国产遥感软件在混合式教学模式中的应用

航天宏图信息技术股份有限公司 任芳

遥感图像处理关键技术已经成为遥感产业敏感技术和“卡脖子”技术。在高校使用国产遥感软件的学习、研究和应用实践活动，培养掌握关键技术的创新应用型人才，具有重要的现实意义。针对遥感类课程学生解决实际问题和创新能力不足的问题，以及在线学习过程缺乏监管、缺乏互动等问题，提出“问题研究+翻转课堂”混合式教学模式，从内容和方法两方面进行了探索，为高校开展面向“理论与实践”相结合课程的混合式教学模式改革提供参考。

2020年1月美国宣布采取措施限制人工智能类软件出口，其中包括含图像智能分析模块的遥感和地理信息系统类软件，预示了针对新兴和基础技术更大范围的管制正式拉开帷幕。因此，“十四五”规划对空间信息化技术提出了高要求，遥感技术的研究和应用能力在国家信息安全、国民经济发展等方面的重要性越来越突出。

在我国，随着高分专项等重大战略性工程的实施，国产高分遥感数据日趋丰富。从长远角度考虑，为了让这些宝贵的数据能够充分发挥价值，高层次的遥感专业人才市场需求逐渐更大，全国高校要高度重视我国遥感学科建设和遥感应用人才的培养，培养理论扎实，实践能力强的复合型人才，需要高校遥感课程进行课程设计时要重视学生创新思维能力培养，加强遥感实践训练，以保证学生能快速适应遥感学科应用快速发展的需要。而且遥感技术人才培养亟需主动“融入”行业发展，主动“拥抱”技术变革，加强遥感应用与创新能力是遥感技术人才培养的必然趋势。在国产化发展的趋势下，改革教学实践方式，引入国产数据和软件，提高学生应用国产数据和软件的能力，培养国产化意识，并由此形成新的教学体系和教学案例库，显得非常重要和紧迫。因此本文主要对基于国产遥感软件的混合式教学模式进行探索，阐述如何充分利用线上教学优势，巩固在线教学成果，并与传统课堂深度融合，强化学生创新能力培养。

1 遥感类课程教学的现状与需求

目前，中国已有百余所高校设置了遥感相关专业，开设了遥感概论类课程以及行业应用类课程等，并有很多高校增大了遥感类专业课程在专业中的比重，不仅传授遥感基础理论，而且强调对学生实践动手能力的培养。

但是目前高校在遥感教学主要面临以下困难和问题。

(1)教学理念和内容重理论轻实践，缺乏优秀的实验教学案例。传统教学强调教师教了多少，忽视学生能学到多少。重理论轻实践，导致学生会考试，但对遥感分析过程一知半解。因此，结合实际应用设计实验教学案例是课程改革的重要途径和目标，重点培养实践能力和综合分析问题能力。

(2)教学方案相对陈旧，脱离科技创新、应用趋势。近年来随着大数据、人工智能、云计算等IT技术的发展，遥感技术得到了跨越式发展，比如美国的Google Earth Engine和我国的PIE-Engine，集成了海量遥感数据在线、处理算法在线以及云上算力实时计算等能力，在科研与应用已越来越广泛。然而，目前大多数高校课程的实验教学所依托的仍主要是单机版教学软件，与当前的发展趋势脱节严重，数据处理效率也严重打击学生的学习热情，亟需针对性的引入云平台作为教学实践工具。

(3)教学内容对国外遥感软件和数据过度依赖。目前大多高校仍主要使用国外遥感软件，而对国产遥感数据与软件的使用相对不足，将严重制约国产遥感应用业化生态圈的建立与可持续发展。国外软件虽然经过多年发展较为成熟，但在信息安全和服务保障方面存在重大隐患。而且学生很少接触国产遥感卫星数据和软件，会造成学校育人与企业要人的需求断层。

(4)教学方法单一，学生缺乏学习兴趣。目前课堂教学大多数为“老师讲、学生听”的状态，基本上都是满堂灌的授课形式，教学过程缺少有效互动，学生缺乏学习兴趣。从教学育人阶段，国产卫星数据及软件也没有得到基本的扶持与培育。因此，推进高校遥感技术学科的教学改革，提高学生遥感技术的应用能力，让教师、学生掌握国产遥感软件和数据的应用，显得非常重要和紧迫。

2 国产遥感处理软件的研制进展

随着遥感卫星的发展，国产遥感图像处理软件实现了从萌芽期、追赶期到自主创新期的发展。1972—2000年为萌芽期，国内遥感应用市场基本上被国外遥感卫星数据和软件垄断。2001—2010年为追赶期，陆续出现Titan Image、PIE等国内遥感软件。2011年至今为自主创新期，国家重大战略性工程推动了国产遥感卫星自主创新性发展[1]。

