由知识内化到外化的遥感专业实验课程改革

王英华

（西安电子科技大学 雷达信号处理全国重点实验室，陕西 西安 710071）

引言

遥感科学与技术专业是电子科学、计算机科学、统计科学等多个领域交叉融合产生的一门学科，在测绘、环境、农业等民用领域及目标侦察与识别等军用领域发挥着重要的作用。目前，国内很多高校本科教育开设了遥感专业相关的实验课程，且针对这类课程的建设研究与改革做了大量的工作［1-5］。现有的遥感实验课程研究与改革主要有以下几个方面：（1）教学内容的改革。例如，以土地利用/土地覆盖为主重构遥感概论课程实验教学内容［1］，这些研究主要是为了解决现有教材内容差异大、实验内容分散缺乏体系等问题。（2）教学方法的改革。例如，OBE理念结合PBL方法的遥感实验课程教学模式设计［2］，将翻转课堂应用于遥感实验课［3］等，这些研究主要是为了解决教学方式单一、无法突出以学生为中心的教学等传统教学方式所带来的问题。（3）教学条件的改革。例如，基于Google Earth Engine建立实验教学平台进行遥感实验教学改革与实践［4］，将虚拟仿真在线实验教学引入遥感数字图像分析与应用实验教学中［5］等，这些研究是为了解决教学软件更新维护难、大量学生无法身临其境学习实践等问题。

然而现有研究较少从认知心理学的角度去分析遥感实验课从理论到实践过程中学生知识的变化过程，并结合该过程对教学方式与内容进行设计与改革。在日本学者提出的知识螺旋模型中，知识通过转化、传递和创造实现了动态、递进的过程［6］。通过从认知心理学的角度对知识内化和外化的过程进行研究，知识创造的认知模型被提出［7］，该模型的两个主要方面就是知识内化与外化的过程。而遥感实验课从理论到实践的整个过程，也体现出了知识内化与外化的特点。通过结合知识内化与外化的机理，可将遥感实验课程划分为几个不同的阶段，根据不同阶段的特点有针对性地设计课程教学内容与教学方式，使其更加符合学生对知识的认知过程，从而提升教学效果。

一、知识创造的认识模型

在知识创造的认知模型中，两个关键的步骤就是知识内化与外化。下面对知识内化与外化的机理进行简要介绍。

知识可以看作是一种信息的表达方式。知识内化的过程包括了知识的感知、感觉登记、模式识别、短时记忆、长时记忆等几个主要阶段。在知识的感知阶段，人脑从外界感知与接受知识。在感觉登记阶段，人脑将感知的知识短暂地储存在大脑中。通过选择性注意过程，人脑会选择一部分知识做进一步处理，没有被注意的知识会迅速消失。在模式识别阶段，人脑将感知到的知识与长时记忆系统中的知识进行匹配，实现知识的转换与分析。无法匹配的知识被存储在短时记忆系统中。短时记忆系统中的知识以某种形式被保存并向长时记忆系统转移。当外界的信息引起短时记忆系统的加工处理，并从长时记忆系统搜索相关知识时，知识经过了传递与加工，最终转化为个人知识与经验，保存在人脑的知识系统中。

在知识的外化过程中，为了解决实际问题，人脑会在它的知识系统中搜索提取相关知识，对其进行临时的存储以及加工处理。

在解决问题的过程中，人脑会基于已有的知识创造出新的知识。随着知识不断地积累，长时记忆系统中的知识也在不断地被重新组织和建构。在知识挖掘过程中，人脑通过知识的存储、搜索与联想、知识的提取来实现对实际问题的解决，促使新知识的产生。通过知识挖掘的过程，进一步实现知识的交流与共享，从而迭代促使新知识的产生。这个过程就构成了知识创造的认知模型。

