遙感科學與技術專業的程序設計課程設置與教學改革探討

王彥芳，尚國琲，謝寶妮

(河北地質大學 土地科學與空間規劃學院，河北 石家莊 050031)

1 引言

遙感科學與技術專業是2011年教育部正式新增的測繪類本科專業，是在測繪科學、空間科學、電子科學、地球科學、信息科學以及其學科交叉互融的基礎上發展起來的一門新興交叉學科[1～3]。該專業是順應新一輪科技和產業變革，滿足國家對地觀測技術發展對人才的需求而成立的符合國家新工科發展戰略的測繪類新專業，在現代國防和國民經濟建設中有著廣泛應用。遙感利用非接觸傳感器來提取客觀世界中各種目標對象的幾何與物理特征信息。該專業培養掌握現代計算機技術并具有較強分析和處理地球空間信息能力的專業。畢業生能夠在國家基礎測繪、工程測量、資源環境調查與管理、地理信息服務等領域，勝任測繪遙感工程項目設計、遙感數據采集與分析處理、遙感新技術開發與應用等工作，能夠從事遙感工程項目設計、實施、組織和管理等專門技術工作。

掌握計算機操作和信息管理的基本知識，具有程序設計和開發能力、掌握軟件體系架構、軟件設計和開發技能該專業重要技能之一，也是實現專業目標的關鍵支撐。對遙感專業的學生來說，程序設計是一門必備的技能[4]。因此，掌握計算機科學尤其是程序設計相關技能對該專業的學生來說非常重要。非計算機專業的程序設計教學改革研究很多，但針對遙感專業程序設計課程改進方面的論文較少[5]。本文在分析十余所開設遙感科學與技術專業高校的程序設計相關課程的基礎上，結合課程設置和學生能力培養，剖析存在問題，在此基礎上提出相關建議。

2 遙感科學與技術專業程序設計課程開設概況

2.1 主要程序設計課程

遙感科學與技術專業的畢業生要求學生能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，并通過文獻檢索、資料查詢及運用現代信息技術獲取相關信息，識別、表達、分析復雜的遙感技術問題，以獲得有效結論。為達到這個目標，學生必須掌握相應的計算機系統和軟件開發等計算機科學與技術基本理論和主要技能。但不同的高校對于學生開發能力的要求不同，因此，在課程設置上存在一定的差異。表1為不同高校的遙感科學與技術專業所設置的幾類程序設計相關課程。大致可以分為如下幾個階段：計算思維導論—計算機基礎語言(面向對象程序設計)—數據結構—遙感圖像程序設計。此外，其他部分相關課程如空間數據庫、計算機圖形學、軟件工程、GIS系統開發、Matlab應用、R語言等也作為部分高校的選修課程。

表1 遙感科學與技術專業幾類程序設計相關課程

綜合以上高校遙感科學與技術專業的程序設計系列課程可以看出，不同高校在考慮學生的具體情況分別制定了差異化的導入課程，例如部分高校充分考慮了大一新生薄弱的計算機程序設計基礎，學生在中學時期主要以基礎學科知識學習為主，雖然涉及到計算機的相關課程，但是大部分學校并沒有涉及程序設計。因此，在大一階段開設計算思維課程，引導學生理解運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解等思維和活動，培養計算思維。在具備計算思維的基礎上，進行以C(VB、C#、C++)等語言為例的編程實踐，計算思維課程有獨立課程或者是與編程實踐(C)進行合并。在語言選擇上，大多數高校選擇功能強大、難易程度適中且易于移植的C語言，也有高校選擇面向對象的程序設計語言。在掌握一門基礎語言之后，為了強化對算法的理解，提高程序設計能力，下一階段的課程是數據結構與算法或者數據結構與數據庫。數據結構與算法有助于后續掌握算法設計的思路，遙感圖像處理、遙感參數反演、遙感應用往往涉及各種類型的算法，因此，該課程有助于學生更好地理解算法思想和提高算法設計能力。

