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關鍵詞 遙感概論 教學策略 地理師范生
中圖分類號:G424 文獻標識碼:A
0 引言
遙感概論是系統介紹遙感技術系統基本原理和方法的基礎課程,其融合理論性、技術性和實踐性的特點,在我國高等教育中,不僅是地理科學、地理信息科學、測繪科學等學科專業的核心基礎課程,同時,在地理師范生教學體系中,尤其在推行免費師范生教育政策的六所部屬高校的地理教學中,也是重要的基礎理論課程之一。
隨著我國對專業教師培養力度的加大,高等教育地理師范專業的培養方案趨于科學和規范。作為培養方案中的基礎課程,遙感概論課程成為越來越多的地理師范生要面對的課程,以筆者所在的陜西師范大學旅游與環境學院的地理免費師范生為例,每年約有250個地理師范生要學習該課程,不僅要學,還要學好。然而,在該課程的實踐教學過程中,由于地理師范專業的特殊性,筆者發現還存在諸多問題,極大地困擾著地理師范專業學生對遙感概論課程核心知識的理解與掌握,成為提高地理師范學科教育質量所亟待解決的問題。
1 遙感概論課程的“教”與地理師范生在“學”中存在問題
按照地理師范生教學大綱要求,該門課程需要學生掌握遙感的基本概念和基礎理論,能力培養方面則要求了解并掌握遙感信息處理的基本原理和方法。然而,該學科是一門學科融合和交叉很強的學科,涉及測繪科學、空間信息科學、電子科學、物理學、計算機科學以及其他學科的相關知識。在針對師范生授課時,其教學內容和授課方式有別于傳統的地理基礎課程,在實際課堂教學過程中,筆者發現在教與學之間,存在諸多矛盾,諸如:學科交叉融合所形成的知識點眾多與地理師范生基礎知識儲備不足的矛盾、學科知識體系與學生興趣點不對接的矛盾、遵從科研實踐案例引導教學還是遵從模式化課程體系引導教學的矛盾、海量遙感影像信息與單一課堂呈現模式的矛盾以及教學內容與師范生工作實踐脫節的矛盾。
針對以上問題,筆者與學生積極互動交流,并通過抽樣調查的方式,總結出針對以上矛盾的可行性較強的解決方案,以供參考。
2 解決方案探討
2.1 深入淺出,教學初期避免提及過多專業術語
對于地理信息系統(GIS)專業學生而言,遙感概論課程的學習是建立在已經接受地圖學、地理信息系統基本原理等基礎課程學習的基礎上的,教師使用專業術語有助于提高教學效率和增加專業素養培訓。然而,在面對地理師范專業學生教授遙感概論課程時,很多的GIS專業老師忽略了知識儲備層面上的差異,在教學初期,使用了大量的GIS行業術語,諸如:柵格數據、數據格式、解譯等師范專業學生在日常所接觸不多的術語,從而造成學生在知識理解上出現困難,產生學科交叉融合所形成的知識點眾多,與地理師范生基礎知識儲備不足的矛盾。在與學生溝通時,很多學生均提到這一矛盾。鑒于此,希望教師在該課程授課初期,盡量避免提及大量的GIS行業的專業術語,在不可避免提到時,應盡量按照學生熟悉的理解方式,進行詳盡深入的闡釋,加強教學初期學生對專業術語的理解。調研結果顯示超過95%的學生認可該看法。
2.2 注重PBL(Problem Based Learning)教學模式的應用,用實際問題激發學生學習興趣
即使是GIS專業學生,在初次接觸遙感概論課程時,最渴望獲得解答的問題是遙感技術在實際生產生活應用和科學研究活動中,能解決什么問題。這一問題在針對師范生授課時,更加突出。如果教師不能合理地將解決問題的方法和原理告知學生,學生會失去對該學科的學習興趣,從而出現學科知識體系與學生興趣點不對接的矛盾。例如,對于地形起伏引起的像點位移問題,雖然經過原理解析和幾何結算,但很多學生仍然存在困惑。筆者引入了在拍大頭照和照鏡子發現影像存在誤差的生活小細節進行類比,起到了很好的教學效果。調研結果顯示超過93%的學生認可該方法。
2.3 注重多媒體教學方法的使用,利用現代信息技術展示直觀的數字遙感成果
遙感技術作為GIS學科中的數據采集模塊,在教學過程中涉及大量的遙感影像數據,例如對于高光譜遙感原理的講解,文字的描述顯得極為乏力。因此,傳統的教學手段不能很好地展示教學內容,這就要求教師必須熟練使用現代多媒體教學手段,通過數字化、全方位、立體化的展示,增加學生對遙感技術的理解和掌握。調研結果顯示,幾乎全部學生認可多媒體的使用。
