科研驅動實踐教學能力提高的途徑探討

劉亞文　段延松　王玥

［摘 要］科研育人在我國高等教育培養新時代創新型人才中起重要引領作用，提高教師的科研能力、實踐教學能力是提高高校教學和人才培養質量的重要環節。文章以遙感實踐課程教學為例，提出借助多學科多領域的科研活動將測繪遙感最新科研成果轉化為與時俱進的遙感實踐教學內容，通過產學研相結合的科研和實踐教學活動，建立遙感科研成果與學生實踐活動的聯系，將科研訓練和科研思維融入實踐教學育人之中。在科研融入實踐教學過程中，通過不斷探索合適的切入點和方式來提升教師的科研驅動實踐教學能力，實現用高水平的科學研究培養高水平創新型人才的目標。

［關鍵詞］科研驅動；實踐教學能力；遙感實踐課程

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）21-0058-04

科研驅動實踐教學是高校提高教學質量的重要模式，即將科研能力或科研成果轉化為促進實踐教學質量提升的積極因素。在這種模式下，教師個體需要具備某種素質或技能才能實現科研到實踐教學的這一轉化[1-2]。研究表明科研與實踐教學相互結合的過程，一方面能夠使最前沿的科研成果和理論融入實踐教學內容之中，提高實踐教學質量；另一方面，將科研的思維方式融入實踐教學之中，有利于培養學生的實踐探索精神，同時激發學生的創新意識[3-4]。目前一些高校科研驅動實踐教學方面還存在一些亟待解決的問題，比如科研和實踐教學結合不夠緊密[5]，教師實踐教學以教材內容為主，教材內容相較于學科的迅速發展較為滯后等；同時，在實踐教學方法上，對科研思維和科研育人的理念融入實踐教學的重視度不夠[6]。針對這些問題，本文以遙感實踐課程為依托，就如何提升高校教師的科研驅動實踐教學能力展開研究，以期進一步提升實踐教學質量，為雙一流高校三全育人理念的有效實施奠定基礎。

許多學者對如何提高科研驅動實踐教學能力進行了研究[6-10]。徐文成[6]提出教師可以通過將科研方法以及自己的科研經驗融入實踐教學活動，關注學生思維能力和創新能力的培養，來提高科研融入實踐教學程度。趙志丹等[7]提出通過將科研成果融入實踐課程教材和實踐活動等途徑來提升科研對實踐教學的驅動度，進而有效提升本科生實踐課程教學水平。苗春雨等[8]提出實踐教學應積極主動尋找科學研究聯系實踐應用的接口，深入科研思維和方法與實踐教學方法的結合。劉獻君和吳洪富[9]針對青年教師如何能盡快地實現實踐教學與科研的有機結合，提出重視實踐教學反思與研究，反思實踐教學設計是否吸收了足夠的科研成果和接觸到多少前沿問題等。周光禮和馬海泉[3]對科研成果如何轉化為實踐課程內容進行了深入研究，聚焦教師的科研成果和實踐教學的融合，特別是科研成果對實踐教學的推動和支撐作用。本文在借鑒上述研究基礎上，以遙感實踐課程教學為例，提出借助多學科多領域的科研實踐教學活動、產學研相結合的科研實踐教學活動來積極提升教師科研融入實踐教學的能力，實現用高水平的科學研究支撐高質量的高等教育，達到培養高水平創新型人才的目標。

一、科研驅動實踐教學面臨的問題

（一）隨著科學技術的高速發展，部分高校教師的科研驅動教學能力水平難以滿足新經濟模式下人才培養的需求

當今，前沿學科知識的更新換代遠遠超越了書本知識更新的速度，迫切需要高校教師能夠通過自身對新理論、新知識、新技術的學習來填補書本知識的滯后。同時，隨著新一輪科技革命和產業變革的加速推進，迫切需要具有強實踐能力、創新精神和國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才[11] 。這些“新工科”創新創業人才的培養需要高校開展多種多樣的大學生創新項目、創業大賽等實踐活動。教師只有自身具備精湛的學術水平、扎實的科研基礎才能引領學生在創造性實踐活動中產生新穎、獨特的想法。因此，教師需要不斷提升自身科研驅動教學能力，才能跟上知識的快速更新及適應人才培養的新需求，實時在教學中融入科研最新成果及交叉學科知識，保證教學內容的先進性，同時用高水準的專業知識和高水平的科研思維、方法指導學生實踐活動，培養學生的創新能力。

