以航天遥感为主题的问题驱动式研究生教学模式探索

王文华 赵淑波 张冠宇 张帆

摘  要：产教融合创新能力培养是我国新时代研究生教育的研究方向之一。该文结合航天遥感的行业特点，把研究生教育跟航天需求方案论证、问题驱动创新结合起来，探索新时代研究生更贴近产业需求的培养模式。从生活中常见的手机拍照入手，将专业遥感相机与“遥感手机”作对比，抛出问题并引导研究生拆解问题，查阅文献资料获取手机摄像头的主要成像参数，逐步分析计算手机作为遥感载荷对地成像的分辨力指标，引导学生对比专业遥感相机的成像指标参数，激发讨论热情，适当归纳结论，最终回归到图像处理与成像技术这门研究生课程的深层知识讲解。在提高课堂教学效率的同时，将目前航天遥感领域的产业状况与当下研究生教学紧密结合在一起，探索产教融合的研究生培养新模式。

关键词：航天遥感；问题驱动；研究生教学；产教融合；成像技术

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）20-0129-04

Abstract： The cultivation of innovation ability through the integration of industry and education is one of the research directions of postgraduate education in the new era in my country. In view of the characteristics of the aerospace remote sensing industry， this article combines graduate education with aerospace demonstration in the problem-based learning environment. Starting from taking pictures with cellphones that are common in life， we compare professional remote sensing cameras with "remote sensing cellphones"， raise questions and guide students to disassemble the problems， consult literature and obtain the main imaging parameters of phone cameras， and gradually analyze the resolution parameter of cellphones as remote sensing loads. The contrast of two cameras will guide students to stimulates enthusiasm for discussion and finally go deep on the course "Image Processing and Imaging Technology". While improving the efficiency of teaching， we should closely integrate the aerospace remote sensing with current postgraduate teaching， and explore a new cultivation mode that integrates industry and education.

Keywords： remote sensing; problem-based learning; postgraduate teaching; integration of industry and education; imaging technology

随着我国综合国力的迅速增强，高等教育得到了快速发展，尤其是研究生教育规模呈现出从单一类型的数量扩张逐步走向多样化内涵发展的局面。2023年3月，教育部在发布会上公布了2022年研究生招生数据[1]：全国共招收研究生124.25万人，比上年增长5.61%。其中，招收博士生13.90万人，硕士生110.35万人。在学研究生365.36万人，比上年增长9.64%。研究生递增的态势也给研究生培养质量的提高带来了不小的压力。

为培养既具有扎实理论基础，又能适应特定行业需要的应用型高层次专业人才，我国调整研究生教育的学科类型和布局结构，大力发展专业学位研究生教育，以适应产业结构调整和发展战略性新兴产业的要求。国务院学位委员会、教育部关于印发《专业学位研究生教育发展方案（2020-2025）》的通知明确指出[2]，要着力优化硕士专业学位研究生教育结构。2023年11月30日，教育部发布《关于深入推进学术学位与专业学位研究生教育分类发展的意见》[3]，明确提出：以国家重大战略、关键领域和社会重大需求为重点，进一步提升专业学位研究生比例，到“十四五”末将硕士专业学位研究生招生规模扩大到硕士研究生招生总规模的三分之二左右，大幅增加博士专业学位研究生招生数量。专业学位应强化产教融合协同育人，将人才培养与用人需求紧密对接，深入建设专业学位联合培养基地，强化专业学位类别与相应职业资格认证的衔接机制，完善行业产业部门参与专业学位人才培养的准入标准及监测评价，确保协同育人基本条件与成效。

针对产教融合，何建丽等[4]提出“深化协同育人”思路，强调政府、高校、企业协同发力，这种协同在研究生二年级以后更为实用；朱为国等[5]提出了“321”培养模式探索与实践，需要政府、高校和行业企业三方共同参与，着重于单个研究生的专业技能培养，对研究生第一学年课堂教育未做讨论；刘纪新等[6]提出建立校企师资“互聘互兼”机制，以提升师资队伍专业技术能力，这有利于活跃研究生课堂教育的实践氛围，大大提高学生与教师互动的积极性。

与产教融合紧密相关的研究生专业中，仪器仪表与航空航天类专业是备受关注的专业之一。近几年来，该专业发展之所以迅速，既源于较大的社会需求，也源于社会对本专业教育的认同。该专业以光、机、电和算为学科基础的人才知识结构，培养基础厚、知识面广。近年来，逐渐上升发展的商业航天遥感行业，也是集成了光、机、电和算等多个学科的工程应用，在专业学科需求方面，与仪器专业人才培养的方向不谋而合，具有很高的契合度。

