“微波遙感”課程教學改革探索與實踐

王利花，路 鵬

(1. 成都信息工程大學資源環境學院，四川 成都 610225； 2. 吉林大學地球探測科學與技術學院，吉林 長春 130026)

微波遙感是工作波長在1 mm～1 m的遙感技術，即用非接觸的手段獲取目標信息的電磁技術，探測、接收被測物體在微波波段的電磁輻射和散射特性，以識別遠距離目標。微波遙感技術始于20世紀60年代，與光學遙感(可見光、紅外、熱紅外)相比，具有全天候晝夜工作能力，可穿云透霧，不受氣象條件和太陽輻射影響，能夠提供不同于光學遙感的信息。隨著眾多搭載微波傳感器的衛星發射和運行，微波遙感憑借自身獨特的優勢在海洋、大氣、陸地、冰雪和軍事等方面已有廣泛應用[1-3]。

微波遙感技術的發展在一定程度上也得益于遙感教育的進步，目前國內已建成相對完善的本、碩、博學位遙感人才培養體系。眾多高校在遙感科學與技術專業和地理信息科學專業開設了“微波遙感”課程(以下簡稱“微波遙感”)，但在教學過程中還存在一些問題：①灌輸式教育。在教學設計中，根據固定教材和教學大綱進行教學目標設計，然后才考慮學生的需求。反映在課堂教學上，是在研究教而非學。因此，學生不免處于一種茫然被動的狀態。②教學內容與微波遙感新技術的發展脫節。尤其是近10年，微波遙感發展迅猛，大量搭載微波傳感器的衛星發射升空(Sentinel-1、HJ-1C、GF-3等)，新技術層出不窮。而教學內容更新速度過慢，跟不上新技術的發展。③缺乏針對性的實踐訓練，理論與實踐脫節，學生思考能力和動手能力較差。綜上，微波遙感涉及復雜的理論基礎，難度較大的信號傳輸、接收和處理，但在對地觀測領域具有獨特的優勢和廣泛的應用。如何讓教師和學生互動，實現學生自主學習、自我探索，在傳道授業解惑中最大限度地減少誤解和冗余，提高雙方的積極性和主動性，實現教學相長，是一個值得不斷探討和研究的課題。

據此，在分析“微波遙感”教學過程存在問題的基礎上，試圖從以下3個方面探索“微波遙感”教學方法改革和實驗教學體系：①以教學大綱為主線，結合國內外教材、專業期刊和學術會議等材料作為教學內容；②多種教學方式并行，重點開展啟發式教學、研究性教學和實踐教學；③借助課堂和課外作業鞏固微波遙感知識點。在教學的過程中，力求以學生為主體，將教師灌輸式學習或教師簡單提問改為引導學生發現問題、提出問題、解決問題，加強學生對知識的理解、吸收和運用，實現傳道授業解惑和教學互長。

1 基礎理論教學

依據遙感科學與技術專業的培養方案，結合國內外多種教材[4-7]的內容編寫教學大綱。以教學大綱為主，精選對本學科基礎理論和技術形成發展具有重要意義的中文期刊(《遙感學報》《地理學報》《紅外與毫米波學報》《武漢大學學報(信息科學版)》等)、英文期刊(《Remote Sensing of Environment》《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》等)、國際會議文獻(IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium、Dragon Symposium等)和當今熱點研究項目(http:∥www.esa.int、http:∥www.gsfc.nasa/gov/NASA_omepage.html、http:∥www.ccrs.nrcan.gc.ca/ccrs/homepge.html)等參考資料，構建循序漸進、環環相扣的基本概論-核心理論-技術方法-實踐應用教學內容和教學體系。學生要掌握相關知識內容，不僅要在課堂上認真聆聽，搭建知識體系，也必須在課堂外通過多種途徑查閱參考資料，深入學習，加深理解。

1.1 多種教學方式并行

教師運用多媒體方法進行“微波遙感”教學時，需對教學內容爛熟于心，邏輯嚴密，條理清晰，將知識點劃分為一般內容、重點和難點，進行有針對性的教學方案設計，主要采用教師導航型教學模式[8]，輔以慕課、微助教和教學平臺等多種方式加強基礎理論教學，如圖1所示。

