基于PBL和OBE理念的遥感原理与应用课程设计探索

2023-10-15包妮沙周斌刘善军刘亚男李诺

高教学刊 2023年28期

包妮沙周斌刘善军刘亚男李诺

摘要：以东北大学测绘工程专业核心专业课遥感原理与应用课程为例，依托国家一流本科专业（建设点）和辽宁省一流专业，对教学内容、教学方式进行持续改革，聚焦教学过程中存在的新技术更新快、理论与实践深度结合以及线上互动教学和学生自主学习能力等迫切要求等问题，从思政元素、授课模块和体系、作业和实验设计方面对课程内容进行重构，基于OBE理念逆向设计教学目标，通过深度融合项目驱动式教学方法（PBL），以学生学习为中心，设计科研成果创新、工程应用、行业需求引导的实验教学内容，注重实验内容的实用性和科学性，提高上机实践环节中学生的主观能动性和兴趣，通过鼓励学生主动完成项目驱动式的实验内容，使学生系统地掌握所学的理论知识。

关键词：PBL；OBE；遥感原理与应用；测绘专业人才培养；思政元素

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2023）28-0063-04

Abstract： Taking Remote Sensing Principle and Application， the core professional course of Surveying and Mapping Engineering major of Northeastern University， as an example， the teaching content and teaching methods are continuously reformed by relying on the national first-class undergraduate major （construction point） and the first-class major of Liaoning Province. Focusing on the problems existing in the teaching process， such as the rapid update of new technology， the deep combination of theory and practice， and the urgent requirements of online interactive teaching and students' self-learning ability， the course content is reconstructed from ideological and political elements， teaching modules and systems， homework and experimental design. The teaching objectives are reverse designed based on the OBE concept， and the project-driven teaching method is deeply integrated. Centering on students' learning， design experimental teaching content guided by scientific research achievements innovation， engineering application and industry demand， we pay attention to the practicability and scientificity of experimental content， improve students' subjective initiative and interest in computer practice， and encourage students to take the initiative to complete project-driven experiment content， so that students can systematically master the theoretical knowledge.

Keywords： PBL; OBE; Remote Sensing Principle and Application; professional talent training of surveying and mapping; ideological and political elements

全國开设有测绘工程和遥感科学与技术的高等院校已经超过200所，在一流专业建设的背景下，积极开展了测绘类课程的教学改革、课程创新设计等[1]。遥感原理与应用是测绘工程专业重要的专业基础课，也是相关学科如地理、地质、土地资源管理等专业的平台必修课，遥感课程教学势必需要紧跟或引领时代的潮流，才能确保培养的人才能适应社会与行业需要，为国家与社会培养高层次人才[2]。因此，建设好遥感原理与应用课程，对提高测绘相关专业人才培养质量具有重要的作用。

遥感原理与应用课程在内容上侧重于遥感基本原理和方法介绍，使学生在掌握基本知识的基础上，进一步了解遥感技术的应用，阅读遥感相关英文文献，能在实践中运用所学知识，解决复杂工程问题，适应科学技术发展的需要，并为学生从事测绘工程专业相关工程实践和科学研究打下基础。从教材选择、任课教师国际化、教学手段和方法3个方面，对该门课程进行教学改革，采用启发式、互动式教学手段和多种评价考核方式可以激发学生的学习兴趣，培养学生独立思考和表达能力，促进团队协作意识的培养，提高教学质量，培养“高品质、国际化、创新型”高级测绘工程专业人才。

目前课程在教学过程中还存在以下问题。一是课程更新速度与遥感新技术的发展不匹配。近10年，遥感技术发展迅猛，光谱分辨率、空间分辨率和时间分辨率不断提高，大量搭载高光谱、微波、光学的卫星发射升空，包括欧洲空间局的哨兵数据、我国的高分系列卫星等，遥感图像处理的算法和定量反演的方法不断创新，而教学内容更新速度过慢，与遥感技术的发展不匹配。二是教学内容与工程实践联系不强。围绕新工科建设和工程认证，课程作业和实验设计的问题及案例，不是源于工程实践或企业实践问题，无法真正培养学生解决综合性复杂工程问题的能力。三是线上教学的双向互动程度不够。线上教学过程由于缺乏面对面的交流，对学生的自律性要求高，因此课程中互动、启发式教学是保证课程质量的基础。此外，注重线上教学的过程评价，从多个角度对学生进行考核，鼓励学生完成测试，是提高线上教学效果的重要途径。四是目前通过调查问卷、课下座谈等多渠道了解到，部分学生自学能力有待增强，尤其遥感课程在遥感图像处理分析中涉及大量的线性代数、概率论等数学基础知识，在定量遥感部分涉及辐射传输、电磁波理论等物理基础知识，对学生的数学和物理基础知识有一定的要求。此外，有些学生经过专业分流，进入测绘专业后，还会出现学习目标不明确、学习主动性不足等问题。