在系統掌握遙感科學與技術的專業基本技能和程序設計的基本技能的基礎上，需要培養學生綜合考慮經濟、環境、法律、安全、健康、倫理等因素，對遙感領域的復雜工程問題能給出合理的解決方案與流程。例如能夠合理地管理遙感實驗數據，設計有效算法、數據處理模塊，并能夠就設計的算法和軟件模塊進行評價優化。能夠依據專業知識分析遙感領域的工程問題及影響因素，并設計滿足需求的全周期、全流程解決方案。因此，需要開設遙感圖像處理程序設計、測繪遙感程序設計、或者相關的GIS工程設計與開發，針對遙感工程應用領域復雜工程問題，設計/開發滿足特定需求的解決方案，并在此基礎上，能夠實現一定程度的創新。

最后根據學生的興趣所在，提供豐富的程序設計選修課程，在語言方法涉及Python、R、JAVA、Matlab、IDL等，與遙感相關的程序設計課程如空間數據挖掘算法與實現、GIS二次開發。學生可以根據自己的興趣和未來職業規劃進行選修，例如有升學研究計劃的同學可以選修Matlab、IDL、R等科學計算研究性較強的語言，而打算從事開發工作的學生可以選擇JAVA、GIS二次開發等課程。

2.2 課程特點與學生能力培養

合格的編程人員要具備的四個基本能力，即計算機思維能力、算法和設計能力、程序設計和實現能力、計算機系統能力[6]。雖然不是所有的同學未來都會成為編程人員，但隨著時代的發展未來無論從事什么相關工作，都或多或少需要這些能力，通過感受程序設計邏輯，培養學生不僅運用編程解決問題的能力，同時形成探索問題的科學精神。

遙感科學與技術專業的程序設計相關課程對學生能力的培養如表2所示，以計算思維為基礎的課程主要培養新生計算思維，大學一年級是學生樹立正確學習態度和培養計算思維的重要時期，要引導學生從學習中獲得樂趣，養成熱愛學習的好習慣尤其重要。C語言等程序設計基礎語言的學習不僅僅是掌握一門程序設計語言，更重要的是在實踐中逐步掌握程序設計的思想和方法，并培養問題求解和語言的應用能力[7]和與專業應用相關的應用[8]。通過學習數據結構，拓寬學生的思維模式，提高他們的邏輯分析能力和理解能力，引領學生深度思考，也是提升編程最重要的基本功[9]。遙感圖像程序設計是程序設計基礎與遙感專業相關知識的碰撞和結合，提高學生的遙感及相關學科相關的技術改造與創新和組織管理能力。最后，各高校提供的各種選修課程，具有一定的綜合性、理論性、技術性和實用性，學生可以根據自己的興趣自由選擇，也是對學生專業知識和計算機編程能力的綜合運用和體現。

表2 程序設計相關課程的特點與能力培養

3 課程實施中存在的主要問題

各所高校在相關程序設計的課程設置上總體是從基礎性-進階性-專業性-擴展性的逐步過渡，學生的編程思維和能力也得到逐漸加強和鍛煉。但在具體的實踐中，會存在以下問題。

3.1 學生對程序設計的學習興趣和動力普遍不足

在教學實踐的過程中發現，學生普遍反映程序設計課程的概念和知識點多，跨度大，課程內容抽象，系統性差等特點，課程風格與其他課程差別很大，不容易理解。一方面，由于程序設計課程難度大，處理專業問題的特殊性和復雜性，導致實際應用的效果并不理想，學生對程序設計課程普遍缺乏動力。尤其是受入學基礎差、缺乏興趣，很多同學對程序涉及有抵觸情緒，甚至在還沒有開始學習之前，就感覺程序設計很難，自己學不會。另一方面，學生未認識到專業課程與與程序設計之間的密切關系，從而導致學習興趣和動力不足，對自己的程序設計要求降低，例如在學習C語言時，認為C語言的用處不大，只是應付考試，對語言缺少興趣。

3.2 學生對多門相關課程的關系不明確

學生往往搞不清學習程序設計的用途，且不同階段所學知識不能建立有效連接，形成體系。例如學生學習C語言之后，大多數學生處于似懂非懂階段，感覺會用，但是不知該怎么用。緊接著學習一門更加抽象的數據結構，且涉及到偽代碼，學生難以理解偽碼和C語言之間的區別，而且不同的數據結構書目采用的語言包括C、C++、JAVA語言等，這些復雜的關系給學生的理解造成很大困擾。同時，學生感覺這兩門課和遙感科學與技術專業似乎并沒有直接的聯系，導致學習的積極性較低。在后續的學習中，學生仍會接觸程序設計課程，包括如IDL、Matlab、Python等語言，如果學生無法把握課程之間的關系，直接影響學生的學習效果。

