基于实战教学法的“卫星遥感”课程改革与实践

李 俊,盛庆红,张嘉琪,王 博,凌 霄

(1.南京航空航天大学 航天学院,南京 210016;2.正德职业技术学院 教师教学发展中心,南京 210016)

围绕“培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人”[1]的问题,南京航空航天大学航天学院一直以“高素质公民和未来航天领域开拓者”的人才培养为目标,不断探索,精心培育,实现知识传授与价值引领相统一,体现课程育人的价值本源,在课程内容和育人导向上加强方向引领和价值落实[2-4]。卫星遥感课程主要授课对象为本院光电信息专业学生,重点培养能够从事航空航天信息与应用工程、遥感信息图像处理技术及相关的信息处理方面工作的高素质研究应用型的专门人才。

如何结合学院的学科专业优势,打造具有航天特色的遥感教育平台,建设航天强国、化解西方国家对我国航天的严密封锁和打压,以及功利主义、虚无主义等社会思潮,迫切要求航天方向课程在培养学生过程中发挥思政教育作用,丰富和弘扬航天精神[5]。当前航天科技战略引领作用日益突出、科技更新迭代不断加速,如何发挥教师参与的科研项目在教学中的作用[6],以研促教、以研促学,让学生能够将所学知识运用到航天领域;如何利用新兴智慧教学手段,提高交流互动效率,促进教学全面改革,让学生多维度参与课堂活动、多维度评价学生学习效果,让学生以高阶思维为核心的综合智慧能力得到全面发展[7]。针对以上目标,本文以“卫星遥感”课程为例,围绕课程教学中的痛点问题,进行全方位教学方案改革,在项目实战化教学方向上做了探索。

1 学情背景与分析

1.1 课程简介

“卫星遥感”课程(32学时、2学分)是航空航天工程专业的主干专业核心课,面向大三年级学生。课程教学内容从主讲教师参与的大量航天重大课题中提取核心科学问题,在我国深空探测任务总顾问叶院士的指导下,教学团队反复研讨最终迭代形成知识点。主讲教师获2021年教育部课程思政示范课、教学团队和教学名师,作为深空探测火星探测器信标装置研制副总设计师(全国唯一高校独立承担的单机载荷),获2021年江苏省青年五四奖章集体荣誉称号。

1.2 课程痛点分析

当前卫星遥感在国家战略发展中的引领作用日益突出,新型遥感知识爆发式增长,但课程知识变革的速度是滞后的,造成专业知识与国家战略发展的紧密度小。卫星遥感系统复杂、耗资巨大,难以转化为课程资源,缺少实战教学环境,实践训练场域与国家航天工程的仿真度弱。“热爱祖国”“协同攻坚”和“自主创新”等航天精神激励着航天科研人员取得一系列举世瞩目的伟大成就。人才培养过程中价值塑造方法与航天型号总师的达成度低,课堂师生互动中航天精神传承不够。受教材出版周期限制,课程教学内容缺乏时代性和前沿性,针对的问题与精确化、大众化和智能化的航天系统脱节,学习任务单一和学习收益不明晰,师生、生生互动情境中的变化、反思、评价和讨论变换知识缺少辨析和对抗。

1.3 学生学情分析

学生热爱祖国、不断提高掌握关键核心技术、增强自主创新和追求卓越的精神动力和潜能不足;学生系统思维和协同攻坚能力弱,造成学生所学知识难以满足国家战略对航天人才综合能力的要求;学生学习知识欲望低,缺乏批判性思维,难以融会贯通知识技能。

2 创新理念与目标

以教师团队参与的国家航天型号项目、国家自然科学基金项目和获得的江苏省科学技术三等奖为任务驱动,摆脱了基础知识陈旧和国家前沿航天技术需求的矛盾。实施“线上知识自主回顾、新知识掌握、原理实验验证、方案设计对抗、观点辩论归纳、项目融会贯通”的实战教学模式,增强思维训练的层次性和挑战度,实现教学先扶后放和渐进撤除支架,使学生在知识学习中产生成就感,培养学生系统思维、协同攻坚、自主创新和追求卓越等科学素质和能力。

