基于實戰教學法的“衛星遙感”課程改革與實踐

李 俊,盛慶紅,張嘉琪,王 博,凌 霄

(1.南京航空航天大學 航天學院,南京 210016;2.正德職業技術學院 教師教學發展中心,南京 210016)

圍繞“培養什么樣的人、如何培養人以及為誰培養人”[1]的問題,南京航空航天大學航天學院一直以“高素質公民和未來航天領域開拓者”的人才培養為目標,不斷探索,精心培育,實現知識傳授與價值引領相統一,體現課程育人的價值本源,在課程內容和育人導向上加強方向引領和價值落實[2-4]。衛星遙感課程主要授課對象為本院光電信息專業學生,重點培養能夠從事航空航天信息與應用工程、遙感信息圖像處理技術及相關的信息處理方面工作的高素質研究應用型的專門人才。

如何結合學院的學科專業優勢,打造具有航天特色的遙感教育平臺,建設航天強國、化解西方國家對我國航天的嚴密封鎖和打壓,以及功利主義、虛無主義等社會思潮,迫切要求航天方向課程在培養學生過程中發揮思政教育作用,豐富和弘揚航天精神[5]。當前航天科技戰略引領作用日益突出、科技更新迭代不斷加速,如何發揮教師參與的科研項目在教學中的作用[6],以研促教、以研促學,讓學生能夠將所學知識運用到航天領域;如何利用新興智慧教學手段,提高交流互動效率,促進教學全面改革,讓學生多維度參與課堂活動、多維度評價學生學習效果,讓學生以高階思維為核心的綜合智慧能力得到全面發展[7]。針對以上目標,本文以“衛星遙感”課程為例,圍繞課程教學中的痛點問題,進行全方位教學方案改革,在項目實戰化教學方向上做了探索。

1 學情背景與分析

1.1 課程簡介

“衛星遙感”課程(32學時、2學分)是航空航天工程專業的主干專業核心課,面向大三年級學生。課程教學內容從主講教師參與的大量航天重大課題中提取核心科學問題,在我國深空探測任務總顧問葉院士的指導下,教學團隊反復研討最終迭代形成知識點。主講教師獲2021年教育部課程思政示范課、教學團隊和教學名師,作為深空探測火星探測器信標裝置研制副總設計師(全國唯一高校獨立承擔的單機載荷),獲2021年江蘇省青年五四獎章集體榮譽稱號。

1.2 課程痛點分析

當前衛星遙感在國家戰略發展中的引領作用日益突出,新型遙感知識爆發式增長,但課程知識變革的速度是滯后的,造成專業知識與國家戰略發展的緊密度小。衛星遙感系統復雜、耗資巨大,難以轉化為課程資源,缺少實戰教學環境,實踐訓練場域與國家航天工程的仿真度弱。“熱愛祖國”“協同攻堅”和“自主創新”等航天精神激勵著航天科研人員取得一系列舉世矚目的偉大成就。人才培養過程中價值塑造方法與航天型號總師的達成度低,課堂師生互動中航天精神傳承不夠。受教材出版周期限制,課程教學內容缺乏時代性和前沿性,針對的問題與精確化、大眾化和智能化的航天系統脫節,學習任務單一和學習收益不明晰,師生、生生互動情境中的變化、反思、評價和討論變換知識缺少辨析和對抗。

1.3 學生學情分析

學生熱愛祖國、不斷提高掌握關鍵核心技術、增強自主創新和追求卓越的精神動力和潛能不足;學生系統思維和協同攻堅能力弱,造成學生所學知識難以滿足國家戰略對航天人才綜合能力的要求;學生學習知識欲望低,缺乏批判性思維,難以融會貫通知識技能。

2 創新理念與目標

以教師團隊參與的國家航天型號項目、國家自然科學基金項目和獲得的江蘇省科學技術三等獎為任務驅動,擺脫了基礎知識陳舊和國家前沿航天技術需求的矛盾。實施“線上知識自主回顧、新知識掌握、原理實驗驗證、方案設計對抗、觀點辯論歸納、項目融會貫通”的實戰教學模式,增強思維訓練的層次性和挑戰度,實現教學先扶后放和漸進撤除支架,使學生在知識學習中產生成就感,培養學生系統思維、協同攻堅、自主創新和追求卓越等科學素質和能力。