（二）青年科研人才成為高校教師隊伍的重要組成部分，與科研水平不對等的科研驅動教學能力限制了青年科研人才在教學中發揮自身科研育人的優勢

培養一流人才是“雙一流”高校建設的關鍵之一，而一流人才培養需要高校擁有一支教學科研水平高的教師隊伍[10]。近年來，國家加大高水平人才引進力度，國內許多高校在全球范圍內招募科研教學人員，高校教師隊伍中海外歸國的青年教授、博士后越來越多。這些青年科研人才的科學研究水平與世界接軌，掌握學科領域的前沿動態，極大提高了高校教師隊伍的整體科研水平。如果這種優勢在本科教學中充分發揮，對于高校一流人才培養具有積極作用。然而，一些任職初期的青年科研人才教學經驗不夠豐富，在教學過程中結合科研與實踐教學的能力還需要提高。因此，快速提升青年科研人才自身的科研驅動教學能力，充分發揮高水平科研對實踐教學的促進作用是十分重要的。

二、科研驅動實踐教學能力提高的途徑

（一）參加多學科多領域的科研活動，儲備跨學科、多領域的先進知識和研究成果，為科研驅動實踐教學提供必備基礎條件

通過跨學科參與科研活動，教師可以吸取交叉學科領域的科研成果，拓寬自身知識領域，在實踐教學過程中動態更新與調整實踐課程內容的廣度和深度，從而實現實踐教學質量的提升及教師自身將科研成果轉化到實踐教學能力的提高。在這個過程中，科研成果、新知識等以怎樣的方式和適合度加入實踐教學是關鍵，是教師科研驅動實踐教學能力的體現。

以遙感實踐課程為例，新型傳感器和平臺發展迅速，包括影像傳感器、定姿定位傳感器和距離傳感器等，低空無人機遙感系統正逐步成為衛星、有人機遙感和地面遙感的有效補充手段[12]。在遙感理論與算法方面，計算機視覺中的一些匹配算法如尺度不變特征轉換、半全局匹配、多視影像匹配等在遙感數據處理中取得了很好的效果。同時，全球導航衛星系統輔助光束法區域網平差，傾斜攝影的多相機聯合平差，引入多源控制信息或公開且可穩定獲取的公眾地理信息數據的平差也逐漸成為影像無控平差的可選擇方式[13]。另外，深度學習已經廣泛用于遙感圖像的分類、識別、檢索和信息提取，在語義提取方面較傳統方法有更好的表現。這些新型傳感器、平臺及影像數據處理新方法需要教師通過參與科研或相關學術交流活動等方式獲得，并實時補充到實踐教學中，保證實踐教學內容的先進性。

在遙感實踐課程中，新知識和科研成果的加入是在原有實踐課程內容體系基礎上的拓寬和深入，比如空中三角測量部分，GPS輔助空中三角測量是原有內容，隨著我國自主衛星導航系統北斗定位的穩定和可靠性走向實用階段[14]，可將這部分新知識插入GPS輔助空中三角測量內容中，深度方面則側重通過調用算法模塊復現整個GPS和北斗聯合空中三角測量的完整過程，在較高的學習階段中可增加進一步改善北斗輔助空中三角測量精度方面的實踐內容。可以看出，教師首先要具備新知識，其次要能以合適的嵌入方式將新知識融入實踐教學之中，通過不斷地實踐與摸索，提高自身的科研驅動實踐教學能力。

（二）開展產學研相結合的科研和實踐教學活動，提升教師將科研成果與實踐教學活動、科研方法與學生創造能力培養有機結合的能力

企業、公司通常承擔著行業先進技術的研究、應用及生產任務，比如一些城市的測繪研究院，承擔大量城市級實景三維項目，最先使用行業先進的航空測量系統如徠卡機載混合測量系統CityMapper等；又如武漢兆格信息技術有限公司，借助網絡平臺、大數據及計算硬件，研發了國內首個攝影測量的混合云協作數據生產作業平臺，開創了行業新型測繪數據處理模式。將企業先進的研究、生產業務與實踐教學緊密結合，對于提升教師科研驅動實踐教學及學生科研能力、創新能力培養提供了條件。在產學研相結合的科研與實踐教學融合的過程中，需要考慮適當的切入點和方式。由于科研項目的實踐需要學生具備一定專業知識基礎，因此時段選擇在相關專業知識課程教學完成后。教師的引導方式對學生的科研思維培養、實踐能力和創新能力提升具有引領作用，實踐教學中教師展示科研成果的過程實際上也是教師將科研方法、解決問題的思路回溯給學生的過程。

