InSAR技术与应用课程教学探索与改革

蒋 弥， 陈赛楠

（1.中山大学测绘科学与技术学院，广东珠海 519000；2.河海大学地球科学与工程学院，南京 211100）

0 引 言

遥感技术是一门与现代物理学、计算机技术和地理学密切相关的综合性探测技术［1］，为科研机构或高校培养了大批专业人才，使其能够在城市资源、规划管理和基础设施等领域开展与地理信息相关的研究工作。合成孔径雷达技术，作为一种新型遥感手段，已经有成熟的获取与使用方式，然而由于大众可接触性和传播限制，更多的存在于与遥感有关的专业教育中［2］。针对遥感课程普遍存在的内容繁复、体系不明、侧重光学数据、课程理论性强等问题，开设专门的InSAR技术与应用课程是有必要的。高校的雷达通识教育课程一般作为公共选修课开设，普及面不广，注重技术层面，忽略学科课程的介绍，不能直接体现课程的性质。在全球变化的时代，材料、能源、人地关系中的信息流动以及地理限制在世界范围内都适用，因此，必须从全球和国家的角度考虑区域性、可持续发展的问题。课程设计中的课程引入部分强化了这一概念，加强了全球问题中合成孔径雷达干涉测量（Interferometric synthetic aperture radar，InSAR）数据的应用介绍，以科学思想，大国责任作为教学基石使学生从全球角度考虑区域问题，能够发展其全球意识和民族意识。

部分高校已开设的雷达课程的主要目标只是将SAR影像作为继文字和地图之后最直观的第3 种遥感地理语言进行课程讲解，本文通过引入Matlab 软件处理与认知延伸相结合，可以快速提升学生的地理能力，不仅要让学生明确理论知识，更要根据就业市场需求合理安排课程内容，增加实践操作课程，培养学生的创新思维。利用翻转课堂理念，打破传统的教学分离模式，以学生能接受的方式传输知识，这是进行课程改革的初衷［3］。

1 InSAR技术与应用课程教学现状

近年来，地理信息系统（GIS），遥感技术（RS）和全球定位系统（GPS）的综合利用，已形成了一个集成的实时动态地球观测体系，为科学研究，政府管理和社会生产提供了新型观察手段［4］。在3S 集成化技术系统中，遥感技术作为“数字地球”概念的理论基础，既是空间数据采集和分类的有效工具，又是地理信息系统重要的信息源［5］，为环境、矿产、海洋、气象等领域提供大量数据。

InSAR技术与应用是遥感专业课程体系建设的一个重要环节。随着技术发展，SAR 影像的分辨率越来越高，数据类型也越来越丰富，这些特征对数据处理阶段提出了新的挑战。自然资源部发布的卫星遥感应用报告提出，要加强卫星应用技术创新和人才培养，将遥感技术转化为自然资源管理赖以支撑的现实生产力。面对科技革命带来的重大机遇，高等教育的变革无疑首当其冲，从全球范围来看，高校教育领域对改革的探索不曾停止，新的形势下要求实验教学的体系、模式和组织形式必须做出相应的变革。InSAR技术与应用课程可以通过展示与全球和地区相关的材料来提高学生的全球和国家意识，相较于光学影像，全天时全天候的SAR数据更是一种值得熟知的地理数据。与合成孔径雷达相关的课程一直是高校中的薄弱环节，存在着①雷达专业课程开设较少，常混杂于3S 课程中；②学生对合成孔径雷达的认知性较低；③对于SAR 数据处理缺乏实际应用等几方面的问题。

鉴于上述情况，重新规划设计SAR课程体系内容与上课形式，建立多层次化的课程体系，创新性地提出在SAR课程中增加理论源起与编程实践，可以很好地解决学生为什么学、如何学、学有何效果的问题，激发学生学习的兴趣。通过合理组织课程内容，将理论知识教育与具体实验例子结合，能够更高效地培养学生数据处理实践能力。

2 课程教学改革

1956 年，布卢姆受行为主义和认知心理学的影响对教育目标进行系统分类研究，将认知过程分为记忆、理解、应用、分析、评价、创造6 个类别［6］。对照认知模型而言，高校教学体系中的理论教学对应着知识的记忆与理解，实践教学则对应着其余更高层次的认知维度。认知高维度的前提是先认知该维度以下的所有低复杂程度，但同时6 个认知层级在复杂程度上有所重叠，从这个意义上讲，将理论教学与实践教学两者有机结合起来才能真正体现教育的本质特征，这也是教育改革的重难点。

