布置任务，以学生为中心，教师为辅助完成实验任务。在“遥感”实验课程上，学生掌握ENVI软件基本操作后，教师可布置从遥感影像获取、数据格式转换、图像预处理、图像增强到遥感影像分类的全部工作，根据任务要求赋予不同精度要求，由学生个人独立完成。

“遥感”课程是以地理学、物理学和计算机科学为基础的新兴交叉学科，教师在任务驱动型实验之前，根据对学生高中和大学期间掌握的地理、物理和计算机相关知识的调查，将学生分成A、B和C组，分别布置不同难度的实习任务：A组学生以上3门课程基础较好，对“遥感”课程及遥感影像解译有浓厚的兴趣；B组学生3门课程成绩一般，对“遥感”课程兴趣一般；C组学生3门课程成绩较差，对“遥感”课程学习兴趣较低。

针对3组学生的实际情况，布置不同难度的个人实习任务(见表1)：A组学生自主选取一期面积不低于1 000公顷和地类不低于6种的研究区域、遥感卫星数据源及其荷载参数，影像提取方法要求选择专家分类法(见图1)，安排2～4次实验(每次试验4课时)，完成数据转换、数据预处理、图像增强和遥感图像监督分类任务分解及处理，各处理精度要求不低于0.8；B组学生自主选取一期面积不低于800公顷和地类不低于5种的研究区域，影像提取方法要求使用监督分类法(见图2)，安排2～4次任务驱动型实验，各处理精度要求不低于0.75；C组学生自主选取一期面积不低于500公顷和地类不低于4种的研究区域，影像提取方法要求使用监督分类法，安排2～4次任务驱动型实验，各处理精度要求不低于0.7。3组实验成绩均根据任务完成总用时、总精度和Kappa系数评定。在任务驱动型实验过程中，学生通过自主实验设计，完成不同难度任务，既巩固完善了基本操作技能，又在各自基础上提高竞争能力。

表1 任务驱动型实验分组实习要求

图1 专家分类流程图

图2 监督分类流程图

(四)高级层次——综合研究型实验设置

教师在综合研究型实验中，引导学生参与科研课题，学生根据课题研究目的、研究内容及成果要求设计研究技术路线。实验过程可能涉及除地理学、物理学和计算机科学以外的专业知识，学生综合运用各学科知识及多种信息集成技术，在深刻理解科研课题的基础上，处理实验数据，总结实验结论，并撰写完整的实验报告、研究报告及制作遥感影像地图，全部过程安排2～4次实验(每次试验4课时)。

“遥感”课程的综合研究型实验课程主要让学生在任务驱动型实验的基础上，进行两期土地利用类型变化检测、集成计算和遥感制图处理，完成实验报告，根据计算结果分析地类演变驱动因素，完成研究报告。该项实验以项目小组为单位开展，每个项目小组由任务驱动型实验中的2名A组成员、2名B组成员和2名C组成员组成，小组内自行进行分工，主要由A组成员推动实验进程，B组和C组成员辅助实验，根据实验结果精度、分工排名及任务贡献给予成绩。各项目小组可应用不同地类变化监测方法、不同数据集成方法分别进行实验，实验过程中遇到的难题小组与老师共同讨论探求解决方法，最终完成课题研究。研究成果以报告和PPT形式体现，由小组推选学生进行课题研究成果汇报，汇报中详细讲解研究方法、技术路线、遇到的问题及解决方案。教师根据所有小组研究成果，汇总各地类变化监测方法和数据集成方法优缺点，有助于学生深入理解各方法的特点，拓展科研能力，为教师和学生今后的研究提供有效参考。

三、多层次实验教学的实施效果与保障

(一)多层次实验教学的实施效果

当前的“遥感”课程教学计划仅有16学时，仅能实现由单一的初级层次实验教学向初级和中级结合教学的转变。2015年之前16学时的课程全部为初级层次，即知识验证型，4项实验各4学时；2015―2016学年、2016―2017学年增设中级层次，即任务驱动型，增设实验内容，各项实验学时有所调整(见表2)。经过两届共105名学生的教学效果调查发现，74名学生支持增设任务驱动实验，愿意完成不同难度的学习任务；51名学生有强烈的意愿进入A组，选取难度系数最高的图像解译任务；46名学生所在小组能独立解决试验中遇到的困难，完成实验。教学过程中，仍有31名学生不愿完成驱动任务，学习积极性不高，这部分学生安排进入C组，分配难度较低的实验，C组全部学生能在教师辅助情况下完成教学任务，基本操作技能的熟练程度较2015年之前的学生有所增加。通过增设任务驱动实验，学生学习积极性有一定提升，动手能力明显增强，分析问题和解决问题的专业拓展能力也有较大提高。高级层次——综合研究型实验由于课时原因，目前尚未实施，拟通过河北农业大学2016年本科专业人才培养方案进行课时调整并开展实施。

(二)多层次实验教学的实施保障

针对我校自然地理与资源环境专业、土地资源管理专业、环境科学专业和农业资源与环境专业的本科生开展不同层次、不同形式实验教学课程(见表2)。其中，“遥感”课程在环境科学、农业资源与环境专业的本科专业人才培养方案中为专业拓展课程，在自然地理与资源环境、土地资源管理专业中为专业教育课程(专业基础课和专业核心课)，根据课程性质不同，专业拓展课中的“遥感”课程开展知识验证型实验和任务驱动型实验，对综合研究型实验不作要求，计划课时为16学时；专业教育课程中的“遥感”课程开展全部层次的实验，计划课时为24学时，通过专业平台老师集体论证、河北农业大学本科专业人才培养方案、“遥感”课程规范的定制保障实施。

表2 不同专业“遥感实验”课程学时安排 学时

四、结语

“遥感概论”是一门技术性和实践性很强的专业教育课程，立足于社会发展对遥感实践操作技能的需求，当前的实验教学方法需要多元化和规范化并进，经过多年的探索，“遥感”实验课程教学方法日趋合理，学生学习该课程的目的更加明确，通过多层次教学提高了学生自我分析问题和解决问题的能力，也激发了学生学习“遥感”课程的积极性，从而提高了课程教学效果。通过近两年实验课程教学改革的实施，部分专业拓展能力强的学生参与了教师科研课题，完成了河北省黄骅市盐碱地变化遥感监测、河北省13县市未利用地开发利用情况遥感监测、河北省部分县市土地利用类型变化遥感监测等，学生综合分析能力和实际操作水平有了很大提高。在今后的教学过程中，教师会进一步分析总结现行教学方法的不足，多与其他学校“遥感”课程教师讨论，探求改进意见，以期为社会培养出更优秀的专业人才。

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(编辑：杨建肖)

2016-12-23

何 玲(1980-)，女，河北保定人，博士，副教授，主要研究方向为土地生态、土地资源持续利用。

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1008-6927(2017)03-0086-04