林學一流本科教育建設背景下“林業遙感”課程實踐教學的創新

(中南林業科技大學林學院，長沙 410004)

作為世界一流大學建設的基本特點和重要前提，一流本科教育成為一流高等教育建設的必然出路[1]。然而部分地區性農林特色綜合性大學，不是一流大學也沒有一流學科，如何加快本科教學實踐創新，助力培育一流學科，具有非常重大的意義[2-3]。遙感作為一種高效的探測、獲取、分析和處理地物空間信息的先進手段[4]，已廣泛應用于南方集體林區森林資源的經營與管理，在林學一流本科教育環節中發揮著關鍵作用[5-6]。因此，如何根據高等農林院校傳統特色林學專業的教學條件，加強“林業遙感”課程實踐教學的創新，為南方集體林區森林資源的合理經營和科學管理服務提供拔尖創新人才和應用型人才，是“林業遙感”課程教學急需解決的問題。

本科教育與人才培養是大學的根基。本科教育水平決定了學生和高等院校的未來[7]。一流本科教育的核心價值在于高水平教學，其基本特色在于學生的學習具有積極主動性、思維方式具有批判性；教師教學具有實踐創新性，以問題為導向開展案例式教學[8]。然而，我國本科教育的實踐教學環節仍然比較薄弱，從應試教育到能力培養的轉化未能有效完成。目前，高等農林院校林學專業“林業遙感”課程的實踐教學主要圍繞“林學”“生態學”“測量學”“地理信息系統”“遙感原理”等基礎課程展開，目的只是熟悉和掌握“林業遙感”課程的教學內容。受實踐教學條件、學生安全風險問題等限制，林學專業學生難以獲得系統化的實踐教學培訓，導致學生自主學習意識薄弱、創新能力不高[9]。因此，如何有效整合林學專業課程群的實踐教學環節，滿足一流學科建設背景下林學專業人才培養的新需求，建立“林業遙感”課程實踐教學創新模式，完善該課程實踐教學的考核體系，是目前筆者研究的重點內容。

一、“林業遙感”課程教學存在的問題

近年來，高等農林院校基于自身特色，將“林業遙感”課程的實踐教學培養目標瞄準了生產需求，以社會需求促進實驗、實習和課程設計等實踐教學體系的建設和改革。然而，這些改革多針對地理信息系統、測量等專業的“遙感實驗”課程開展[10-11]，面向一流本科教育的“林業遙感”課程實踐教學的報道較少。筆者經過4年的理論教學和實踐探索，發現部分高等農林院校林學本科專業的“林業遙感”課程教學存在以下問題。

(一)課程實踐內容與社會需求的結合不緊密

“林業遙感”課程實踐教學選用的指導書是《遙感圖像處理實驗指導書》，教學軟件是ENVI5.0，而國外主流的ERDAS、PCI等教學軟件涉及的不多。遙感是一門快速成長的學科，新時期出現的三維激光、無人機、云技術、大數據和人工智能等新技術未及時納入本科教育“林業遙感”課程實踐教學中。該指導書中部分實驗模塊滯后于林業生產實踐的需求，阻礙了學生學習視野的拓展[4]。因此，急需結合高等農林院校自身的實驗條件編寫適合林學專業的實驗教材，保證教學內容與“互聯網+”智能林業等新技術的一致性，保障大學生所學的專業理論和實踐知識與社會需求同步。

(二)課程實踐教學與理論教學的比例不合理

“林業遙感”是一門面向技術的應用型課程，但部分高等院校往往忽視了對林學專業學生野外實踐技能的培養，主要體現在2個方面：一是設置的實驗課時普遍偏低[4]，難以保證學生對理論知識的理解和操作技能的掌握，結果導致教師講授內容往往局限于課本，進而無法激發學生的學習興趣和創新精神[4]；二是實習條件和經費有限，學生沒有充足的時間到野外國有集體林場開展完整的森林資源遙感調查，完成的林業遙感實習報告與生產實踐有一定距離，無法保證“林業遙感”課程的野外教學效果。

(三)研究型和創新型實驗的比重偏低

驗證型實驗強調基礎性和驗證性，培養學生運用遙感軟件驗證基本原理知識的能力；綜合型實驗強調系統性和綜合性，培養學生系統運用遙感知識進行綜合性實驗和操作的能力；研究型實驗是強調實踐性和研究性，培養學生運用所學知識分析解決實際問題的能力；創新型實驗強調探索性和創新性，培養學生運用創新思維和創新意識探索新問題的能力。目前，高等農林院校“林業遙感”課程實踐教學通常以驗證型實驗為主，綜合型實驗為輔，缺乏研究型和創新型實驗，制約了學生創新性學習能力的激發，不利于學生自學能力和創新精神的培養。

