双高专业群核心课程遥感技术及应用虚拟仿真教学探索实践

基金项目：广东省普通高校青年创新人才类项目“面向高职教育的虚拟仿真实验教学平台研究”（2019GKQNCX020）；广州市基础研究计划基础与应用基础研究项目“多人协同虚拟仿真实验平台三维跟踪注册技术研究”（20210201298）

第一作者简介：朱腾（1989-），男，汉族，湖南邵阳人，工学博士，副教授，系副主任。研究方向为遥感图像智能处理，增强现实场景感知。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.22.028

摘 要：遥感技术及应用是高职测绘地理信息专业的核心专业基础课，其主要授课内容偏向应用实践，但更需要教师将实践与理论紧密结合以保证授课质量。在教育部职业教育与成人教育司的推进引领下，广东工贸职业技术学院遥感技术及应用课程团队针对传统遥感课程教学中实物难观摩、微观原理难观摩等重点、难点问题，细致分析改进设计服务理论教学部分的虚拟仿真教学系统并进行授课实践，与以往在线教学数据统计对比表明，学生在随堂客观题考核的初次正确率提高10%以上，切实地提升授课效率，激发学生学习热情。

关键词：遥感；虚拟仿真；教学与实践；探索；测绘地理信息

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）22-0116-05

Abstract： Remote Sensing Technology and Application is the core professional basic course of surveying and mapping geographic information specialty in higher vocational colleges. Its main teaching content is biased towards application practice， but it is more necessary for teachers to combine practice and theory closely to ensure the teaching quality. Under the promotion and guidance of the Department of Vocational Education and Adult Education of the Ministry of Education， the course team of Remote Sensing Technology and Application of Guangdong Vocational and Technical College of Industry and Trade has carefully analyzed and improved the virtual simulation teaching system of the service theory teaching part and carried out the teaching practice， aiming at the key and difficult problems of the traditional remote sensing course teaching， such as the difficulty of observing the physical objects and the microscopic principles， and compared with the previous online teaching data statistics， the initial accuracy rate of students in the assessment of objective questions in the classroom has been improved by more than 10%， which has effectively improved the teaching efficiency and stimulated students' enthusiasm for learning.

Keywords： remote sensing; virtual simulation; teaching and practice; exploration; surveying and mapping geographic information

2021年9月10日，教育部科技发展中心受教育部职业教育与成人教育司委托研究制定并发布了《职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设指南》（以下简称《指南》），旨在切实推进虚拟现实技术与职业教育教学的深度融合，赋能职业教育高质量发展[1]。同年，双高专业群建设单位广东工贸职业技术学院测绘地理信息虚拟仿真实训基地成为教职成司215个国家职业教育示范性虚拟仿真实训基地培育项目之一[2]。

一 遥感技术及应用课程存在的问题

然而，对于高等职业学校的学生，受限于理论基础、联想能力、专注度等因素，静态的插图难以传达出数据与传感器之间的联系过程，简易教学视频则由于缺乏交互性而无法长时间保持学生专注性[9]，进而导致后续的遥感数据处理实训课中，学生仅能机械地对照实训指导书处理示例数据，无法灵活地理解波段、彩色合成原理、光谱曲线等蕴含在数据操作背后的核心基础理论。

针对遥感技术及应用课程理论教学部分的“三高三难”痛点，遥感课程团队进行了以下分析及虚拟仿真解决方案设计见表1。

二 遥感技术及应用理论课虚拟仿真教学探索示例

（一） 卫星遥感平台与传感器

在传统遥感课程中，对遥感平台与传感器的举例为卫星及星载传感器，学生对于大气层内外飞行的遥感平台难以建立深刻印象，进而导致学习效率下降。针对这一问题，遥感技术及应用虚拟仿真教学系统（图1）中，学生在系统内能够拥有自己的“遥感空间”。在虚拟仿真空间中，学生除了能够自由地进行漫游、卫星信息查看等操作外，随着章节学习的深入，与学生账号绑定的“遥感空间”中，大气层（畸变与校正）、遥感车（遥感分类-地面遥感）、遥感气球（遥感分类-航空遥感）、卫星种类都将逐渐丰富。

同时，如图1（c）、（d）所示，学生能够在自己的教学系统主场景任意漫游观察，且在与对应遥感平台交互后，能够实现720°旋转展示遥感平台细节、高亮显示传感器部件、自主查询遥感平台信息及参数等功能。

（二） 遥感物理基础

传统遥感课程中，遥感物理基础存在大量电磁波的横波属性、波长的意义、依波长排布的光谱、微米级波长与颜色对应关系等抽象概念，造成物理基础薄弱的高职学生难以理解，进而只能死记硬背遥感图像的红波段-R通道、绿波段-G通道、蓝波段-B通道的真彩色合成原理等知识。针对重点的微观难观摩问题，遥感技术及应用虚拟仿真教学系统中进行了一系列教学场景设计。

1 遥感物理基础

在动态展示遥感传感过程的虚拟仿真场景内，由学生自主点击任意电磁波的示例模型，来跳转进入电磁波虚拟仿真教学场景（图２），深化“遥感的探测介质为电磁波”这一核心知识点。