3 创新内容和方法

3.1 提炼“型号任务”教学案例,践行“两性一度”

项目驱动教学模式又称项目教学法[8],项目教学法最显著的特点是“以项目为主线、教师为主导、学生为主体”,改变了以往“教师讲,学生听”的被动教学模式,实现以“教为主”向以“学为主”的转变,教师在整个项目教学的实施中仅仅起指导作用和辅助作用[9],创造学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式,对培养学生分析问题和解决问题的能力有很大的提升[10]。

本课程用真实航天型号项目对知识内容进行重构,使知识学习与国家战略发展紧密相连,如将卫星遥感成像机理重构为嫦娥探月工程,改造了我校研制的航天型号设备,开发了嫦二着陆器等教学模型,演示难以理解和抽象的概念。紧跟前沿遥感科技,如将遥感几何处理重构为高分辨率对地观测卫星应用系统,面对这种新型对地观测技术,引导学生发现经典共线方程模型存在的问题,进而经过小组讨论提出解决方案。

随着教师参与科研项目的递增,研究方向不断拓宽,及时更新学生知识学习内容,更新的知识学习内容包含目前已建立50多个知识点的案例库。由于学生学习了系统性、前沿性的知识,因而毕业后在航天设计师岗位上得心应手。围绕教师参与的天问一号火星信标、高分遥感卫星影像几何定位关键技术等项目,用前沿技术实例溶解专业知识,深度分析卫星遥感技术在航天项目上的具体应用,如在高分辨率对地观测卫星中同物异谱和同谱异物现象较为明显,因此,在遥感专业课程教学中需要引入更多先进及主流的遥感影像处理方法,比如深度学习、卷积神经网络等方法,引导学生全面地了解最新国内外遥感影像的处理方法,以此提升课程的高阶性和创新性。随着教师所在团队参与的国家航天型号项目递增,不断更新详细教学案例,近5年相关情况见表1。

表1 教学案例集

3.2 构建“对抗辩论”教学方法,赋能“思维能力”

以教师自身参与的国家工程项目为问题驱动,开展“对抗辩论”式实战循环教学模式,重点将应用新知阶段分为初、中和高级阶段,分别采用不同的训练方式,增强学生的思维能力,如图1所示。

图1 “对抗辩论”实战教学训练

对抗算法设计和观点辩论赛题目库如图2和图3所示。下面以分类知识点为例,介绍“对抗辩论”教学方法过程。

图2 对抗赛题目库

图3 辩论赛题目库

1)激活旧知。学生线上自学卷积、神经元等模式识别和人工智能知识;在课堂上教师以这些已有知识为基础,传授新知识典型非监督分类K均值分类原理。

2)示证新知。在尝试应用的初级阶段,在微小卫星地面接收站(全国高校唯一),接收实时过境的高分辨率卫星数据,利用ENVI平台开展K均值算法原理验证实验。

3)应用新知。据统计,在大部分时间全球大约有60%的区域被云覆盖,破坏了地表的光谱和纹理信息,使得遥感影像的可用性大大降低,因此云检测成为遥感影像预处理中的关键步骤,以此为尝试应用背景,在中级阶段,开展云分类问题算法设计对抗赛,利用夜光遥感、高光谱遥感是运用新知识,同样还是解决云分类问题。

4)应用新知。在学生充分掌握分类解决实际问题的思路同时,发现已有知识K均值算法存在问题,针对存在问题讲授新知识ISODATA算法。

5)应用新知。以遥感影像分类结果的不确定性受到数据获取、数据转换等各个方面的影响为工程背景,进入分类知识尝试应用的高级阶段,开展分类不确定性辩论赛,正反方观点分别是“分类结果的不确定性主要是模型误差”,“分类结果的不确定性主要是数据误差”。

