高校工科教学知识点与科学精神关联培养探讨——以遥感科学与技术专业课程教学为例

龚 龑，张 熠，方圣辉，彭 漪

(武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079 )

高校工科教学知识点与科学精神关联培养探讨
——以遥感科学与技术专业课程教学为例

龚 龑，张 熠，方圣辉，彭 漪

(武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079 )

高校教学中学科知识点培养是课程教学的主体，而科学精神则是高等教育的灵魂所在。教师要从培养具备创新型思维和知识再创造能力人才的角度来看待常规课程教学。武汉大学遥感学院教学团队针对知识点与科学精神的关联培养进行了一系列探索，从思辨教学、知识点过程化和知其所以然等方面进行了一系列富有推广意义的教学实践。通过这些实践实现了遥感科学与技术工科学生从科学和技术两个层面的提升，为培养复合型高级应用人才奠定了基础。

知识点；科学精神；思辨；科技创新；遥感科学与技术

高校工科教学有其自身的学科特色和教学规律。在推进素质教育的实践中，一方面要造就具备扎实学科知识的专业人才，另一方面尤其要注重对大学生科学精神的培养。因为，工科教学中知识点是基础，而科学精神是大学的灵魂[1]。这二者直接影响着国家未来科技创新能力的提升。

工科课程的知识点是教学内容的基本构成单元，是学生在教学中面对的主要认知对象集合。如果说一门课程是一栋楼房，知识点就是其中的一砖一瓦。根据课程要求，包括了解、掌握、理解或知晓等不同层次类型。这些知识点的有机体系构成了工科课程教学内容的主体。而工科的科学精神，则是蕴含在知识点集合中的强大磁场，它折射出一种穷追到底探索真理的诉求，体现出发现问题、分析问题和解决问题的技术美学。浸润在科学精神中的大学教育，是学生人生中弥足珍贵的思辨品质培养阶段。

工科教学中，知识点与科学精神互为表里、均不可或缺。没有扎实透彻地把握知识点，科学精神便是纸上谈兵、浮沙之上筑高台；缺乏科学精神培养，知识点便是死水一潭，失去知识再创造的动力。因此，本文将结合教学团队在遥感学科中的教学实践，以所承担的遥感科学与技术专业系列课程为例，针对如何在工科课堂中开展知识点与科学精神关联培养进行探讨，并从“思辨教学方式”“知识点过程化”和“知其所以然”等几个方面进行了探索和实施。

1 知识点与科学精神的思辨教学方式

在“遥感原理与应用”“高光谱遥感”和“定量遥感”等专业课程中，知识点主要体现为遥感各类相关技术的基本理论、基本方法和应用方式[2]。学生掌握了这些知识，才能具备在国土测绘、农林牧渔和环保监测等行业生产作业的基本要求。而其中的科学精神，主要体现为遥感基本理论在接近科学真相过程中的自身规律、遥感基本方法在对地观测中的创新历程，以及遥感应用中发现、分析并解决问题的技术逻辑闭环。通过对科学精神的培养，学生才能在国内外新型遥感技术不断涌现的条件下，形成自主思考、主动探索并不断创新的科学素养。与初等教育相比，思辨品质培养是大学教育突出的特点，其培养过程与具体的知识点的教学应该紧密结合。因此，在大学工科的课堂中，教师不能以占据知识与学术制高点姿态自居，教师仅仅是比学生早接触某些知识，在学生和未知世界之间，教师是桥梁和指引者，不是知识的搬运工。为实现上述思想，在具体的课程教学中，本文从两方面进行了实践。

1.1 课程教学与学科知识的大局观

教师在课程教学之前，除了对课程教学大纲进行理解，还应该从专业培养角度具备对学科知识的整体思考[3]。工科的专业培养方案，通常体现了对学生能力素质的培养目标，这实际上是该专业关于科学精神培养的具体依据。

以武汉大学《遥感科学与技术专业本科人才培养方案(2010版)》为例，该专业(代码：080902) 属高校首批国家重点学科和“211工程”重点建设学科，培养目标中要求：“本专业面向国家空间信息基础设施建设的需要，培养掌握遥感科学基本理论、方法和技术，具有空间信息获取、处理、分析和应用专业知识的复合型高级技术应用人才”，要求“使学生具有应用所学专业解决空间信息分析、表达与应用等实际问题的能力”。通过对培养方案的解读，科学精神的培养着重点体现在“复合型高级应用人才”和“分析、表达与应用能力”等方面。对该专业而言，遥感理论与应用的内在关联、分析方法的创新推进过程是思辨教学的主要内容[4-5]。而对于具体课程的教学，都涉及一系列对学生思辨能力培养的环节。如何通过知识点的教学达到“复合型人才”培养的目的，对遥感空间信息的分析能力如何提高，如何形成从分析问题到表达与应用的技术转换，笔者在国家级精品课程“遥感原理与应用”等课程的教学中，通过对上述问题的思考，对课程在实现专业科学精神培养目标中的角色进行了界定，从而厘清思辨教学思路。

