将国产遥感软件PIE引入遥感概论课程实践探究

庾露 初爱萍 钟仕全

【摘要】本文在分析遥感概论课程的实践教学部分现状的基础上，从实践教学工具和实践教学过程两方面进行了改进探讨，提出引入国产遥感软件PIE作为实践教学工具、采取问题为导向的教学模式、设计对应的实践案例库优化实践教学流程等策略，构建新的遥感实践教学体系，以引导学生解决问题的方式培养学生的自主学习能力和创新能力，进一步巩固学生的理论知识，提升综合能力。

【关键词】遥感概论 实践教学 PIE软件 PBL

【中图分类号】G64 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）06-0152-04

遥感概论课程复杂度高、理论性强，且具多学科交叉的特性，其中的课程实践环节是教学的重要组成部分。PIE（Pixel Information Expert）是航天宏图信息技术股份有限公司研发的具有完全自主知识产权的遥感处理系列软件，具有操作简便、功能丰富、适配国产卫星数据等优点。目前对PIE的探究主要集中于学术研究和工程应用方面，其与遥感教学过程结合方面的教学研究尚少见。本文针对南宁师范大学（前身为广西师范学院）地理科学与规划学院（以下简称“本学院”）遥感概论课程实践环节的现状，尝试从改变教学工具软件出发，将PIE引入其中，结合PBL（Problem Based Learning，PBL）理念设计相应的实践教学案例库和教学过程，并对改进思路进行探讨。

一、遥感概论课程实践教学现状

遥感是20世纪60年代兴起并得到迅速发展的一门综合性探测技术，现已广泛应用于多个领域。随着遥感技术的发展，我国的遥感技术教育也蓬勃发展。笔者所在的南宁师范大学地理科学与规划学院于2000年开设遥感概论课程，该课程是本学院地理信息科学专业的核心课程，也是其他地学类专业的主要选修课程。

遥感是一门学科也是一门技术，在教学过程中，教师不但要注重传授理论知识，还要加大实践教学环节的建设力度，以提高学生的理论知识吸收效率和实践动手能力，更要思考如何在教学中融入最新的研发成果，在提升教学能力、培养高质量的遥感技术人才的同时对该学科的发展做出贡献。目前各高校多采用ENVI、ERDAS等国外遥感处理软件作为实践教学工具，以如何培养学生综合运用遥感图形解决实际问题能力为目标，建立相应的实践内容体系和课程案例库。而对于国产遥感软件与课程教学相结合的探讨则很少。

本学院在遥感概论课程实践教学过程中也长期使用ENVI作为教学工具，该软件具备强大且完善的遥感数据处理及分析能力，可以准确地从遥感图像中获取所需的信息，但在长期教学活动中也暴露出一些问题。

首先是软件上手不易，学生存在畏难情绪。ENVI软件入门难度偏大，这体现在以下两个方面。一方面，软件只有英文界面，学生接受度普遍较低，自行上手操作不易，学生自愿投入研究的兴趣不高。而目前大学英语教学主要以通用英语为主，在语言基本技能培养方面较少涉及学科专业领域。一些遥感学科的常用词汇如光谱（spectral）、地形（topographic）、栅格（raster）等，并非大学英语4级要求掌握的词汇。因此，教师在进行课程实践教学时不可避免地需要讲解软件内出现的生词，影响教学连贯性拖慢教学进程，学生也容易产生倦怠。另一方面，ENVI的功能设计较为复杂，软件采用了松耦合的集成模式，即模块功能之间联系松散、缺乏统一的目的性导向，这是为了让各模块间灵活调用并降低关联度。如对光学影像进行预处理，通常包含辐射校正、大气校正和地形校正三个环节，在ENVI中这些环节所涉及的基础工具均归类分别放置于各自所属大类内。学生一旦面对较复杂的案例，便难以理解各环节的具体操作和前后联系，或容易遗忘所需的模块，难以独立完成实验。随着实践教学进程开展，学生在上述两个因素的共同影响下，往往会持续累积畏难情绪，渐渐失去学习遥感技术的学习兴趣、主动性，自主学习的投入时间亦随之减少。