面对高速发展的应用需求，航天宏图发布了PIE遥感图像处理软件6.0版本，产品体系覆盖了光学、SAR、高光谱、无人机等多源载荷影像的全流程处理，产品形态上不仅有桌面软件和集群软件，还有PIEEngine遥感云服务平台[2]。PIE系列软件提供了遥感数据处理、分析应用、云计算及二次开发的完整体系，基本功能已经与国外软件相当，部分处理国产卫星数据的能力已经优于国外软件。航天宏图基于PIE积极构建新型教育实践模式，已在上百所高校进行PIE软件的使用培训达5万多人次，并出版了PIE系列课程教材，积累了丰富的培训课程资源。因此，在课程教学中使用国产遥感软件和数据的条件已经具备。

3 基于国产软件的混合式教学模式探索

完善的课程资源、有效的教学手段是一流课程的重要保障。遥感类课程是一门理论到实践到创新发展的课程，存在课程内容多课时少、实践少、课堂学习深度不够，学生难以充分消化吸收等问题。在线教学存在过程缺乏监管、自主学习有效性不足等问题，需要进一步从内容和方法上研究在线教学的设计模式等，以保证有效组织线上活动、提高学习效果。

3.1 课程内容设计

以《遥感数字图像处理》课程为例，该课程通常是“测绘工程”“遥感科学与技术”等本科专业的必修课，同时也是导航工程等本科专业的选修课，涉及全国上千所高校[3]。教学内容主要包括基本原理、图像增强、辐射校正、几何校正、图像滤波、图像分类、信息提取等内容，涉及应用型案例及大数据计算等新技术新方法非常少。

因此在课程内容设计时，首先需要合理优化教学内容，重组教学内容。在教学过程中，应结合现代遥感行业发展新技术，在保持课程体系完整的前提下，对当前较少使用的技术与方法从教学内容中删减，增加新的技术与方法。(1)可通过国产软件PIE结合国产卫星数据的处理能力与行业解决方案，使学生了解我国遥感应用的发展方向，还可培养学生民族自豪感，加入“课程思政”元素，达到既教书又育人的立德树人目标。(2)遥感云计算技术的发展和平台的出现为海量遥感数据处理和分析提供了前所未有的机遇，并改变了传统遥感数据处理和分析的模式[4]。为了解决高校难以获取多源遥感数据，实验机房难以支撑空间大数据计算等问题，将PIE-Engine云平台教学内容引入教学也是迫切需要的。其次需要构建真实的遥感应用案例库，促进理论知识的理解。“灌输式”的教学不利于培养学生创新性的思维，会一定程度上扼杀学生的学习兴趣。在课堂教学中需要积极引进真实的应用实例，让学生体会到遥感技术方法如何在实际应用中解决问题和发挥重要作用，深刻认识到本专业的发展前景和重要性。

3.2 教学方法设计

在教学材料准备和教学内容准备等环节的基础上，构建“问题研究+翻转课堂”混合式教学模式，逐步形成以“问题”为中心、以“学生”为中心、以“合作”为中心的教学特点。

首先完善线上教学资源，包括课程大纲设计、学习基础资料、讨论资料、前沿拓展资源等。学生提前线上学习后，对理论知识点有一定的掌握，面授老师就进行教学重点、难点、延伸问题的讲解，组织小组讨论，重点答疑解惑并进行实例分析，逐步形成以学生为主体，教师为引导的课堂教学模式。

遥感类课程应用实践性较强，需要学生了解理论并能够熟练地运用主流RS/GIS软件来解决实际应用问题。传统的实践教学，大部分学生按照操作指导书机械地操作，未积极地思考背后的原理和意义，真正解决问题的能力不强。“问题研究+翻转课堂”的模式强调学生为主体进行团队合作解决问题。可以通过老师针对知识点给布置的实践课题方向，或者结合老师研究方向和课题参与老师课题中，学生组内成员进行任务分工和合作，从查阅文献和材料，收集与整理数据，到交流讨论确定技术路线，数据处理与分析报告编写，制作演示文档进行集中演讲，互相提问或点评。培养学生团队相互配合、互相支持的团队精神。通过此教学方式，引导学生积极的参与项目的设计、调研、执行、总结等各个环节中，可以让学生能更好地掌握实验方法和流程，巩固和拓展课堂内容，充分调动学生的积极性，提高学生应用理论知识解决实际应用问题的能力。

4 结语

针对遥感类课程传统线下教学中以老师为中心，难以培养学生解决实际问题和创新能力不足的问题，以及在线学习过程缺乏监管、缺乏情景课堂教学互动等问题，提出基于“问题研究+翻转课堂”的混合式教学模式，从课程内容和教学方法等方面进行了探索，在教学内容方面增加应用型案例及云计算等新技术新方法；在教学方法方面，形成以“问题”为中心、以“学生”为中心、以“合作”为中心的教学方式。充分结合线上与线下教学优势，并将此模式应用到成都理工大学等高校的“高光谱遥感”“遥感概论”等校企合作课程共建项目中，针对性的丰富与完善教学内容和方法，进一步验证了混合式教学的合理性和有效性。