情景体验在遥感应用模型教学中的探索

徐世武 饶蕾

遥感应用模型是遥感的一种定量化手段，基于航天、航空传感器获取的地球表层资源与环境观测数据，建立物理模型将遥感信息与观测目标参量联系起来，以研究陆地表面特征参量及其时空变化规律，在我国农业、林业、土地管理、城乡规划、环境保护、灾害监测和预警等领域被广泛应用。《遥感应用模型》课程是遥感科学与技术专业方向的一门专业主干课程，采用“理论课+课程实习+课题研究”的方式教学，以培养学生利用相关理论、方法与技术解决遥感领域复杂工程问题的能力。2020年10月中共中央、国务院印发了《深化新时代教育评价改革总体方案》，提出坚持以立德树人为主线，以破“五唯”为导向，以五类主体为抓手，着力做到政策系统集成、举措破立结合、改革协同推进，提出要树立正确用人导向、促进人岗相适。近年来，随着空间传感器技术突飞猛进的发展，遥感的新概念、新理论不断提出，知识内容越来越丰富，应用范围越来越广，遥感行业的人才需求也逐渐向前沿性、综合性、创新性发展。因此，遥感应用模型的教学也应该顺应形势的需要，在兼顾遥感科学发展前沿的同时结合专业实际需求不断进行改革和调整。本研究以《遙感应用模型》课程教学改革为案例，引入情景体验教学模式，模拟真实遥感生产应用中的工程活动来说明抽象的遥感理论，培养学生自主学习能力，达到提升学生专业能力和实践应用的教学目的。

《遥感应用模型》是一门遥感技术应用类课程，要求学生除了掌握遥感科学、地理信息系统等基础理论外，还应具备软件操作、仪器使用、模型设计等实践技能。目前该课程教学效果与预期仍有差距，存在的问题主要表现在以下几个方面：

课程教学内容陈旧。教师授课的教学内容“老化”，更新速度慢，基本上为较为成熟的理论知识，缺乏对该学科前沿性知识的探索，不能适应行业发展的需求。降低了课程的吸引力，导致学生学习积极性不高。

授课方法单调，学生被动接受。虽然教育界研究和实践了多种授课方式，但在实际授课过程中，教师教少运用讨论、实验、调查、演讲等现代化、混合式教学方法，普遍使用的是“灌输式”、“满堂灌”，这些授课方法使得学生处于被动状态，参与性不强，不敢或 “没机会”去挑战知识的权威，久而久之导致学生学习兴趣下降，思想消极被动，缺乏对知识的批判与探索精神，创新能力薄弱。

研讨式教学效果不佳。虽然有探索进行研讨式教学，但仍以讲授基础理论和应用案例为主，课上交流研讨内容比较少。实际教学中存在两方面难点：一方面是对授课教师要求较高，需要及时跟踪学科前沿动态，大量阅读最新学术文献，在深度和广度上要兼顾，才能在满足学生相对广泛研究兴趣的同时，能够对具体专业方向的问题进行较为深入的指导；另一方面，对学生的基础知识和动手能力要求较高，需要学生无障碍阅读英文文献、深入了解相关专题的基础知识、编程实验能力足够，而与这些要求相关的前序外语、数学、程序设计、专业课等课程学生学得不够全、不够深，对参与直接对接国际水平的前沿讨论课学习造成困难。

为了适应行业发展需要，提出了情景体验的教学模式，构建“知识讲授→分组→选题→遥感生产模拟→分析反思→归纳总结→小组汇报”的教学主线，以充分调动学生的积极性、主动性和创造性，弥补以往理论课堂讲授只注重知识灌输，而不注重知识理解与应用的弊端，促进“教师引导-师生互动-自主学习”的良性循环，以真正体现融“教、学、做”于一体化的教学流程与人才培养目标。