2.4 注重科研反哺教學實踐,靈活使用科研項目引導課堂教學方法
教學實踐如若過分遵從模式化課程體系引導,勢必會造成學生學習目的性喪失、盲從的結果。如果結合教師所從事的科研項目,按照科研項目引導教學的方式,在該課程教學中能收到很好的教學效果。筆者在實踐教學中,進行了初步實驗。針對在對歸一化植被指數(NDVI)講解時,結合自己的科研經歷,向學生們詳細講解了如何利用該指數進行大規模的農作物估產,使學生認識到原理在實踐中的應用,調研結果顯示,超過85%的學生對該方式接受或認可。
2.5 寓“教”于學,注重學生教學技能的熏陶
地理師范生與GIS行業學生最大的不同,是大部分學生畢業后從事中小學的地理教學工作而非從事GIS工程或科研,從而產生教學內容與師范生工作實踐脫節的問題。針對這一問題,筆者在課堂上嘗試盡可能利用遙感原理去解釋中學地理教材中的基本理論。例如,通過動態氣象衛星數據監測洋流變化、通過熱紅外影像解釋城市的熱島效應等,盡可能地顧及師范生的工作實踐需求。調研結果顯示,超過90%的學生對該方式接受或認可。
項目來源:中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(GK 201102012);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目
參考文獻
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當我們懷著這樣一種感情走近方俊永、走進他的科研世界時,我們原本以為足夠寬廣的視野頓時顯得狹促了。
這位年輕的科學家有著爽朗的性格、流暢的思維,與他的談話,像是一次前所未有之廣闊的旅行。
發軔航空遙感
1999年9月,方俊永開始北京理工大學光學工程專業的博士研究生生涯。從那時起,他的角色就由求學的學生轉換為進行科學探索的研究者,在導師趙達尊教授的指導下,方俊永開始進行“層析成像光譜技術及其圖像重建”的研究,由此開啟了航空遙感領域的大門。
如果說博士論文的工作算方俊永開始從理論和算法方面與航空遙感進行“軟接觸”的話,2003年方俊永進入中國科學院遙感應用研究所(現中國科學院遙感與數字地球研究所)開展的博士后工作,就是實打實的“硬接觸”了。
在博士后研究工作中,他遇到了合作導師――童慶禧院士,這位我國遙感技術和應用領域的最早開拓者之一的科學家。如果說遇到一位科研前輩的指點算幸運,那方俊永無疑是幸運兒。在開展合作的第一個課題研制大面陣多高光譜兼容型數字相機系統時,他又得到中國紅外和遙感技術專家薛永祺院士的指導。能夠得到兩位院士的指導,方俊永直言背負的壓力比較大,但同時又感到動力滿滿,特別是兩位院士平易近人的性格和專業上的悉心指導,讓方俊永很快進入工作狀態。同時,方俊永科研上的潛質也得到兩位院士的贊賞和認可。
21世紀初期,大面陣的CCD成像器件還屬于限制進口的關鍵器件,兩位院士就抽出寶貴的時間與方俊永一起進行器件和相機廠家調研、設計方案討論,特別是薛院士就相機采集控制部分給出了非常具體的實施實例供他和同事們使用參考。經過一年多的研制開發,多模態數字相機(MADC)I型樣機終于在2005年進行了直升機的搭載飛行試驗,獲得了預期的高質量航空數字影像。MADCI型雖然整體外觀略顯粗糙,但能夠實現寬視場、前后傾斜多角度、多光譜等成像模態,在國內尚屬首例。
在隨后的幾年當中,在童院士和薛院士的共同指導下,方俊永繼續承擔了中科院、北京市科委、大科學工程等多項科研裝備研制項目,如“穩定平臺與像移補償系統”、“地面成像光譜輻射計研制”、“高性能航空光學遙感器的研制”、“面向礦產資源勘查的地面/機載短波成像光譜儀關鍵技術研究”、“多模態數字相機”等。在這些項目研制過程中,兩位院士的高瞻遠矚以及對總體方案的把握等對項目的順利實施完成奠定了堅實的基礎。每每談起兩位院士的親身指導,方俊永仍舊是感激萬分,“正是站在兩位巨人的肩膀上,我的航空遙感之路才會如此的平坦和順利”。
從集成創新到原始創新
