新时期遥感科学与技术专业微波成像理论教学与课程实习设计

石书祝 严颂华 董杰

摘  要：针对全链路遥感人才培养的迫切需求，本研究梳理了微波成像课程传统教学中存在的问题，分析了微波成像课程在武汉大学遥感科学与技术专业第二版“遥感科学与技术大类培养方案”课程体系中的位置和作用。并在此基础之上，将思政教育、国内外微波成像新知识融入教学内容中，为微波成像课程分别设计了合适的理论教学内容与课程实习内容，最后对改进微波成像课程的教学方法进行了探讨，以期实现“三全育人、课程思政、学研协同、实践创新”的新时期教育模式。

关键词：微波成像；理论教学设计；课程实习设计；遥感科学与技术；课程思政

中图分类号：G642    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2024）17-0106-05

作为全国第一个创立遥感科学与技术本科专业的单位，武汉大学针对该专业的多学科交叉特色以及新时期下国家对遥感人才的客观需求，于2018年开始实施第一版遥感科学与技术大类培养方案。随着航空航天遥感技术的发展，国家亟须培养熟悉从传感器研制、卫星设计到遥感信息处理、遥感应用的全链路遥感人才，［1］因此该培养方案首次将遥感仪器作为遥感科学与技术专业大类培养的模块，旨在培养遥感卫星平台和遥感传感器方向的人才。［2］

微波成像主要指合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar， SAR）成像。SAR是一种主动式微波成像传感器，通过发射宽带线性调频信号，并且结合合成孔径技术，在距离向和方位向上同时获得二维高分辨率图像。［3］与光学和高光谱遥感手段相比，SAR成像不受云雾雨雪等天气因素的影响，具有全天时全天候监测的优势，对地表覆盖层有一定的穿透性，获取的图像能够反映植被、土壤、雪、冰层等地物的微波散射特性，是实现空间军事侦察、自然资源普查、自然灾害监测等的一种重要遥感手段。［4］虽然，目前武汉大学遥感科学与技术专业已经开设了微波遥感课程，但课程内容侧重于讲述雷达遥感影像的处理及应用，对微波成像系统的硬件构成及信号处理算法讲得比较浅显，［5］导致学生难以掌握微波成像的基本原理以及常用的信号处理方法。鉴于当前国内外雷达遥感卫星产业的蓬勃发展以及新时期下全链路遥感人才培养的迫切需求，武汉大学遥感信息工程学院在2023年开始实施的第二版遥感科学与技术大类培养方案中，正式将微波成像作为遥感科学与技术专业的选修课。虽然目前国内已有相关高校开设了雷达成像技术等微波成像课程，［6-7］但这些课程大部分都是针对研究生开设，而且只侧重于讲述SAR成像，没有结合SAR系统与搭载平台研制、卫星发射与数据接收、SAR图像处理及其遥感应用整个遥感技术链路进行讲述。此外，这些课程大部分都没有将思政元素和国内外SAR成像新技术引入教学内容中。［8］由此可见，如何针对全链路遥感人才培养的迫切需求，为微波成像课程设计合适的理论教学内容与课程实习内容，将思政元素、国内外微波成像新技术等引入课程教学中，最终实现“三全育人”、课程思政、学研协同、实践创新的教育目标，是微波成像课程教学亟须解决的一个问题。

本研究首先梳理了微波成像课程传统教学中存在的问题，然后将思政教育、国内外微波成像新技术等融入教学内容中，并且为微波成像课程分别设计合适的理论教学内容与课程实习内容，最后对改进微波成像课程的教学方法进行了探讨。

一、微波成像课程传统教学中存在的问题

通过参与本科生微波成像课程的建设，发现在该课程的传统教学环节中主要存在如下问题。

（一）缺乏合适的教材

尽管目前国内外在雷达成像上已经有比较多的经典参考书籍，比如保铮院士、刑孟道和王彤教授编著的《雷达成像技术》、艾伦·卡明（Ian G. Cumming）和弗兰克·黄（Frank H. Wong）教授编著的《合成孔径雷达数据的数字化处理：算法与实现（Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data： Algorithms and Implementation）》，但这些书籍大部分都是面向电子科技类专业研究生或有实践经验的科研及工程人员。对前期只学习了信号处理与分析、遥感物理基础、遥感原理与应用这些基础课程的遥感科学与技术专业本科生而言，如果直接将这些书籍用作微波成像教材，学生对书本内容难以理解，导致学生课堂学习和课后自习的兴趣与积极性降低。

（二）缺乏针对遥感技术全链路知识体系的培养

传统的微波成像课程教学往往只侧重介绍微波成像系统及信号处理方面的知识，忽略了从SAR系统与搭载平台研制、卫星发射与数据接收，到SAR图像处理及其遥感应用整个遥感技术链路知识体系的完整性，使得学生难以将学到的知识点与后续的SAR图像处理及其遥感应用进行融会贯通。例如传统的微波成像教学中都会讲述星载SAR分辨率的概念以及它与发射信号带宽、天线孔径等因素之间的关系，但通常忽略了讲述SAR分辨率具体如何影响后续的星载SAR图像处理及其实际的遥感应用。