6)融会贯通。围绕国家重大工程项目,如“面向新型预警卫星”中的部分关键技术,发布科创题目“基于LSTM与红外辐射的弹道目标识别”,选拔3～5名优秀学生,学生通过科创项目全方位系统性提高解决实际问题的能力,在实践中形成新思想和新思路,奇思妙想的成果“基于对抗环境下图像目标识别网络性能退化分析的可解释方法研究”,申报国家重大工程项目,如2021年获得中央军委装备发展部领域项目立项,形成循环训练闭环。

3.3 拓展“挑战度”教学活动,注重“智慧教学”

1)团队协作。在课外,4～5名学生自由组成团队,分别在如图2所示的对抗算法设计赛和图3所示的观点辩论赛题目库选择感兴趣题目。针对每个训练题目,学生在线上查阅50篇左右的参考文献后,初步寻找支撑理论、文献、依据,准备方案设计和辩论材料,然后学生团队逐一与教师开展讨论,通过教师指导和师生交换意见,迭代思路。通过2～3轮(5 h/组)的循环讨论、凝练及融合对抗设计和辩论观点。在对抗和辩论教学现场,教师针对创新点给与表扬,及时调整对抗和辩论的观点方向,并纠正错误观点。

2)智慧教学在课内,利用信息化智慧教室的“移动课桌”进行课堂小组讨论正反方观点辩论竞赛,利用“多屏投影”展示方案设计的Poster演示,开展对抗。在讲授新知识时,注重运用“雨课堂”平台进行“线上+线下混合式教学改革”[11-12];利用多媒体三维动态演示辅助学生理解课程中的抽象概念和难点内容,以及推送与课堂内容相关的资源视频和资料。

3.4 实施“多元化”教学评价,调动“思考动能”

通过设置“课堂讨论”(5%)、“实验考核”(5%)、“对抗设计考核”(30%)、“辩论考核”(30%)等过程性考核完善教学评价体系,并结合最后的研究报告(30%)对学生进行综合能力考核,如图4所示。在“对抗设计考核”和“辩论考核”中,根据辩论规则由主席(主讲教师)和各团队评出冠、亚、季军和参与各2队。主席和各团队权重各一半,各团队只能给非本对抗题和辩题团队打分,每场按照学生投票票数评出最佳辩手1名(单独加分),详情如图5所示,梯度分值的设置充分调动了学生的思考动能。

图4 教学评价体系

图5 辩论赛打分规则

本文对改革前后的学生学习效果进行了评估,实验组采取四层次递进实战训练教学法完成研究报告,控制组直接开展研究报告工作。如图6所示,通过统计学生成绩发现,研究报告成绩评价中位于中上水平的学生人数,实验组明显高于控制组,这说明采用实战教学法的学生获得了较大的能力提升。

图6 教改效果对比图其中90～100分为优,80～90分为良,70～80分为中,60～70分为差,60分以下为不及格。

4 结束语

结合真实航天型号项目对课堂知识内容进行重构,使学生知识学习与国家战略发展紧密相连,构建系列实战训练场域,逼近国家航天工程,通过激活旧识、示证新知和应用新知,实现知识的融会贯通。真刀真枪的实战,让学生切实感知航天实战环境、感受航天任务压力、感悟航天精神文化,发挥航天型号总师价值塑造作用,深挖航天精神,将热爱祖国、追逐梦想、协同攻坚和自主创新等航天精神融入课程。通过对抗赛的方式不断引导对抗双方明白彼此的逻辑框架,进而双方方案都能取长补短,以此训练学生的协同攻坚能力,在学术辩论赛实战训练过程中,学生思考问题的方式将经历“找出问题、分析矛盾、解决办法”的不断螺旋上升过程,实现了学生培养从知识学习到知识应用的“无缝衔接”,在实际教学中初见成效,希望能对工科类课程结合院校特色进行教学改革工作提供一些参考。