2.1 翻转课堂教育理念

学生的学习过程通常由信息传递和吸收内化两个阶段构成。第1 阶段由教师将课程内容传授给学生，第2 阶段由学生在课后巩固课堂知识，由于缺乏交流与互助，在吸收内化阶段学生容易失去学习主观性。借助翻转课堂的理念，对学习过程进行阶段重构，能够有效改善这一问题［7］。

信息时代的大环境下，高校学生熟悉各类电子产品和软件，InSAR技术与应用课程作为信息量大，实用性强的课程，有着大量的素材需要传输给学生。通过建立相关课程网站，由教师制作短小的视频精简介绍重点知识，可以在信息传递阶段增加学生课前在线视频辅导［8］。根据每节视频后的相关问题回答情况设置反馈专项，既能让学生可以重复观看，及时检测自己的课前学习情况，也能让教师获知学生的学习难点，进行针对性课堂答疑。课程网站的建立给予教师更多可支配的课堂时间，相应地可以将吸收内化阶段移至课堂之上，使课堂时间不仅是用于传授知识，更是用来给予机会让学生之间相互交流，增加学生和教师个性化沟通。学生的课后复习和知识巩固采用借助教学视频的直接指导和建议式学习的混合模式，也使得因病或参加活动的学生不会缺少关键内容的学习［9］。

2.2 课程导入

对于一个日常生活很难接触的新兴学科，学生在接受知识教育的时候会自然地存在抵触，归根到底是因为不能产生自我关联感。InSAR技术与应用相较于其他遥感课程的特点正是其作为新兴学科给学生带来的陌生感，为此，在课程导入阶段从与理论相关的背景入手，激发学生的探究兴趣。第二次世界大战中为了预防敌方战机，军事部门采取向空中发射和接收电磁波的方式作为雷达探测手段，进一步发展出了以电磁波频谱中的微波作为媒介，利用传感器接收被观测对象散射特征的新型雷达技术，此后经过专家学者多重研究探索，合成孔径雷达技术得以在更多领域应用。通过在首节课程中生动引入SAR的起源发展，而不是直接从数据处理的专业知识切入能为学生带来更好的课程体验［10］。

知识的学习是为了应用，合成孔径雷达技术已被广泛应用在生活中的方方面面，引入课程教学所在地的SAR影像，通过教师课前的处理，可以直观显示给学生近几十年来的地形沉降现象，让受众体会到雷达技术的实用性。主动遥感技术更多地被使用于自然灾害监测领域，地壳形变、滑坡、洪水、岩崩以及水库诱发地震监测等均可使用SAR影像进行实时观测［11］。作为全球性的监测工具，撒哈拉沙漠下的古河道的探测成为SAR数据最著名的应用实例，表明微波成像区别于光学成像，能有效穿透掩盖物，获取地表下信息。通过教师选择生活区域周围的监测实例以及近期内的全球自然灾害事件进行案例讲述，能够使学生更好地融入课堂，增加其全球意识与主观能动性；同时引入由学生主导的助教专题模式，鼓励学生掌握课堂，成为知识的主人。

2.3 实践教学

高等教育肩负着科技兴国和人才强国的重任，实践教学作为其难以替代的主要构成，在培养学生综合素质方面起到了重要作用［12］。在学生对SAR有了基础认识之后，如何实际操作进行SAR数据处理是课程的重点。虽然现有的软件能够支撑SAR 影像的基本处理，但依靠软件进行的处理不够灵活，且会使学生产生思维固化。InSAR技术与应用课程强调对学生知识迁移能力的培养，学生可以自由选择感兴趣的课程专题进行小组合作，由教师在课程教学中引入可用于算法开发和数据分析的Matlab 软件作为数据处理辅助工具，与依靠软件不同，课程引导学生由Matlab 进行同样功能的处理，既可以处理数据，也能增强编程能力，提高创新性［13］。以影像滤波为例，常用的Lee 、Refined Lee等滤波方式在遥感软件中都有简便使用的方式［14］，然而机械式的使用并不能让学生充分理解其原理，课程可以通过讲解Lee滤波的原理，半讲解半引导式的带领学生使用Matlab 软件编程相同功能的滤波方法，再让其进行方法变化与改进尝试。很多效果优良的新型滤波方法都是在前人的基础上得以改进，若是长期使用软件，SAR 数据处理的改善将难以实现。

教师根据就业市场需求适时调整课程规划，强化并重视实践环节的教学活动，把实践教育作为理论知识传授的落脚点，可以调动学生应用编程思维开展SAR数据处理的兴趣，使学生充分掌握课程基本理论和数据处理方法，从而满足就业市场对高素质技术人才的需求［5］。

