新时期测绘工程专业微波遥感相关课程教学探讨

马晓双

(安徽大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

测绘科学与技术是地球科学、空间科学与技术等相关学科获取信息的重要手段。近30 a来，我国测绘科学技术进入了发展的快车道。在测绘学科当中，遥感技术作为一种重要的地理空间信息获取途经广泛应用于国土资源、生态环境、灾害监测等领域[1-2]。其中，微波遥感具备全天时、全天候观测优势，在遥感技术体系当中占有重要一席[3]。在国内高校的测绘工程本科专业培养方案中，“遥感原理与应用”等遥感相关课程往往作为核心课程加以开设。在过去的较长一段时期内，国内许多高校测绘工程专业遥感课程的开设中，把很大精力集中在光学遥感原理的讲解，极少涉及微波遥感知识。一些院校虽然也开设了相关课程，但是教学内容和方法相对滞后。造成这些现象的原因主要有：一是国内对于微波遥感，特别是成像雷达技术的研究，起步相对较晚，使得这一领域的人才储备较紧缺；二是目前条件下，对于普通的高校科研与教学人员，长时序、大范围的光学遥感数据往往比微波遥感数据更易获取，国内高校遥感方面的科研与教学工作明显倾向于光学遥感。

作为微波遥感领域的一大突破性进展，合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)经过数十年的发展，已经诞生了包括极化SAR、干涉SAR等在内的多种新技术。这些新技术已在地表参数反演、目标检测、地表形变监测等方面展现出了独特的优势[4-5]。我国江淮地区拥有丰富的矿产资源，有较富足的煤矿储量。然而，由于早年间无序的过度开发，导致这一区域安全生产事故频发；同时，由于煤层的过度开采，江淮许多地区出现了不同程度的地表沉降，伴随而来的是滑坡、泥石流等一系列次生灾害。利用SAR遥感技术可对江淮地区进行动态的地表形变监测，从而科学指导矿产资源的合理开采和灾害的预警。在上述背景下，培养一批SAR遥感知识过硬、专业素养强的测绘工程专业学生可谓意义重大。

本文以安徽大学的测绘工程专业为例，结合安徽省煤矿开采方面的实际情况，针对微波遥感技术的科学特点及遥感相关课程教学存在的问题，从理论课程体系建设、实践教学改革、教学方法改进及教学改革保障条件等方面出发，介绍本专业前期进行的有益探索和经验教训，对教学改革措施进行全面探讨，以期为其他地区院校测绘工程专业相关课程教学工作的开展提供借鉴与参考。

1 微波遥感教学存在的普遍问题

在过去的较长一段时期内，国内众多高校测绘工程本科专业在开设遥感课程过程中，对光学遥感和微波遥感的教学重视度出现了极不对等的情况，导致学生对于微波遥感这一领域相关知识知之甚少。例如，一些学生认为，微波遥感和光学遥感成像原理差别不大，两者主要区别仅在于工作波段不一致；一些学生谈及雷达，第一反应是认为雷达基本只会用到军事领域当中，与普通测绘专业在校生的关系不大，因此认为没有学习的必要性。

一些高校虽然近年来逐渐尝试开设涉及微波遥感方面的课程，但采用的教材陈旧老套，教学内容落伍过时，大多主要介绍传统的单极化SAR技术，很少讲述目前主流的全极化和干涉SAR技术。教学内容方面过于重视讲解晦涩难懂的成像原理，忽视SAR在社会各领域实际应用案例的介绍，难以激发学生学习SAR的兴趣，教学效果极差。

除了理论教学之外，国内高校微波遥感相关的实践培育环节也处在严重滞后的状态。实践教学是提高人才培养质量的切入点和突破口。目前，微波遥感实践教育环节与其理论教学环节严重脱钩是国内高校普遍面临的问题，主要体现为：一是实验课程环节较少使用微波遥感类专业软件。目前国内高校遥感实验课普遍采用ENVI、ERDAS等传统光学遥感处理软件作为学生实践学习的工具，学生很少接触和使用SAR影像处理软件。导致无论教师在课堂上讲授的内容如何多，学生对于SAR数据和影像都没有直观感受，理论知识如同空中楼阁。二是实习和实践教学环节难以适应和满足新工科人才培养目标的要求。目前，实习教学是国内高校普遍薄弱的实践教学环节。例如，一些高校未能制定科学合理的微波遥感实习教学大纲；许多高校在实习实训基地建设和实习实训进行过程中缺乏对微波遥感技术的建设和实训练习，难以推进学校与相关需求的企业建立校企合作、产学研结合；在大学生创新创业训练项目和本科毕业论文(设计)方面，许多高校未能积极引导和选派有微波遥感知识背景的教师指导学生从事相关课题的研究。