二、从知识内化到外化的遥感实验课程教学内容与教学方式改革

结合上述知识创造的认知模型，以及知识内化与外化的机理，遥感实验课程从理论学习到实践操作的整个过程可以划分为知识内化与外化两个过程，如图1所示。其中，知识内化的过程通过两个阶段完成：理论知识的搜索与联系，以及科研引导的实验实践。知识外化的过程也通过两个阶段完成：综合性的实验设计与实践，以及结合行业应用的实验改进与创新。下面对这四个阶段进行具体的介绍，在每一个阶段，将结合该阶段的特点设计相应的教学内容，并采取合适的教学方法。

图1 遥感专业实验课程的知识内化与外化过程

（一）理论知识的搜索与联系

遥感专业实验课程一般面向大学本科三年级学生开放，是对遥感科学与技术专业前期课程的一个综合运用和实践课程。实践的基础是对前期所学习的相关知识的记忆、存储、搜索与联系能力的培养。传统的教学方式通过教师讲解相关知识实现，学生通过感觉登记将教师讲解的知识短暂存储在大脑中，如果没有选择性注意，那么大部分知识就会迅速消失，更无法进行后续的搜索与联系，以及知识的处理。为了使学生能够对相关的知识进行选择性注意，并进行后续的知识转换与分析，该阶段适宜于使用翻转课堂［3］的教学方式。由于相关的知识学生之前都已经学习过，教师在课堂上不再具体讲解，而是在进行相关实验之前只讲解实验内容与目的，通过翻转课堂，由学生在实验前，课下完成相关知识的复习。在复习过程中，学生会结合实验内容与目的对所学知识进行选择性的注意，对大脑中存储的知识进行搜索与联系，从而可以加深对相关知识的理解，激发学生对实验的兴趣，建立实验所需的知识储备。

下面以遥感图像预处理中的图像滤波实验为例，介绍如何利用翻转课堂教学方式引导学生完成理论知识的搜索与联系。在进行该实验前，教师简单讲解实验的内容与目的。该实验的主要内容为图像的空域滤波与频域滤波，目的是让学生了解遥感图像中存在的噪声及其对图像的影响，掌握一些典型的滤波方法，完成遥感图像的滤波处理。根据该实验的内容与目的，要求学生在实验前完成相关知识的搜索与联系。首先，要求学生搜索查找该实验所涉及的知识，包括《概率论》中的知识、《数字图像处理》中的知识、《信号与系统》中的知识等。之后，学生需要将这些知识与实验内容与目的联系起来。例如，如何利用《概率论》中的知识仿真噪声信号，如何利用《数字图像处理》中的知识以及《信号与系统》中的知识完成空域与频域的滤波算法。学生对知识进行搜索与联系，并在课堂上通过PPT展示自己搜索与联系的效果，以及所设计的初步实验方案。通过该过程加深学生对相关知识的理解。

（二）科研引导的实验实践

在传统的实验实践中，学生根据教师讲解的实验方案按部就班地完成实验步骤，无法有效提升学生自主分析与解决问题的能力。因此，在实验的实践过程中，适于借鉴科研渗透式的教学内容设计与教学方式［8］。在实验内容设计方面，结合具体的遥感科研项目案例设计遥感专业实验内容。例如，用于灾害评估的多时相雷达遥感图像的变化检测实验。在教学方法方面，宜采用以学生为主体的启发式教学［9］，引导学生通过实践去体会科研的乐趣，包括如何发现问题、分析问题、解决问题等。在这个过程中，学生对大脑中储备的知识进行加工与处理，建立了相关的经验，完成了知识的内化，提升了学生分析问题与解决问题的能力。

