雙高專業(yè)群核心課程遙感技術(shù)及應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)探索實(shí)踐

基金項(xiàng)目：廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才類項(xiàng)目“面向高職教育的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研究”（2019GKQNCX020）；廣州市基礎(chǔ)研究計(jì)劃基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“多人協(xié)同虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)研究”（20210201298）

第一作者簡(jiǎn)介：朱騰（1989-），男，漢族，湖南邵陽(yáng)人，工學(xué)博士，副教授，系副主任。研究方向?yàn)檫b感圖像智能處理，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景感知。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.22.028

摘 要：遙感技術(shù)及應(yīng)用是高職測(cè)繪地理信息專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，其主要授課內(nèi)容偏向應(yīng)用實(shí)踐，但更需要教師將實(shí)踐與理論緊密結(jié)合以保證授課質(zhì)量。在教育部職業(yè)教育與成人教育司的推進(jìn)引領(lǐng)下，廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院遙感技術(shù)及應(yīng)用課程團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)遙感課程教學(xué)中實(shí)物難觀摩、微觀原理難觀摩等重點(diǎn)、難點(diǎn)問題，細(xì)致分析改進(jìn)設(shè)計(jì)服務(wù)理論教學(xué)部分的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)并進(jìn)行授課實(shí)踐，與以往在線教學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比表明，學(xué)生在隨堂客觀題考核的初次正確率提高10%以上，切實(shí)地提升授課效率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

關(guān)鍵詞：遙感；虛擬仿真；教學(xué)與實(shí)踐；探索；測(cè)繪地理信息

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2024）22-0116-05

Abstract： Remote Sensing Technology and Application is the core professional basic course of surveying and mapping geographic information specialty in higher vocational colleges. Its main teaching content is biased towards application practice， but it is more necessary for teachers to combine practice and theory closely to ensure the teaching quality. Under the promotion and guidance of the Department of Vocational Education and Adult Education of the Ministry of Education， the course team of Remote Sensing Technology and Application of Guangdong Vocational and Technical College of Industry and Trade has carefully analyzed and improved the virtual simulation teaching system of the service theory teaching part and carried out the teaching practice， aiming at the key and difficult problems of the traditional remote sensing course teaching， such as the difficulty of observing the physical objects and the microscopic principles， and compared with the previous online teaching data statistics， the initial accuracy rate of students in the assessment of objective questions in the classroom has been improved by more than 10%， which has effectively improved the teaching efficiency and stimulated students' enthusiasm for learning.

Keywords： remote sensing; virtual simulation; teaching and practice; exploration; surveying and mapping geographic information

2021年9月10日，教育部科技發(fā)展中心受教育部職業(yè)教育與成人教育司委托研究制定并發(fā)布了《職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)指南》（以下簡(jiǎn)稱《指南》），旨在切實(shí)推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與職業(yè)教育教學(xué)的深度融合，賦能職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展[1]。同年，雙高專業(yè)群建設(shè)單位廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪地理信息虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地成為教職成司215個(gè)國(guó)家職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地培育項(xiàng)目之一[2]。

一 遙感技術(shù)及應(yīng)用課程存在的問題

然而，對(duì)于高等職業(yè)學(xué)校的學(xué)生，受限于理論基礎(chǔ)、聯(lián)想能力、專注度等因素，靜態(tài)的插圖難以傳達(dá)出數(shù)據(jù)與傳感器之間的聯(lián)系過程，簡(jiǎn)易教學(xué)視頻則由于缺乏交互性而無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持學(xué)生專注性[9]，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)的遙感數(shù)據(jù)處理實(shí)訓(xùn)課中，學(xué)生僅能機(jī)械地對(duì)照實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書處理示例數(shù)據(jù)，無(wú)法靈活地理解波段、彩色合成原理、光譜曲線等蘊(yùn)含在數(shù)據(jù)操作背后的核心基礎(chǔ)理論。