2 理论课程体系建设

理论课程体系设置合理与否直接关乎本科人才培养的质量。安徽大学测绘工程本科专业培养方案涉及微波遥感的理论课程包括“遥感原理与应用”“微波遥感”和“变形监测”。目前这三门课程授课学期的安排较为凌乱，且三者之间并没有形成完整的教学体系，目前的理论课程体系需要进行优化建设。“遥感原理与应用”通常作为一门先修课程，在遥感课程体系中具有非常重要的奠基作用，该课程知识点既涵盖光学遥感又涵盖微波遥感的基础理论。在授课过程中，应当尽量实现两者课时的平衡化分配。由于国内高校微波遥感人才相对匮乏，目前大部分高校“遥感原理与应用”采用的仍是一位教师独立授课的模式，且授课内容过于倾向光学遥感。解决师资紧缺问题的有效途径之一是探索企业导师聘任制，本文将在实践教学改革环节对此作更进一步的探讨。“微波遥感”作为一门必修课，起着承上启下的作用，是本科生学习微波遥感技术的关键课程。通过这门课程的传授，应使学生熟练掌握微波遥感一系列核心技术。作为一门选修课，后续的“变形监测”课程应当更加聚焦干涉测量技术的应用。

对待一门学科，合理的学习规律应当是由浅入深、先博后专。基于上述考虑，在实际教学过程中可采用表1所示的顺序开设课程。

表1 微波遥感理论课程教学安排

“遥感原理与应用”作为测绘工程专业学生开始接触遥感的“敲门砖”，其定位应当是激发学生对于遥感这门技术的兴趣，帮助学生广泛接触和认识遥感的一系列基本名词和基础概念。通常，光学遥感应用领域更为广泛，所以其相关课时量会稍多。对于微波遥感理论，可采取20个学时的授课量。教师在较有限的微波遥感相关课时中，需要完成的任务主要是帮助学生认识微波遥感全天时全天候对地观测的特性、了解主动微波和被动微波的工作模式、认知微波遥感的应用领域和了解微波遥感的发展历程及最新的微波遥感技术。

“微波遥感”作为一门专业必修课，其主要目标是帮助学生进一步全方位认知微波遥感。在之前“遥感原理与应用”课程对于微波遥感的启蒙基础之上，本课程应该主要聚焦于SAR技术的介绍，包括SAR的成像原理、SAR影像的几何特性、SAR影像解译技术等；同时，教师通过这门选修课的开设，应当帮助学生更进一步了解一些新型的SAR技术，如极化SAR、干涉SAR等，并且需要对目前主流的机载及星载的SAR系统进行一定的介绍。

对于江淮地区高等院校的测绘工程专业学生，了解和掌握地表沉降、建筑变形监测的技术手段是一项重要的专业素养。毫无疑问，干涉SAR在监测地表沉降和建筑变形方面有独特的优势[6]。因此，教师在“变形监测”这门选修课的讲授过程中，应当将较大的精力放在干涉SAR的介绍当中。通过这门课的讲解，帮助学生认知干涉SAR基本工作原理，了解干涉技术相比传统变形监测方式的优点。

课程体系建设和完善的前提是对专业培养方案持续进行改进和完善，与其相关的培养方案则是课程开设的指导性、纲领性的文件。为此，安徽大学测绘工程专业自成立以来先后针对培养方案中遥感类理论课程的设置进行了多次修订或补充。2016年，引进了一定数量的具有微波遥感学科背景的教师，修订的测绘工程专业培养方案中首次出现了“微波遥感”课程。在这一版本培养方案中，该课程采取与“遥感原理与应用”课程同一学期并行开课的方式。在随后三个学年中，教师在授课过程中发现其中存在的普遍问题是：学生在对应学期缺乏对遥感基本原理的认知，教师在介绍微波遥感理论知识点时很难找到较好的切入点，这些知识点难以被学生理解吸收。这一问题在本科生的座谈会以及教学反馈环节中先后被师生提及。在2020年的培养方案制定过程中，对“微波遥感”课程的开设学期作了相应的后移设定。