2.4 课程交互评价

高校立身之本在于立德树人，良好的师生关系是教师发挥教书育人功能的重要生态条件。普通的灌输式教育将师生之间隔离开来，仅由教师通过成绩评价学生学习进度，不具备很好的交互性。积极探索并着力构建符合新时代需求的师生关系，努力打造新时代教书育人新模式是当前我国高校面临的迫切任务［15］。课程教学评价指的是对教学过程和教学结果依据教学目标进行价值判断的活动，是能够有效研究并改进教师教学与学生学习价值的必备环节，即通过闭环反馈来保证课程教育目标的高效达成。但在我国的传统教育观念中，尤其是在实践性教学中，长期以来存在着重内容、重方法、轻评价的倾向，这与现代教育所主张的结果导向的理念格格不入。

从某种程度上，学生培养质量依赖培养过程的质量，而培养过程必须有监督和改进机制即评价体系，通过合理的评价体系，可以监控教学各环节是否有效支撑培养目标并不断改进教学过程和方法使之更加有效支撑培养目标。如果说InSAR 技术与应用本身是遥感教学体系中的薄弱一环的话，那么课程评价就是更需要改进的一部分，根本原因在于很多情况下，很多学校仍然不知道“能力”到底该怎样考、怎样评，评价结果怎么用［16］。评价主体应包括教学活动各个环节，具体应包括学生对每节课程的教学质量进行评价，学生知识点自我掌握情况、学生自身对课程的相关需求、学生对教师上课方式的期待以及教师对教学效果达成情况的自评和对每节课程学生学习情况的评判。在课程知识教学的同时，及时获取师生双方的交互评价，能够不断改进课程教学质量。

3 课程设计

在高校教育体系下必须充分重视实验教学，要想让实验教学对毕业要求进行有效支撑，就需要重构课程教学体系，加大趣味性课程与设计性实验的开设力度，同时需要构建起行之有效的评价体系，将课程评价渗透到实验教学的各个环节中，为持续改进提供可靠完整的数据支撑，以评价推动实验教学改革力度，切实提高教学质量，进而对培养目标提供质量保证，所制定的课程教学设计方案见图1。

图1 教学方案设计

3.1 课程目标

InSAR技术与应用课程具有以下目标：学生对雷达技术和遥感体系有明确了解，能够应用SAR图像认知区域的表面特征，利用SAR图像信息区域识别技术进行初步的灾害分析，以小组为单位完成所选的课程专题。

3.2 课程管理

建立课程网站作为促进师生互动的最有效平台。InSAR技术与应用课程网站与课程实施是同步的，课程网站设计的结构和功能反映了课程要求，主要包括内容浏览，信息查询和发布课程通知以及动态功能（例如上传作业，在线讨论和资源共享）［17］，这些功能在促进师生沟通和加强学生知识理解方面发挥着重要作用，在不可抗力造成的传统教学暂停期间，也能满足学生远程学习的方式。同时改革课程考核方式，将传统考核知识体系的纸质化测试转变为综合评价学生学习过程和结果的上机实验和小组课题完成形式，突出评价主体的多元化以及评价内容的多维化特点。

3.3 课程建设计划

任何一门课程的成熟建设都需要长期艰苦的工作和持续不断的完善，即使进行了相应的课程改革后，也需要不断更新InSAR技术与应用的教学计划，以保持课程的灵活性与全球范围内的可适性，并对每学期的课堂内容进行调整，从而避免了简单的教学重复。对于辅助教学，重要的是不断完善网络教学管理系统，使其能够充分实现核心功能，不断引入新的沟通方式，并改善公众访问权限，以扩大课程的影响力，这些改进都将改善学生的上课体验。为了达到教学目标，通过建设并改进电子教材，能够更好地促进课前课后学生的自主预习和复习。

4 结 语

在信息时代和地理环境下，实施普及SAR课程很重要，有助于培养可能适应未来社会需要的高素质专业人才。针对高校教育中对专业雷达课程开设不足、传统授课方式成效不佳的问题，改进了InSAR技术与应用课程建设，辅助以数据处理实验的改善与课程评价体系的实施，多方位实现高校课程改革，提高学生主观能动性。从激发学生兴趣作为切入点，进行SAR课程的导入；引入Matlab 应用软件，培养学生编程能力和数据处理技能；吸收国内外科学与技术研究的最新成果，建设课程网站，利用视频，互联网和其他类型的公共途径提供优质教育资源的自由开放的课程建设计划，为学生提供最新的科学知识。在互联网时代下，根据雷达技术植根于地理学，但表现出鲜明的地域特征的特点，用具体的区域实例大大提高普及雷达教育课程的水平，将地理学纳入新知识，新思想，新方法的发展，符合高校教育改革的大趋势。