新工科背景下遥感原理与应用课程建设方案探讨

孔春芳　董玉森　徐凯　田宜平

摘  要：随着“数字地球”建设的不断拓展，社会对遥感科学与技术人员的需求日益增大。针对遥感原理与应用的学科特点及当前教学中存在的问题，探讨该课程的教学内容、实验方法、考核制度改革等问题，提出在遥感原理与应用教学过程中，以STEM理念与“新工科”理念为牵引，注重启发式教学、项目驱动式案例教学等多种教学方法的使用，充分发挥学生的创造潜能，切实培养学生独立探索、勇于开拓进取的自学能力和创新思维能力，为国家和社会培养一批引领未来技术与产业发展的卓越工程科技人才。

关键词：遥感原理与应用  新工科  STEM理念  动手能力  创新思维能力

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（c）-0170-05

Abstract： With the continuous expansion of the construction of "digital earth"， the demand for remote sensing science and technology personnel is increasing. In view of the discipline characteristics of remote sensing principle and application and the problems existing in the current teaching， this paper discusses the teaching contents， experimental methods， examination system reform and other problems of the course， and puts forward that in the process of remote sensing principle and application teaching， we should take STEM concept and "new engineering" concept as the traction， and pay attention to the use of heuristic teaching， project driven case teaching and other teaching methods， give full play to students' creative potential， effectively cultivate students' self-study ability and innovative thinking ability of independent exploration and courage to forge ahead， and cultivate a group of outstanding engineering and scientific talents leading the future technology and industrial development for the country and society.

Key Words： Remote sensing principle and application; New engineering; STEM concept; Hands-on ability; Innovative thinking ability

遙感科学与技术是当今世界上异常活跃，发展日新月异的高新科技之一，是构建“玻璃地球”与“地学大数据”必不可少的核心技术，已成为自然资源调查与地球科学研究的全新技术方法。在资源环境调查与监测、数字城市规划与管理、农林等可再生资源监测与评估、灾害监测与评价、土地资源管理、野生动物保护、精细农业、国家安全等方面发挥着越来越重要的作用。

遥感原理与应用是关于遥感科学与技术原理、遥感数据处理与应用的专业基础课。通过这门课程的学习，让学生从不同的尺度认识地球，理解地球，获取地球的各种参数和信息;同时，让学生熟练掌握遥感科学与技术的基本理论与基础知识，熟练应用各种遥感数据的处理技术与方法，并能灵活应用于测量、大气、地理、资源与环境、地质、农林、海洋等学科领域。高等院校的自然地理、测绘科学与测绘工程、地学信息工程、地球探测与信息技术、资源与环境等专业都把遥感原理与应用作为一门重要的专业基础课，可见其在高等教育中的地位和作用都是非常重要的。因此，遥感原理与应用的教学理念、内容、方法、模式等也应该不断调整与改革。特别是在2017年国家提出“新工科”的背景下，如何改革该课程的教学模式，更有效地培养大学生的实践动手能力与创新思维能力，是一个需要深刻研究的问题。本文结合教研组多年来的教学实践经验，对目前遥感原理与应用的教学理念、内容、方法以及考试制度等内容进行反思与探讨。

1  遥感原理与应用的学科特点及当前教学中存在的问题

遥感原理与应用是一门多学科交叉的综合性强、技术性强的应用性学科，在众多的专业领域得到广泛应用，对促进社会经济及国民事业发展有着不可或缺的影响和效应[1]。特别是随着我国高分系列遥感卫星的成功发射，遥感科学与技术的应用范围深入到资源环境调查、社会进步、国民经济发展，以及国家安全的方方面面，新的概念和理论被相继提出，知识内容越来越丰富。这就使得遥感科学与技术的前沿性、技术性、应用性、综合性等特点更加鲜明[2]。因此，也就对掌握遥感科学与技术的专业人才的各项要求更高。

但是，目前在遥感原理与应用教学中依然有些问题需要面对并及时解决[3]。首先，由于遥感技术发展日新月异，应用范围十分广泛，造成教学内容严重滞后于生产实践和时代要求;其次，在遥感科学与技术的教学过程中，重理论，轻实践，实验课程学时较少，学生缺少上机实践操作训练;最后，教学方法单一，手段落后，不能满足对学生专业技能及科学素养的培养要求。因此，本文针对以上问题，以STEM理念与“新工科”理念为牵引，对遥感原理与应用课程建设与教学改革进行探讨。

2  遥感原理与应用课程建设与教学方法改革探讨

课程建设是教学改革和教学建设的基础和重要内容，必须以STEM理念与“新工科”理念为牵引，坚持“以学生为本”和“可持续发展”的教育思想，把遥感原理与应用的课程建设深入到具体的“教”与“学”中去。