在空间卫星逐步放开的世界大环境下，政策、资本、技术和人才源源不断地涌向商业航天领域。一方面是政策层面推进高校研究生教育模式改革，另一方面是蓬勃发展的民用商业航天行业对高技术人才需求倍增，而遥感探测所涉及的光电信息产业与工程专业人才能力培养是密不可分的[7]，因此开展以航天遥感为主题的仪器专业研究生教育产教融合培养模式研究势在必行。

本文立足大学研究生课程图像处理与成像技术教学，深度挖掘课程理论与工程实践的契合点，以航天遥感为主题，以问题驱动式教学为方法，在传授理论知识的同时，融入航天遥感相机的成像系统研制过程，使学生从理论和工程两个维度来理解掌握该研究生课程的教学内容。

一  图像处理与成像技术课程概述

本课程主要基于数字图像，从多学科的角度切入，研究典型电磁波谱成像特征及光电成像技术，结合电子技术及计算机技术来探讨成像系统设计、软硬件层面的数字图像处理方法。主要课程内容涵盖图像处理MATLAB基础、图像变换、图像编码、图像增强与复原、成像基本原理、成像硬件设计及航空航天遥感成像等知识。

在成像技术课程部分，从航天遥感相机角度，讲解相机的基础组成、光电探测器成像原理、成像驱动开发、图像发送与接收传输协议、图像整合方式、辐射校正及硬件实时处理等知识。

单纯的知识教学内容难免灌输式课堂模式，面对新时代研究生，尤其专业学位研究生，课堂培养模式的转变势在必行。由教师单向灌输式教学模式转为学生主动探究式的教学模式，探究的过程就要用到问题驱动式（Problem-Based Learning，PBL）教学法[8]，结合航天遥感相机的项目方案论证、研制过程难点、工艺流程等航天实践，激发学生对实践类工程问题的探索欲望，以达到训练学生主动探求知识、自主创新思维的目的。

问题驱动教学法能够提高学生学习的主动性，提高学生在教学过程中的参与程度，容易激起学生的求知欲，活跃其思维。下面针对此门研究生课堂的教学特点，探索以航天遥感为主题的问题驱动式的课堂教学模式。

二  问题驱动课堂引导

问题驱动学习法是Barrows等[9]在加拿大麦克马斯特大学医学教育项目中倡导的一种教学方法。该方法以学生为中心，强调以问题为学习起点的教学活动。实践表明，该方法有助于培养学生提出问题、给出解决方案和得出结论的综合应用能力， 同时有助于提高学生的协作能力。从国内外研究现状来看，问题驱动学习法具有很多优势，能有效激发学生的学习兴趣和潜能，更好地培养其创新思维和能力。本文深入剖析研究生培养目标的内涵和外延， 并设计问题驱动的研究生培养模式。

为了使研究生更容易理解成像技术中的诸多考虑因素，提高研究生对成像链路的研究兴趣，凸显研究生教学的引导思维模式，本课程采用问题驱动法，以航天遥感相机为主题，逐步将成像技术贯穿于“提出问题—分析问题—解决问题—总结分析”的研究思路中。

（一）  基于航天遥感的问题驱动链设计

说到成像技术，早些年的数码相机如今逐渐淡出人们的视野，而伴随移动通信电话的飞速发展，高分辨率摄像头已经成为了智能手机必不可少的硬件配置。加之许多图像处理算法在手机核心处理器的移植，诸如美颜、夜景、广角图像合成等摄影技术都已被人们广泛使用。课堂上的研究生对目前生活中的手机摄影技术更是毫不陌生。

那么，如何使学生们对成像技术的原理快速入门、详细了解甚至深入学习呢？结合当前我国不断发展的航天遥感技术，将手机太空拍照与遥感相机成像对比，如图1所示，挖掘生活中的成像应用，唤起同学们对“熟悉的手机摄像”和“自豪而又陌生的遥感成像”之间的极大兴趣，进而展开以航天遥感为主题的“问题驱动式”研究生教学新模式。

（二）  提出问题

为什么发射卫星，同学们是大概了解的，航天卫星有很多优势，可以做很多地面上做不了的事情。那么，用遥感相机，对地球表面拍照，人们要专门研制遥感相机，为什么不把现在性能如此强悍的手机摄像头直接搬到太空呢（图2），向学生抛出问题。