我國國土遼闊,對地理空間數據有著巨大需求,且隨著遙感技術的深入發展,多類型的遙感數據得到了更廣泛的多領域應用,與此同時,新型遙感數據源就成為了遙感應用發展的瓶頸之一。因此,方俊永科研團隊把研究重點聚焦在能夠獲取高空間分辨率和高光譜分辨率數據的新型遙感觀測技術,通過研制新型遙感傳感器,為遙感應用提供數據源保障。
目前,多模態數字相機(MADc)已經研制到Ⅲ型了,進一步加強了自主研發能力,從集成創新發展到了原始創新,成為了大科學工程“航空遙感系統”中用于應急監測的主體設備。在MADc的研制過程中,方俊永科研團隊提出的多相機組合拼接方法得到了實際驗證,申請的發明專利“基于移軸原理的拼接成像系統”得到了認可和授權。
MADcⅢ型相機基于組合拼接成像方法,在保持成像光軸垂直于地面的同時,能獲取高分辨率寬視場、寬視場、多光譜、前后立體多角度等多種成像模態,特別是在高分辨率寬視場成像模態時,能夠獲得旁向幅寬30K像素、旁向幅寬大于12km@10km航高、旁向視場角接近70度、像元分辨率0.05mrad的高質量高分辨率影像,將為應急監測發揮重要作用。
在成像光譜數據獲取方面,方俊永科研團隊在薛院士指導下,提出采用反射鏡旋轉掃描方式獲得“圖譜合一”的成像光譜數據,相對于點測量型的光譜儀,能夠在測量地物光譜的同時得到地物的高分辨率影像,從影像上每個像素點都可提取相應地物目標點的光譜曲線,是地物目標光譜測量技術的重大突破和創新。研制的地面成像光譜輻射計(FISS)是國內首臺成像型的地面光譜測量設備,該研究成果于2010年12月通過國家科技成果鑒定,并獲得”一種地面成像光譜測量系統”發明專利授權。FISS系統已進行了大量野外與實驗室成像光譜測量試驗,并取得良好應用成果,獲得多家用戶單位的一致好評。方俊永科研團隊目前正致力于FISS系統的改善、短波紅外成像光譜儀、高集成度高分辨率的機載成像光譜儀的研制工作。
多項科研課題讓方俊永在科研道路上越走越寬,越走越快。2013年,方俊永參與了遙感地球所曹春香研究員課題組的“雙色紅外環境健康遙感診斷系統研發”項目,負責雙色紅外成像演示系統的研制。基于半導體所自主研發的中波/熱紅外雙波段探測器,他帶領團隊開發其探測器驅動、模數轉換、數字電路輸出、采集和存儲等功能,并與雙波段紅外鏡頭進行集成調試,形成雙波段紅外相機演示系統。雙色紅外系統的研制,創新性地基于國產芯片同時獲取中波和熱紅外影像,采用同一成像光路消除了傳統雙光路系統的參數不一致性,能夠為環境溫度反演、環境健康診斷等提供新型有效的遙感數據。
事必躬親的實干家
遙感傳感器的研發工作一直以來在遙感所就不算是主流科研的組成部分,從事遙感傳感器專業的科研人員并不多,方俊永屬于其中比較年輕的一位,再加上受研究生招生專業的影響,方俊永科研團隊中能夠輔助進行科研工作的硬件相關專業的研究生也十分匱乏。
在人員配備不是很合理的科研隊伍中,大多數情況下,有關遙感傳感器的總體設計、硬件開發等工作都是方俊永一肩挑,從總體的方案設計、結構設計、集成設計等大框架的布局,到組件的功能、接口、機加工圖紙等小細節的核查,都離不開方俊永詳實認真的工作。這些成就了方俊永嚴謹、細致和縝密的科學家風范。
新型遙感傳感器的研發離不開組件的調試、測試以及總體集成、試驗,特別是機載設備需要進行多次的飛行試驗,這些基本上都是在方俊永的主導下完成的。方俊永科研團隊研制的各種航空數字相機,已完成幾十個飛行架次的試驗和任務執行,飛行時間超過300小時,除極個別的架次外,方俊永都是親自在飛機上進行設備的操作和調試。
對于這些飛行試驗,方俊永解釋說,自己上飛機操作的主要原因是,因為進行一次飛行試驗,花費少則幾萬元,多則幾十萬元,而自己對研制的相機系統是最熟悉的,萬一出現問題,在飛機上是可以進行調試和補救的,不至于空飛一個架次。此外方俊永還表示,每次飛行試驗,都盡量讓更多的研究生參與進來,培養他們對航空飛行的認識以及熟悉設備的操作流程和規范。
