國家精品課程“遙感原理與應用”創新教學實踐

方圣輝，張 熠，潘 勵

(武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢430079)

一、引 言

全面提高高等教育質量，大力提升人才培養水平，是國家中長期教育規劃綱要的核心思想，為貫徹落實規劃綱要要求，武漢大學從2010年開始全面實施《本科創新人才培養發展規劃—武大課程2010》。所謂創新教學模式，即在傳統的理論教學或實踐教學基礎上，采用更加注重發揮學生主體的能動作用的教學方式，讓學生主動思考、主動探索、主動實踐。圍繞著創新人才培養發展規劃，學校老師正積極參與和實踐著教學改革［1］。“遙感原理與應用”作為第一批國家級精品課程和遙感科學與技術本科專業的主干課程，在教學中采取了創新教學模式的教學實踐，并在4年的實踐中取得了較好的效果。從內容上看，“遙感原理與應用”課程有遙感物理基礎，衛星軌道、傳感器成像，輻射處理、幾何處理、遙感影像自動分類和遙感技術應用等內容。根據遙感學科的特點，在課堂教學中具體的創新實踐做法包括:緊跟遙感技術的發展，拓寬學生視野;引導學生自主學習，培養學生學習能力;加強實驗教學環節，提高學生實踐能力;注重理論聯系實際，引導學生進行大學生創新課題申報，激發學生創新能力，如圖1所示。這些實踐改革使得學生能夠緊跟國家空間信息基礎設施建設的步伐，具有遙感學科的相關知識自主學習能力，并具備空間信息獲取、處理、分析、應用的實踐和創新能力，從而為國家遙感事業的發展提供優秀的人才儲備。

二、緊跟遙感技術的發展，拓寬學生視野

“遙感原理與應用”是一門現勢性、發展性很強的課程，它與國內外衛星遙感技術的發展密切相關。進入新世紀以來，美國、日本和歐盟等發達國家相繼發射搭載有新型傳感器的不同衛星和飛船，并且隨著中國高分辨率對地觀測計劃重大專項的建設，我國也相繼發射了系列資源衛星、海洋衛星、氣象衛星等。從美國的landsat7、QuickBird、MODIS，法國的SPOT6，加拿大的RADARSAT，意大利的COSMO以及我國的資源三號等來看，現代遙感技術已經進入一個能動態、快速、多平臺、多時相、高分辨率地提供對地觀測數據的新階段［2］。掌握這些最新遙感技術動態將有利于大大拓展學生視野，開拓學生的思路，使學生體會到遙感技術應用的巨大前景和價值，從而以更高的積極性和熱情投入到遙感領域中去。為此，在課堂教學時結合教材的傳感器及其成像特點的內容，課程組重點介紹了我國測繪衛星的特點，展示衛星獲取的圖像及利用衛星數據制作的各種測繪產品、專題產品等。例如近幾年，新聞媒體先后對嫦娥系列和神舟系列等發射進行了直播，使學生了解到嫦娥一號先從繞地球飛行，逐漸變軌后再脫離地球飛向月球，然后繞月球變軌，最后繞月球平穩飛行并獲取月球表面數據。而嫦娥二號的發射直接從地球飛向月球，然后再繞月球變軌，最后繞月球平穩飛行并獲取月球表面數據。課程組結合教材的遙感平臺及其運行特點的內容，分析嫦娥一號和二號軌道特點和關鍵技術，并圍繞著我國嫦娥國際首創關鍵點，分析了嫦娥一號用紫外姿態測量技術測量衛星姿態的原理和利用衛星姿態等參數進行月球表面三維建立的關鍵技術;同時也比較了嫦娥一號與美國和日本等國家發射的月球衛星的區別，指出了嫦娥一號在有些技術方面還有待于進一步提高。再如在講解傳感器原理和發展方向時，結合科研經驗，介紹了傳感器方面的國際最新進展，分析了我國目前在傳感器方面的實際水平，用不同的傳感器圖像直觀地展現了我國與國際先進水平之間的差距。另外在講解遙感物理基礎方面，指出遙感是交叉學科，它與計算機科學、環境學、光學、數學等密切相關，強調基礎學科的重要性，分析了我國在遙感基礎研究方面存在嚴重的不足，在物體的特性研究、大氣傳輸特性研究等方面與美國等發達國家有很大的距離。在微波遙感的講解中，指出微波遙感技術是當前國際遙感技術發展重點之一，其全天候性、穿透性和紋理特性是其他遙感方法不具備的，利用這些特性對解決我國海況檢測，惡劣氣候條件下的災害監測，冰雪覆蓋區、云霧覆蓋區、松散層掩蓋區及國土資源勘查都將具有重大作用，多極化技術、多波段技術和多工作模式是其當前方向發展。通過以上系列的分析對比，使學生了解國內外遙感技術的最新發展，拓寬了視野;同時也指出了我國與先進國家存在的差距，大大提高了學生的學習熱情。

