科研驱动实践教学能力提高的途径探讨

刘亚文　段延松　王玥

［摘 要］科研育人在我国高等教育培养新时代创新型人才中起重要引领作用，提高教师的科研能力、实践教学能力是提高高校教学和人才培养质量的重要环节。文章以遥感实践课程教学为例，提出借助多学科多领域的科研活动将测绘遥感最新科研成果转化为与时俱进的遥感实践教学内容，通过产学研相结合的科研和实践教学活动，建立遥感科研成果与学生实践活动的联系，将科研训练和科研思维融入实践教学育人之中。在科研融入实践教学过程中，通过不断探索合适的切入点和方式来提升教师的科研驱动实践教学能力，实现用高水平的科学研究培养高水平创新型人才的目标。

［关键词］科研驱动；实践教学能力；遥感实践课程

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）21-0058-04

科研驱动实践教学是高校提高教学质量的重要模式，即将科研能力或科研成果转化为促进实践教学质量提升的积极因素。在这种模式下，教师个体需要具备某种素质或技能才能实现科研到实践教学的这一转化[1-2]。研究表明科研与实践教学相互结合的过程，一方面能够使最前沿的科研成果和理论融入实践教学内容之中，提高实践教学质量；另一方面，将科研的思维方式融入实践教学之中，有利于培养学生的实践探索精神，同时激发学生的创新意识[3-4]。目前一些高校科研驱动实践教学方面还存在一些亟待解决的问题，比如科研和实践教学结合不够紧密[5]，教师实践教学以教材内容为主，教材内容相较于学科的迅速发展较为滞后等；同时，在实践教学方法上，对科研思维和科研育人的理念融入实践教学的重视度不够[6]。针对这些问题，本文以遥感实践课程为依托，就如何提升高校教师的科研驱动实践教学能力展开研究，以期进一步提升实践教学质量，为双一流高校三全育人理念的有效实施奠定基础。

许多学者对如何提高科研驱动实践教学能力进行了研究[6-10]。徐文成[6]提出教师可以通过将科研方法以及自己的科研经验融入实践教学活动，关注学生思维能力和创新能力的培养，来提高科研融入实践教学程度。赵志丹等[7]提出通过将科研成果融入实践课程教材和实践活动等途径来提升科研对实践教学的驱动度，进而有效提升本科生实践课程教学水平。苗春雨等[8]提出实践教学应积极主动寻找科学研究联系实践应用的接口，深入科研思维和方法与实践教学方法的结合。刘献君和吴洪富[9]针对青年教师如何能尽快地实现实践教学与科研的有机结合，提出重视实践教学反思与研究，反思实践教学设计是否吸收了足够的科研成果和接触到多少前沿问题等。周光礼和马海泉[3]对科研成果如何转化为实践课程内容进行了深入研究，聚焦教师的科研成果和实践教学的融合，特别是科研成果对实践教学的推动和支撑作用。本文在借鉴上述研究基础上，以遥感实践课程教学为例，提出借助多学科多领域的科研实践教学活动、产学研相结合的科研实践教学活动来积极提升教师科研融入实践教学的能力，实现用高水平的科学研究支撑高质量的高等教育，达到培养高水平创新型人才的目标。

一、科研驱动实践教学面临的问题

（一）随着科学技术的高速发展，部分高校教师的科研驱动教学能力水平难以满足新经济模式下人才培养的需求

当今，前沿学科知识的更新换代远远超越了书本知识更新的速度，迫切需要高校教师能够通过自身对新理论、新知识、新技术的学习来填补书本知识的滞后。同时，随着新一轮科技革命和产业变革的加速推进，迫切需要具有强实践能力、创新精神和国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才[11] 。这些“新工科”创新创业人才的培养需要高校开展多种多样的大学生创新项目、创业大赛等实践活动。教师只有自身具备精湛的学术水平、扎实的科研基础才能引领学生在创造性实践活动中产生新颖、独特的想法。因此，教师需要不断提升自身科研驱动教学能力，才能跟上知识的快速更新及适应人才培养的新需求，实时在教学中融入科研最新成果及交叉学科知识，保证教学内容的先进性，同时用高水准的专业知识和高水平的科研思维、方法指导学生实践活动，培养学生的创新能力。