談起這些飛行試驗,方俊永的思緒就又開拓了很多,他向記者介紹了一些他們試驗當中的幾大“最”。飛行高度最高是2005年10月獎狀Ⅱ型在9000m高度進行山東濟寧地區的遙感試驗,飛行高度最低是2008年7月-9月運12在300-500m高度進行青島奧帆賽區的滸苔應急監測,最南邊的飛行是2006年9月在珠海進行的數字石龍項目,最北邊最西邊的飛行是2005年7月在石河子進行的農場監測項目,一天當中飛行時間最長的是兩個架次飛行8個小時。說起這些時,方俊永略顯興奮和輕松,但記者知道,具體的試驗過程絕不像他說的這么簡單。
方俊永介紹說,目前常用于航空遙感的機型是運5和運12,運5俗稱是“空中拖拉機”,運12相比較而言各方面條件要好一些。運5飛行的時候噪音很大,如果不用專用的通訊耳機,就必須在耳邊大聲喊叫,對方才能聽清楚,或者干脆采用紙板書寫的方式進行溝通交流;此外,運5的震動顛簸也比較厲害,若再遇到那種悶熱天氣,沒有幾個能扛得住不嘔吐的。但正是在這樣的飛行條件下,方俊永的飛行小組還要對設備進行操作、調試,以保障設備的正常運行獲取高質量的航空遙感數據。
談起最驚險的飛行試驗,方俊永回憶起2008年5月的汶川地震應急監測那次。汶川地震牽動全中國人民的心,當時的中國科學院遙感應用研究所快速響應,成立了多種手段的抗震救災隊伍以實現科技救災的目標。方俊永所在小組是以李紫薇研究員為首的航空飛行團隊,攜帶MADCI型相機系統利用陸航團的米171直升機進行災區的災情監測。在汶川進行了三個航次的航空遙感飛行,獲取了地震災區上千幅全色和彩色的航空遙感影像。這些寶貴的數據經過快速緊急處理和信息提取后,僅在幾個小時后就提交到前線指揮部手中,為決策者的救災安排和合理調度提供了重要參考依據。最驚險的是2008年5月26日下午進行的最后一次飛行,沿岷江都江堰到理縣,包括震中汶川在內的地區進行了航空監測。而之后的兩天,同樣型號的直升機,幾乎同樣的航線,由于天氣狀況的影響,陸航團的直升機失事了,造成了巨大的損失。回想起這些,方俊永依然心有余悸,但這些擔心都無法阻擋科學家在國家的需求和工作使命的召喚下,依然堅定執行應急監測任務的步伐。
在項目實施的具體過程中,方俊永坦言,自己并不總是“設計師”的角色,并不僅僅只是寫報告、做PPT,大部分情況還是“工程師”,還要進行許多實際執行層面的工作。在方俊永看來,自身的學術修養、業務水平還沒有達到只做“導師”的地步,還有很多新型技術是需要學習和提高的,對科技前沿不能只是“道聽途說”,需要真正去實踐和掌握。
追逐遙感夢想
科研之旅,本身就是充滿著艱辛與寂寞,在黑暗中摸索的道路。隨著遙感地球所的機構調整,方俊永科研團隊將研究重點定位為低空遙感技術與應用。他們進行低空遙感關鍵技術攻關并形成工程樣機系統,對低空遙感平臺和載荷進行系統集成與成果轉化,形成遙感地球所的實用化低空遙感系統。針對新的發展目標,方俊永坦言壓力和阻力都挺大,但他堅信,只要專注、腳踏實地,做出具有實際效用的系統,終將實現既定目標。
關鍵詞:教學模式;啟發教學;問題牽引
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2017)02-0079-03
引言:
我國2010―2020年中長期發展規劃將“高分辨率對地觀測”列為16個重大專項之一,對遙感領域的創新人才具有迫切需求。“遙感圖像處理與解譯”課程是遙感科學領域發展較快的熱門基礎研究方向,具有多學科交叉的特點,是一門理論與實踐、原理與應用結合緊密的課程。
隨著科學技術的發展以及國家對遙感領域人才的需求發展,“遙感圖像處理與解譯”涉及的一些理論不斷完善和擴展,應用案例需要與目前遙感發展主流方向更新;此外,自1999年以來,我國高等教育開始向“大眾化”目標邁進,大眾化的高等教育質量得到廣泛的關注[1]。高等教學改革需求和該課程的特點,需要該課程的教學模式和教學方法不斷改革和創新。教學模式和教學方法的改革是當前高校教學改革的重點方向之一[2],而且,改革過程中必須加入新的教學理念[3],加入與人才需求相結合的基礎知識、專業知識、實踐能力等的鍛煉與培養環節。本文研究中開展啟發式課堂教學,從教學形式、教學資源、教學管理等方面開展課程教與學協同模式創新研究與實踐,提升教學質量;以問題牽引設計實踐教學環節,培養學生的科學研究與科技創新能力,為理工學科如何提升教學質量、培養學生實踐創新能力的教學模式提供有意義的借鑒。