1.2 知识点的批判式教学

工科课程中理论与应用结合的特点，在很多知识内容中得到体现。这种特点非常适合让学生带着探索精神去学习和思考，为实施批判式教学提供了良机。

在“遥感原理与应用”中，采用了自底向上关联等方法，进行了多种知识点的批判式教学实践。例如，在关于遥感信息的基本物理量教学内容中[6]，有辐射能量、辐射通量、辐射通量密度和辐射亮度等多个知识点。这些遥感物理知识点概念缜密，内容经典且通用，如果直接灌输，将剥夺学生思考机会，形成被动接受的不利模式。而采用批判式教学则效果截然不同。针对遥感卫星地面站所提供的影像辐射亮度产品为具体对象，引导学生不断提出批判性问题，如为何遥感影像产品中不能直接记录能量焦耳数值信息。进而分析其背后原因，因为卫星只在探测器凝视时间内观测，所以需考虑单位时间，于是就有了辐射通量的记录。再继续提出批判问题，不同影像分辨率不同，现有模型中面积因素如何考虑，因此进一步引入单位面积分析，就产生了辐射通量密度信息。再深入一步批判，卫星只从某个角度范围观测目标，如何体现单位角度，就产生了辐射亮度物理量。从而使学生形成对地面站辐射亮度产品的深刻理解的同时，经历了遥感信息合理表达的思辨过程。

2 知识点过程化

什么是知识点过程化？这是由大学工科课程特别是专业课的一个显著特点决定的，那就是知识点更新淘汰非常迅速。因而所谓新理论、新方法都是相对的。因此，教师应该有意识地将新旧知识点的来龙去脉、内部关联呈现给学生，也就是要重视知识产生的过程。

一方面，从学生认知的一般规律来看，知识点的过程化教学利于学生理解；另一方面更重要的是，通过知识产生的过程学习，可以让学生有探索参与感，体会逐步推进、螺旋上升的科学规律，这对于培养工科学生的自主创新思维能力和知识再创造意识是很有必要的。基于这种认识，在遥感教学中进行了实践。例如，“植被指数”是遥感植被监测中的一个重要知识点和学术热点，更新变化较快[7-9]。对此采取如下知识点过程化教学方式。对经典“归一化差值植被指数”进行分析后，从实际应用角度指引学生发现它的不足，即高密度饱和现象。按照常规性的教学进度，就会直接讲解改进的新方法、新的植被指数知识点。如果这样做，就是孤立处理知识点。知识的产生一定要有分析探索的过程。

本文根据图1通过分析探索过程引出知识点，回到光谱曲线进行分析，找到饱和现象产生背后的机理和原因，即近红外反射率和叶高浓度绿素含量的相关性[10]。此时有针对性地启发学生思考如何改进，学生就参与了知识的创造过程。在此基础上对国际前沿的最新指数形式进行介绍，学生再也不会仰视教材中这些公式，反而会体会出这种研究过程的乐趣，学习的信心和积极性都会提高。

本科教学中，科研成果的引入需要经过教学加工从而切合大纲。无论是新理论、新方法还是新应用，教师都应充分设计，在兼顾学生的知识结构的条件下与现有知识有效衔接，体现出知识点的过程化，这也有助于形成科研促进教学的良性态势。

3 知其所以然

知其所以然，与大学工科教学的学术性有着内在联系。工科课程知识点的学术性包括“科学”与“技术”两个层次，前者指工科课程知识内禀的科学原理，后者则关乎课程知识涉及的典型应用。工科课程中学生“知其然”的典型是对方法、技能的掌握，“知其所以然”则是学生对背后科学道理的理解。因此，“知其所以然”的本质，是教学中的学术性。从教师的角度出发，应当对知识点从科学与技术两个层次进行剖析理解。不能仅从教学大纲关于教学内容的字面文字理解，更要着眼于学科背景和学术规律，深刻把握辩证思维过程。在教学过程中贯穿着对知其所以然的追求，有利于教师将科学与技术的前进历程与具体知识点的无缝结合。