本文从教学流程、实施过程、考核方式三个方面探索情景体验模式教学的应用。

（一）教学流程设计

哈佛大学David Kolb教授1984年提出了体验学习圈模型，将学习过程分为四个阶段，即体验阶段（Concrete Experience）、反思阶段（Reflective Observation）、归纳阶段A b s t r a c t Conceptualization）和应用阶段（A c t i v e Experimentation）。结合该理论，将遥感应用模型课程教学划分为课堂教学阶段、遥感体验阶段、分析反思阶段和归纳总结阶段。如图1所示。

在课堂教学阶段，首先进行基础理论的讲授，包括遥感应用模型基础知识、遥感的定量化模型、植被冠层反射模型、土地覆盖/土地利用自动更新技术的应用、农作物长势遥感监测方法与技术、农田旱情遥感监测模型、洪涝灾害雷达遥感监测模型、遥感和生态过程模型方法结合的原理与应用等基本理论内容。在此基础上，结合当前社会应用情况，选取植被遥感、国土遥感、农业遥感和生态遥感四个专题，重点讲解行业热点应用案例。

在遥感体验阶段，通过“课程实习+课题研究”的方式让学生多交角度体验遥感技术应用，设计熟悉生产环境、操作主流遥感生产平台、真实数据遥感实验等环节，实现遥感生产活动过程的模拟。

在分析反思阶段，通过小组讨论和课堂陈述，分析不同应用场景下选取遥感模型的差异，探讨不同技术方法、阈值设置等造成的实验结果差异，验证遥感应用模型的适用性。

在归纳总结阶段，探讨当下前沿遥感技术的发展，结合案例分析植被遥感、国土遥感、农业遥感和生态遥感领域存在的问题，探索解决思路。同时，总结实验场景下各应用的最优技术方法、经验参数等。

（二）教学实施过程

为发挥学生的主观能动性，提高学生的实践能力、协作能力和创新能力，采用“理论讲授+课程实习+课题研究”的方式教学，以培养学生利用相关理论、方法与技术解决遥感领域复杂工程问题的能力。在课程实习环节将学生进行分组，每组4～5人，各小组独立完成实习内容，同时安排研究性任务以提高科研能力。

1. 课堂教学阶段

课堂教学阶段注重基础理论的讲授，培养学生掌握遥感、地理信息科学的专业理论，并能将相关理论、方法与技术有效运用于解决遥感领域复杂工程问题。课程内容包括：遥感应用模型基础知识、遥感的定量化模型、植被冠层反射模型、土地覆盖/土地利用自动更新技术的应用、农作物长势遥感监测方法与技术、农田旱情遥感监测模型、洪涝灾害雷达遥感监测模型、遥感和生态过程模型方法结合的原理与应用等。同时结合前沿技术扩展专业应用和行业应用探索，拓宽学生的知识面，提高学习兴趣：

在专业应用探索方面，主要侧重遥感学科自身的基础应用。选取“高精度建设用地变化自动提取技术在土地督察中的应用”、“土地督察易混地物最大似然分类综合改进方法研究”等课题，先讲解课题应用场景、预期解决的问题，然后提出研究目标，要求学生以小组为单位进行讨论、总结、汇报，最后请相关科研团队将其科研成果进行分享，创造学生与科研一线人员当面沟通、交流的机会。

在行业应用探索方面，教学内容既要突出行业应用，又要突出研究性、实践性和科学前沿性。选取“一种深度卷积神经网络土地利用场景遥感影像的分类方法”课题，探索深度学习在遥感影像分类领域的应用，将实际应用和科学研究中的热点问题引入到实践教学，从而将学生较早地带入到遥感应用领域的研究前沿，在教学内容上具有前瞻性、综合性、应用性和研究性。

2. 遥感体验阶段

遥感体验阶段，为了模拟遥感生产活动，培养学生的自主学习和实践创新能力，将实践教学内容进行整合，设计基础操作实习、专题应用实习和遥感课题研究三个方面的教学内容。

基础操作实习，主要包括遥感软件的操作和遥感图像的基础处理，强化遥感基础和专业。学生通过熟悉生产环境、操作主流遥感生产平台、使用真实数据进行遥感实验，熟悉ENVI、ArcGIS、SPSS 等常用生产软件，掌握光学遥感图像预处理过程，包括：辐射定标、影像镶嵌、影像裁剪、大气校正、图像分类、影像预判等。实施过程中，教师首先进行一定程度的讲解，包括专业基础知识内容和软件基本功能，帮助学生在短时间内熟悉软件。然后，设置实习目标，以小组为单位自主讨论、完成实习内容，最后要求每个学生独立完成实习报告。既培养学生发现问题、解决问题的能力，又锻炼学生的协作能力、表达能力。