一面向能力需求的知识体系和内容重构

（一）以航空报国精神和测绘精神为底蕴，以环境观、伦理观、价值观为核心，促进教学内容思政化

在课程涉及遥感技术的发展历史、国内外前沿技术、应用案例以及原理算法等内容时，润物细无声地将思政教育融入教学环节，注重学生对国家安全、科学精神、创新精神及专业自信方面的引导和培养，提升学生的爱国情操和人文关怀，引导学生树立正确的人生观、价值观和世界观。在课程教学中把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来[3]，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。通过思政教育提炼学科底蕴、专业情怀，挖掘航空报国精神、北斗精神和珠峰精神，以及热爱祖国、自主创新、团结协作和勇攀高峰的思政元素，实现价值塑造、知识传授与能力培养融合，引导学生锤炼品格、学习知识、创新思维和奉献祖国。

（二）以“遥感成像机理-图像预处理-图像分析-多场景应用”为主线，设计模块化教学内容

针对遥感原理与应用课程在成像机理和图像预处理中涉及数学、物理等基础知识，概念多、内容散，在图像分析以及场景应用中，与地理、环境、地质等多个学科有交叉，体系杂，课程以“遥感成像机理-图像预处理-图像分析-多场景应用”四大模块为主线，串联分散知识点。既重视模块内知识点的学习，也重视模块间知识点的联系，构建“点-线-面”知识体系和逻辑关系。模块整体突出了教学重点，强化了学习思路，帮助学生厘清遥感原理与应用的理论体系和脉络结构，同时在授课中实时调整和回应学生不同需求。

（三）深入挖掘光学-热红外-微波多源遥感数据特点，将教学、科研、实践充分结合，设计课程作业和上机实习内容

依托學科2个省部级遥感平台以及先进设备，包括无人机、可见光-近红外光谱仪、成像光谱仪、微波辐射计、热红外辐射计及热红外成像仪等全波段遥感对地观测设备，在自主开放实验新环节设置开放或半开放的实践内容，由学生选择合适的遥感观测设备设计实验内容、技术方案等，在老师的指导下，对学生进行分组，通过团队协作完成，从而真正实现OBE与PBL相结合，激发学生的创新能力。

二 OBE理念创新教学模式和内容

（一）教学目标的逆向设计

通过用人单位和往届毕业生调研，对职业岗位和能力需求进行分析，按照布鲁姆教育目标分类理论确定课程教学目标，为后期混合式的教学设计、教学大纲的更新指明方向。先后对300名毕业生和150名在读生针对课程教学大纲、教学内容、教学手段等进行了调研（图1—图4），利用校友会、校企合作等多渠道针对用人单位对毕业生遥感的能力要求进行调研，并对调研结果进行分析，从而实现课程的持续改进。

（二）开展了线上线下一体化的混合式教学

通过以慕课、微课、翻转课堂的融合创新教学模式，调动学生课堂积极性，提高课堂教学效率，培养学生自主分析问题和解决问题的能力[4]。本课程充分利用现代化信息平台，通过雨课堂、信息通知发布课前课程资源，通过中国大学MOOC、爱课程提醒学生进行课程预习，通过腾讯会议、钉钉、雨课堂记录教学活动、发布训练习题、分析教学效果。线上通过问卷调查、随机选人、举手表决等活动实现双向互动，线下通过随堂练习、主题讨论、计时抢答等提高学生的主动性和参与度。在考核部分，综合考虑学生的课堂互动和交流程度、学生小组作业的完成质量、上机实验过程中的创新能力和团队写作能力以及期末成绩等多个部分，实现教学过程的评价和实时反馈。

（三）推进教学组织与改革，让企业、行业专家走进课堂

课程邀请了相关学科教师和企业、行业专家作为兼职教师，承担有针对性的教学任务，包括邀请美国亚利桑那州立大学、加利福尼亚大学、德国地学中心领域专家对深度学习、时空分析以及高光谱遥感原理和算法进行讲解，邀请了长光卫星市场部部长针对我国航天事业发展、在轨卫星的特点进行介绍。在教学活动中充分发挥了行业专家的优势和特点，拓宽了学生的眼界，激发了学生的兴趣。

（四）创新教学方法，让课堂“火”起来

在课程教学工作中，任课教师选择结合当下热点话题，选择与课程教学内容相关的主题内容，组织专题研讨，引导学生通过自主查阅文献，撰写综述、课程报告，制作幻灯片进行汇报，在这个过程中一方面注重学生深度挖掘与专业知识相关的一些前沿技术，同时也鼓励学生进行学科交叉，对学生的语言表达能力、自主阅读能力、总结能力进行综合考察。

三基于PBL的实验课程设计

以PBL问题为导向进行实验内容设计[5]，培养学生自主学习遥感图像以及处理、分析的能力，在此基础上融入科研成果和工程应用，学生通过实验过程的资料查阅、讨论等多种方式获得解决科学问题和工程问题的方法，使学生由被动变成主动，提高学生自主学习能力[6]。