其次是课程实践和理论讲授脱节，难以实现有效互补。目前本学院的遥感概论课程总学时为64学时，其中48学时为理论讲授，16学时为课程实践。教师在理论讲授环节为学生讲解遥感的基本原理和系统组成，以及遥感信息处理、判读的基本方法，介绍遥感在资源调查、地物监测等方面的综合应用。理论讲授的目标是使学生初步具备运用遥感技术方法分析问题和解決问题的能力，为进一步学习其他专业课程打下基础。课程实践环节的目标则是深化所学理论知识，培养学生的应用技能和独立思考能力，激发其自主学习热情和创新意识。但本学院目前课程实践和理论讲授的时间安排相对独立，实践课安排在临近期末，在理论讲授结束后集中开展。此时，学生已不可避免地遗忘了部分知识点，导致教师在课程实践教学中更多将重心放在复习理论课的知识上从而挤占了实践教学的时间。

再者，由于现有遥感软件功能复杂，对刚接触遥感的学生而言门槛较高，教师必须先花费大量时间指导学生操作软件，这会将原本连贯的实验拆分成多个小块讲授，学生在缺乏完整观念的情况下多采取死记硬背操作步骤，再照葫芦画瓢复现整个实验流程的方式，难以深刻理解其中的遥感理论原理，导致课程推进效率不高，实践效果也不理想。

由于遥感概论课程所涉及的领域十分广泛，存在多学科交叉、理论性强、公式推导多、复杂度高的特点，理论讲授仍是主要且必需的授课方式。目前理论讲授和课程实践的学时比为3∶1，这也是不少高校在开设该课程过程中长期积累经验得到的一个较为合理的方案。因此，笔者认为应在不增加总课时或不调整讲授与实践课时比的前提下，从实践教学工具和实践教学过程两方面对课程实践环节做进一步优化。

二、PBL视域下以PIE为载体开展实践教学的优势

笔者认为将PIE引入遥感概论课程实践有以下4点优势。

第一，PIE为全中文界面且包含完备的帮助文档。学生可通过查阅帮助文档理解所使用工具的使用方法，及其相关参数设置背后的原因，对该工具的使用效果拥有更透彻的理解，做到“知其然，更知其所以然”。

第二，PIE是高度集成化并面向工程生产和应用的产品。PIE采用分领域独立模块的设计思想，可有效地将不同领域的功能分离，减少彼此干扰，并集中同一领域的功能，形成清晰的数据处理流程。教师讲解某一实验专题时可根据内置在软件模块中的工作流，自然地将实验的操作融入软件操作的步骤中，学生也能结合软件的功能布局和教师的讲解，对实验的目标和背后的遥感原理有较完整和明确的认识。

第三，PIE对国产卫星平台和载荷有深入研究，在国产卫星数据处理的精度和效率等方面，较国外ENVI、ERDAS等同类产品具有更强的技术优势。近年来，本学院在遥感类课程中，使用国产卫星数据作为教学案例的比例也在逐年上升，对应地使用PIE作为教学实践工具，可探索遥感课程思政教学新模式，激发学生对使用国产遥感软件的自豪感，增强对民族科技创新的自信心。

第四，有利于教学研相长。在PIE的实践教学过程中，师生也发现了一些处理模块功能的不足。针对发现的问题，教师可以引导学生思考，找出问题所在，并总结反馈，会同开发公司技术人员讨论解决方案，在提高学生学习参与程度的同时也提升教师使用PIE软件的熟练度。另外通过鼓励学生积极参加PIE大赛、参与研发工作，不断完善模块的功能，有助于提高国产遥感图像处理软件的研发水平。

三、实践教学过程改进

结合具体的遥感概论课程实践教学，笔者选择PIE产品系列中的PIE-BASIC（遥感图像基础处理软件）、PIE-Ortho（卫星影像测绘处理软件）和PIE-SAR（雷达影像数据处理软件）这3个模块作为本文实践教学工具的阐释案例。

在引入PIE后，笔者还将对实践教学过程加以改进，使实践教学从以往聚焦于强调对软件操作技能熟练化和专项化的训练，转变为更注重综合性和真实情境化的研究活动。为此，笔者选择了以问题为导向PBL教学模式，即首先选择一个实际的遥感工程应用，提取与课程知识点相关的重点部分讲解，设定完成目标，营造真实的项目驱动式学习情境；然后引导学生在这个拟真的情境中对驱动问题展开探究，通过解决问题，增进学生的自主学习能力和创新能力。具体实践环节如下。