針對(duì)遙感技術(shù)及應(yīng)用課程理論教學(xué)部分的“三高三難”痛點(diǎn)，遙感課程團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了以下分析及虛擬仿真解決方案設(shè)計(jì)見表1。

二 遙感技術(shù)及應(yīng)用理論課虛擬仿真教學(xué)探索示例

（一） 衛(wèi)星遙感平臺(tái)與傳感器

在傳統(tǒng)遙感課程中，對(duì)遙感平臺(tái)與傳感器的舉例為衛(wèi)星及星載傳感器，學(xué)生對(duì)于大氣層內(nèi)外飛行的遙感平臺(tái)難以建立深刻印象，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率下降。針對(duì)這一問題，遙感技術(shù)及應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)（圖1）中，學(xué)生在系統(tǒng)內(nèi)能夠擁有自己的“遙感空間”。在虛擬仿真空間中，學(xué)生除了能夠自由地進(jìn)行漫游、衛(wèi)星信息查看等操作外，隨著章節(jié)學(xué)習(xí)的深入，與學(xué)生賬號(hào)綁定的“遙感空間”中，大氣層（畸變與校正）、遙感車（遙感分類-地面遙感）、遙感氣球（遙感分類-航空遙感）、衛(wèi)星種類都將逐漸豐富。

同時(shí)，如圖1（c）、（d）所示，學(xué)生能夠在自己的教學(xué)系統(tǒng)主場(chǎng)景任意漫游觀察，且在與對(duì)應(yīng)遙感平臺(tái)交互后，能夠?qū)崿F(xiàn)720°旋轉(zhuǎn)展示遙感平臺(tái)細(xì)節(jié)、高亮顯示傳感器部件、自主查詢遙感平臺(tái)信息及參數(shù)等功能。

（二） 遙感物理基礎(chǔ)

傳統(tǒng)遙感課程中，遙感物理基礎(chǔ)存在大量電磁波的橫波屬性、波長(zhǎng)的意義、依波長(zhǎng)排布的光譜、微米級(jí)波長(zhǎng)與顏色對(duì)應(yīng)關(guān)系等抽象概念，造成物理基礎(chǔ)薄弱的高職學(xué)生難以理解，進(jìn)而只能死記硬背遙感圖像的紅波段-R通道、綠波段-G通道、藍(lán)波段-B通道的真彩色合成原理等知識(shí)。針對(duì)重點(diǎn)的微觀難觀摩問題，遙感技術(shù)及應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行了一系列教學(xué)場(chǎng)景設(shè)計(jì)。

1 遙感物理基礎(chǔ)

在動(dòng)態(tài)展示遙感傳感過程的虛擬仿真場(chǎng)景內(nèi)，由學(xué)生自主點(diǎn)擊任意電磁波的示例模型，來(lái)跳轉(zhuǎn)進(jìn)入電磁波虛擬仿真教學(xué)場(chǎng)景（圖２），深化“遙感的探測(cè)介質(zhì)為電磁波”這一核心知識(shí)點(diǎn)。

同時(shí)，如圖2（c）、（d）所示，隨著學(xué)生自主調(diào)節(jié)光譜橫軸，虛擬仿真空間的電磁波模型能夠動(dòng)態(tài)變換相應(yīng)波長(zhǎng)及可見光顏色。

2 傳感器與地物交互過程

地物對(duì)光譜上各種波段電磁波的反射能力所形成的光譜曲線是遙感工作的核心理論基礎(chǔ)，也是遙感類課程的絕對(duì)重點(diǎn)。然而數(shù)理知識(shí)的薄弱，讓高職學(xué)生對(duì)于稠密的光譜軸、理論光滑的光譜曲線與傳感器采樣后的離散光譜“折線”等要素對(duì)應(yīng)的理論聯(lián)系望而生畏。