（二）青年科研人才成为高校教师队伍的重要组成部分，与科研水平不对等的科研驱动教学能力限制了青年科研人才在教学中发挥自身科研育人的优势

培养一流人才是“双一流”高校建设的关键之一，而一流人才培养需要高校拥有一支教学科研水平高的教师队伍[10]。近年来，国家加大高水平人才引进力度，国内许多高校在全球范围内招募科研教学人员，高校教师队伍中海外归国的青年教授、博士后越来越多。这些青年科研人才的科学研究水平与世界接轨，掌握学科领域的前沿动态，极大提高了高校教师队伍的整体科研水平。如果这种优势在本科教学中充分发挥，对于高校一流人才培养具有积极作用。然而，一些任职初期的青年科研人才教学经验不够丰富，在教学过程中结合科研与实践教学的能力还需要提高。因此，快速提升青年科研人才自身的科研驱动教学能力，充分发挥高水平科研对实践教学的促进作用是十分重要的。

二、科研驱动实践教学能力提高的途径

（一）参加多学科多领域的科研活动，储备跨学科、多领域的先进知识和研究成果，为科研驱动实践教学提供必备基础条件

通过跨学科参与科研活动，教师可以吸取交叉学科领域的科研成果，拓宽自身知识领域，在实践教学过程中动态更新与调整实践课程内容的广度和深度，从而实现实践教学质量的提升及教师自身将科研成果转化到实践教学能力的提高。在这个过程中，科研成果、新知识等以怎样的方式和适合度加入实践教学是关键，是教师科研驱动实践教学能力的体现。

以遥感实践课程为例，新型传感器和平台发展迅速，包括影像传感器、定姿定位传感器和距离传感器等，低空无人机遥感系统正逐步成为卫星、有人机遥感和地面遥感的有效补充手段[12]。在遥感理论与算法方面，计算机视觉中的一些匹配算法如尺度不变特征转换、半全局匹配、多视影像匹配等在遥感数据处理中取得了很好的效果。同时，全球导航卫星系统辅助光束法区域网平差，倾斜摄影的多相机联合平差，引入多源控制信息或公开且可稳定获取的公众地理信息数据的平差也逐渐成为影像无控平差的可选择方式[13]。另外，深度学习已经广泛用于遥感图像的分类、识别、检索和信息提取，在语义提取方面較传统方法有更好的表现。这些新型传感器、平台及影像数据处理新方法需要教师通过参与科研或相关学术交流活动等方式获得，并实时补充到实践教学中，保证实践教学内容的先进性。

在遥感实践课程中，新知识和科研成果的加入是在原有实践课程内容体系基础上的拓宽和深入，比如空中三角测量部分，GPS辅助空中三角测量是原有内容，随着我国自主卫星导航系统北斗定位的稳定和可靠性走向实用阶段[14]，可将这部分新知识插入GPS辅助空中三角测量内容中，深度方面则侧重通过调用算法模块复现整个GPS和北斗联合空中三角测量的完整过程，在较高的学习阶段中可增加进一步改善北斗辅助空中三角测量精度方面的实践内容。可以看出，教师首先要具备新知识，其次要能以合适的嵌入方式将新知识融入实践教学之中，通过不断地实践与摸索，提高自身的科研驱动实践教学能力。

（二）开展产学研相结合的科研和实践教学活动，提升教师将科研成果与实践教学活动、科研方法与学生创造能力培养有机结合的能力

企业、公司通常承担着行业先进技术的研究、应用及生产任务，比如一些城市的测绘研究院，承担大量城市级实景三维项目，最先使用行业先进的航空测量系统如徕卡机载混合测量系统CityMapper等；又如武汉兆格信息技术有限公司，借助网络平台、大数据及计算硬件，研发了国内首个摄影测量的混合云协作数据生产作业平台，开创了行业新型测绘数据处理模式。将企业先进的研究、生产业务与实践教学紧密结合，对于提升教师科研驱动实践教学及学生科研能力、创新能力培养提供了条件。在产学研相结合的科研与实践教学融合的过程中，需要考虑适当的切入点和方式。由于科研项目的实践需要学生具备一定专业知识基础，因此时段选择在相关专业知识课程教学完成后。教师的引导方式对学生的科研思维培养、实践能力和创新能力提升具有引领作用，实践教学中教师展示科研成果的过程实际上也是教师将科研方法、解决问题的思路回溯给学生的过程。

