基于云教材建设思维的GIS专业“遥感数字图像处理”课程优化研究

张欣佳 刘建忠 张寅宝

基金项目：本文系2022年郑州大学教育改革研究与实践项目“基于云教材建设思维的《遥感数字图像处理》课程改革研究”（项目编号：2022ZZUJG257）研究成果之一。

作者简介：张欣佳（1988—），女，博士，郑州大学地球科学与技术学院讲师，研究方向为地理信息科学；刘建忠（1964—），男，博士，郑州大学地球科学与技术学院教授，研究方向为地理信息科学；张寅宝（1980—），男，硕士，郑州大学地球科学与技术学院副教授，研究方向为地理信息科学。

摘  要：遥感课程群是地理信息科学专业的主干内容，“遥感数字图像处理”更是其中最主要的专业核心课程之一。文章基于云教材建设思维对“遥感数字图像处理”课程展开优化，提出了相应改革方案，提高了前置与后置课程的衔接度、加强了课程与GIS专业契合度、进一步体现了地理科学学科特色。改革优化后的课程能切实提升学生的學习、实践以及探究能力，将为培养优秀GIS本科专业人才做出重要贡献。

关键词：遥感数字图像处；地理信息科学；课程优化；云教材

中图分类号：G642    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2024）14-0059-04

郑州大学地理信息科学（GIS）本科专业开设于2001年，经过二十多年的发展，目前已成为学校地球科学与技术学院的核心本科专业。GIS是一门广泛的交叉学科，按照《本科专业教学质量国家标准》（以下简称“国标”）要求，GIS专业本科生需在掌握自然地理、人文地理和地理信息科学相关知识、理论、分析方法和应用技能的基础上，进一步学习测绘、遥感、计算机等各类专业知识，灵活运用3S（GIS、GPS、RS）技术解决地理学相关问题。因此，GIS本科专业呈现出专业知识背景复杂、交叉学科特点突出的特征，而GIS本科培养方案中各课程间的衔接成为教学过程中最需要重点关注的问题。［1］

遥感是GIS本科专业的主干内容，相关课程群在各院校GIS本科专业课程体系中均设置为专业必修课。而此类课程群中遥感影像处理相关内容更是贯穿理论教学、实习实验、分析应用等方方面面的重要组成部分。［2-4］

对国内外各院校地理信息科学本科专业中遥感课程群，尤其是“遥感数字图像处理”课程的设置现状进行调研，发现目前许多院校受限于师资力量、专业结构、历史遗留问题等因素，在课程内容设置方面普遍存在一定的问题。郑州大学GIS专业过去20多年来在课程体系、课程设置、实践教学及科学研究等方面有了长足发展，但也存在类似问题。［5-9］

近年来，随着GIS本科专业在全国范围内的大量开设，GIS本科专业建设和本科生培养也面临着更高的要求，而“遥感数字图像处理”作为专业核心课程的改革迫在眉睫。如何有效解决教学实践中遇到的相关问题，提升学生的学习效果是课程改革的核心。

一、“遥感数字图像处理”课程存在的问题

（一）学时、课时不足

目前，我国大多数院校的地理信息科学本科专业在遥感相关课程方面配置的课时数普遍较少，大多仅开设一门“遥感技术/导论”，内容上看似囊括了遥感原理、应用以及遥感数字图像处理，但课时普遍偏少，大多内容的讲授浅尝辄止。以郑州大学地理信息科学专业为例，此前地理信息科学本科专业培养方案中“遥感技术”课程只有44课时（32理论+12实验）。近两年增加为52课时（40理论+12实验），但相较于课程的理想教学目标，课时依然有所不足。还可能进一步导致理论和实践教学无法平衡，学生对理论不清不楚，实践不明不白，甚至连基本操作都成了问题。因此，地理信息科学专业本科生在遥感相关知识储备和应用方面较之遥感、测绘等相关专业本科生有着极大劣势。

（二）课程内容失衡

部分院校的地信专业在“遥感技术/导论”课程的基础上又增设了“遥感数字图像处理”或“数字图像处理”等课程。“遥感数字图像处理”课程内容的设置应具有高度的交叉性和综合性，充分发挥其地理信息科学专业整体培养体系中应有的作用，达到相应目标。学生应掌握遥感数字图像的处理原理、方法，具备丰富的地理学知识，以便能够将其应用于农业、生态环境、气象、海洋、交通等领域。但此类课程的具体课程内容设置都普遍存在一定问题。

目前，地理信息科学本科专业开设“遥感数字图像处理”课程较多，其主要教学内容为遥感影像的具体案例处理以及ENVI等专用软件的使用，整体与地理信息科学本科专业培养目标具有更高适配度。但目前从各院校所用教材和授课实际效果来看，普遍存在“重操作（非实践）、轻原理”的问题。主要体现在对概念与算法原理不求甚解、照本宣科，甚至不做讲解，仅针对具体案例进行操作教学，学生知其然不知其所以然等方面。之所以说是“重操作”而非“重实践”，是因为课堂及教材所使用的案例均已预设固定条件，使用特定软件进行处理，导致部分学生在脱离案例后，无法处理更复杂多变的实际问题。