一、啟發式的課堂教學,提升學生課堂參與度與知識掌握度
在教學過程中進行教學設計,充分發揮學生的主觀能動性和學生深度學習的潛力[4]。在課堂教學過程中,主要采用啟發式教學;課程改革后學生主要通過課程中心的課程資源進行主動學習基本理論、方法,課堂上主要進行重要知識點強化以及問題凝練、解答和主題討論。課堂教學模式主要包括:(1)充分利用網絡平臺與學生進行互動,并根據學生學習過程中的反饋進一步優化教學方法和教學模式;(2)充分利用多媒體和主題討論形式,深入淺出地以主題的形式講解主要理論知識的應用,并根據學生們主題討論的思路和知識運用情況,進一步優化教學設計;(3)充分利用科研成果,作為應用實例進行課題教學,進一步推動教學模式的延展與深入。在以上研究與實踐的基礎上,提升學生主動學習、批判學習的能力,同時能夠有效掌握相關理論知識和實際應用情況,提升學生的知識掌握度。如圖1所示。
1.結合學校網絡平臺。充分利用我校的課程中心的課程網絡平臺,結合與傳統教學的互補關系,研究課程“課堂教學-網絡互動”的教與學協同模式;我校的基于網絡平臺的課程中心能夠實現課程課內、課外資源共享,同時能夠與學生互動,該平臺為提升課程學生的參與度提供了有效的支撐。在教學過程中,將課題理論內容和應用內容延伸,在我校的課程網絡平臺以提問的形式和日常生活實例的形式啟發學生進一步閱讀文獻,進一步深入思考,并歸納總結提交網絡平臺,實現基于網絡平臺的啟發式教學,并針對學生反饋、問題凝練等在課堂上進行重點問題解答,提高學生主動思考和課堂互動的積極性,提升學生課堂理論知識和應用實例掌握度。例如,結合遙感系統誤差分析,給出遙感成像系統的成像質量評價如何評價?結合遙感數據處理方法,給出如何將所學的遙感圖像特征提取方法應用到植被生長狀況監測?等等。
2.多媒體和“圓桌”討論相結合。充分利用多媒體技術和“圓桌”教學討論手段,研究課程的“理論應用-實例互動”啟發激勵與交互教學的教與學協同模式;在教學過程中,課堂學生的積極參與到課程中,能夠提升學生對課程內容的理解和知識的掌握度,為了實現這一目標,將多媒體與以“圓桌”形式的主題討論相結合。結合在網絡平臺給出的主題,學生們課下查閱文獻、延伸閱讀,課堂上多媒體展示、分組討論;此外,課程的理論知識與工程實踐相結合、原理與應用實例相結合以多媒體課件的形式給出,并以“圓桌”形式的課程理論要點和應用案例進行討論、分析。通過以上兩種方式提升學生在課程中的參與度和知識掌握度。例如,給出主題討論的題目:“圖像處理濾波方法有哪些?請利用一種濾波方法進行遙感數據處理,并說明實現過程以及應用效果。”學生根據主題題目進行文獻與參考書的擴展閱讀,然后總結并利用多媒體進行展示,從而鍛煉學生文獻總結、知識歸納與綜合運用、語言表達等能力;然后以“圓桌”分組討論的形式結合主題和多媒體展示進行提問與討論,從而提升學生課堂的參與度以及對基本理論方法的深入理解與綜合運用能力。
3.科研成果應用案例。充分利用專家優勢資源與科研、工程研究成果,研究課程“課題教學-專題研討”的教與學協同模式。提升知識綜合應用的能力。以科研成果作為應用案例進行講解、討論,有助于學生能夠有效地掌握理論知識以及了解如何應用基本原理、基本方法等解決實際應用問題,理論應用內容則通過與科學研究、工程任務相結合的應用實例給出,并根據該學科技術發展不斷更新實例內容,將最新研究成果與學科動態融合進來,激發學生對專業與課程的興趣,掌握理論知識的應用領域,提高學生的主動性,提升學生將基本概念、基本理論和基本原理運用到實際的、復雜的具體情境中的能力。
例如,在課程教學過程中,利用礦產資源調查應用中的遙感數據進行礦物類型分類項目的科研成果作為應用案例,該應用案例主要包括從獲取的原始遙感影像進行輻射校正、幾何校正、圖像增強以及圖像分類等處理,涉及了課程講述的主要基本原理與技術方法,同時是利用在軌衛星數據進行處理,并綜合考慮載荷特性和應用需求,是科研成果與課程教學有機結合的典型的應用案例。這個過程不僅能夠有助于學生對科研過程有了解,而且有助于學生針對科研成果應用案例進行知識的綜合應用,提升對知識的理解深度和應用方法。
二、問題牽引的實踐教學,培養創新能力