3.3 常規教學方式不能達到預期教學效果

具有多年的程序設計教學經驗的老師，容易慣性地認為所講授的知識比較容易，難以理解學生差異化的個性感受，未能因材施教，因而教學效果不如意[4]。在教學方法上，傳統以教師講授為主的教學方式，抑制了學生主觀能動性的發揮，尤其是缺乏系統思維和綜合練習的鍛煉機會，導致學生對指導書過度依賴，提高創新能力無從談起。而編程是需要不斷地實踐，通過練習把海量的知識轉化為技能，培養編程思維。從學生角度看，缺乏有效的鍛煉機會，因此對知識的運用不夠，實踐能力得不到強化。同時，在教學管理方面，程序課程通常在機房上課，如果不能加大對課程的管理，上機課程學生自控能力查，沒有監督學生容易走神，甚至去做一些與該課程無關的事，導致達不到教學效果。

4 相關教學改革建議

4.1 強化程序設計課程在專業中的作用

在新生導論課程或者相關的專業介紹課程中，向學生強調程序設計的重要性，在學習C語言、C#等程序設計基礎課程時，就強調讓學生認識到程序設計在專業學習中的重要性，從大一起開始對程序設計建立起興趣。學習編程還能鍛煉思維，使我們的邏輯思維更加嚴密，并強調學會編寫程序會給工作帶來哪些方便，在遙感批處理中的作用。但同時告知學生程序設計只是一個工具，并不是遙感專業的終極目標，老師應該進行引導，讓學生體會程序設計所帶來的優勢，并在對專業興趣的驅動下，由興趣帶動程序設計語言學習，行成良性循環。

4.2 構建程序設計課程群體系

各高校根據各自的人才培養目標構建起適合本校學生的程序設計課程群體系。首先要讓學生了解不同時期所開設的程序設計課程在設置上的考慮，理解不同課程之間的遞進深入關系，明確每門課程在程序設計能力培養中的位置和作用。其次，讓學生明白語言學習主要是為了掌握編程思維，雖然不同的高校開設了不同的語言課程，但并不是每個學生都需要熟練掌握C、C++、C#、Python、Matlab、IDL等不同類型語言，根據自己的習慣和優勢選擇一個自己喜歡的語言和方式深入和進階型學習就可以。關鍵是學一種思想，有了思想，是可以觸類旁通，無論是初級階段的基礎程序語言還是在專業中的應用。

4.3 探索更加有效的新方式組織教學活動

注重產學合作，科教融合，在課程設計中，適當增加綜合實驗和探索性研究，讓學生充分體會到程序設計的作用，能夠到綜合實驗和研究探索中獲得成就感，從而促進學生興趣的培養。例如可以采用項目教學法提升實用性，依據項目的內容進行教學內容的設計，并在教學過程中實施應用[10～12]，教法上采用反轉課堂、教學-科研融合、故事教學等方式[13，14]，培養學生解決問題的能力。加強學生與學生、學生與老師之間的交流，由于各人的思維方式不同、角度各異，教學中通過分組，讓大家進行合作，讓學生通過交流可不斷吸收別人的長處，豐富編程實踐，幫助自己提高水平。同時，加強教學管理，關注不同類別的學生，不要讓部分學生因為暫時遇到的挫敗而對程序設計失去信心。最后，可以采用校企合作模式，讓學生的能力最終落地并得到強化[15]。

5 結語

程序設計能力是遙感科學與技術專業的關鍵技能之一，通過調查研究發現，目前各高校遙感專業的程序設計課程通常涉及多門課程，大體分為計算思維-語言基礎-專業程序設計-選修拓展等過程，逐漸培養學生計算思維邏輯能力和專業問題解決能力。但針對目前相關課程實施效果并不理想的問題，以后要在課程與專業的關系、課程和課程之間的關系，以及改革程序設計系列課程的教學方法等基礎上，提升遙感科學與技術專業學生的整體程序設計能力，能在應用開發與科學研究上不斷提升，以達到提高教學質量、培養工程應用型人才的目標。