3 实践教学改革

实践教学是创新人才培养的重要环节，对于培养学生专业技能和理论实践结合能力、激发学生的创新思维和探索精神、提升科研能力等有着重要意义[7]。遥感是一门实践性较强的技术[8-9]，为了帮助学生更好地掌握课堂上所学的遥感理论知识，达到理论联系实践的目的，测绘工程专业只有采取实验课程单独设课、加大实验课程学时的方式，才能提升实验课程的地位、强化学生动手能力、提高实验课程的教学成效。

在传统的遥感实验教学过程中，国内高校大多采用ENVI软件作为学生的学习和实验操作软件。虽然随着该软件版本的发展，其逐渐嵌入了一些SAR影像处理模块，但是目前ENVI软件所能实现的SAR影像处理功能仍主要集中在单极化SAR数据的读取、显示和处理方面，无法处理全极化SAR数据，无法适应新技术条件下对微波遥感课程实验教学的需求。针对这一问题，采用PolSARpro及RAT软件作为测绘工程专业微波遥感实验课程的操作软件。这两款软件功能强大，不仅包含了全极化SAR影像处理的强大功能，也嵌入了干涉SAR影像处理模块。微波遥感实验教学并非只是简单地教会学生按照实验指导书中介绍的流程学会软件的操作，而是应当帮助学生理论联系实践，加深对微波遥感理论知识的理解。例如，“视数”这一概念往往被用来定义SAR影像中相干斑点噪声的强弱程度，视数越小代表影像噪声越强[10]。为了帮助学生对此有直接认识，可让其利用软件对同一幅影像施加不同视数的噪声，然后比较噪声严重程度，从而加深学生对于“视数”这一概念的直观感受和认知。

实习教学是高校普遍薄弱的实践教学环节，而加强实习教学对培养学生实践能力、创新精神有着重要的意义。这就需要更新教学观念，制定科学合理的微波遥感实习教学大纲，精心组织、选派专业素养强、有实习指导经验的教师。加强实习实训基地建设，推进学校与对微波遥感技术有需求的相关企业开展校企合作、产学结合，探索协同育人机制。另外，由于国内高校现阶段微波遥感师资队伍紧缺，可以逐步探索实施企业导师聘任制，促进对学生实习实训的现场指导，探索多样化实习实训教学模式。近年来，安徽大学资源与环境工程学院先后与省内多家企事业单位建立了产学研合作以及协同育人的模式，2015年之后同高分辨率对地观测系统安徽数据与应用中心共建高分实验室及工程中心，并与安徽省测绘地理信息中心等行业部门紧密结合，逐渐形成了“政产学研用”的合作模式。通过组织本科生前往上述单位开展校外实训实习等方式，更好地培养了学生的实践动手能力，也提升了学生对本行业当前需求以及热点问题的认知。

课程设计和毕业设计(论文)是培养学生科学思考、缜密分析、设计研究、综合运用等能力的重要组成部分。大学生创新创业活动是培养学生创新精神、实践能力的重要途径。无论是在毕业设计(论文)的选题过程中还是在“大学生创新创业训练计划项目”(以下简称“大创项目”)的申报过程中，倡导更多教师指导更多学生从事微波遥感相关课题的研究和探索无疑是促进学生将课堂理论联系课外实践的最好形式之一。近年来，受益于学校政策的鼓励、具有微波遥感专业背景师资队伍的引进以及伴随着教师研究领域的拓宽和职称的晋升，测绘工程专业涉及微波遥感的毕业论文或设计的数量已经有了质的提升，从2016年之前的“几乎为0”到如今的“占据可观比例”。近5 a来，本专业大创项目的立项情况也发生了类似的变化。学生在这些实践过程中或得到了实践动手能力的提升，或提升了论文或项目书写作能力，或对微波遥感等专业知识有了更深入的理解。