下以产学研项目“倾斜摄影城市三维建筑提取研究”与遥感实践课程教学内容“城市点云模型语义分割方法”结合为例，用项目研究的建筑物提取方法和实验结果具体化点云模型语义分割实践內容。项目中建筑物提取首先采用RandLA?Net[15]作为点云空间几何特征提取的网络模型。RandLA?Net模型兼顾了数据点特征提取的感受野和计算效率，非常适合大规模点云语义分割。其次，采用U?Net [16]卷积神经网络作为倾斜影像建筑物纹理特征提取的网络模型。U?Net跳跃链接的方式能够大量保留影像的上下文信息，实现对不同类别、尺寸的建筑物进行像素级别分割。最后，引入注意力机制的特征融合，将影像特征和点云特征聚合后，通过多层感知器MLP（Multilayer Perceptron）得到注意力权重值，并以残差和方式得到融合后的点云特征，用于网络模型语义分割。 以国际摄影测量与遥感学会ISPRS公开数据集中Vaihingen航空点云和影像为实验数据，点云和影像包含的地物有电力线、低矮植被、不透水面、汽车、围栏、建筑物、立面、灌木和树木等。建筑物点云提取结果表明，点云特征和影像特征结合的建筑物点云提取结果与标准标注更接近，效果更好。在实践教学中，将学生分小组，每个小组承担建筑物提取方法中的一个步骤，比如利用RandLA?Net进行建筑物点云特征提取或利用U?Net进行建筑物影像特征提取，各个小组在综合各自完成的模块后，就能完整地实践到整个研究项目的建筑物提取方法。将产学研项目成果融入实践教学，学生经过模拟真实项目的实践锻炼，能够体会到具体的科研思维即用多元信息解决问题的有效性，比如相对单一特征而言，影像特征和点云特征的结合能有效提高建筑物点云提取精度。同时，学生也能感悟如何将所学知识转化为解决行业问题的方法和算法，在实践中提升专业创造力和创新力。教师在科研融入实践教学的过程中，不断总结产学研项目与实践教学的结合度，学生融入教学实践的契合度，从而不断提高自身的科研驱动教学的能力。

三、结语

教师的实践教学素养和教学水平直接影响着高校人才培养质量。全面提升高校教师的实践教学能力是“双一流”高校培养高水平创新型人才的重要保障。遥感实践课程是遥感科学与技术交叉学科的主干课程，该课程的实时性与先进性与测绘遥感领域科研进展息息相关，对测绘遥感领域人才培养起重要作用。本文以遥感实践课程为例，提出通过参与多学科多领域的科研和实践教学活动来拓宽教师自身知识和科研领域，完善知识和能力储备，将最新科研成果转化为与时俱进的实践教学内容；通过产学研相结合的科研和实践教学活动，搭建科研成果与学生实践活动连接的桥梁，将科研训练和科研思维贯穿于学生探究能力、创新能力培养过程之中。教师需要在实践中不断尝试适合的科研融入实践教学的切入点、方式和深度，在总结经验的基础上，不断提高自身的科研驱动实践教学能力，最终达到提高实践教学质量，培养高质量、高水平创新型人才的目的。

［ 参 考 文 献 ］

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[3］ 周光礼，马海泉.科教融合：高等教育理念的变革与创新[J].中国高教研究，2012（8）：15-23.

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［责任编辑：雷 艳］

［收稿时间］2023-07-11

［基金项目］武汉大学本科教育质量建设综合改革项目“深度交叉融合驱动的遥感科学与技术本科专业改革探索”。

［作者简介］刘亚文（1970—），女，陕西人，博士，教授，研究方向为摄影测量、遥感科研与教学。