（三）未能有机融入思政元素

课程思政是指通过深入挖掘课程中的思政内涵，建立全员、全程、全课程育人格局，形成与思政课程同行的协同效应，实现“立德树人”的根本教育理念。［9］在微波成像课程的传统教学中，专业教师通常只注重专业教育而忽视学生精神层面的培养，包括价值观、人生观和世界观等方面。课堂中学生更多接触的是微波成像的专业知识而很少受到思想政治方面的引导，没有面向“培养什么人、怎样培养人、为谁培养人”的根本问题，培养具有优秀道德素养、正确科学的做事态度，致力于服务国家人民、具有家国情怀的遥感人才。［10］

（四）未能与时俱进地引入微波成像新知识

近十年国内外微波成像技术快速发展，很多新概念、新技术和新传感器层出不穷，比如全息合成孔径雷达概念、涡旋雷达成像技术和以导航卫星信号作为发射源的无源双基地SAR，但微波成像课程的传统教学内容偏重于讲述成熟的基本概念和原理方法，更新速度比较慢，没有及时引入国内外在微波成像领域的新概念、新技术和新型传感器，导致学生创新思维不足，无法掌握国内外微波成像技术的最新动态。

二、微波成像课程的理论教学内容构建

（一）微波成像在课程体系中的位置与作用

在进行微波成像课程的理论教学内容设计之前，首先需要了解该课程在武汉大学遥感科学与技术专业第二版“遥感科学与技术大类培养方案”课程体系中的位置和作用。如图1所示，学生在学习微波成像课程之前，已经学习了高等数学、大学物理这些公共基础课程，因此对微波成像课程中涉及的数学公式推导以及电磁场等物理概念已经有一定的了解。学生还学习了遥感物理基础、遥感原理与应用以及信号处理与分析这些大类平台课程，因此对微波成像课程中涉及的SAR基本概念、不同地物目标对电磁波的散射机理以及雷达信号处理等知识点也有一定的掌握。另一方面，学习微波成像课程，学生对SAR系统及其成像原理、信号处理算法有比较深入的了解，进而为后续的微波遥感、定量遥感、遥感图像智能解译、遥感传感器原理、航天工程概论等专业核心课程中涉及星载SAR系统设计与SAR图像处理方面的知识点学习奠定良好的基础。

（二）微波成像理论教学内容设计

依据遥感科学与技术专业学生的已有知识结构，结合近几年在微波遥感教学方面的经验，通过查阅国内外多本微波成像参考书籍以及了解目前国内外在微波成像领域的前沿技术动态，设计了如表1所示的微波成像课程理论教学内容。对微波成像课程蕴含的思政元素也进行了挖掘，并且将这些思政元素融入教学内容中，提升该专业课程的价值引领。

通过这10个章节的学习，学生对微波成像知识有综合的学习和掌握，为后期深入开展微波成像和微波遥感方面的工作和科研奠定了良好的基础，也能形成优秀的道德素养、正确的科学观、服务国家人民的意识等。

三、微波成像课程的课程实习内容构建

（一）课程实习在微波成像课程中的必要性

微波成像技术理论比较复杂，新的概念和知识点也比较多，如果缺乏针对性的实践训练，容易导致学生在课堂上学到的理论知识与实际应用脱节，进而造成学生的动手实践能力比较差。针对这个问题，采用理论课程和课程实习相结合的方式进行教学，一方面学生利用学到的理论知识去指导实践。比如学生利用在课堂上学到的各种SAR成像算法对无人机载SAR系统实际采集的数据进行处理，获取地物目标的实际SAR图像。另一方面使学生在实践中发现并解决问题，以加深对理论认识的理解和掌握。比如在对无人机载SAR系统实际采集的数据进行处理时，首先让学生不进行运动补偿处理，并观察得到的SAR图像中存在的问题。然后进行运动补偿处理，再将得到的SAR图像与不进行运动补偿得到的SAR图像进行对比分析，加深对运动补偿在SAR成像处理中发挥的作用的理解。

（二）微波成像课程实习内容设计

依据微波成像教学大纲要求学生着重掌握的知识点，结合武汉大学遥感信息工程学院目前已有的无人机载Ku波段和X波段SAR设备，设计了如表2所示的微波成像课程实习内容。在实验内容的设计上，既能让学生更深入理解微波成像原理，也能和后续的微波遥感等专业课程进行很好的衔接，让学生学习到最新的SAR系统构成和成像技术，为以后的工作和科研打下良好的基础。