二、林學一流本科教育建設背景下“林業遙感”課程實踐教學的創新

為解決“林業遙感”課程傳統實踐教學存在的問題，筆者從基礎操作、專業應用和創新實踐3個環節建立分級式實踐教學體系，通過追蹤遙感發展前沿、引導師生雙向溝通、注重實踐教學環節和加強教學科研互動4項舉措優化理論和實踐教學方法，探索基于“平時模塊考核(55%)+期末綜合考核(35%)+創新實踐考核(10%)”的多元化考核機制，見圖1。具體改革措施如下。

(一)建立分級式實踐教學內容體系

對于“林業遙感”課程的基礎實踐項目，將原有實驗模塊進行整合，圍繞軟件操作、圖像處理和圖像解譯3個經典模塊開展實驗，考察學生的動手實踐能力；對于專業實踐項目，結合林學專業優勢，精心設計包括森林資源制圖、森林參數反演和森林動態監測等多個實驗項目，加深學生對理論知識的理解，考察學生的實際應用能力；對于創新實踐項目，增設柔性研究性實驗，從無人機、三維激光和人工智能等新技術方面開設創新性研究型實驗，激發學生的創新意識，考察學生的創新潛力。

圖1 林學一流本科教育建設背景下“林業遙感”課程實踐教學改革路線

(二)開展理論教學與實踐教學相互融合、相互促進的課程教學

1.追蹤遙感發展前沿

筆者在“林業遙感”課堂教學中插入與林業遙感相關的發展動態和時事熱點內容[5]，加深學生對基本原理知識的掌握。例如，講授電磁波譜的“同物異譜”現象時，穿插利用光譜特征區分天然草坪和人工草坪的案例；講授目視解譯方法時引入“從太空中是否可以看到長城”的爭論內容；講授傳感器的發展動態時，結合科研經歷，從美國的Landsat、MODIS系列，歐盟的SPOT、Sentinel系列，日本的ALOS系列，自然地回顧到我國的高分系列數據，通過不同的遙感影像質量，直觀地展現我國遙感同世界先進水平的差距。

2.引導師生雙向溝通

互動式教學注重學生思維能力的培養，是一種主動式學習方式。首先，教師要積極與學生交流，了解學生基本的學習動態和理想的教學方式，例如通過設計合理的課前思考題和課后討論題，增加教師與學生之間的互動交流，使學生通過查閱課外資料逐步培養獨立思考和自主學習的意識；其次，教師要善于運用教具和肢體語言加深學生的印象，例如講解掃描式傳感器成像特征時，教師可以示范掃帚掃地的動作，人的前進速度和掃帚的擺動速度要協調，否則可能出現漏掃的情況。

3.促進實踐教學與理論教學的配合

“林業遙感”課程理論知識教學離不開實踐操作，因此筆者把ENVI、ArcGIS和ERDAS軟件的實驗操作穿插到課堂教學的對應環節[10]。例如，講解數字遙感圖像處理時，穿插遙感圖像幾何校正和正射校正實驗，通過實驗過程和結果的對比，幫助學生理解中心投影和正射投影的區別；講解遙感圖像解譯時，穿插遙感圖像計算機監督與非監督分類，通過分類過程的展示，幫助學生掌握兩種分類方法的原理。另外，筆者在“林業遙感”課程教學過程中，還引導學生積極參加大學生創新創業大賽，如“互聯網+”大學生創新創業大賽、大學生GIS應用技能大賽、大學生測繪綜合技能競賽等，增強學生的團隊合作和實踐創新能力。

4.加強教學科研互動

教學與科研相互依賴、共同促進，是實現高等院校和諧健康穩定發展的必然趨勢[12]。因此，在“林業遙感”課程實踐教學過程中筆者結合科研案例開展教學活動，以增強學生對抽象遙感概念的理解。例如，講解遙感影像的空間分辨率時，結合SPOT5、Landsat5和MODIS衛星影像在“全國森林植被多階遙感動態監測”項目中的科研案例開展教學，提出如何結合具體研究區選擇合適的遙感數據。另外，將畢業論文與科研項目結合，使學生通過參加教師的科研項目，逐步凝練形成自己的畢業課題，培養學生的創新實踐能力，同時組織學生結合教師的科研課題積極申報大學生創新創業項目，激發學生的探索熱情和創新潛能。

(三)實施多元化課程考核

改革“林業遙感”課程傳統的評價方式，增加過程考核的權重。采用“平時模塊考核(55%)+期末綜合考核(35%)+創新實踐考核(10%)”的綜合考核方式，對學生進行多元化考核。其中，平時模塊考核包括9個實驗模塊技能考核成績+個人匯報成績+個人平時表現成績；期末綜合考核包括小組課題成績+研究報告成績；創新實踐考核模塊引導學生積極參加大學生創新創業計劃項目，輔以適當加分作為鼓勵，培養學生理論聯系實際的綜合能力。