2.1 STEM理念与“新工科”理念

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）4门学科首字母的缩写，其核心理念是加强培养学生在4个方面的能力。首先是科学素养，即培养学生运用各种知识认识自然界的客观规律，能积极参与并该做自然界的过程;其次是技术素养，即培养学生掌握并使用各种技术的能力;然后是工程素养，即培养学生理解并尊重自然界的客观规律，同时，利用所学的技术有目的地改造自然，创造美好生活;最后是数学素养，即培养学生运用数学方法和模型描述客观世界的能力，为技术与工程学科奠定扎实的数理根基[4]。

美国历届执政者一直大力提倡并积极推动STEM教育，激励各级学生主动学习科学、技术、工程和数学，积极引导学生掌握过硬的科学技术与工程技能，以及牢固的数理基础，进而保持美国的竞争力。2016年，我国的《教育信息化十三五规划》指出：利用信息技术推动众创空间建设，深入研究STEM教育等新教育理念与模式，积极培养学生的基本科技素养与创新思维意识[5]。

2017年，我国提出“新工科”理念，是为我国产业发展和国际竞争提供智力支持和人才保障而提出的教育理念[6]，目的就是为了培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质人才[7];促进我国从教育大国走向教育强国，在世界工程教育改革中发挥举足轻重的全球影响力[6]。

2.2 教学内容与实验教学紧密结合

遥感原理与应用课程内容一般根据专业的具体情况，采用“遥感+图像处理+”的形式设计，即“遥感原理”+“图像处理”+“行业应用”。本文以中国地质大学（武汉）空信专业的课程内容为例，主要包括以下几个模块：物理基础、辐射传输基础、遥感平台与传感器系统、图像数字处理、热红外遥感、微波遥感、植被遥感、海洋水色遥感、陆面蒸散遥感估算、土地利用/土地覆盖变化检测、地质遥感等。从中可以看出，這门课程涉及的内容较多，不但需要学生具有一定的数学、物理、计算机等基础知识，还需要学生具有相关的专业知识，因此难度较大。

在选择和安排教学内容时，首先要把STEM理念与“新工科”理念贯穿其中，一方面重视学生基础知识和基本技能的培养，另一方面重视训练学生的实践动手能力和跨学科思维能力。因此，教学内容与上机实验环节密切联系，相辅相成。如第一部分遥感的基础知识讲解完成后，会安排4个学时进行实验，实验内容主要是关于遥感图像处理软件集成环境介绍与遥感图像处理系统的基本构成。通过这次实验，强化学生理解遥感科学与技术的基础知识和基本理论，掌握遥感图像处理软件集成环境、软件的数据组织方法，加深学生对多分辨率、多光谱、多时相遥感影像的理解，以及多光谱遥感影像特征与地物波谱特征曲线的关系等。第二部分主要讲遥感图像处理，随后的实验主要包括图像预处理，多项式几何纠正，DEM微分纠正，单波段与多波段彩色图像的镶嵌与拼接、融合等处理，以及分类、地学信息提取等处理。通过这次上机实习，让学生掌握遥感图像处理各个环节的基本技能，为以后的行业应用奠定基础。第三部分主要讲遥感行业应用，包括热红外、微波、植被、海洋水色、陆面蒸散估算、土地利用/覆被变化检测、地质遥感等应用专题。通过这部分的学习，培养训练学生应用遥感科学与技术解决现实行业中的相关问题。随后的实验主要针对土地利用/覆被信息提取和遥感地质应用。通过这2次实验，让学生掌握土地利用/覆被信息分类与提取;掌握遥感技术在国土资源调查中的作用、技术流程、目的及结果等应用过程;掌握三大岩类型、产状、与围岩关系、与构造形迹关系等遥感图像特征及解译方法;掌握遥感科学与技术在区域地质调查与找矿勘查等方面的应用。由于目前实验学时有限，只能有针对性地安排2次遥感应用实验。如果实验课时充足，应该在每个行业应用专题讲解完成以后，都安排一次实验，这样可以让学生掌握每个行业应用的流程和具体细节。因此，建议增加实验课时，增强学生的上机实习能力和解决问题的动手能力。同时，每个实验课程结束以后，要求学生完成实验报告，包括实验目的、流程、技术路线、过程、结果等内容。一方面，可以让学生回顾实验过程，学会融会贯通，加深理解与记忆;另一方面，可以训练学生的学习能力和专业素养[8]，同时，加强跨学科思维能力的培养。

2.3 教学方法的多样化

遥感原理与应用是一门理论性、技术性、应用性、实践性及综合性都很强的课程，具有内容多、课时少、知识点杂、知识面广等特征。课题组的教师在教学过程中，充分执行“以学生为本”和“可持续发展”的思想，采用STEM理念与“新工科”理念，运用多种教学技术与多元化教学方法，以及课内和课外相结合的学习方式，使课程内容中的难点易教、重点易学，达到事半功倍的教学效率。