圖1 教師導航型教學模式

舉例如下：針對衛星運行軌道、姿態和掃描方式等，采用動畫技術展示ENVISAT ASAR右側視的升、降軌掃描方式，Radarsat SAR左側視和右側視對地觀測技術，啟發學生思考采用不同側視方向對雷達影像成像的影響；圖文并茂地展示SAR基本散射機制(如圖2所示)和地物表面粗糙度的影響因素。針對微波遙感在海洋領域的探測，首先采用三維立體動畫展示海水從底層到表層的運動狀態，結合(準)同步SAR影像，揭示水下地形、海表動態是如何被SAR影像捕捉到，進而分析海洋參數在SAR影像上的成像機理和理論，探討不同海洋現象的SAR影像特征，為微波遙感的應用提供理論基礎。針對微波遙感圖像處理部分，結合學生熟悉的光學遙感影像，對比講解SAR影像、微波輻射計影像的探測能力及特點，圖文并茂地展示微波遙感的獨特優勢和典型應用。

圖2 SAR基本散射機制

1.2 啟發式教學

在“微波遙感”教學中，筆者以問題為驅動，設計討論課，使每位學生都能參與其中，在參與中主動消化知識，深化理解并形成新的認知結構，如圖3所示。例如在講述典型地物或現象在不同微波波段、不同極化方式、不同入射角的遙感影像上展現不同的后向散射特性時，以不同類型地物或現象的SAR影像作為導入，如圖4所示，根據SAR影像的不同參數設置情境，引發學生思考SAR影像上地物或現象特征的原因，深化學生對SAR后向散射機制及理論的理解，引導學生學習新的理論知識。

圖3 教師啟發式教學模式

圖4 杭州灣ENVISAT ASAR影像

1.3 研究性教學

(1) 科研和教學相結合：教師的科研工作通常都是當今國內外研究的熱點和難點，要將教師的科研服務于教學，發揮科研對教學的促進作用[9-11]。筆者在教學過程中將SAR反演海表流場、SAR監測水下地形及INSAR應用于大城市地表沉降等科研成果轉化為教學內容，學生參與度高，課堂氣氛活躍，對理論知識的理解更深入，對理論應用于實踐有更清晰的認識。

(2) 課堂分享：每2學時利用5 min時間讓學生分享和微波遙感研究相關的當今研究熱點，課堂上5 min的分享時間需要學生課下查閱一定量的文獻資料，并進一步消化吸收轉化為自己的知識，制作PPT并在課堂上講解才能完成。該分享活動既鍛煉了學生自我學習、自我理解和自我總結的能力，同時又鍛煉了演講能力，實現了良好的互動，能夠產生知識的發散和傳遞效應，使得其他同學在旁聽、參與中主動學習微波遙感理論和應用，擴大了知識面。

(3) 定期開展學術報告，組織“微波遙感”課題組的老師在“微波遙感”課程進行過程中每月開展1次學術報告，主要涉及新發射的衛星，搭載的新型傳感器，數據處理的新技術和方法，數據共享政策等最新微波遙感技術的發展，通過開展學術報告使學生能夠了解和跟蹤熱點問題、最新事件及微波遙感的應用領域，使教學內容能夠跟得上新技術的發展，具有前沿性。

2 實踐教學

實驗教學是課堂理論效果的加強[12-16]。微波影像的下載、讀取、處理及應用是實驗教學的目的。實驗教學要注重實驗數據的使用，選擇合適的微波遙感影像，基于微波遙感理論完成圖像預處理和具體應用，使學生能夠學為所用。

2.1 實驗項目設計

根據“微波遙感”課程體系，結合微波遙感數據源信息和現有軟件及開發環境，構建了8個專題實驗項目，同時考慮基礎性和創新性。基礎性項目主要涉及微波遙感數據的下載、讀取、圖像預處理及目視解譯，創新性項目突出微波遙感的新技術及應用，主要包括基于SAR的水邊線信息提取，光學影像和SAR影像融合，極化SAR地物分類，INSAR干涉測量及SAR立體三維重建技術。實驗項目完成方式包括個人完成和分組通力合作完成。