結合課堂教學,開展實踐教學工作,使學生進一步鞏固理論知識,提升動手能力。目前,高校中的實踐教學多是觀摩或簡單的動手實踐,很少是從實際問題中提煉實踐內容[5],因此,本文研究過程中并課程在教學改革實踐中,分三個層次由淺入深地開展實踐環節,以實際科學問題為牽引設計實踐教學內容,或由學生提出問題設計實踐教學內容,深化學生對問題解決方式等的理解以及鼓勵學生對較為復雜、深層次的問題進行挖掘和嘗試解決,從而有效地培養學生的創新意識與創新能力。如圖2所示,主要包括基本技能實踐環節、課程設計實踐環節、科研訓練實踐環節等不同難易程度的三個層次,使學生具備將理論知識和專業知識應用到基礎研究和工程任務中的能力。
1.基本技能實踐環節。打破傳統教師設計實驗,學生簡單實現的實踐教學模式,以專題實驗與應用實驗的形式擴充實踐教學環節,充分調動學生積極性,避免了冗長、枯燥的課堂教學方式;開設大量的讀圖以及圖像應用等課程實驗環節,并在授課過程中不斷更新遙感圖像的類型與種類,根據學生反饋的問題和遙感相關專業的數據源更新,在滿足基本技能實驗目標的前提下及時更新和修正實踐教學內容與方法。
課程改革和實踐過程中,基本技能實踐環節進行讀圖的環節進行了最新高分辨率的國產衛星數據,主要包括我國資源一號02C數據和高分一號數據,進行目視判讀和基本的圖像讀取、顯示、統計特征計算等實踐。學生在應用最新圖像的過程中了解圖像特點、掌握遙感數據處理軟件基本操作、目視解譯基本方法等,并且能夠了解我國衛星發展趨勢以及我國高分辨率對地觀測重大專項的前沿成果以及對遙感相關領域人才的需求。
2.課程設計實踐環節。在基本技能掌握的基礎上,通過軟件操作、自主編程等方式開展課程設計實踐。實踐過程中只規定實驗目標與實驗內容,采用學生自主學習、自主創新的模式,學生根據實驗目標自主設計實驗,教師對學生完成實踐環節的過程進行輔導,確保實驗內容以及相關的學習內容順利完成。
課程設計實踐環節的實驗目標為掌握遙感圖像處理的基本原理和方法,實驗內容包括數據預處理、特征增強、數據分類。課程改革和實踐過程中,由原來的任課教師指定題目改革為由學生根據實驗目標和實驗內容進行自主設計實驗,自擬題目,遙感數據處理軟件二次開發或VS2010以上環境編程實現,在算法實現與編程調試過程中,學生能夠自主查閱相關文獻、更加主動地了解實驗內容,掌握遙感圖像處理算法開發過程,提升學生的遙感圖像處理能力。
3.科研訓練實踐環節。結合科研與工程實際應用,設計包括基礎實驗和自主設計實驗內容的綜合實驗,并與畢業設計相結合進行科研訓練,主要包括前沿性的綜合實驗訓練、設計與論文的綜合訓練等,對學生的學習能力、團隊合作能力、創新能力進行全方位培養。該類的科研訓練實踐環節在之前的教學中是沒有的,導致學生繼續深造后,基本的科研方法都不掌握;直接就業工作的同學知識體系不能適應實際工作。因此,基于上述問題,通過把實踐學習設置在復雜的實際工程實踐問題中,通過解決實際的科學研究中的技術問題,使學生學習隱匿于其中的基礎理論和科學知識,形成解決工程實際問題的技能,并培養自主學習、獨立科研的能力。
課程改革和實踐過程中,給出與遙感圖像處理相關的科研訓練實踐題目,學生需要自己查閱文獻,擬定需解決的關鍵問題以及設計技術方案,并且根據技術方案進行模型、算法開發,最后用實際的遙感圖像進行驗證分析,并撰寫相關論文,完成多媒體展示、軟硬件演示等。整個過程教師和助教以問題引導的方式進行輔導,加強學生自主設計、獨立科研能力的訓練,從而有效地提升學生解決科學問題和工程實踐問題的能力。
三、小結
“遙感圖像處理”課程之前主要以講授為主,實踐環節是傳統的操作實驗,學生課程參與度不高,且很難滿足目前對遙感相關專業學生解決實際問題能力的人才培養的需求。針對上述問題,開展了課程教學改革與實踐,在該過程中,利用網絡平臺、“圓桌”主題討論與多媒體展示結合、科研成果應用案例等形式開展啟發式的課堂教學,提升學生課堂參與度與知識掌握度;由學生根據實驗目標和實驗內容自主設計實驗,分基本技能實踐環節、課程設計實踐環節、科研訓練實踐環節等三個層次由淺入深地開展實踐環節,以實際科學問題、工程問題為牽引設計實踐教學目標與內容,充分發揮學生的主觀能動性,加強學生解決科學問題、工程問題的能力鍛煉與培養。通過課堂教學與實踐環節的教學改革,提升學生在課程中的主動權、主動性以及增強學生對遙感圖像領域前沿發展與問題的了解,培養學生解決復雜科學問題與工程問題的能力以及創新能力,滿足相關專業與領域的緊缺人才需求。