专题应用实习，是在完成基础操作实习的基础上结合专题应用进行的实践。实习内容从专业应用和行业应用常见问题出发，设计了植被指数及植被覆盖度估算、地表温度反演、基于高分辨率影像城市绿地信息提取和基于遥感的自然生态环境监测四个专题，挑选了行业内常用图像，如：Landsat 8、SPOT 5、WorldView-2等，模拟真实应用场景，让学生通过实习掌握解决遥感领域工程问题的方法，提高实践能力。在实施过程中，首先讲解实习目标、实习内容，介绍实习流程及相关理论知识，然后以小组为单位让学生开展专题应用实习，引导学生查阅文献、分析问题，创造小组间交流机会，最终各组形成实习报告并展示。强化学生对遥感应用的理解。

遥感课题研究，是在学生对专业应用和行业应用总结归纳的基础上，选取遥感应用领域的研究热点开展的探索性研究，是教学内容的延伸。实施过程中要求学生围绕遥感学科的前沿问题或者应用问题进行自由命题，或选择备选课题，如“一种深度卷积神经网络土地利用场景遥感影像的分类方法”，以小组为单位根据选择的课题进行自主实践，引导学生查阅文献、提炼问题、分析问题、归纳总结、编写课题论文，最终形成课题报告，完成研究成果汇报及讨论。通过将实际应用和科学研究中的热点问题引入到实践教学，考察学生对学科前沿问题的捕捉能力、对关键问题的把握能力和解决问题的实践能力。

3. 分析反思阶段

采用讨论和汇报为主的混合式研讨教学模式。将学生分按每组4～5 人进行分组，以小组为单位开展基础操作实习、专题应用实习和遥感课题研究阶段的讨论和成果汇报。预留充分的课下准备周期，保证学生有足够的时间自学、阅读文献、制作汇报材料；课堂上提高每组学生的讨论效率，要求小组间互相提问，促进学生积极参与、研讨深入。

4. 归纳总结阶段

完成实习和课题研究的分析、验证后，需要每个小组提交、展示他们的实习和研究成果，并让其他小组选一名代表进行点评。学生与教师一起探讨当下前沿遥感技术的發展，结合案例分析植被遥感、国土遥感、农业遥感和生态遥感领域存在的问题，探索解决思路。同时，总结实验场景下各应用的最优技术方法、经验参数等，让学生能够揭开自身问题的本源，及时做好记录。汇报结束后，教师对学生的成果给予评价与肯定，增强学生心理上的满足感与成就感，进一步培养学生对遥感专业的兴趣。

（三）教学考核方式

为避免考核结果的片面性，确保遥感应用模型课程成绩公正性，从以下几方面进行考核。

平时考核：主要考核学生学习过程的参与程度，平时考核包括作业成绩、课堂提问和出勤情况。

期末考核：采用闭卷考试，考核内容覆盖所有课程目标。

实习考核：主要考核学生实习完成情况，包括实习报告的撰写、实习成果的汇报两部分。评定过程中，通过实习成果汇报，考察学生专业知识的掌握水平、解决问题的实践能力、对关键问题的凝练能力、团队协作能力和创新能力。

本文针对遥感应用模型课程的教学模式改革进行探讨，引入情景体验教学模式，模拟真实遥感生产应用中的工程活动来说明抽象的遥感理论，取得了良好的教学成效。遥感科学与技术是一个应用性教强的专业，良好的综合实践经验与科研训练技能将为学生今后的深造和进一步发展奠定基础。

作者单位：徐世武 中国地质大学（武汉）

饶蕾 武汉蚁图时空科技有限公司