圖1 國家精品課程“遙感原理與應用”教學創新實踐內容

三、引導學生自主學習，培養學生學習能力

教育家葉圣陶說過:“教是為了不教”。這不僅適用于教書，也適用于育人［3］。教書應注意培養學生自學能力，特別是遙感科學，涉及空間科學、信息科學、地球科學、電子科學及計算機科學等眾多學科的融合，只有充分發揮學生的自主自動學習能力，才能廣泛獲取相關學科知識，補充課堂學習的不足。

為傳授自學方法，課程組采用以下方法:第一，思考題和教材同步下發，培養學生帶著問題讀書的意識，要求學生分析、判斷、歸納問題。本課程組在開始的一節課上，概要介紹課程的主要內容、重點、難點及和相關課程的關系，讓學生了解所學的課程在專業課中的位置，每章講課開始之前把本章的思考題發給大家，讓學生帶著問題學習。在回答問題中要求學生能從多角度、多方面去尋求多樣性的答案，從而激發學生的學習興趣和熱情。例如，在回答資源遙感衛星軌道有哪些特征時，一般的答案是指近圓型軌道、近極地軌道、與太陽同步軌道和可重復觀測軌道。然而，有的同學回答近極地軌道的特征不是必須的，由于近極地軌道的目的是為了增大衛星的觀測面積，它同時帶來的負面影響即重復周期變大，如果某顆衛星對時間分辨率要求很高，則可以不采用近極地軌道。在點評中，首先肯定同學的回答，然后解釋近極地軌道可以增加重復周期的原理等。事實上，世界上有極少數衛星為了增加衛星的重復周期不采用通常使用的近極地軌道。第二，注重師生之間互動，使用多種教學方法提高學生學習能力。在教學方法上，要經常走下講臺了解學生學習中存在的問題，加強與學生的互動，收集每位學生提出教授該課程擬采取的方法，老師要綜合考慮到多數學生建議的教學方法。在課堂教學時用肢體語言和教具加強學生的印象，例如，在解釋掃描式傳感器成像特點時，老師拿一個掃帚在教室從前向后掃地，掃帚擺動的速度和人前進的速度要配合好才能達到高效，如果配合不好就可能出現漏掃和效率不高的情況等。再如，講到影像變化檢測時，在第一節課對教室照一張像，第二節課再照一張，把兩張照片投影到屏幕上，讓學生找出變化的地方即教室里兩節課學生人員的變化。針對兩張照片，講解影像變化檢測的原理和方法，分析可能影響變化檢測的各種因素。第三，采用以教師為主導，學生為主體的教學模式，允許學生在有準備的情況下上講臺交流知識點。在布置課后作業方面，注重學生完成作業的質量，作業題大部分以開放式給出，要求學生思考并查找相關資料后才能完成，學生對布置的作業可以任選一題或幾題進行解答，但解答時必須有自己的思路。對主要的思考題安排學生先做準備再在講臺上進行講解，然后和大家一起討論，激發同學翻閱課外資料進行自主學習的熱情。從課堂教學、課后作業、課間實習和課程考試等方面加強學生自主學習的能力和積極性，逐步引導學生自主學習。例如:課程組在完成遙感圖像幾何處理的教學后組織了一次教學嘗試，并邀請了學校和學院教學督導團的老師進行觀摩和指導。在那次課堂上，有7名同學分別對7個不同題目根據自己的理解進行講解，在學生講解后，其余同學從不同側面還給出不同的理解和看法等，最后，老師對學生提出的問題和理解進行適當的點評，這樣的教學可以發揮學生學習的熱情和主動性。通過這些方法，使得學生不再僅僅成為教學組織過程中的受眾者，更是參與者、組織者。在老師的監督和策劃下，學生參與教學過程，自主提出問題，針對自己的問題嘗試解決辦法，這種做法大大提高了學生的參與感，并能夠在更廣闊的自主學習天地發揮作用。

