遥感类课程教学实习改革初探

王 毅，喻 鑫，牛瑞卿

（1.中国地质大学（武汉），湖北 武汉 430074）

遥感科学与技术是在测绘科学、空间科学、电子科学、地球科学、计算机科学以及其学科交叉渗透、相互融合的基础上发展起来的一门新兴交叉学科，应用于农业规划、防灾救灾、资源保护、军事侦察、气候变化、公共安全等诸多领域[1-2]。地球信息科学与技术专业是以地球科学和信息科学为基础，涵盖遥感、地理信息系统技术和数字地球的新兴交叉学科，也是一门应用基础理论解决实际问题的前沿科学。自中国地质大学（武汉）“地球信息科学与技术”专业开办以来，遥感类课程一直都是该专业的主干课程。该专业发展至今，教学改革和实践一直是专业建设的核心内容[3-7]。然而，遥感类课程实践教学仍存在问题，一定程度上限制了该学科的发展。尽管部分高校针对遥感类课程的实践教学改革已经进行了有益探索[8-16]，但如何结合地球信息科学与技术专业遥感类课程教学实习的现状来借鉴这些行之有效的经验和措施，仍旧面临着许多挑战。本文在分析了我校地球信息科学与技术专业遥感类课程教学实习现行问题后，从教学内容调整、教学方法优化、师资能力提升和实验室更新4 个方面探索了教学实习改革的具体方案与措施，以期为地球信息技术人才培养提供参考。

1 课程现状与问题

表1 提供了本科培养方案遥感类课程教学实习的安排情况。在2003 版本科培养方案中，地球信息科学与技术系组织全系教师编写了专业教学实习大纲，并计划三年级暑假开展为期5 周的专业教学实习任务。由于专业建设初期方向不明确，作为专业教学实习的重要组成部分，遥感教学实习的目的、要求、内容以及时间安排尚处于摸索阶段，其实践课程教学也缺乏规范性和系统性。在2007 版本科培养方案中，遥感教学实习得到了完善。在三年级暑期遥感教学综合实习的基础上，新增《遥感影像信息学》课程实习（12 学时），主要教授本科生掌握遥感影像解译与处理的基本过程，完成知识储备到综合实习的过渡。在2011 版本科培养方案中，遥感类课程数目和遥感教学实习课时数大幅增加，遥感教学实习按照卫星传感器类型细分为多光谱、高分辨率和高光谱3 个方向。此外，新增自主开发的遥感影像信息提取实验辅助教学软件平台进行算法实践。在此期间，遥感教学实习的目的、要求和内容以及时间安排均趋于合理，其实验教程则是由擅长相应遥感影像处理方向的专业教师各自编写实习指导书来完成教学实习。在2015 版本科培养方案中，遵循学校强化本科生实践教学和有效提升本科生实践动手能力的指导方针，本专业教师在2011 版本科培养方案的基础上，对遥感类课程和专业教学实习进行了优化和整合，去除了内容重叠或重复的教学内容，增开了多门直接在教学实验室进行教学的专业实践课程，并且系统修订了遥感专业实习的指导书。

从表1 可以看到，随着遥感科学的迅猛发展和教学改革力度的不断加大，地球信息科学与技术专业遥感类课程教学实习的科学性和合理性不断增强，教学效果也正在不断改善，但仍存在以下问题:

表1 各阶段本科培养方案遥感类课程教学实习安排

1）教学内容缺乏逻辑性和连贯性，且部分内容仍存在重叠或重复。由于遥感类课程教学实习服务于多门相关课程，而每门课程均由不同的专业教师来建设，并独立开展教学实习，因此这些实习之间的联系和衔接关系难以体现。如《遥感导论》、《光学遥感技术》和《地球信息科学与技术教学实习》三门课程教学实习均安排使用商业软件ENVI 来完成遥感影像的获取、预处理、信息提取和分析等过程，这些教学内容的关联和界限并不清晰，导致部分内容重叠。此外，同一门课程中不同的教学实习内容也缺乏遥感技术应用案例的导向。如《遥感导论》课程实习涵盖遥感图像辐射校正、几何校正、图像增强、多光谱图像处理和图像分类等内容，但这些内容相对独立，缺少成果导向的理念将它们连接成为整体，从而导致知识体系的零散化和碎片化。

