Python 软件在地理信息科学专业课程教学中的应用——以“遥感数字图像处理”课程为例

韩 瑛

（海南师范大学地理与环境科学学院，海南海口 570000）

随着社会的高速发展，大数据思想应运而生，智能信息技术飞速发展，地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）成为了空间信息研究的重要学科和手段。遥感技术作为一项先进、实用的新型技术也随之发展起来，并在我国的地方经济建设和地球科学研究等方面发挥着巨大作用，国内各大高校顺应时代变化相继开设了遥感技术相关课程，以满足当今社会及用人单位对高素质遥感技术专业人才的需求，海南师范大学地理与环境科学学院就开设了遥感概论、遥感地学分析与解译、遥感数字图形处理等遥感类相关课程。高等院校是培养遥感技术人才的摇篮，如何针对高校自身特点，提高学生对地理信息专业的兴趣及主观能动性，培养高素质遥感专业人才成为课程教学的核心问题。

近年来，Python 软件以其开源、代码可读性强、多平台可移植性等特点被广泛应用到生产、生活、科研等领域。Python软件在地理信息科学的应用具有很大潜力，可以有效地减少学生的程序编译难度，高效实现地理信息数据的处理分析，提高工作效率。

本文以培养地理信息专业的应用型人才为目的，针对海南师范大学遥感数字图像处理课程教学提出一系列改革和实践探索意见。

一、“遥感数字图像处理”课程教学现状及存在问题

我校自开设遥感数字图像处理专业课程以来，积极参考国内相关专业的优点，不断完善课程教学模式。随着遥感技术专业性人才的需求日益增大，我校目前的“遥感数字图像处理”课程在教学模式方面仍存在一些不足，其主要表现在以下几个方面：

1、授课方式与考核体系传统

“遥感数字图像处理”作为一门理论性较强的课程，多采用课堂讲授的形式进行授课，课堂讲授的授课形式占全部课时的68.75%；实际操作部分采用经典案例分析的手段。“遥感数字图像处理”课程中的理论知识较为抽象，授课教师很难在有限的授课时间内讲全、讲透其中的知识，很难引起学生的注意力进而调动学生的学习兴趣。考核方式主要采用期末考试卷面成绩（70%）和实际操作成绩（30%）相加的考核形式。这种传统的考核方式使授课教师很难准确了解学生们的学习状态和知识的掌握程度。同时，部分学生存在侥幸心理，因此也会在课程中“划水”。

2、学生应用软件能力较弱

目前“遥感数字图像处理”课程多采用ENVI（The Environment for Visualizing Images）和Matlab 作为实验课程的工具软件。虽然，地理信息科学专业的学生会在本科一、二年级时学习C 语言和Java 等计算机语言类课程，但是像ENVI 和Matlab 这样较为专业过于依赖计算机语言基础的软件，学生很难在课程学习过程中熟练掌握，应用这些语言编程还是会而不精，缺乏实践经验进而导致学生对课程的兴趣下降。

3、实验课程多以验证性实验为主

实践教学是创新人才培养中的重要环节，对于培养学生专业技能和理论实践结合能力、激发学生的创新思维和探索精神、提升科研能力有着重要意义。从课程体系设置、实验课程内容设计、实验室开放项目、毕业设计、大学生科研训练计划和教师科研课题等几个方面为学生提供多样化的实践途径，丰富了实践教学体系。实验课程是锻炼学生动手能力，消化并更好掌握理论知识的重要环节。然而，在实验课程中多是验证性实验，学生按照既定的步骤去完成结果已知的实验内容，不仅会使学生失去动手操作的兴趣，也限制了学生的想象力。

二、Python 软件的应用现状及优势

Python 软件是由Guidovan Rossum 于1989 年发明并与1991 年开始发行使用，是面向对象解释型程序语言。相比于传统的C 语言、Java 语言，Python 软件具有简单易学、可扩展、可嵌入、免费开源、可移植、丰富的库等众多优点，被广泛应用于科学计算、数据挖掘、机器学习、图像处理等各个领域。近年来，随着Python 语言不断完善、功能不断强大，使其逐渐受到了各大高校教育工作者的青睐。

Python 软件在地理信息科学的应用具有很大潜力。作为ArcGIS 软件的脚本语言之一，Python 软件可以与ArcPy、GIS在教学与实践中有效结合，并且还可以将ENVI/IDL 开发的功能集成到ArcGIS 中。Python 软件在“遥感数字图像处理”课程教学中的优势主要有以下几点：