四、加強實驗教學環節，提高學生實踐能力

遙感是一門科學，也是一門工程，需要掌握基本的工程實踐技能，因此大量實習課程的設置是遙感學科教育區別于其他學科的一個重要特色。在“遙感原理與應用”精品課程中，共進行了4次課堂實習，其中包括地物光譜測量實習、遙感圖像輻射處理、遙感圖像幾何處理和遙感圖像自動分類等，這些實驗教學環節成為學生提高實踐能力的重要條件。

在實際操作過程中，學生對出現的問題進行思考和交流，能夠獲得許多書本無法獲取的知識。例如，在地物光譜測量的實驗中，學生不僅僅為了測量出不同物體的光譜曲線，還根據測量中遇到的問題和學到的技巧，分析了影響物體光譜特性的不同因素。有些學生提出了對物體進行分離的波段選擇;有些學生對地物光譜特征曲線所代表的意義進行了分析，提出了利用同種物體不同光譜可以揭示出物體存在變異的想法等。再如在進行幾何處理的課間實習中，有的學生發現在選取控制點時，如果采用一次多項式進行糾正，在選好了3個點，再選第4個點時，計算機自動找到同名點，但計算機自動找到的同名點存在誤差，如果人工移動點到正確的點位，就發現以前選擇的點都存在誤差值;還有的學生發現選擇的同名點分布不同、點位偏移等一些問題。針對這些問題，老師要結合幾何糾正模型和平差理論給予一一解答。在整個實習過程中，學生感到最困難的是控制點的尋找問題，能否讓計算機自動尋找控制點的問題一提出，有些學生即根據數字圖像處理和模式識別的相關知識，設計了一套計算機自動尋找控制點的方案，老師詳細分析了方案的每一步，包括有些步驟還存在不足，甚至有些現在還不可行、有些知識現在還沒學到，要告訴學生目前的每一步還存在的困難，讓學生自己去思考。再如在遙感影像自動分類實驗中，首先把武漢地區的TM影像分發給大家，同學們自由組合4～5人一個小組，每個小組自己安排時間到實驗室進行分類實驗，實驗室為學生們準備了不同的分類軟件(如PCI、EDARS和EVEN等)，學生根據不同軟件的教學指導書自己學習操作流程;然后，每個小組要把實驗中得出的結果和發現的問題準備3 min的報告在課堂上展示，學生在展示成果和出現的問題時可以互相討論學習，老師做一定程度的點評。通過以上的實驗，學生反映他們不僅對分類原理有了更深的理解，同時對分類的方法和策略掌握得更加全面。總之，實踐教學對培養學生的實踐能力有著理論教學不可替代的特殊作用，是創新人才培養過程中貫穿始終的、不可或缺的重要組成部分。通過幾年的實踐，學生的實踐能力得到了提高、表達能力得到了鍛煉。

五、注重理論聯系實際，培養學生創新能力

目前遙感科學技術的發展對學生的創新能力提出了很高要求，這與教育部提出的“卓越工程師”的培養計劃相吻合［4］。遙感學科作為應用型本科專業，應當不斷強化核心課程的教學改革，將學生的實踐能力和創新意識培養作為探索的方向。