參考文獻:
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The Teaching Reform and Practice of "Remote Sensing Image Processing and Interpretation"
LI Na,ZHAO Hui-jie,ZHANG Ying
(School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)
關鍵詞:大類招生;地理信息科學專業;地方師范院校
21世紀初,北京大學啟動“元培計劃”,低年級實行大學通識基礎教育,高年級實行寬口徑專業教育[1]。此后,“寬口徑、厚基礎”成為我國高等教育改革和發展的新要求,2010年基本形成“大類招生,專業分流”的招生培養新模式。2020年,有115所“雙一流”建設高校不同程度地實施了大類招生與專業分流,占同類型高校數量(134所)的85.82%,其中含北京師范大學、華東師范大學、南京師范大學、陜西師范大學等8所師范院校[2]。大類招生改變傳統按特定專業的招生方式,一定程度避免了學生選擇專業的盲目性,使其獲得更多有機會深入認知各個專業,并根據自身興趣實現專業雙向選擇,有助于培養滿足社會需求的復合型、創新型人才[3]。師范院校地理專業主要承擔中小學地理教師培養和教學理論創新的任務,地理信息科學專業作為師范院校的非師范專業,既沿襲了地理學專業的自然地理、人文地理、經濟地理等教學內容,又涵蓋了軟件應用、程序設計、軟件開發等計算機專業的實踐教學體系[4]。與地理師范生的培養目標不同,地理信息科學專業以培養學生地學數據獲取、管理、應用、分析能力為主,能在生態、環保、規劃、教育等各個領域從事地理信息科學應用、研究、開發等的復合型科技人才[5]。大類招生背景下,地理科學師范生及地理信息科學非師范生以地理學一級學科統一招生,招生、專業分流、教學、就業等方面也隨之發生了一些變化,為專業發展帶來了新的機遇和挑戰。文章以重慶師范大學為研究對象,對比分析地方師范院校地理信息科學專業在大類招生前后的招生規模、生源、培養方案等方面的變化與發展,初探大類招生背景下地理信息科學專業發展所面臨的機遇和挑戰,為地方師范院校非師范專業發展模式的相關研究提供一定參考。
一、專業招生情況
據統計,截至2020年,全國有190個院校開設地理信息科學專業(表1),其中師范類院校50所,數量最多的三個省市有江蘇省(18所,師范5所)、河南省(13所,師范5所)和湖北省(12所,師范2所),主要集中在中東部地區。總的招生規模達8000~9000人,男女比例接近1∶1,文理科招生比例為1∶9。重慶師范大學自2003年至2019年招收地理信息專業學生,每年招生規模40人左右,2020年招生規模升至50人。2021年,重慶師范大學實施地理科學專業大類招生200人,地理信息科學專業招生規模進一步擴大到55人。生源主要來自14個省市,本著為地方培養人才的宗旨,生源配置以重慶市為主,招生人數141人,占比達71%,其余以四川省居多,占比15%。文理科招生比例為4∶6,明顯高于全國。
二、專業分流方案
專業分流是大類招生模式中重要的環節,學生經過一段時間的大類培養,按照一定的標準和規章制定選擇專業。分流方案是進行專業分流的前提和依據,主要有分流對象、分流依據、分流程序、分流時間等多個方面的內容[6]。地理學大類招生的學生分流專業以地理科學、地理信息科學、環境科學、城鄉規劃等為主,在校學習1~2年通識課程后,按照成績排名、志愿填報+成績排名等進行專業分流,部分師范類院校為了平衡各專業,從成績排名、志愿填報、教學實踐能力三方面綜合實施專業分流。重慶師范大學地理學專業按照地理學大類招生后,分流為地理科學、地理信息科學兩個專業,專業分流的基本原則包括:(1)學生志向與社會需求相結合的原則。鼓勵學生自主選擇專業,積極瞄準社會的人才需求,綜合考慮近期、遠期社會需求和學院的發展,合理進行專業分流。(2)公平、公開原則。專業分流工作執行成員負責領導和執行專業分流,監督成員負責分流工作的公平性和透明度。根據專業分流方案,確保每個學生的專業分流工作透明與公平。(3)各專業(方向)接收學生的人數要兼顧學科建設和未來發展需求。按照志愿填報結合績點排名的方式,在第一學年結束后,每名學生只有一次專業分流機會,分流以后不再進行轉專業設置,與國內其他高校分流方式基本相同。