1、地理信息科学的学生不会像计算机专业学生一样进行系统的计算机语言学习，计算机语言学习的课时和学习时间有限，使得学生很难有效掌握遥感数字图像处理的相关软件，严重打击了学生的积极性和主观能动性。Python 语言相比“遥感数字图形处理”中常用的软件ENVI，Matlab 软件具有编译语言简单易学的特点，可以使学生在短时间看到软件学习的成果，学生可以按照自己的想法实现并完成既定的教学实验任务，激发学生的学习兴趣及动手动脑能力。

2、Python 是开源免费软件，可以大大降低教学运行的成本，并且授课教师可以把主要精力放在培养学生的创新能力和解决问题的能力上，压缩了在编程语言上讲解的时间。学生也可以不用将大量时间花费在编程语言的学习上。

3、Python 软件具有可扩展、可嵌入和可移植的特点，其能够与ArcGIS、Matlab 等软件相结合解决遥感数字图像处理问题和地理信息问题。Python 软件具有强大的第三方库，其中numpy、scipy、pillow 等工具包提供了大量数字图像处理功能和丰富的图形绘制功能，丰富了学生解决遥感数字图像处理问题和地理信息问题的手段，学生可以通过丰富的想象力解决相应的问题。

随着我国遥感技术的不断发展，各大企业和公司急需实用性尖端人才。利用Python 软件的优势将其引入“遥感数字图像处理”课程教学中来，可以很好地满足用人单位及学生的需求。

三、利用Python 软件开展“遥感数字图像处理”课程改革

针对目前我校的“遥感数字图像处理”课程在教学模式方面存在的一些不足，结合Python 软件的优势，提出以下“遥感数字图像处理”课程改革意见：

1、理论教学与实践教学相结合

目前，学校的学分制度使学生在选课问题上有更大的空间和灵活度，但是这种理论教学和实验的分离选课模式会导致理论教学与实验教学不同步的现象出现，往往是理论学习之后的很长一段时间还没有进行实验，这使得学生很难把理论与实验结合起来，缺少理论的铺垫，会使学生在实验教学中表现出无从下手，应付课程的现象出现。因此在选课的环节中，应该将理论和实践教学合并选取，让学生在实验过程中学习并理解理论知识。

2、提高学生兴趣进而提升学生的主观能动性

丰富课堂教学，提升教学课件的质量，采用“黑板”和“多媒体课件”相结合的方式授课，为学生生动展现课程理论中难以理解的部分。增加Python 软件学习的相关课程，利用Python 软件学习操作简单、呈现结果多样性的特点，以图形的可视化手段解决实验课程的相关问题，提高学生的研究兴趣。教师在采用Python 软件教学的过程中，应重点体现软件操作简单、编程语言容易理解的特点，鼓励学生放下软件学习的包袱并激发学生主观能动性。

3、教研一体化，培养学生创新能力

教师在进行“遥感数字图像处理”的授课过程中采用教研一体化模式，引导学生主动参与发现、探索和讨论所学知识。教师应结合自身在科学研究中遇到的问题和掌握的经验，引导学生积极思考课程在实践过程中可能遇到的问题，并运用所学知识解决问题；授课教师应不拘泥于书本上常规的实验内容鼓励学生充分发挥想象，针对实际研究中出现的问题与学生积极讨论各种方案的可行性来丰富实验教学内容，开发学生的实践创新能力。

4、科学评估课程考核成绩

课程考核是检验评估教学成果的重要手段，秉承考核的科学性与公正性，应依据牢固理论知识、培养并强化实验操作技能和创新能力的思想，注重多元化考核，综合评价学生课程学习效果。采用期末考试与过程考核相结合的考核模式进行考核，即期末考核50%和过程考核50%的综合考核方式。期末考核采用卷面考试方式，评价学生对理论知识的掌握程度；而过程考核主要采用实际操作和小组专题设计两个部分，考查学生综合应用遥感数字图像处理这门课程的能力。在理论考核方面，除了考察学生在重点知识的掌握程度外，有目的地增加在实际应用问题的分析与解决能力方面的考核。在实验操作考核方面，除了考察学生在常规命题中分析解决问题的能力外，增加开放性命题，其目的在于考核学生的创新思维能力，尽量消除学生“考试突击、死记硬背就能考高分”的思想。

四、结束语

Python 软件简单易学、免费开源和功能强大等特点，将其融入到海南师范大学“遥感数字图像处理”课程改革中，针对高校与学生的实际情况进行适当调整，从理论教学和实践教学相结合、教研一体化、提高学生兴趣与创新性和课程评估考核等方面进行课程改革，提高学生对课程学习的兴趣及创新能力，加强学生的主观能动性。授课教师应不断提高课堂教学氛围，使学生在轻松、愉快和高效的学习环境中不断提升专业水平。