（一）实践案例设计

在PBL教学模式下，实践案例设计以项目为具体单元，以课堂教学用书《遥感概论（第二版）》中所列章节为参照，共设置6个案例（如表1所示，见下页）。这些案例均为综合性实验，所涉及的知识点基本覆盖了教学用书的大部分内容，并包含多个操作和分析环节，其难度和工作量适中，可在2—3个课时内完成。每个实践案例安排在对应知识点的理论讲授之后实施，可通过实操及时回顾所学知识点。

在具体的内容设计上，教学团队首先观照地理信息科学专业人才培养方案中遥感概论课程体系与毕业要求的关联度矩阵。“矩阵”中规定，该课程对学生毕业要求在“基础知识”“知识整合”“国际视野”三方面为强支撑，在“研究能力”和“实践能力”方面为中度支撑。因此，教学团队结合学院历年开设遥感类课程积累的经验，充分体现本学院面向生态环境、国土资源、农业、自然灾害等遥感监测领域的办学特色，设计了案例1和案例2，用于强化学生遥感基础理论知识，并逐步训练操作软件的技能；通过将研究区设定为学生家乡，使用国产遥感卫星数据等方式，引入课程思政元素，培养学生的家国情怀，增强文化自信；设计了案例3案例4案例5，聚焦广西区内，将身边熟悉的地理现象与遥感理论整合，在学生已有认知的基础上，引导其利用课堂讲授的知识点，对自己处理得到的结果进行更深入分析，逐步归纳总结现象背后的本质规律，从而培养科研和探索能力；以发生在国外的一次强烈地震为例，设计了案例6，引导学生将视野拓展至全球范围，积极关注世界各地发生的重大地学事件，鼓励利用目前掌握的遥感理论和分析方法开展探索性研究，形成主动思维。

（二）实践案例教学实施

实践案例教学实施可分为以下4个阶段：课前准备、课程导入、课堂实操和成果评价阶段。

1.课前准备阶段，教师提前分发本次实践项目的知识要点、实践内容、课件资料和所需数据（或数据获取途径）等，要求学生在课前准备好所需的数据，并根据分发的资料开展预习。安排学生提前查询并收集各自家乡或特定研究区的数据，预先了解此次实践的内容和目的，预先构建真实的学习情境，使学生与实践任务产生情感上的联系。另一方面，遥感数据是所有项目实践的基础和出发点，由学生亲自动手寻找数据，而非直接使用发放的数据，这种方式有利于强化学生主动意识，减少“等、靠、要”思想的产生。

2.课程导入阶段，教师对学生集中讲授本次实践项目的背景和所需达成的目標、对应的遥感课程理论知识点和数据处理流程，并带领学生以项目从业者的视角思考项目推进过程中面临的基本问题，如“本项目需要达成什么目标”“达成该目标所需的知识储备有哪些”“达成该目标需要使用哪些类型的遥感数据，所收集的数据是否适合”“处理这些数据的步骤是什么”“如何评判处理结果的正确性”等。教师和学生共同围绕这些问题开展研究，能够促进学习活动高效开展，避免出现惰性、停滞的情况，促进学生的遥感知识、PIE软件操作技能和已有地学经验之间相互关联。另一方面，由于导入的项目为真实具体的项目，带有完整的工作流程与明确的组织架构，可以为学生提供提纲挈领式的记忆线索，对学生未来检索和回顾遥感相关知识，充当了脉络和提纲的作用，进而减少刻板、重复、枯燥的死记硬背，提高学习的意义性和记忆效果。