对于一些典型的遥感基础知识与基本理论，以教师的课堂讲解为主，同时，在讲解的过程中，注重使用具有启发性的语言，采取讲解演示式、问题教学式、探究发现式、自学辅导式等多形式相结合的方式，改变教师上课“一言堂”“满堂灌”的单向输入模式[9]，积极启发并鼓励学生的主动思考、积极探索、寻求答案、理解知识、掌握方法、增强技能。

对于图像处理方面的内容，则借助计算机技术与信息技术，通过边讲解、边演示的方式进行教学，让学生通过讲与练的模式，掌握其理论、技术、方法和流程，并且明白每一步操作后面的理论含义，为后续的遥感应用打下坚实的基础。

对于遥感应用，则采用项目驱动式案例教学法与行业应用相结合的方法进行教学，其实施过程如图1所示。

首先在课前，教师根据教学内容与目标设置相应的教学任务。让学生自己动手，查阅遥感技术在相关行业方面的应用现状与案例，分析遥感技术在该行业应用中存在的问题，并利用自己已有的知识去分析问题，还可以通过小组讨论的形式去解决问题。其次，教师在课堂上组织学生通过讨论或者项目案例的方式进行教学。与此同时，对遥感行业应用实验课程进行构思，指导学生完成实验设计，并要求学生自行完成实验开发与应用，形成一个完整的集分析、设计、开发与应用为一体的小型遥感专题系统。这样设置的目的是培养学生的主动学习能力、实践动手能力、思维表达能力、组织沟通能力和协调能力，使学生的基础知识、基本技能、科学素养、专业知识、创新能力、工程能力和职业素质都得到锻炼。最后，让学生提交一份完整的实验报告，包括实验目的、内容、步骤、过程、结论及总结与自我反思等内容。通过这样的训练，让学生掌握遥感科学与技术在各个行业的应用过程，为以后进一步学习与工作打下坚实的基础;切实践行“新工科”理念，不断鼓励学生主动思索、积极寻找解决方案、提高工程技术能力，培养造就一批引领未来技术与产业发展的卓越工程科技人才，为国家产业进步和国际竞争储备智力支撑和人才保障[6]。

2.4 考核方式改革的探索

考核是教学的重要环节之一，合理而科学的考核制度，可以发现教学中存在的不足与问题，改善教学质量。为此，在给学生成绩评定时，除了传统的期末考试方式外，尝试把平时的实验技能测试、平时的实验报告，都列为考核成绩的重要组成部分，也就是平时成绩10%（课堂表现）+上机操作实验成绩30%（实验技能操作）+实验报告成绩30%（实验报告编写）+期末考试30%。这样大大激发了学生平时学习与上机实验的主观能动性，提高了实验效率与教学效率。多年的实践表明，这样的考核方式不但调动了学生平时课堂学习的主观能动性，而且也提高了学生对上机实验操作的积极性与重视度，教学质量与教学效果也得到明显提高。

3  结语

近年来，遥感科学与技术的新理论、新方法、新技术与新成果发展迅速，因此，遥感原理与应用课程内容与教学方法都需要不断更新与改革。本文根据教研室教师多年的教学工作实践，提出在遥感原理与应用教学过程中，切实贯彻“以学生为本”和“可持续发展”的思想，践行STEM理念与“新工科”理念，注重启发式教学、项目驱动式案例教学等多种教学方法的使用。同时，加强遥感理论与技术在行业中的实际应用，充分发挥学生的学习与创造潜能，切实培养学生独立探索、勇于开拓进取的自学能力和创新思维能力，为国家和社会造就一批引领未来技术与产业发展的卓越工程科技人才，为国家产业发展和国际竞争提供智力支持和人才保障。

参考文献

[1] 郭华东.地球系统空间观测：从科学卫星到月基平台[J].遥感学报，2016，20（5）：716-723.

[2] 孙根云，张爱竹，黄丙湖，等.遥感原理研究性实践教学模式探究[J].实验室研究与探索，2016（12）：151-155，159.

[3] 徐小军.面向用人单位的《遥感原理与应用》实践课教学质量提升[J].科技资讯，2015（26）：147-148.

[4] Felder R.M.STEM education： a tale of two paradigms[J].Journal of Food Science Education，2021，20（1）：8-15.

[5] 董學敏.区域基础教育信息化评测及其对教育质量的影响研究[D].武汉：华中师范大学，2019.

[6] 王树新：以“新工科”理念为牵引 推进工程教育改革[EB/OL].（2017-12-01）[2018-12-11].http：//education.news.cn/2017-12/01/c_129754729.htm.

[7] 沈静，方正军，周亮，等.新工科教育背景下高校教育教学质量评价体制的建立与保障[J].科技资讯，2021（1）：154-156.

[8] 杨玉，陈艳艳.智慧教学工具在混合式教学中的应用与研究[J].科技资讯，2021（3）：25-27.

[9] 杜宏.OBE教育理念在《电子商务概论》教学改革中的应用研究[J].内蒙古财经大学学报， 2020，18（2）：46-48.