下以產學研項目“傾斜攝影城市三維建筑提取研究”與遙感實踐課程教學內容“城市點云模型語義分割方法”結合為例，用項目研究的建筑物提取方法和實驗結果具體化點云模型語義分割實踐內容。項目中建筑物提取首先采用RandLA?Net[15]作為點云空間幾何特征提取的網絡模型。RandLA?Net模型兼顧了數據點特征提取的感受野和計算效率，非常適合大規模點云語義分割。其次，采用U?Net [16]卷積神經網絡作為傾斜影像建筑物紋理特征提取的網絡模型。U?Net跳躍鏈接的方式能夠大量保留影像的上下文信息，實現對不同類別、尺寸的建筑物進行像素級別分割。最后，引入注意力機制的特征融合，將影像特征和點云特征聚合后，通過多層感知器MLP（Multilayer Perceptron）得到注意力權重值，并以殘差和方式得到融合后的點云特征，用于網絡模型語義分割。 以國際攝影測量與遙感學會ISPRS公開數據集中Vaihingen航空點云和影像為實驗數據，點云和影像包含的地物有電力線、低矮植被、不透水面、汽車、圍欄、建筑物、立面、灌木和樹木等。建筑物點云提取結果表明，點云特征和影像特征結合的建筑物點云提取結果與標準標注更接近，效果更好。在實踐教學中，將學生分小組，每個小組承擔建筑物提取方法中的一個步驟，比如利用RandLA?Net進行建筑物點云特征提取或利用U?Net進行建筑物影像特征提取，各個小組在綜合各自完成的模塊后，就能完整地實踐到整個研究項目的建筑物提取方法。將產學研項目成果融入實踐教學，學生經過模擬真實項目的實踐鍛煉，能夠體會到具體的科研思維即用多元信息解決問題的有效性，比如相對單一特征而言，影像特征和點云特征的結合能有效提高建筑物點云提取精度。同時，學生也能感悟如何將所學知識轉化為解決行業問題的方法和算法，在實踐中提升專業創造力和創新力。教師在科研融入實踐教學的過程中，不斷總結產學研項目與實踐教學的結合度，學生融入教學實踐的契合度，從而不斷提高自身的科研驅動教學的能力。

三、結語

教師的實踐教學素養和教學水平直接影響著高校人才培養質量。全面提升高校教師的實踐教學能力是“雙一流”高校培養高水平創新型人才的重要保障。遙感實踐課程是遙感科學與技術交叉學科的主干課程，該課程的實時性與先進性與測繪遙感領域科研進展息息相關，對測繪遙感領域人才培養起重要作用。本文以遙感實踐課程為例，提出通過參與多學科多領域的科研和實踐教學活動來拓寬教師自身知識和科研領域，完善知識和能力儲備，將最新科研成果轉化為與時俱進的實踐教學內容；通過產學研相結合的科研和實踐教學活動，搭建科研成果與學生實踐活動連接的橋梁，將科研訓練和科研思維貫穿于學生探究能力、創新能力培養過程之中。教師需要在實踐中不斷嘗試適合的科研融入實踐教學的切入點、方式和深度，在總結經驗的基礎上，不斷提高自身的科研驅動實踐教學能力，最終達到提高實踐教學質量，培養高質量、高水平創新型人才的目的。

［ 參 考 文 獻 ］

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［責任編輯：雷 艷］

［收稿時間］2023-07-11

［基金項目］武漢大學本科教育質量建設綜合改革項目“深度交叉融合驅動的遙感科學與技術本科專業改革探索”。

［作者簡介］劉亞文（1970—），女，陜西人，博士，教授，研究方向為攝影測量、遙感科研與教學。