一石激起千层浪。利用这一问题，教师激发学生们的研究兴趣，并在后续分析阶段建立以学生为主的讨论氛围。首先，鼓励全班同学对问题本身进行讨论和交流，争取让每个学生都提出自己的观点和看法，将问题本身拆解，使问题潜在的唤醒作用深入到每个学生的脑海中，为下一步头脑风暴——大胆分析并解决问题奠定基础。然后教师将学生们进行适当分组，每组学生自行讨论分工，以明确每个人在分析解决问题中的作用，提高积极性。在此阶段，教师主要发挥引导作用，当讨论发生跑题或者学生们误解问题的本意时，给予及时的提醒和引导。

（三）  查文献获得手机摄像头参数

先把遥感相机放在一边，从学生手里的手机摄像头开始入手研究。

引导学生们查阅自己手机的硬件配置参数，除了表面广告宣传的性能参数以外，要查到手机摄像头的图像传感器（一般为感光CMOS芯片）参数、摄像头光学参数与内部结构等。

作为一名研究生，科学素养是新时代工程硕士研究生教育所必备的素养之一。独立的科研能力培养需要从查阅文献开始。当今手机已经不只是简单的通信工具，尤其智能手机，已成为人们日常生活中摄像、聊天、购物、金融理财及医疗教育等诸多方面都必不可少的电子产品。鼓励研究生从这个日常形影不离的智能手机开始查阅文献，是一个非常好的激发兴趣的切入点。查阅文献并非都在期刊的专业官方网站，面对这个熟悉的手机，其实有很多注明生产厂家的官网、排名手机跑分的专业评价网站等，都可以成为调研手机摄像头参数的文献来源。

比如通过查阅某款智能手机的官方网站宣传网页，可得到摄像头采用的图像传感器CMOS芯片像元尺寸a=1.4 μm，等效焦距f=26 mm。手机摄像头的光学系统内剖示意图如图3所示，可见类似潜望镜光路，26 mm的焦距并不是意味着镜头入瞳直接下穿到探测器感光面，而是垂直反射一次，将镜头组件在有限厚度内展开，有利于手机外观尺寸的优化设计。

（四）  计算手机太空拍照的指标参数

手机能否作为遥感载荷放到卫星上成像？单就可能性分析，教师可引导学生从太空环境特点、手机硬件构成、卫星传输与控制的简单机理等多个工程层面，调动学生们潜在的研究积极性和无限的想象力，最后可以告诉学生们目前已经实现太空搭载手机的遥感卫星情况，此时又一次驱动学生们查阅该信息的真实性、准确性，进一步营造研究生课堂的科研氛围。

若是将手机平放在距离地球表面高度H=550 km（常规低轨卫星高度）轨道位置，那么手机成像获得地面图片的采样间隔d可通过下面公式计算获得[10]

=。

通过公式计算可算出地面采样间隔d=29.6 m，近似为30 m。

到此，我们引导学生们通过计算评估了自己的手机若是成为“遥感手机”所具备的成像能力。那么，进一步追问：地面分辨力30 m是什么概念呢？

一般来说，家用轿车长度接近5 m；集装箱卡车含拖车总长约12 m；北京鼓楼南北长约33 m、东西长约56 m[11]……

如图4所示，教师与同学们通过计算讨论发现，地面分辨力30 m的“遥感手机”看不到普通汽车，北京鼓楼的轮廓在“遥感手机”上也只是成了两个像素点而已，根本不能分辨出北京鼓楼（此处引导学生查阅与物体识别有关的判据文献）。

通过对比汽车和鼓楼的成像分辨能力，教师可引导学生分析，如何在相机论证阶段定性分析出相机应该具备的分辨力指标（针对特定的景物目标），然后确定相机光学系统的焦距参数。

（五）  对比遥感相机与“遥感手机”

某遥感相机的图像传感器像元尺寸为7 μm，相机焦距3 850 mm，同样在距离地球表面高度H=550 km（常规低轨卫星高度）轨道位置，能够实现的地面分辨力为1 m。此时的遥感相机对地面家用轿车所成的像在长度方向至少能够达到5个像素点，大大优于手机在相同太空条件下的成像能力。

