國產遙感軟件在混合式教學模式中的應用

航天宏圖信息技術股份有限公司 任芳

遙感圖像處理關鍵技術已經成為遙感產業敏感技術和“卡脖子”技術。在高校使用國產遙感軟件的學習、研究和應用實踐活動，培養掌握關鍵技術的創新應用型人才，具有重要的現實意義。針對遙感類課程學生解決實際問題和創新能力不足的問題，以及在線學習過程缺乏監管、缺乏互動等問題，提出“問題研究+翻轉課堂”混合式教學模式，從內容和方法兩方面進行了探索，為高校開展面向“理論與實踐”相結合課程的混合式教學模式改革提供參考。

2020年1月美國宣布采取措施限制人工智能類軟件出口，其中包括含圖像智能分析模塊的遙感和地理信息系統類軟件，預示了針對新興和基礎技術更大范圍的管制正式拉開帷幕。因此，“十四五”規劃對空間信息化技術提出了高要求，遙感技術的研究和應用能力在國家信息安全、國民經濟發展等方面的重要性越來越突出。

在我國，隨著高分專項等重大戰略性工程的實施，國產高分遙感數據日趨豐富。從長遠角度考慮，為了讓這些寶貴的數據能夠充分發揮價值，高層次的遙感專業人才市場需求逐漸更大，全國高校要高度重視我國遙感學科建設和遙感應用人才的培養，培養理論扎實，實踐能力強的復合型人才，需要高校遙感課程進行課程設計時要重視學生創新思維能力培養，加強遙感實踐訓練，以保證學生能快速適應遙感學科應用快速發展的需要。而且遙感技術人才培養亟需主動“融入”行業發展，主動“擁抱”技術變革，加強遙感應用與創新能力是遙感技術人才培養的必然趨勢。在國產化發展的趨勢下，改革教學實踐方式，引入國產數據和軟件，提高學生應用國產數據和軟件的能力，培養國產化意識，并由此形成新的教學體系和教學案例庫，顯得非常重要和緊迫。因此本文主要對基于國產遙感軟件的混合式教學模式進行探索，闡述如何充分利用線上教學優勢，鞏固在線教學成果，并與傳統課堂深度融合，強化學生創新能力培養。

1 遙感類課程教學的現狀與需求

目前，中國已有百余所高校設置了遙感相關專業，開設了遙感概論類課程以及行業應用類課程等，并有很多高校增大了遙感類專業課程在專業中的比重，不僅傳授遙感基礎理論，而且強調對學生實踐動手能力的培養。

但是目前高校在遙感教學主要面臨以下困難和問題。

(1)教學理念和內容重理論輕實踐，缺乏優秀的實驗教學案例。傳統教學強調教師教了多少，忽視學生能學到多少。重理論輕實踐，導致學生會考試，但對遙感分析過程一知半解。因此，結合實際應用設計實驗教學案例是課程改革的重要途徑和目標，重點培養實踐能力和綜合分析問題能力。

(2)教學方案相對陳舊，脫離科技創新、應用趨勢。近年來隨著大數據、人工智能、云計算等IT技術的發展，遙感技術得到了跨越式發展，比如美國的Google Earth Engine和我國的PIE-Engine，集成了海量遙感數據在線、處理算法在線以及云上算力實時計算等能力，在科研與應用已越來越廣泛。然而，目前大多數高校課程的實驗教學所依托的仍主要是單機版教學軟件，與當前的發展趨勢脫節嚴重，數據處理效率也嚴重打擊學生的學習熱情，亟需針對性的引入云平臺作為教學實踐工具。

(3)教學內容對國外遙感軟件和數據過度依賴。目前大多高校仍主要使用國外遙感軟件，而對國產遙感數據與軟件的使用相對不足，將嚴重制約國產遙感應用業化生態圈的建立與可持續發展。國外軟件雖然經過多年發展較為成熟，但在信息安全和服務保障方面存在重大隱患。而且學生很少接觸國產遙感衛星數據和軟件，會造成學校育人與企業要人的需求斷層。

(4)教學方法單一，學生缺乏學習興趣。目前課堂教學大多數為“老師講、學生聽”的狀態，基本上都是滿堂灌的授課形式，教學過程缺少有效互動，學生缺乏學習興趣。從教學育人階段，國產衛星數據及軟件也沒有得到基本的扶持與培育。因此，推進高校遙感技術學科的教學改革，提高學生遙感技術的應用能力，讓教師、學生掌握國產遙感軟件和數據的應用，顯得非常重要和緊迫。

2 國產遙感處理軟件的研制進展

隨著遙感衛星的發展，國產遙感圖像處理軟件實現了從萌芽期、追趕期到自主創新期的發展。1972—2000年為萌芽期，國內遙感應用市場基本上被國外遙感衛星數據和軟件壟斷。2001—2010年為追趕期，陸續出現Titan Image、PIE等國內遙感軟件。2011年至今為自主創新期，國家重大戰略性工程推動了國產遙感衛星自主創新性發展[1]。