3.课堂实操阶段，教师利用PIE软件对案例中的重点或难点做边讲解边操作演示，引导学生结合前期预习、课堂上教师的讲解和演示的教学成果，完成全部流程。在这一过程中，教师的演示只是提纲挈领的操作，而非手把手复现整个项目，学生需要主动思考每个流程背后的底层逻辑，完成教师给出提示但没有实施的操作步骤，并自行动手解决实践中可能遇到的问题。在这一阶段，教师将上一阶段的数据处理流程进一步细化成多个问题，并引导学生一一解决。尽管每个学生面对的数据可能存在差异（如各自家乡的遥感影像中地物类型和分布不同）但所呈现的问题应是符合良构问题原则的，即：问题是为了进一步巩固某个遥感专题知识，揭示所涉及的某个遥感科学概念，有清晰的组成部分；问题以一种预测性和描述性的方式明确地界定限制条件；问题只围绕本次实践教学项目展开，其中包含了解决的规则和理论原理；教师在组织课堂实操时，已经提供了明确的解决思路和步骤，以及正确统一的答案。

在课堂实操阶段，教师通过划分清晰的问题构成，并设计明确的达成目标，在整个课堂实践活动中保持主导地位，并形成学生上机实践为主，教师辅助启发的教学模式。教师通过巡堂启发式指导和答疑的方式与学生形成互动，激发学生的自主学习兴趣，提高教学质量。

4.成果评价阶段，根据项目目标设计，要求学生以结果数据、制图或实验报告等形成多样的方式提交项目成果。从PBL的角度来看，教师应重点关注学生解决问题的能力和对使用方法的理解程度。因此，在评价内容设计上，不但要设置评判成果正确性的直接指标，而且要增加能够反映学生是否主动对每个实践项目背后的遥感问题进行了理解、分析和反思的间接考核选项，从而避免学生仅是为了获得正确结果而对实践项目做简单、机械性的模仿复现。而作为教师也能通过学生展示的思维过程及其在提交结果上的表现情况，更全面地评价学生的水平，这对教学效果也起到反馈作用。

自2020年本学院尝试引入PIE遥感软件辅助开展遥感概论课程实践改革试点以来，取得了一定的教学和育人成效，切实降低了遥感实践课程教与学的门槛，使教师能从繁琐的对软件操作讲授中解脱，更加专注于教学方法的研究和知识传授，同时也逐步培养了学生对遥感科学的学习兴趣和自主学习能力。本学院还以此为契机，通过进一步与航天宏图信息技术股份有限公司深度合作，共同成功申报了教育部2020年第二批产学合作协同育人项目“资源环境遥感信息工程创新联合实验室”。在该项目的支撑下，配合大学生创新创业训练计划和本学院推行的“本科生导师制”，鼓励学生将自身兴趣爱好、大创项目内容和导师研究方向三者充分融合，在PIE遥感实践课程学习的基础上，进一步将研学活动从软件操作应用往软件编程二次开发方向深化。自2020年起，本学院派出多支代表队连续参加了“航天宏图杯”PIE遥感与地理信息一体化软件二次开发大赛，总计获得二等奖1项、三等奖1项、优胜奖4项，有效地提升了学生的综合能力。

综上所述，本文针对使用国外遥感软件进行课程实践过程中存在操作复杂、实践与理论脱节等问题，以优化实践教学工具和教学过程设计为出发点，提出了更符合学院实际的以国产遥感软件PIE为实践教学工具的新思路。同时在PBL视域下，聚焦PIE软件自身特点、遥感概论课程性质、学院在遥感领域的积淀、对毕业生能力支撑度、课程思政元素呈现等多个方面，设计了6个综合性实践教学案例，并就这些案例的具体实施过程和改进方案进行了探究。总而言之，实践教学是“遥感概论”课程的重要组成部分，实践过程作为学生巩固专业知识、培养动手解决问题和创新思维的重要手段，对学生的后续学习与发展起着举足轻重的作用。在遥感科学和数据处理技术不断更替发展的大背景下，我们应以与时俱进的思维面对遥感新时代的机遇和挑战，持续调整教育观念，优化教育方法，拓展教育内容，推动课程改革和创新。

参考文献

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注：本文系教育部2020年第二批產学合作协同育人项目“资源环境遥感信息工程创新联合实验室”（202101162011）和南宁师范大学2021年度教学改革项目“基于PIE的《遥感概论》课程教学改革”（2021JGX038）的研究成果之一。

作者简介：庾露（1984— ），广西灵川人，博士，南宁师范大学讲师，研究方向为遥感科学；初爱萍（1982— ），通讯作者山东烟台人，本科，高级工程师，主要研究方向为无人机摄影遥感。

（责编 罗异丰）