下面对比某遥感相机与上述“遥感手机”的成像参数，见表1，其中GSD代表地面采样间隔（Ground Sample Distance）。

表1  某遥感相机与某“遥感手机”成像参数对比

回应第一步提出的问题，结合上述分析，引导学生形成初步概念性结论。通过对比，学生们会发现：虽然手机在生活中的成像能力很强，但放置到太空对地遥感的场景下，与专业的航天遥感相机对比，成像能力远远不够。上述差异参数主要体现在像元尺寸大小、焦距上，然而作为老师，需要进一步引导学生探究：为什么会有这样的差异？相机成像的光电原理、光学原理以及辐射学原理是什么？诸如此类问题，逐渐延伸知识的深度，构成问题驱动式教学的有效问题驱动链。

三  教学效果与总结

在本门研究生课程的课堂教学中，以问题驱动式教学引入的案例超过20次（授课32学时）。针对平均46名学生的课堂（出勤率在93%以上），将学生分为六组，每当涉及问题驱动教学的时候，以小组为单位，每组独立展开研究，遵循“提出问题、分析问题、解决问题、总结问题”的基本思路，组内可自由讨论，组外与其他组或者与老师展开互动交流，加深对工程知识的理解，营造科研氛围。

在课程即将结束前，一方面作为课程收尾作业，另一方面强化所学知识的框架性理解与工程化应用能力，教师组织六个小组对预先准备好的“航天遥感相机方案论证专题”进行论证竞标模拟，以“小组互评+教师点评”相结合的考核方式集体讨论各个论证方案的优缺点。当然，论证的深度远远不如工程专业的方案报告，只是针对课堂教学所涉及的常用遥感相机关键指标参数。通过简单的相机方案论证，学生们不仅真正学到了数字成像技术的原理、过程以及工程指标参数，还体验到了独立进行科学研究的乐趣，收获了团队沟通与协作的友谊和情怀。

四  结束语

伴随着研究生课程的逐步深入，关于成像技术的教学知识还有很多。通过引入航天遥感的工程实践，以问题驱动教学法引导学生从提出问题到分析解决问题，最后到对比得出结论的研究过程。在这个教学过程中，唤起兴趣仅仅是个开始，后续的分组研讨更能让全体学生参与到工程问题的分析过程中，不仅大大提高了学生们课堂研讨的效率，还有利于学生们建立类似航天相机研制的工程团队配合意识。这种与工程实践紧密结合的研讨过程，与产教融合的初衷非常契合，在一定程度上增进研究生对航天遥感相机产业的认可度，值得在更多遥感领域进行产教融合的课程实践探索。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.2022年国民经济和社会发展统计公报[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s5147/202303/t20230301_1048

452.html.

[2] 国务院学位委员会、教育部关于印发《专业学位研究生教育发展方案（2020-2025）》的通知[EB/OL].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-10/01/content_5548870.htm.

[3] 教育部关于深入推进学术学位与专业学位研究生教育分类发展的意见[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A22/moe_826/202312/t20231218_1095043.html.

[4] 何建丽，董万鹏，刘淑梅，等.新工科背景下产教融合深化协同育人探究[J].高教学刊，2024，10（2）：165-168.

[5] 朱为国，高荣，许兆美，等.基于产教融合的专业学位研究生“321”培养模式探索与实践[J].高教学刊，2024，10（1）：160-163.

[6] 刘纪新，胡凤菊，邵瑞影，等.产教融合下工科专业人才培养探索与实践[J].教育信息化论坛，2022（2）：66-68.

[7] 尹钰，李施，王鹏飞.新工科背景下人才创新能力培养探索——以光电信息科学与工程专业为例[J].高教学刊，2024，10（5）：149-152.

[8] 孟淑娟，张梦，王睿，等.基于PBL和双语教学的研究性教学模式探索与实践[J].高教学刊，2023，9（36）：45-48.

[9] BARROWS， HOWARD S. Problem-based learning in medicine and beyond：A brief overview[J].New Directions for Teaching and Learning，1996（68）：3-12.

[10] 薛旭成，傅瑶，韩诚山.TDI CCD相机的卫星姿态稳定度确定[J].中国光学，2013，6（5）：767-772.

[11] 北京鼓楼[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/北京鼓楼、钟楼？fromModule=lemma search-box.

基金项目：国家自然科学基金“基于跨尺度宏微协同的超精密空间光机跟瞄仪”（62227812）；吉林大学研究生教育教学改革项目“以航天遥感为主题的仪器专业研究生教育产教融合培养模式研究”（2022JGY077）

第一作者简介：王文华（1982-），男，汉族，山东泰安人，工学博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为光电成像与定量遥感。

*通信作者：张帆（1979-），男，汉族，辽宁锦州人，工学博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为空间相机光机结构/热设计及仿真分析。