3 創新內容和方法

3.1 提煉“型號任務”教學案例,踐行“兩性一度”

項目驅動教學模式又稱項目教學法[8],項目教學法最顯著的特點是“以項目為主線、教師為主導、學生為主體”,改變了以往“教師講,學生聽”的被動教學模式,實現以“教為主”向以“學為主”的轉變,教師在整個項目教學的實施中僅僅起指導作用和輔助作用[9],創造學生主動參與、自主協作、探索創新的新型教學模式,對培養學生分析問題和解決問題的能力有很大的提升[10]。

本課程用真實航天型號項目對知識內容進行重構,使知識學習與國家戰略發展緊密相連,如將衛星遙感成像機理重構為嫦娥探月工程,改造了我校研制的航天型號設備,開發了嫦二著陸器等教學模型,演示難以理解和抽象的概念。緊跟前沿遙感科技,如將遙感幾何處理重構為高分辨率對地觀測衛星應用系統,面對這種新型對地觀測技術,引導學生發現經典共線方程模型存在的問題,進而經過小組討論提出解決方案。

隨著教師參與科研項目的遞增,研究方向不斷拓寬,及時更新學生知識學習內容,更新的知識學習內容包含目前已建立50多個知識點的案例庫。由于學生學習了系統性、前沿性的知識,因而畢業后在航天設計師崗位上得心應手。圍繞教師參與的天問一號火星信標、高分遙感衛星影像幾何定位關鍵技術等項目,用前沿技術實例溶解專業知識,深度分析衛星遙感技術在航天項目上的具體應用,如在高分辨率對地觀測衛星中同物異譜和同譜異物現象較為明顯,因此,在遙感專業課程教學中需要引入更多先進及主流的遙感影像處理方法,比如深度學習、卷積神經網絡等方法,引導學生全面地了解最新國內外遙感影像的處理方法,以此提升課程的高階性和創新性。隨著教師所在團隊參與的國家航天型號項目遞增,不斷更新詳細教學案例,近5年相關情況見表1。

表1 教學案例集

3.2 構建“對抗辯論”教學方法,賦能“思維能力”

以教師自身參與的國家工程項目為問題驅動,開展“對抗辯論”式實戰循環教學模式,重點將應用新知階段分為初、中和高級階段,分別采用不同的訓練方式,增強學生的思維能力,如圖1所示。

圖1 “對抗辯論”實戰教學訓練

對抗算法設計和觀點辯論賽題目庫如圖2和圖3所示。下面以分類知識點為例,介紹“對抗辯論”教學方法過程。

圖2 對抗賽題目庫

圖3 辯論賽題目庫

1)激活舊知。學生線上自學卷積、神經元等模式識別和人工智能知識;在課堂上教師以這些已有知識為基礎,傳授新知識典型非監督分類K均值分類原理。

2)示證新知。在嘗試應用的初級階段,在微小衛星地面接收站(全國高校唯一),接收實時過境的高分辨率衛星數據,利用ENVI平臺開展K均值算法原理驗證實驗。

3)應用新知。據統計,在大部分時間全球大約有60%的區域被云覆蓋,破壞了地表的光譜和紋理信息,使得遙感影像的可用性大大降低,因此云檢測成為遙感影像預處理中的關鍵步驟,以此為嘗試應用背景,在中級階段,開展云分類問題算法設計對抗賽,利用夜光遙感、高光譜遙感是運用新知識,同樣還是解決云分類問題。

4)應用新知。在學生充分掌握分類解決實際問題的思路同時,發現已有知識K均值算法存在問題,針對存在問題講授新知識ISODATA算法。

5)應用新知。以遙感影像分類結果的不確定性受到數據獲取、數據轉換等各個方面的影響為工程背景,進入分類知識嘗試應用的高級階段,開展分類不確定性辯論賽,正反方觀點分別是“分類結果的不確定性主要是模型誤差”,“分類結果的不確定性主要是數據誤差”。