2）教学模式和教学方法与实践创新的人才培养目标差距较大。实践教学过程中，指导教师通常先花费大量精力来回顾遥感的基本原理和基础知识，再通过商业软件演示操作过程和实验结果，最后布置类似的实验任务让学生去验证。通过实践教学过程分析，学生在教学实习过程中基本能按时按量完成实训内容，动手能力虽然得到一定的锻炼，但普遍缺乏创新性思维。教学实习的目的是让学生理解和掌握各种遥感图像处理方法的相关理论，并用所学知识来解决实际的遥感图像处理任务。目前，市面上的商业软件能够用于遥感影像分析预处理，并提供非常友好、方便的操作界面，但仅通过这些软件来完成实习任务，往往难以理解复杂的图像处理方法理论，无法针对实际问题提出有效的解决方案。此外，这些软件功能相对固定，只能通过软件升级对其进行新功能和新方法二次开发。部分大学或科研单位虽然自行开发了用于教学实习的遥感图像处理软件，但它们主要用于演示遥感图像处理的算法、用户界面不够友好。并且，由于软件的源代码无法公开且缺乏可扩展性，因此，并不能真正意义上加强学生的实践创新能力。

2 教学改革实践

本文立足“学以致用”的基本原则，主要围绕教学内容调整、教学方法优化、师资能力提升和实验室更新等方面展开探索和实践创新。

改革教学实习内容，编写专业实验教程。遥感类课程教学实习应包含遥感图像处理的所有环节，包括遥感图像基础处理、高分辨率遥感影像面向对象分析与理解、高光谱遥感数据获取、分析和处理等，旨在指导学生熟悉从遥感数据的获取到数据处理以及后期的分析应用整套流程，充分巩固课堂讲解的遥感原理和方法，提高理论知识水平和处理实际应用问题的能力，培养科研创新素质。通过教学改革，遥感类课程教学实习主要包括三部分:①软件使用，利用ENVI进行简单的问题分析和解决问题，并通过案例式的实验任务来逐步熟悉遥感数据分析与处理的实验过程；②仪器操作，使用FieldSpec 3 便携式光谱分析仪进行光谱采集和光谱特征数据后处理，并掌握高光谱野外数据采集、分析与处理以及高光谱影像和光谱分析的基本原理和方法；③算法实践，它是软件仪器操作部分的延展和深化，强调通过实践动手和算法设计来学习、掌握和探索遥感图像处理方法。作者利用Visual C++编程语言自主开发教学实习软件平台，学生能够在该平台下进行代码编写来完成实习任务。该平台不仅使抽象的遥感理论和原理变得生动具体，而且促使学生加深理解遥感影像处理方法和思想，有利于培养学生的创新精神。在此基础上，综合本专业多年来积累的教学经验和资源，以本专业教授牵头，系统撰写并出版遥感类课程专业实验教程，应用于本科教学中。

搭建网络教学平台，优化教学方法和模式。在专业实验教程的基础上，与企业合作共同开发融合计算机技术、通信技术、“互联网+”技术及多媒体技术的网络教学平台，将遥感类课程教学内容以音频、视频、动画等形式展示给学生。同时，成立遥感类课程实践教学团队，制作符合现阶段社会需求和行业发展的教学实习电子资源和教案，力求课程之间相互联系、互为补充，并具有明确的衔接关系；建设知识点导图、习题库、实习指导资料和遥感技术应用经典案例等教学资源，增加网络学习的趣味性和互动性，满足在线开放课程与翻转课堂教学模式改革的要求。为了更好地推动地球信息科学与技术专业的建设，考虑建设单独设课的遥感实习课程，将各个实习模块有机联系起来，突出课程的系统性和综合性。在教学过程中，指导教师在充分讲解知识点的基础上，针对性地采取任务驱动、项目导向、工作环境真实模拟等方式，实现教、学、做一体的教学模式，引导学生积极思考，并根据实验所需的遥感数据进行独立处理、分析、判断和解决实际问题。依据课程课时制定合理的考核机制，考察学生每个阶段的学习成果，检验学生的学习态度，综合学生在实习期间的表现、所布置任务完成情况等方面，以不同等级来评定学生实习期成绩，并设置奖惩制度来激发学生的学习热情。