面對高速發展的應用需求，航天宏圖發布了PIE遙感圖像處理軟件6.0版本，產品體系覆蓋了光學、SAR、高光譜、無人機等多源載荷影像的全流程處理，產品形態上不僅有桌面軟件和集群軟件，還有PIEEngine遙感云服務平臺[2]。PIE系列軟件提供了遙感數據處理、分析應用、云計算及二次開發的完整體系，基本功能已經與國外軟件相當，部分處理國產衛星數據的能力已經優于國外軟件。航天宏圖基于PIE積極構建新型教育實踐模式，已在上百所高校進行PIE軟件的使用培訓達5萬多人次，并出版了PIE系列課程教材，積累了豐富的培訓課程資源。因此，在課程教學中使用國產遙感軟件和數據的條件已經具備。

3 基于國產軟件的混合式教學模式探索

完善的課程資源、有效的教學手段是一流課程的重要保障。遙感類課程是一門理論到實踐到創新發展的課程，存在課程內容多課時少、實踐少、課堂學習深度不夠，學生難以充分消化吸收等問題。在線教學存在過程缺乏監管、自主學習有效性不足等問題，需要進一步從內容和方法上研究在線教學的設計模式等，以保證有效組織線上活動、提高學習效果。

3.1 課程內容設計

以《遙感數字圖像處理》課程為例，該課程通常是“測繪工程”“遙感科學與技術”等本科專業的必修課，同時也是導航工程等本科專業的選修課，涉及全國上千所高校[3]。教學內容主要包括基本原理、圖像增強、輻射校正、幾何校正、圖像濾波、圖像分類、信息提取等內容，涉及應用型案例及大數據計算等新技術新方法非常少。

因此在課程內容設計時，首先需要合理優化教學內容，重組教學內容。在教學過程中，應結合現代遙感行業發展新技術，在保持課程體系完整的前提下，對當前較少使用的技術與方法從教學內容中刪減，增加新的技術與方法。(1)可通過國產軟件PIE結合國產衛星數據的處理能力與行業解決方案，使學生了解我國遙感應用的發展方向，還可培養學生民族自豪感，加入“課程思政”元素，達到既教書又育人的立德樹人目標。(2)遙感云計算技術的發展和平臺的出現為海量遙感數據處理和分析提供了前所未有的機遇，并改變了傳統遙感數據處理和分析的模式[4]。為了解決高校難以獲取多源遙感數據，實驗機房難以支撐空間大數據計算等問題，將PIE-Engine云平臺教學內容引入教學也是迫切需要的。其次需要構建真實的遙感應用案例庫，促進理論知識的理解。“灌輸式”的教學不利于培養學生創新性的思維，會一定程度上扼殺學生的學習興趣。在課堂教學中需要積極引進真實的應用實例，讓學生體會到遙感技術方法如何在實際應用中解決問題和發揮重要作用，深刻認識到本專業的發展前景和重要性。

3.2 教學方法設計

在教學材料準備和教學內容準備等環節的基礎上，構建“問題研究+翻轉課堂”混合式教學模式，逐步形成以“問題”為中心、以“學生”為中心、以“合作”為中心的教學特點。

首先完善線上教學資源，包括課程大綱設計、學習基礎資料、討論資料、前沿拓展資源等。學生提前線上學習后，對理論知識點有一定的掌握，面授老師就進行教學重點、難點、延伸問題的講解，組織小組討論，重點答疑解惑并進行實例分析，逐步形成以學生為主體，教師為引導的課堂教學模式。

遙感類課程應用實踐性較強，需要學生了解理論并能夠熟練地運用主流RS/GIS軟件來解決實際應用問題。傳統的實踐教學，大部分學生按照操作指導書機械地操作，未積極地思考背后的原理和意義，真正解決問題的能力不強。“問題研究+翻轉課堂”的模式強調學生為主體進行團隊合作解決問題。可以通過老師針對知識點給布置的實踐課題方向，或者結合老師研究方向和課題參與老師課題中，學生組內成員進行任務分工和合作，從查閱文獻和材料，收集與整理數據，到交流討論確定技術路線，數據處理與分析報告編寫，制作演示文檔進行集中演講，互相提問或點評。培養學生團隊相互配合、互相支持的團隊精神。通過此教學方式，引導學生積極的參與項目的設計、調研、執行、總結等各個環節中，可以讓學生能更好地掌握實驗方法和流程，鞏固和拓展課堂內容，充分調動學生的積極性，提高學生應用理論知識解決實際應用問題的能力。

4 結語

針對遙感類課程傳統線下教學中以老師為中心，難以培養學生解決實際問題和創新能力不足的問題，以及在線學習過程缺乏監管、缺乏情景課堂教學互動等問題，提出基于“問題研究+翻轉課堂”的混合式教學模式，從課程內容和教學方法等方面進行了探索，在教學內容方面增加應用型案例及云計算等新技術新方法；在教學方法方面，形成以“問題”為中心、以“學生”為中心、以“合作”為中心的教學方式。充分結合線上與線下教學優勢，并將此模式應用到成都理工大學等高校的“高光譜遙感”“遙感概論”等校企合作課程共建項目中，針對性的豐富與完善教學內容和方法，進一步驗證了混合式教學的合理性和有效性。