6)融會貫通。圍繞國家重大工程項目,如“面向新型預警衛星”中的部分關鍵技術,發布科創題目“基于LSTM與紅外輻射的彈道目標識別”,選拔3～5名優秀學生,學生通過科創項目全方位系統性提高解決實際問題的能力,在實踐中形成新思想和新思路,奇思妙想的成果“基于對抗環境下圖像目標識別網絡性能退化分析的可解釋方法研究”,申報國家重大工程項目,如2021年獲得中央軍委裝備發展部領域項目立項,形成循環訓練閉環。

3.3 拓展“挑戰度”教學活動,注重“智慧教學”

1)團隊協作。在課外,4～5名學生自由組成團隊,分別在如圖2所示的對抗算法設計賽和圖3所示的觀點辯論賽題目庫選擇感興趣題目。針對每個訓練題目,學生在線上查閱50篇左右的參考文獻后,初步尋找支撐理論、文獻、依據,準備方案設計和辯論材料,然后學生團隊逐一與教師開展討論,通過教師指導和師生交換意見,迭代思路。通過2～3輪(5 h/組)的循環討論、凝練及融合對抗設計和辯論觀點。在對抗和辯論教學現場,教師針對創新點給與表揚,及時調整對抗和辯論的觀點方向,并糾正錯誤觀點。

2)智慧教學在課內,利用信息化智慧教室的“移動課桌”進行課堂小組討論正反方觀點辯論競賽,利用“多屏投影”展示方案設計的Poster演示,開展對抗。在講授新知識時,注重運用“雨課堂”平臺進行“線上+線下混合式教學改革”[11-12];利用多媒體三維動態演示輔助學生理解課程中的抽象概念和難點內容,以及推送與課堂內容相關的資源視頻和資料。

3.4 實施“多元化”教學評價,調動“思考動能”

通過設置“課堂討論”(5%)、“實驗考核”(5%)、“對抗設計考核”(30%)、“辯論考核”(30%)等過程性考核完善教學評價體系,并結合最后的研究報告(30%)對學生進行綜合能力考核,如圖4所示。在“對抗設計考核”和“辯論考核”中,根據辯論規則由主席(主講教師)和各團隊評出冠、亞、季軍和參與各2隊。主席和各團隊權重各一半,各團隊只能給非本對抗題和辯題團隊打分,每場按照學生投票票數評出最佳辯手1名(單獨加分),詳情如圖5所示,梯度分值的設置充分調動了學生的思考動能。

圖4 教學評價體系

圖5 辯論賽打分規則

本文對改革前后的學生學習效果進行了評估,實驗組采取四層次遞進實戰訓練教學法完成研究報告,控制組直接開展研究報告工作。如圖6所示,通過統計學生成績發現,研究報告成績評價中位于中上水平的學生人數,實驗組明顯高于控制組,這說明采用實戰教學法的學生獲得了較大的能力提升。

圖6 教改效果對比圖其中90～100分為優,80～90分為良,70～80分為中,60～70分為差,60分以下為不及格。

4 結束語

結合真實航天型號項目對課堂知識內容進行重構,使學生知識學習與國家戰略發展緊密相連,構建系列實戰訓練場域,逼近國家航天工程,通過激活舊識、示證新知和應用新知,實現知識的融會貫通。真刀真槍的實戰,讓學生切實感知航天實戰環境、感受航天任務壓力、感悟航天精神文化,發揮航天型號總師價值塑造作用,深挖航天精神,將熱愛祖國、追逐夢想、協同攻堅和自主創新等航天精神融入課程。通過對抗賽的方式不斷引導對抗雙方明白彼此的邏輯框架,進而雙方方案都能取長補短,以此訓練學生的協同攻堅能力,在學術辯論賽實戰訓練過程中,學生思考問題的方式將經歷“找出問題、分析矛盾、解決辦法”的不斷螺旋上升過程,實現了學生培養從知識學習到知識應用的“無縫銜接”,在實際教學中初見成效,希望能對工科類課程結合院校特色進行教學改革工作提供一些參考。