（一）科研成果创新实验教学内容

以团队承担的国家级、省部级等重大科研项目的成果为核心更新教学内容，将遥感科学研究中的新理论、新技术用以解决“卡脖子”和热点问题而产生的新成果转化为教学内容，提高学生的科学素养，增强学生的科研兴趣，培养学生的创新应用能力。

（二）工程应用改革实验教学内容

以工程项目为导向更新教学内容，让学生了解现场中可能遇到的工程问题，引导学生利用已学的理论知识，联系现场实际问题，提出解决方案。这一部分的实验内容，注重理论联系实践，提高学生的动手能力和数据分析能力。

（三）行业需求引导实验教学内容

紧密关注测绘及相关行业的需求发展，结合用人单位的意见反馈和调查文件，将行业对人才培养的最新要求引入教学实践环节，课程设置对标行业要求，教学内容满足企业需求。

四思政融入塑造新时代测绘人才

课程深入贯彻国家教育方针和教育部《高等学校课程思政建设指导纲要》的文件精神，挖掘测绘类及遥感相关的思政元素，将专业培养目标和思政教育目标紧密结合，设计专业知识和思政知识的框架与结构，做到专业知识传授和人生价值引领齐头并进[7]。首先，强化教师团队的思政培训以及教学研究，积极参加学校以及学院的课程思政教改项目研究，在教材建设中强化习近平新时代中国特色社会主义思想进教材，积极将教研成果转化为课程思政的资源。其次，深度挖掘思政元素，有机融入案例教学，结合我国航空航天事业的发展历程，以及遥感技术在国民经济、国防等建设领域显示出独特的战略地位，通过梳理、挖掘这些思政元素并融入课堂教学（表1），一方面让同学们看到我国测绘以及航空航天事业取得的巨大成就，培养其民族自豪感；另一方面，也让同学们清楚认识到，在关键原材料、基础研究以及重大创新上还存在一些“卡脖子”技术，激发学生科技报国的情怀和测绘人的使命担当，培养学生精益求精的大国工匠精神[8-9]。最后，建立完备的课程思政评价体系，把价值目标、知识目标、能力目标融入专业课教学目标，纳入学生的课程学习评价体系[10]。

五结束语

本文对标国家一流本科专业（建设点）和工程认证，以东北大学测绘工程专业为例，综合考虑遥感技术的特点、测绘工程专业人才培养目标、课程体系等因素，基于OBE理念从高阶性、创新性和挑战度，对知识体系、教学内容、教学模式和教学方法进行设计，运用翻转课堂与PBL项目驱动式教学方法，设计教学案例和实验课程，以期改善目前存在的教学内容更新不及时、线上互动不积极、学生实践创新能力偏弱等问题，同时为测绘类其他课程的教学改革提供参考。

参考文献：

[1] 邹滨，许珊，冯徽徽，等.测绘类国家一流专业课程思政育人机制建设研究[J].高教学刊，2021，7（32）：24-27.

[2] 冯徽徽，邹滨，王威，等.新时期遥感类课程教学改革的传承与变革辩证关系[J].测绘通报，2022（S1）：73-77.

[3] 孙雷，胥孝川，王青，等.人文社科与工程科技交叉融合下的工程专业课程创新与实践[J].新课程研究，2021（27）：42-43.

[4] 张智韬，杨江涛，李援农，等.慕课和微课背景下的遥感课程翻转课堂教学模式改革[J].教育教学论坛，2019（44）：110-113.

[5] 杜翔云，KOLMOS A，HOLGAARD J E.PBL：大学课程的改革与创新[J].高等工程教育研究，2009（3）：29-35.

[6] 李刚，秦昆，万幼川，等.面向新工科的遥感实验教学改革[J].高等工程教育研究，2019（3）：40-46.

[7] 杨可明，王敏，许志华.滴灌式开展“课程思政”的课程教学方法探讨——以“遥感原理与应用”课程为例[J].教育教学论坛，2021（2）：129-132.

[8] 贾建虎，姚琴风.测绘类课程思政建设路径探讨与實践[J].大学，2021（52）：106-108.

[9] 李英杰，麻庆苗，梁亮，等.“遥感原理与应用”课程思政案例教学[J].江苏师范大学学报（自然科学版），2021，39（4）：68-70.

[10] 杨强，陈动，郑加柱，等.课程思政在教学中的实施与探索——以“遥感原理与应用”为例[J].教育教学论坛，2021（6）：77-80.

基金项目：2022年东北大学PBL教学法研究与应用项目“基于PBL的《遥感原理与应用》线上线下一体化实验课程设计与改革”（PBL-JX2022yb041）；2022年东北大学资源与土木工程学院教改项目“国家级一流测绘专业建设培育项目”（21301007）