“数字图像处理”课程一般应设置“信号与系统”“数字信号处理”等前置课程，学习MATLAB等专业软件。但地理信息科学本科专业普遍不具备设置类似前置课程的条件，因此进行高质量教学难度较大。此外，虽然“数字图像处理”课程的基础理论和算法原理是学习遥感数字图像处理知识的重要基石，但知识落地到具体应用方面，其侧重点和研究方向都与地信和遥感专业需求有着较大差异，最直观的后果就是现有“数字图像处理”主流教材原理偏深而GIS专业相关内容严重不足。

上述课程普遍仅针对图像处理本身进行教学，不重视其所代表的实际地物的地理特征。而地理信息科学本科专业培养计划中的自然地理、人文地理等课程专业基础课程与遥感数字图像处理课程内容出现了明显脱节，而且学生本身对相应知识的储备较少，这将进一步导致学生难以利用遥感影像解决实际问题。

总而言之，郑州大学现有“遥感数字图像处理”课程定位不够明晰、内容不够丰富、实践不够深入，与GIS专业契合度不足，无法体现地理科学学科特色。本研究结合学院实际，以云教材建设为切入点对“遥感数字图像处理”课程进行改革，旨在提高人才培养质量。

二、改革方法探索

“遥感数字图像处理”课程内容应同时兼顾基础理论算法与地信专业具体内容，平衡理论与实践授课环节，另外还需要综合培养学生的地理学认知。这就需要综合遥感、数字图像、地理学等多方面知识内容，然而单一教材是不够的。基于上述改革需求，云教材建设思路将是非常行之有效的方式方法。

（一）云教材概况及优势

云教材是集成移动学习、富媒体数字出版和云服务三大领域的前沿技术，能够提供数字教学资源与智能化教学形式。云教材配合云课堂将是信息化时代线下线上、课上课下教学与学习发展的重要形式和方向。［10-11］

1. 灵活的多源数字教学资源

云教材可以依据学习者情景化、动态化、形象化的学习需求，配合文本、图片、音视频等多种资源将传统纸质教材内容重新进行富媒体编排设计和交互设计，形成丰富的数字资源。数字教学资源将课程内容进行全新设计呈现，配合相应App，可在手机、平板等各种电子终端上进行使用，在教学与学习内容、方式上都更加丰富与灵活。

将传统纸质教材转换为形式丰富的数字教材资源后，云教材可以将这些资源进行自由调配与灵活组合以形成全新的教学资料，而不必编撰新教材。这使得教师可以按照本专业培养目标对相应课程进行“个性化定制”。

2. 智能化教学形式

云教材是集成多种智能功能的新型教学工具，其中嵌合了互动式教学模块以及智能辅助学习工具等。在课堂上可以形成高效的课堂互动、课堂外可以对学生的任务完成情况进行智能追踪与评价。配合云班课、雨课堂等其他智能教学方法，可以在教学实践中贯通线上线下、课上课下，切实提升教学质量。

（二）基于云教材建设思路的课程优化方案

本研究以云教材建设思维为指导，从教学内容与方法两个方面对“遥感数字图像处理”课程进行全面优化。优化后的课程加强了与遥感导论等前置课程的衔接，提高了与GIS专业的契合度，着重体现地理教学的学科特色。

1. 课程教学大纲优化

教学大纲是开展高质量本科教学的重要基础。以前的教学大纲多是基于某一固定教材进行编撰，教学内容往往受限于所选择的教材。根据课程改革的目标，这种单一教材有着很大的不足。但如果需要扩充教学内容，要么同时使用多本纸质教材，要么教师自编教材，非常不方便。云教材可以提供灵活的手段将多方资源整合成一个整体，便于师生教学使用。因此教师可以抛开对自编教材的巨大工作量的顾虑，按照自己的教学目标灵活安排教学内容。

理论部分：由于遥感影像隶属于数字图像，因此对数字图像基本理论及算法原理的学习是必要的。但数字图像处理领域内容繁多，部分内容与遥感以及地理信息科学契合度不高。本课程优化是以地理科学为背景，以数字图像处理为基础，以遥感为主干，突出地理信息科学特色，形成了“遥感数字图像处理”课程教学大纲的理论部分。

实践部分：在近年来课时缩减的背景下，首先保障实践教学的基本课时。在实践方案设计中，本科阶段的遥感影像处理多使用ENVI等专业软件，采用经典案例分析进行。但此类教学方式易使学生陷入不求甚解、机械应对的境地。因此课程实践教学大纲要求学生除掌握ENVI相关操作外，还会使用Python或MATLAB等工具，通过算法深入理解概念原理。实践教学主要形式为学生自主上机、完成课题、形成实验报告。