三、“林業遙感”課程實踐教學創新取得的效果

“林業遙感”課程教學實踐表明，面向林學一流本科教育的課程實踐教學創新模式不僅符合一流學科對知識訓練和創新應用的要求，而且增強了學生學習興趣，提高了實踐教學的質量，提升了課程考核成績，達到了傳道解惑和教學相長的目的。

(一)增強學生學習的興趣

筆者對中南林業科技大學2018級林學專業68名學生開展了問卷調查，結果顯示：95%的學生通過基礎模塊學習，加深了對“林業遙感”課程基本原理的理解；86%的學生通過專業模塊學習，提高了對遙感專業知識的掌握；73%的學生通過創新模塊學習，提高了理論聯系實際的能力，27%的學生表示有一定難度需要過程適應。總之，“基礎—專業—創新”式實踐教學體系不僅能增強學生的學習興趣，而且符合一流學科對知識訓練與創新應用的基本要求，滿足新形勢下創新型人才培養模式的需求。

(二)提高實踐教學的質量

1.拓寬學生的學術視野

筆者通過在“林業遙感”課程教學中穿插最新的遙感技術動態和熱點事件，極大拓寬了學生的學術視野，使學生領略到遙感應用的巨大前景和商業價值。同時，學生認識到我國遙感與世界先進水平的差距，激發了他們學習遙感的熱情和積極性。調查顯示，80%以上的學生表示將來深造和就業愿意從事與遙感相關的行業。

2.提高學生的自學水平

以問題為導向的教學設計能夠提高學生課堂學習的參與度，增強師生間的雙向溝通交流。在“林業遙感”課程教學過程中，通過筆者的引導與策劃，學生逐步成為實踐教學的參與者與組織者，對“林業遙感”課程的發展過程有了自己的認識，自主學習意識逐漸增強。有的學生依據師生間的溝通交流，撰寫了“基于Sentinel-2數據的四種常用植被指數地形效應分析”的論文，目前正在教師的指導下參加“海峽兩岸森林經理學術交流會”優秀論文的投稿。

3.培養學生的動手能力

“林業遙感”課程理論教學的同時穿插實踐教學，不僅加深了學生對遙感原理知識的理解與掌握，而且鞏固了遙感圖像處理的方法和策略。學生開始由被動的接受者變為積極的參與者，獨立思考和動手實踐能力得到鍛煉。有的學生開始思考利用遙感技術解決林業生產的實際問題，例如森林資源監測、外來物種入侵監測等；有的學生開始加入教師的科研團隊，勵志將“無人機遙感在精準林業上的應用”作為將來繼續深造的主攻方向；有的學生在教師的指導下，參加了GIS應用技能大賽和測繪綜合技能競賽，綜合實踐素質得到提升。

4.激發學生的創新潛能

通過將科研課題融入“林業遙感”課堂教學和畢業論文中，學生思考問題的思路更加開闊，運用遙感技術解決實際問題的能力增強，展現出良好的科研創新潛力。在教師科研課題的啟發下，有的學生以“探究不同山地下的月、季、年度光照條件對油茶林花、果生長的影響”和“基于無人機和卷積神經網絡對油茶炭疽病快速檢測研究”為課題，獲得了國家級、省級和校級大學生創新創業計劃項目的資助；有的學生以“基于地面激光掃描技術的杉木三維樹干曲面模擬”為課題，在激光雷達林業應用方面進行了有益探索；有的學生以“基于多標準的Landsat8地形校正方法比較”為畢業課題，獲得了優秀畢業論文。

(三)提升課程考核成績

筆者對68名參與創新實踐教學和68名參與傳統實踐教學學生成績進行統計、比較發現，前者的成績整體高于后者的成績，見圖2。高于80分的學生占比分別為67.65%、52.94%；低于70分的學生占比為7.35%和13.24%。結果表明，創新實踐教學增強了學生的自主學習意識，學生對教學內容掌握較好，考核成績顯著提升。

圖2 參與林學專業“林業遙感”課程傳統實踐教學與創新實踐教學學生成績的比較

資助項目：中南林業大學2020年教學改革研究項目“新農科背景下林學本科遙感實踐創新模式研究”，項目編號XJG2020073；湖南省研究生優質課程項目“遙感數字圖像處理”，項目編號湘教通[2019]353號文件；中南林業科技大學林學院2019教改項目“面向林學一流本科教育的遙感實踐創新研究”，項目編號20190722JG02。