2.2 實驗數據集和實驗指導書

根據上述8個實驗項目，利用科研項目及遙感數據源開放平臺收集相關實驗數據集，建立了一批實驗數據，主要是星載SAR影像，包括歐洲空間局的ERS-1/2、ENVISAT ASAR和Sentinel-1 SAR，加拿大的Radarsat-1/2 SAR，德國的TerraSAR，我國的HJ-1C SAR和GF-3 SAR等，涉及不同波段(C、L波段)、不同空間分辨率(百米級到米級)、不同極化方式(HH、VV、HV和VH)、不同入射角的遙感數據。

依據遙感科學與技術專業本科培養方案編寫了“微波遙感”實驗教學大綱及實驗指導書，每個項目均詳細介紹實驗目的、要求、數據、平臺和模塊，有詳細的實驗步驟、結果和分析。

2.3 實驗課堂及實驗項目分發

實驗課堂的教學改傳統的教師演示，學生練習為啟發式的教學方式。圍繞實驗項目，采用教師、學生和小組相結合，貫穿到整個實驗環節中，主要通過教師引導、學生思考進而實際動手操作解決問題的教學方法，引導學生思考、分析和解決問題，通過實驗報告、小組討論和專題報告等形式檢驗實驗課堂的教學效果。

借助學校的網絡存儲和教學平臺，將構建的實驗教學材料進行共享，方便學生下載學習，進而實現自主學習，完成實驗任務。對于數據量較大的實驗內容，借助云盤等專用網絡共享軟件進行實驗數據的分發。

3 教學評價

3.1 布置大作業，撰寫小論文

課堂作業主要通過微信公眾號-微助教完成，教師上傳習題，學生同步打開手機在線做題，迅速生成結果判斷對錯，方便教師快速查詢，決定是否再次講解對應知識點。課后作業主要結合微波遙感。

教學實際中以基本教學模塊為單元，布置綜合性作業，比如闡述微波遙感在海表動力參數反演方面的研究進展，要求學生在所學知識的基礎上，大量查閱相關文獻，以論文的形式完成作業。為了達到讓學生了解當今國際研究前沿和英文專業詞匯，挑選有代表性的英文論文，要求學生翻譯，使得學生可以一方面了解研究進展，另一方面學習專業詞匯的英文表達。

課堂和課外作業的實施，尤其是課外作業，既能培養學生對知識的理解，也能啟發學生的學習興趣和積極性，使學生較早地掌握查閱文獻、撰寫論文、閱讀英文文獻的能力，可為未來畢業論文的撰寫提供基礎。

3.2 考核方式

考試不是目的，教學的最終目的是學生能夠對教學內容主動消化、反思，在獨立解析中解構打散，搭出自己的思維框架，進而更好地掌握教學內容。

改變傳統課程結束后閉卷考核的單一形式。將最終成績劃分為課堂作業成績、課后作業論文成績、課后作業文獻翻譯成績、課堂內容分享成績，實驗成績和閉卷成績，多角度考察學生的學習效果和能力。閉卷考試重點考查學生對基本理論的理解程度，避免死記硬背的考查方式；加大主觀分析題內容，提高學生思考、分析能力，達到解決問題的實際效果。同時，輔以各種遙感、GIS技能大賽，比如ESRI開發大賽、全國高校GIS技能大賽、“挑戰杯”和創新創業大賽，以加分數作為鼓勵，引導學生參賽。

4 結 語

近幾年來，通過實行“微波遙感”課程教學改革，結合考核方式的轉變，在微波遙感應用過程中提高了學生思考、分析和解決問題的能力，獲得了良好的教學效果，尤其體現在畢業論文的選題上，更多學生想從事微波遙感領域的探索和學習，并較好地完成了畢業論文，實現了微波遙感應用于實際的對地觀測。

讓教師的科研服務于教學工作，定期開展學術報告，同時安排學生分享微波遙感的相關研究，通過4年的教學實踐運行，發現此種教學方式能夠激發學生的學習主動性，調動學生的學習熱情，使學生了解當今國際研究前沿內容，讓“微波遙感”課程和課堂更加具有生命力。