為此，根據“遙感原理與應用”的應用型課程的特點，在教學中應注重理論聯系實際，將教材內容與實際的應用聯系在一起，從而激發學生的創新意識和創新能力。例如結合遙感的幾何糾正原理，采用一幅武漢地區的有幾何誤差的遙感影像，學生可以將影像與實際情況進行對比，發現誤差并進行幾何處理，然后將處理后的影像再與實際的進行對比，在整個過程中，學生增強了動手能力，也增強了實驗的直觀效果。再如，眾所周知，遙感影像幾何處理通常是需要控制點的，而對缺乏控制點的月球影像進行幾何處理時，應利用嫦娥得到的月球圖像，課堂上講解利用嫦娥的姿態、坐標等采用空間前方交會的原理進行解算，為了提高解算精度，必須有很高的坐標、衛星姿態精度和合適的處理方法等。

針對國家熱點事件，介紹遙感技術在不同領域的應用，激發同學的創新熱情。例如介紹遙感技術在汶川地震中的應用時，提到現代遙感技術能夠大范圍獲取城鎮房屋、建筑物、農作物、水電站、供水供氣部門等重要設施破壞信息，能夠精確地判讀公路、鐵路、飛機航道等交通的受損情況，幫助決策部門制定救援計劃，還能準確確定水系和河道阻塞狀況，檢測預報滑坡、泥石流和堰塞湖等次生災害［5］。有了這些實際應用例子，學生在對待課程中的實習時思路更加活躍，想法也更加開闊。近幾年有的同學已經進行了創新實踐，其中有兩組學生成功獲得國家級大學生科研項目的資助，分別為“航空影像上水體自動提取的方法研究”和“利用激光快速進行三維建模方法研究”。

關注身邊的遙感，讓學生知道遙感技術可以為國民經濟和社會發展提供技術服務，課程組介紹了谷歌地圖、天地圖、天氣預報、環境監測、農作物估產、森林監測、水污染監測等應用實例。在課堂上用不同時間、不同分辨率和不同傳感器的實際遙感影像給學生講解1998年長江流域和松花江流域的洪水發生、發展和災后評估的具體方法和步驟，激發學生學習遙感利用遙感的潛力。在此引導下，有學生以《遙感和GIS結合分析方法研究武漢城市熱島與水體的關系》《遙感技術在沙塵暴監測中應用》和《遙感技術在海洋赤潮成因分析中的應用》為課題得到了國家級大學生科研項目的資助，提出了許多創新思路，展現了學生的巨大創新潛力。

六、結束語

遙感學科教育創新人才的培養是一個復雜的系統工程，也是國家、社會、學校和個人共同承擔的一個長期效益工程［6］。“遙感原理與應用”國家精品課程在教學實踐中，不斷促進教學和實踐改革，拓寬學生視野，推進自主學習能力培養，重視實踐教學效果，采用多種手段理論聯系實際培養學生的創新能力。通過這些實踐使得學生在畢業走向和用人單位的反饋中取得了良好的反饋意見，為我國遙感事業的發展作出了貢獻。

［1］ 陳江平，潘勵，單杰．淺談地理國情監測技術專業課程體系建設［J］．測繪通報，2013(10):125-128．

［2］ 常艷，吳桂生．淺談遙感新技術及其發展動態［J］．微計算機信息，2006，22(1):1-15．

［3］ 侯建軍，佟景才，鞠頌東，等．引導學生自主學習促進學改教改互動［J］．中國高教研究，2004(1):90-91．

［4］ 劉旭輝，李芳，吳雁，等．應用型本科院校大學生創新能力培養模式探索［J］．中國電力教育，2013(19):33-34．

［5］ 許亞平．從汶川地震看遙感技術在突發自然災害中的應用［J］．貴州地質，2008，25(4):306-310．

［6］ 李華，蔣華林．研究型大學創新性人才培養的實踐探索［J］．高等工程教育研究，2006(4):46-52．