4 教学方法的改进

由于信息爆炸和科技迅速更新，终身学习的能力显得至关重要，因此，素质教育的概念近些年来不断被提及。对于微波遥感这门近些年来飞速发展的技术而言，要想保证测绘工程专业学生时刻紧跟技术革新的步伐，素质教育也必不可缺。素质教育就是要以全面提高学生的基本素质为根本目的，尊重学生的主体意识和主动精神，注重开发人的潜能。这就要求教师首先要尊重学生在教育教学过程中的主体性地位和作用，把学习的主动权交给学生。教师的主要作用就是创设外部条件，激发学生的学习兴趣和学习动机，调动学生学习的积极性。因此，教师在教学方法上需要探索新的途径，通过改进教学方法来提升教学质量和教学水平，把学生培养成高素质的人才。

新型教学方法就是在教育过程中强调解决问题能力的培养，强调学生自主能力的培养[11-12]，强调积极参与分工合作的团队精神的培养，而这一切都是在与现实密切相关的特定学习场景下进行的。例如，本专业为了提升学生通过微波遥感技术解决实际问题的能力和团队协作的精神，增加了微波遥感实验课程的课时、设置了需要团队协作方能完成的实验内容；学院鼓励和资助学生组队参与微波遥感相关的大创项目，并对结题良好的项目团队进行奖励。为了培养学生的自主学习能力，本专业培养方案在指定过程中设置了有关文献检索和写作的选修课，旨在通过这些课程指导学生借助查阅文献的方式自主学习和掌握相关领域的研究现状。

5 教学改革保障条件

要实现微波遥感相关课程教学改革方案的顺利实施并达到预期的改革目标，就要有相应的条件作保障。

(1)争取学校、院系领导的重视，落实微波遥感相关课程教学改革方案。通过提高教学质量，获取教改成果，加强实践应用，开展科研活动等，实际验证微波遥感相关课程的重要性与其教学改革方案的可行性；使测绘工程本科学生认知微波遥感对本专业和人才培养的作用，对微波遥感这门科学产生兴趣，营造良好的微波遥感教学改革氛围。

(2)加强师资队伍建设，提高教师整体素养。在学校及学院的支持和助力下，适当引进微波遥感方面的专业人才。通过组织遥感课程相关教师参加业务培训、科研工作和生产实践，使其更新知识结构，进一步了解微波遥感新知识和理论，提高科研能力，积累实践经验，提高自身素质，在微波遥感教学改革中发挥积极作用。

(3)编写微波遥感系列教材，形成适应微波遥感教学改革的教材体系。目前国内外关于微波遥感，特别是SAR影像处理方面的教材不少[13-14]，但对于初学者来说大多晦涩难懂。因此，在教学过程中急需选择通俗易懂的教材供学生阅读。同时，在实践教学环节，针对本文前面提及的PolSARpro和RAT这两个SAR领域的常用软件的操作手册或指导书也十分匮乏。针对这一问题，可制定相关教材编写计划，有组织、有计划地进行教材的建设和编写。

6 结束语

随着微波遥感技术的日新月异，对于国内许多高校测绘工程专业遥感课程教学而言，传统显著重视光学遥感而轻视微波遥感的教学理念已无法满足新形势的需求。对于江淮地区，未来在其区域经济发展和矿产资源开发的过程当中，急需一批专业素养较强的测绘工程专业从业者。因此，微波遥感，特别是SAR遥感技术的教学和推广显得尤为重要。针对国内院校微波遥感相关课程教学中存在的问题，本文从理论课程体系建设、实践教学改革、教学方法改进及教学改革保障条件这四大方面出发，介绍本专业前期进行的有益探索和经验教训，对教学改革措施进行全面探讨，以期为其他院校测绘工程专业相关课程教学工作的开展提供借鉴与参考。最后，需要指出的是，遥感是一门交叉性很强的学科，而且微波遥感中涉及许多新技术，这些都需要相关教学人员具备扎实的理论知识和基本功。因此，如何不断适应遥感技术发展的需求，培养高水平的微波遥感专业人才，仍需要相关教师及科研工作者在教学过程中不断探索。