课程实习内容部分可根据教学进度灵活安排，其中实验1—5可安排在相应的理论课程教学之后，让学生及时消化所学的理论知识，提高学习兴趣。实验6属于步骤较多的综合实验，可安排在理论课程教学完成之后，提高学生的动手实践能力和团队协作能力。

四、微波成像课程的教学方法改进

由于微波成像课程的专业性比较强，而且微波成像设备在日常生活中并不常见，因此容易使学生产生“不知为何而学”的观点，进而导致学习积极性不高，容易产生畏难和抵触情绪。针对上述问题，将从有机结合时政要点、适当引入实际SAR卫星案例两个方面对微波成像课程的教学方法进行改进。

（一）时政要点的有机结合

在教学过程中通过有机结合国内外时政要点，让学生能切实体会到微波成像在国防安全以及防灾减灾等方面的重要性，拉近理论知识与实际应用的距离。例如在国防安全方面，由于光学卫星容易受到云雾雨雪等天气因素的影响，难以实时掌握战场动态，因此一些国家利用SAR卫星全天时全天候不间断监视现代战场，及时获取所需的情报。SAR卫星的分辨率越高，越容易在SAR图像上正确识别指挥所、坦克、火炮等高价值目标。在减灾防灾方面，2021年7月17日至23日河南省遭遇历史罕见特大暴雨，发生严重洪涝灾害。河南省自然资源卫星应用技术中心通过对高分三号、海丝一号、哨兵一号等国内外多颗SAR卫星拍摄的洪涝灾害影像进行分析，快速提取了洪水淹没范围，为应急指挥管理指挥中心制定抗洪措施提供数据支撑。

（二）实际SAR卫星案例的适当引入

在教学过程中通过将实际SAR卫星案例适当引入课程教学中，使学生能够了解到微波成像的最新发展动态、在地物遥感中的实际应用和尚未解决的科学问题，进而引导学生解决实际问题，提高创新能力。例如，通过介绍我国目前在轨的高分三号、海丝一号、陆探一号、矿大南湖号、涪城一号等SAR卫星的性能参数、成像处理算法和实际应用，使学生了解我国在星载SAR成像技术方面的发展动态。2023年5月21日武汉大学牵头研制并成功发射了“珞珈二号01星”，该卫星是全球首颗Ka频段高分辨率SAR卫星。因此通过邀请“珞珈二号01星”研制组成员参与微波成像课程的授课，讲述该卫星从总体设计、实际研制、数据处理到实际遥感应用的整个流程，既能让学生更直观地感受到微波成像技术的实际应用效果，更好地理解所学理论知识的应用前景，又能激发学习兴趣和增加学习动力，提高学生学习的积极性和主动性。

五、结语

微波成像是遥感科学与技术等专业本科生教学中必不可少的一门专业课，本研究梳理了微波成像课程传统教学中存在的问题，将思政教育、国内外微波成像新知识等融入教学内容，并且为微波成像课程分别设计了合适的理论教学内容与课程实习内容，探讨了微波成像课程的教学方法改进，以期实现“三全育人、课程思政、学研协同、实践创新”相结合的新时期教育模式，为有效支撑我国军民遥感技术发展培养全链路遥感人才。

参考文献：

［1］ 李德仁，龚健雅，秦昆，等. 面向国家需求的世界一流遥感人才培养体系创新与实践［J］. 高等工程教育研究，2023（02）：1-5+177.

［2］ 龚龑，张永军，秦昆，等. 武汉大学遥感科学与技术本科大类培养学习状态分析［J］. 测绘地理信息，2022，47（S1）：1-4.

［3］ 邓云凯，禹卫东，张衡，等. 未来星载SAR技术发展趋势［J］. 雷达学报，2020，9（01）：1-33.

［4］ 梁泽浩，王晋，李广雪. 星载SAR技术的发展及应用浅析［J］. 测绘与空间地理信息，2021，44（02）：29-32.

［5］ 赵伶俐，杨杰，李平湘，等. 面向地理国情专业的微波遥感教学与实习设计［J］. 测绘地理信息，2022，47（S1）：34-37.

［6］ 毛新华. 关于研究生《雷达成像技术》课程教学的几点思考［J］. 教育教学论坛，2011（24）：148-149.

［7］ 吴迪，雷磊. 提高《雷达成像技术》课程教学质量的几点建议［J］. 电脑知识与技术，2014，10（01）：86-87.

［8］ 金光虎，余安喜，何峰，等. 三课时制“雷达成像”课程教学改革与实践［J］. 电气电子教学学报，2017，39（05）：30-32.

［9］ 谢志伟，单佳强，陶丽，等. 遥感类专业课程思政建设探索与实践［J］. 科学咨询：教育科研，2022（06）：49-51.

［10］ 刘喜要. 高校课程思政建设的理念革新和实践路径［J］. 文教资料，2022（23）：52-56.

（责任编辑：邵秋露）