同时，如图2（c）、（d）所示，随着学生自主调节光谱横轴，虚拟仿真空间的电磁波模型能够动态变换相应波长及可见光颜色。

2 传感器与地物交互过程

地物对光谱上各种波段电磁波的反射能力所形成的光谱曲线是遥感工作的核心理论基础，也是遥感类课程的绝对重点。然而数理知识的薄弱，让高职学生对于稠密的光谱轴、理论光滑的光谱曲线与传感器采样后的离散光谱“折线”等要素对应的理论联系望而生畏。

针对这一课程重点，遥感技术及应用虚拟仿真教学系统即以相应的细部模型及场景来帮助学生直接“看到”传统教材需要学生自行在脑海构建的画面，如图3所示。

（三） 遥感数字图像基础

在了解遥感传感器对光谱曲线的量化采样原理后，遥感传感器对地面的空间离散采样以及回波强度的辐射量化则是现实地物到数字化图像的最后转换过程。然而传统的数字图像处理课程作为测绘、遥感科学与技术等专业必修的专业基础课之一[10]，往往出现在本科教学乃至研究生基础课程中，其模拟图像到离散数字的过程，对高职学生抽象而陌生。针对理论课部分的最后重点、难点，遥感技术及应用虚拟仿真教学系统进行了相应的细节化、互动化虚拟仿真场景设计（图4）。

在进入数字图像基础章节后，学生将能够自由选择推扫式卫星的探测范围（图4（a）），虚拟仿真教学系统将根据学生的选择，将虚拟地球的贴图截取出来，以默认7×7的方式，动态展示每个像素的量化平均生成过程（图4（b）），同时还支持（4-256）的自主探索式量化过程动态展示（图4（c）），得到学生自主提取的仿真数字图像后，开放数字图像的灰度量化过程、RGB彩色合成与分解仿真示例。最后，为进一步加深学生对于分段“量化”、颜色空间等理论知识的理解，数字图像基础模块提供一个自主生成RGB颜色砖块的虚拟仿真空间，在自主填写空间规模（2～26阶，图4（g）与图4（f））后，教学系统将量化生成RGB颜色空间对应量化颜色的方块，允许学生在颜色空间中自主漫游，同时在单机版及多人协同版中，支持个人或教师随机生成目标砖块，由学生在诸多色块中竞速寻找正确砖块，激发学习兴趣。

在上述虚拟仿真教学内容设计与开发的基础上，遥感技术及应用虚拟仿真教学系统在相应章节末尾设有知识闯关考核（图4（h）），除基础的不及格无法解锁后续章节外，还支持学、练、测、考等4种模式。

表2 遥感技术及应用课程单选题库初次正确率均值表 %

三 结束语

遥感数据的获取、预处理、增强和分类等处理解译是测绘地理信息技术类高职专业学生所必需的职业能力，然而传统高职实践教学中，重软件操作，轻理论结合，高职学生的数理基础也限制了他们从传统教材中获取知识的效率。在教育部职业教育与成人教育司的推动下，广东工贸职业技术学院测绘遥感信息学院教学团队依托测绘地理信息虚拟仿真实训基地，为遥感技术及应用课程的理论教学部分设计了极具针对性的虚拟仿真教学系统。实践教学的成果表明，从选择题初次正确率来看，学生对于理论知识的课堂掌握效率有明显提升。

参考文献：

[1] 曾照香，刘哲，李金亮.新时代职业院校智能制造虚拟仿真实训基地建设研究[J].教育与职业，2022（9）：109-112.

[2] 郑婉平.高职院校“双高计划”建设管理体系构建路径探索[J].高教学刊，2022，8（16）：193-196.

[3] 李刚.职业教育虚拟仿真实训基地建设研究[J].天津职业大学学报，2022，31（2）：92-96.

[4] 蒋金豹，孙文彬，袁德宝.大地测量学基础课程虚拟教学需求与探索[J].高教学刊，2023，9（5）：29-32.

[5] 郭宝宇，武百超，于坤，等.基于虚拟仿真试验平台的数字测图实践教学改革[J].测绘通报，2021（1）：152-156.

[6] 袁德宝，孙文彬，蒋金豹，等.虚拟仿真在测量学教学中的实践和探索[J].北京测绘，2019，33（5）：604-607.

[7] 周国清，郭宝宇，王浩宇，等.无人机摄影测量虚拟仿真实验教学系统的构建与应用[J].测绘通报，2021（12）：163-167.

[8] 李小龙，李冰洁.基于在线教学背景下测量学课程虚拟仿真教学初探[J].教育教学论坛，2020（35）：178-179.

[9] 李玉芝，王启田.高职测绘地理信息类专业课程思政教学模式研究与实践——以“地理信息系统技术应用”为例[J].测绘与空间地理信息，2022，45（9）：29-32.

[10] 贾永红.数字图像处理混合教学的研究与实践[J].测绘通报，2022（2）：174-176.