下面以多时相雷达遥感图像的变化检测实验为例，介绍如何通过科研引导实验实践。首先，在实验内容的设计上，结合了遥感领域的雷达图像变化检测科研方向。教师可以通过该题目向学生介绍相关的科研进展，扩大学生的视野，加强与实际应用的联系。其次，在实验进行的过程中，引导学生使用科研的方法来完成实践。通过提问的方式启发学生寻找其中的本质问题，即变化检测实际上是要解决一个什么样的问题。问题搞清楚之后，再引导学生对该问题进行分析。例如，如何将问题分解，如何设计实验的方案与流程。最后，引导学生通过编程来解决该问题，即如何根据实验方案与流程来实现程序的编写与调试，以及实验结果的分析。

（三）综合性的实验设计与实践

通过前面两个阶段，可以帮助学生完成所需的知识储备，并以科研的方法使学生通过实践建立了一定的经验与能力，在此基础上，需要进一步让学生学会综合利用已有的知识与经验，将其外化为综合性的实验方案。教师在教学内容的设计上，应设计综合性的实验题目。例如，雷达遥感图像的目标检测与识别实验，其中涉及图像的预处理、目标检测、特征提取、分类等多个阶段。同时，要让学生充分发挥自我思考、自我启发、团队协作、深入探讨的能力。因此，该阶段适宜于采用互动式的教学方法［10］。通过自由讨论、方案设计、方案展示、教师点评、方案完善、方案实践等多个环节对学生综合运用理论知识与经验解决实际问题的能力进行培养。

（四）结合行业应用的实验改进与创新

通过前面三个阶段，帮助培养学生将已有的知识与经验外化为综合性的实验方案。为了进一步提升该外化能力，可采取校企联合的教学方式［11］，借助于校外资源，让学生更加直观地了解行业应用。例如，遥感领域相关企业研发的商用遥感处理软件，去帮助学生对综合性实验方案进行实践与对比，启发他们进一步进行改进与创新，完成知识的外化，促进知识的创新，从而具备初步的从事相关领域科研与工作的基本能力。

下面给出一个结合行业应用的校企联合教学的示例。在我校2018级与2019级本科遥感专业实验课程的教学过程中，邀请了航天宏图信息技术股份有限公司［12］的专家为学生线上讲解行业应用案例以及PIE遥感处理软件。通过该教学内容与教学方式，促使学生更加直观地了解行业应用，同时将所完成的实验实践与专业软件的处理过程进行对比，发现实践中存在的不足，从而启发他们进一步改进与创新。

三、遥感专业实验课程改革成效与进一步思考

结合知识创造的认知模型，对遥感专业实验课程进行了阶段分解与分析，针对每个阶段的特点，探索了相应的教学内容与教学方法改革方案。在我校2018级与2019级本科遥感专业学生教学中，对课程改革的效果进行了匿名调研。首先，对部分教学内容与教学方式的改革效果进行了调研。在2018级学生中，邀请了企业专家参与教学，为学生讲解PIE遥感处理软件，对该教学内容是否扩大了学生视野、学生对所学知识与实际应用的关系是否有了更直观深入地了解进行了匿名调研，总共有31名学生参加了调研，其中30名学生选择“是”，说明该教学内容的改革有助于扩大学生视野，帮助学生更好地将所学知识与实际应用联系起来。在2019级学生的遥感图像分类实验中，在第一阶段的理论知识的搜索与联系中，采用了翻转课堂的教学方式，对该教学方式的效果进行了匿名调研，总共有30名学生参加了调研，其中有60%的学生认为通过该方式，对知识的理解更加深入透彻。其次，对改革的整体教学效果进行了调研。在2018级学生的匿名调研结果中，大部分同学认为通过该课程的学习，对基础知识有了更深入的理解，实践能力得到了提升。

结合知识创造的认知模型，本文对本科遥感专业实验课程的改革进行了探索，为提升遥感专业实验课程的教学效果提供了一定的参考。部分教学内容或方式的改革还可以进一步深入。例如，校企联合的方式还不够深入，后期可以进一步探索更加深入有效的联合方式。未来结合新的科研方向与新的教学方法，对于遥感专业实验课程的改革研究还可以做进一步探索。