加强师资队伍建设，完善教师能力提升计划。专业教师本身的理论和实践能力决定着本专业人才培养质量的深度与宽度。教学改革将进一步围绕“引进来、走出去”的双向人才培养思路，加快建立完善的教师实践能力培养方案。一方面，培训企业专职或兼职教师的教学能力，弥补本专业师资的短缺。引进的企业骨干主要承担实习、实训及课程设计、毕业完全训练等教学及指导。另一方面，培养本专业教师工程实践能力，打造“双师型”的师资队伍，基于学校专业优势为企业提供必要的技术支持。通过外派专职教师到企业进修或挂职锻炼、教师走进企业积极参与企业工程项目，提高教师的专业技术水平和实践能力。

构建基于云桌面的多功能教学实验室，更新实验室教学条件。目前，硬件方面，实验室拥有多台PC，能够确保本专业同一年级两个自然班的本科生同时进行遥感影像分析与处理教学实习；拥有高光谱成像光谱仪和野外波谱仪各1 台，能够为实验室开设地物光谱采集与分析实验、遥感信息提取与反演实验提供数据获取手段，确保有第一手的实验资料；服务器1 套，能够为实验室开设遥感类课程教学实习提供硬件上的支持；手持式GPS 9 套，能够为野外数据采集提供位置信息，以及其他一些相关实验仪器与设备。软件方面，拥有遥感影像处理软件eCognition developer 和server 各1 套（20 个许可），eCognition 数据管理教学系统软件1 套，ENVI 正版软件1 套。但是，实验室内相关仪器设备老化快、硬件更新维护频繁、部分PC 已经无法正常使用、每台PC 上各类应用软件更新升级繁琐。因此，一方面，考虑采用虚拟化云桌面的解决方案来进行教学实验室现代化和专业化建设，充分满足本科实验室教学和科研的要求，为人才培养奠定良好基础，同时更新目前教学实验室的运维管理模式和硬件设备，与现阶段本学科发展要求相适应；另一方面，考虑依托土地资源调查、自然灾害与环境监测及生态环境评价等相关领域校企合作单位，成立“产学研”一体化的多功能实验室，改善实践教学环境，为企业及社会培养更多地球信息技术高素质人才。

3 改革成效及存在问题

地球信息科学与技术专业首先成立了遥感类课程实习教学团队，该团队由具有多年教授遥感类相关课程的专业教师组成，教学经验丰富、教学效果良好。在教学改革前期准备过程中，教学团队在系统总结多年教学和科研经验的基础上编写并出版了遥感类课程实验教材，该教材涵盖了本专业所有遥感教学实习内容，目前正处于试用阶段。

此外，教学团队还完成了遥感类课程教学资源共享网站的详细规划，也正在搜集与整理相关教学资源，预计该网站今年内将上线投入教学使用。学生能够通过网站上学术前沿和行业动态来进一步拓展遥感技术与应用的知识视野，也可以通过网站上丰富的教学资源来进一步巩固和强化课程所涉及的知识点和理论方法。并且还能够通过手机或电脑来参与师生间的课余沟通与交流。

最后，此次教学改革刚开始进行，相关教学效果和数据分析还未来得及进行统计和分析，其成效还需要时间来进一步验证。教学团队会在后期积极搜集相关教学数据，并给予本次教学改革客观公正的评价，以期有效改善遥感类课程教学实习的教学效果和质量。

4 结 语

遥感类课程教学实习是培养学生遥感技能、提高学生利用遥感技术解决专业相关问题的重要手段与途径。为适应日新月异的地球信息科学发展，本文结合我校地球信息科学与技术专业遥感类课程教学实习现状，提出一系列针对实践教学的改革措施，包括改革教学实习内容，编写专业实验教程；搭建网络教学平台，优化教学方法和模式；加强师资队伍建设，完善教师能力提升计划；构建基于云桌面的多功能教学实验室，更新实验室教学条件。期望通过教学改革针对性地培养学生遥感技能、拓宽学生综合应用的知识，提高学生实践创新的能力，从而提高课程教学效果和质量。