針對(duì)這一課程重點(diǎn)，遙感技術(shù)及應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)即以相應(yīng)的細(xì)部模型及場(chǎng)景來(lái)幫助學(xué)生直接“看到”傳統(tǒng)教材需要學(xué)生自行在腦海構(gòu)建的畫面，如圖3所示。

（三） 遙感數(shù)字圖像基礎(chǔ)

在了解遙感傳感器對(duì)光譜曲線的量化采樣原理后，遙感傳感器對(duì)地面的空間離散采樣以及回波強(qiáng)度的輻射量化則是現(xiàn)實(shí)地物到數(shù)字化圖像的最后轉(zhuǎn)換過程。然而傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理課程作為測(cè)繪、遙感科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課之一[10]，往往出現(xiàn)在本科教學(xué)乃至研究生基礎(chǔ)課程中，其模擬圖像到離散數(shù)字的過程，對(duì)高職學(xué)生抽象而陌生。針對(duì)理論課部分的最后重點(diǎn)、難點(diǎn)，遙感技術(shù)及應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的細(xì)節(jié)化、互動(dòng)化虛擬仿真場(chǎng)景設(shè)計(jì)（圖4）。

在進(jìn)入數(shù)字圖像基礎(chǔ)章節(jié)后，學(xué)生將能夠自由選擇推掃式衛(wèi)星的探測(cè)范圍（圖4（a）），虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)將根據(jù)學(xué)生的選擇，將虛擬地球的貼圖截取出來(lái)，以默認(rèn)7×7的方式，動(dòng)態(tài)展示每個(gè)像素的量化平均生成過程（圖4（b）），同時(shí)還支持（4-256）的自主探索式量化過程動(dòng)態(tài)展示（圖4（c）），得到學(xué)生自主提取的仿真數(shù)字圖像后，開放數(shù)字圖像的灰度量化過程、RGB彩色合成與分解仿真示例。最后，為進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)于分段“量化”、顏色空間等理論知識(shí)的理解，數(shù)字圖像基礎(chǔ)模塊提供一個(gè)自主生成RGB顏色磚塊的虛擬仿真空間，在自主填寫空間規(guī)模（2～26階，圖4（g）與圖4（f））后，教學(xué)系統(tǒng)將量化生成RGB顏色空間對(duì)應(yīng)量化顏色的方塊，允許學(xué)生在顏色空間中自主漫游，同時(shí)在單機(jī)版及多人協(xié)同版中，支持個(gè)人或教師隨機(jī)生成目標(biāo)磚塊，由學(xué)生在諸多色塊中競(jìng)速尋找正確磚塊，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

在上述虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與開發(fā)的基礎(chǔ)上，遙感技術(shù)及應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在相應(yīng)章節(jié)末尾設(shè)有知識(shí)闖關(guān)考核（圖4（h）），除基礎(chǔ)的不及格無(wú)法解鎖后續(xù)章節(jié)外，還支持學(xué)、練、測(cè)、考等4種模式。

表2 遙感技術(shù)及應(yīng)用課程單選題庫(kù)初次正確率均值表 %

三 結(jié)束語(yǔ)

遙感數(shù)據(jù)的獲取、預(yù)處理、增強(qiáng)和分類等處理解譯是測(cè)繪地理信息技術(shù)類高職專業(yè)學(xué)生所必需的職業(yè)能力，然而傳統(tǒng)高職實(shí)踐教學(xué)中，重軟件操作，輕理論結(jié)合，高職學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)也限制了他們從傳統(tǒng)教材中獲取知識(shí)的效率。在教育部職業(yè)教育與成人教育司的推動(dòng)下，廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪遙感信息學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托測(cè)繪地理信息虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，為遙感技術(shù)及應(yīng)用課程的理論教學(xué)部分設(shè)計(jì)了極具針對(duì)性的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。實(shí)踐教學(xué)的成果表明，從選擇題初次正確率來(lái)看，學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的課堂掌握效率有明顯提升。

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