图1 植被指数知识点的过程化教学方法示意

关于知其所以然的实践，在教学中不乏案例。在“遥感原理与应用”课程中，遥感影像融合是重要的处理技术，对遥感影像融合方法的掌握会直接影响到学生的后续专业应用能力。因此，教学内容中有多项影像融合方法的知识点，这也是常规教学中教师需要重点阐述、学生需要加强练习的重点。以影像融合经典方法HIS变换法为例，教材中会直接介绍变换数学公式并介绍实践步骤。但如果仅仅以掌握方法为标准，只是“知其然”的表现，要实现学生对“知其所以然”的思考探究，教师必须从更深刻的层次洞悉这部分知识。以遥感影像融合为例，在教学中采取了如下方式：首先提出遥感影像融合的科学问题，即对融合要解决的关键问题是什么进行分析，进而从不同遥感传感器和飞行器机理角度进行揭示，使得学生明确融合的实质是要实现不同遥感信息的优势综合，然后站在解决这样一个核心问题的角度，从HIS变换法的角度进行教学，此时可以把全色卫星影像和多光谱卫星影像分别展现出来，引导学生观察二者的特点，即前者为高分辨率影像但无色彩信息，后者色彩丰富但分辨率较低。紧接着，围绕优势信息综合这一核心科学问题向学生提问：第一，两幅影像记录值的优势信息是什么？第二，如何综合？通过这两个符合学生的认知逻辑的基本问题的思考，可以逐步带领学生对强度标量值和色彩矢量值这两种优势信息进行专业分析。进而在科学逻辑上，自然会涉及对标量与矢量的定量变换关系的讨论。此时再学习教材中的变换数学公式，学生会豁然开朗。教学中还可酌情让学生自行进行公式推导。实现对该方法的教学后，对其相关融合方法，学生都可自发形成新的扩展思路。

4 结束语

本文以遥感科学与技术本科教育为例，探讨了工科大学教育中知识点和科学精神的辩证统一关系，并结合教学实践，针对如何在工科课堂中开展知识点与科学精神关联培养进行了讨论。从培养方案的理解中体现遥感科学与技术高等教育的科学精神，从批判式教学的实践中凝练知识点，二者的结合促成思辨式教学方式。通过知识点的过程化形成科研促进教学的良性态势。将科学原理与教学表象所体现的处理方法进行深度结合，既是知识点的教学过程，又是科学思维的训练过程，经历这一过程，学生才能实现“知其所以然”。

[1] 刘振天.内涵式发展:高等教育本质论、价值论与方法论重建[J]. 大学教育科学，2013(6):14-20.

[2] 方圣辉，张熠，潘励． 国家精品课程“遥感原理与应用”创新教学实践[J]．测绘通报，2015(6) : 127-130．

[3] 潘懋元.多学科观点的高等教育研究[M]. 上海：上海教育出版社, 2001:25-33.

[4] 孙家柄.遥感原理与应用[M].武汉：武汉大学出版社，2013:154-173.

[5] 童庆喜.高光谱遥感-原理技术与应用[M].北京：高等教育出版社，2006:223-240.

[6] 梁顺林.定量遥感[M].范闻捷，译.北京：科学出版社，2009:1-10.

[7] 浦瑞良、宫鹏.高光谱遥感及其应用[M].北京：高等教育出版社，2000:52-60.

[8] 张良培.高光谱遥感[M].武汉：武汉大学出版社，2005:178-201.

[9] 龚龑，舒宁，王琰，等.遥感影像像斑空间关系分析的非规则无参数马尔可夫随机场模型[J].测绘学报, 2013，42(2):101-107.

[10] GITELSON A A.Relationships between Gross Primary Production, Green LAI, and Canopy Chlorophyll Content in Maize: Implications for Remote Sensing of Primary Production[J].Remote Sensing of Environment，2014，144(2)：65-72.

Incorporation of Scientific Thinking into Teaching Key Points in Engineering Education——A Case Study of the Course of Remote Sensing and Information Engineering

GONG Yan,ZHANG Yi,FANG Shenghui,PENG Yi

(School of Remote Sensing and Information Engineering, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

Although professional knowledge training is the main part of the course teaching in colleges and universities teaching activities, the scientific spirit is the soul of higher education. Teachers should look at the conventional teaching from the new point of view which focus on cultivating innovative thinking and knowledge creation ability. The Teaching Team of the School of Remote Sensing of Wuhan University has carried out a series of teaching practice which has a wide range of meaning from the aspects of speculative teaching, extending the knowledge points to knowledge process and exploring why. Through these practices, the students of remote sensing science and engineering have improved from two aspects in technical and scientific capacity.

knowledge points; scientific spirit; speculative teaching; scientific and technological innovation; remote sensing science and technology

龚龑，张熠，方圣辉，等.高校工科教学知识点与科学精神关联培养探讨——以遥感科学与技术专业课程教学为例[J].测绘通报，2017(2)：143-146.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0069.

2015-11-19；

2016-02-23

龚 龑(1979—)，男，博士，副教授，从事遥感学科教学科研工作。E-mail：gongyan@whu.edu.cn 通信作者： 张 熠

G64

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0494-0911(2017)02-0143-04