表1  教学大纲总体安排（部分）

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2. 课程教学内容完善与深化

教学内容的深化是基于优化后的教学大纲完成的。

表2  实践部分教学安排（部分）

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首先对国内外各院校所使用经典教材进行调研与整理，如《遥感数字影像处理与地理特征提取》（钱乐祥编著，科学出版社出版）、《遥感数字图像处理教程》（韦玉春等主编，科学出版社出版），以及国外知名教材，由冈萨雷斯等主编的《数字图像处理》。

其次以优化后的教学大纲为框架，将填充相应内容，并进行数字化处理。利用云教材的富媒体特色功能（如多媒体素材、扩展链接、交互学习等）制作拓展教学资料，进一步丰富教学内容。实践部分的教学分为上机实验和课外拓展两部分。课外拓展部分将根据理论教学内容，基于不同时间节点下的实践教学任务要求与流程开展，达到与理论完美配合的目标。

最后依托云教材编辑器或其他电子书制作平台完成教学资料的整体编制。同时教材制作与教学内容优化属双线并行，利用云教材制作上的灵活性随时将教学实践中的收获运用于教学实践中接受、检验、发现问题，依据实际教学反馈进行完善。

3. 课程教学方法多元化

目前各类智能教学方法众多，各院校也鼓励教师在实际教学中积极运用相关手段。而在课时缩减的背景下，智能教学方法的确可以充分利用课堂和课余时间，提升教学效果。方法虽好，但不可盲目乱用。一味堆砌新手段新方法将会舍本逐末，导致教学流于形式。因此，本研究立足传统教学手段，结合雨课堂等线上课堂形式，形成高效互动机制，在课堂上充分发挥以学生为认知主体的作用，引导学生抽丝剥茧学习知识，而非单纯地被动接受知识。充分利用课堂时间，提高教学效率；合理布置课余任务，巩固加强课堂知识吸收，拓展知识广度与深度；线上线下与课上课下紧密配合，综合提升教学效果。切实提升学生的学习、实践以及探究能力，有效提高课程教学效果，以实现课程教学目的。

三、结语

“遥感数字图像处理”作为GIS本科专业的主干课程是高质量GIS专业人才培养中不可忽视的重要环节。本研究从课程本身和整体培养方案两个层次出发，对现有“遥感数字图像处理”课程的问题进行了剖析，并提出基于云教材建设思维的课程优化方案。该方案从教学内容与方法两个方面进行，优化后的课程加强了与遥感导论等前置课程的衔接，提高了与GIS专业的契合度，着重体现出地理科学的学科特色，為培养优秀的GIS本科专业人才打下了坚实的基础。

优化后的教学大纲如表1和表2所示，在已有学时条件下进一步平衡了理论与实践的授课学时比例，课程章节与遥感课程群衔接紧密且基本无重复、无断层；与地理信息科学本科专业培养方案高度契合；体现了地理科学的学科特色，将自然地理、人文地理、地质学、气候学等相关知识与遥感影像解译充分联系起来，使学生更加深入理解遥感影像，灵活利用所学知识解决问题，在未来的竞争中拥有独特优势。

参考文献：

［1］ 卢艳，刘建忠，张寅宝. 高等院校创新人才培养中存在的问题与政策建议［J］. 教育现代化，2022，9（15）：17-20.

［2］ 杨树文，孙建国，李轶鲲，等. 高校GIS专业遥感类课程教学模式改革研究［J］. 地理空间信息，2014，12（03）：167-168+10.

［3］ 张喜旺，刘剑锋. 高校GIS专业遥感类课程教学改革探索［J］. 测绘与空间地理信息，2012，35（10）：10-12.

［4］ 马明国，王雪梅，于文凭，等.遥感概论教学中的教学模式创新实践探索［J］. 大学，2020（36）：53-54.

［5］ 张翀. “遥感地学应用”课程混合式教学模式探讨［J］. 大学，2021（43）：61-63.

［6］ 邓帆，何贞铭，魏薇，等. GIS专业遥感类课程体系建设与实践［J］. 电脑知识与技术，2017，13（35）：186-187.

［7］ 吴鹏海，吴艳兰，王杰，等. 新开GIS专业的遥感图像处理课程教学探讨［J］. 测绘与空间地理信息，2016，39（04）：4-7.

［8］ 刘春国，卢晓峰，马超. GIS专业“遥感数字图像处理”课程教学改革探索［J］. 中国电力教育，2012（10）：81-82.

［9］ 贺智. “双万计划”背景下遥感图像处理课程教学改革探讨［J］. 教育现代化，2021，8（43）：52-56.

［10］ 李英辉，郝敏钗，邵英秀. 基于蓝墨云班课和云教材的信息化教学改革［J］. 石家庄职业技术学院学报，2017，29（04）：60-65.

［11］ 李丽. 基于蓝墨云班课和云教材的信息化教学改革对策［J］. 吕梁教育学院学报，2018，35（03）：114-116+124.

（责任編辑：邵秋露）