三、教學改革
地理學大類招生的培養期望是地理科學教育方向學生從事教育工作,具備師德情懷高、教學能力強、育人效果好、發展后勁足等能力[7]。地理信息科學方向學生從應用、研究工作,具備動手能力強、領導中小型團隊、設計開發新產品和新系統等能力。教學中,需要優化師資團隊,調整課程設置,加強專業引導,合理科學安排分流前的通識、學科基礎教育和分流后的專業教育。
(一)優化師資團隊
優化教師資源配置,既要有扎實地理學功底的教師,又要有從事地理信息技術相關教學研究的教師。大類招生后,重慶師范大學地理學專業教師團隊進行了優化和調整,團隊成員共50人,學緣結構多樣,專業教師來自中國科學院、香港大學、北京師范大學、南京大學、中山大學、武漢大學等近20所國內外大學。學科背景涵蓋了地理學、生態學、林學、災害學、環境科學、信息科學等方面,地理學大類招生后,充分發揮多學科交叉特色和學科優勢,有助于教師團隊交流和共同學習,更有助于落實因材施教,培養高層次教育科研人才。
(二)教學模式
教學模式變革的目的是促進學生自主學習,關注學習效果和學生個人發展,從全程教師講授到學生參與的教學模式過渡,將導入法、舉例法和討論法等教學法相結合,加強實習實踐環節,加強地理學知識的感官認識。如開展地貌、地質、植物、水文、土壤等自然地理野外實習,并結合區域遙感圖像,深入了解遙感圖像如何記錄地物信息,開展植被、水系、農田等各類地物信息的光譜特征認識和遙感圖像地物識別等實踐。通過地理事件、現象導入課程內容,如滑坡、泥石流等地質災害發生的事件,討論區域特征及地質災害的誘發因素(地形、氣象、地質結構等),激勵學生逐步參與課堂討論,提升學生興趣,從而牢固掌握所學知識點。
(三)調整課程設置
不同類型院校的地理信息科學專業,培養目標不同,專業特色不同,所開設的課程也具有明顯差異。師范院校地理信息科學專業核心課程可分為地理學、遙感、地理信息系統、計算機、測繪等幾大類。其中,依托傳統地理學為基礎開設的地理信息科學專業,課程設置以地理類課程占比最高,如北京師范大學占比34%,華東師范大學占比54%,東北師范大學占比38%,其次是遙感或地理信息系統,北京師范大學遙感和地理信息系統占比均為22%,華東師范大學分別為17%和8%,東北師范大學分別為19%和24%。重慶師范大學地理信息科學專業依托地理與旅游學院,課程設置以地理類課程為主導,占比30%,其次是計算機類課程占比22%,遙感和地理信息系統類占比均為18%(見下圖)。大類招生后,將思政類通識必修課均放入第一學年。同時,加入學科基礎教育課程,如含自然地理、人文地理和經濟地理,地理信息系統概論、遙感概論、地圖學等。強化專業導論課程,讓學生深入認識專業,培養專業興趣,了解專業內涵特征,明晰專業如何服務社會經濟發展,便于后期學生結合自己的興趣選擇專業。
四、大類招生背景下面臨的機遇和挑戰
在大類招生與專業分流的教育改革背景下,突破專業單一培養的局限性,強化學科基礎,因材施教,分流培養。據各高校地理學專業分流調查情況看,部分高校經過1~2年的專業引導和專業導論課程的學習,學生都能較清晰地了解各分流專業,如陜西師范大學80%的學生非常了解分流專業,有25%的同學改變了最初專業選擇意向,多數學生選擇分流專業的依據為個人興趣、專業發展、就業方向及教師團隊等。經過學生志愿填報后,80%以上的學生對目前所學專業表示滿意[8]。而部分高校也存在一些問題,如學生對專業分流政策了解不夠,分流專業選擇意向不清晰,出現“一邊倒”的專業意向不均衡現象,學生未進入理想專業產生心理落差等[3]。同樣,在大類招生背景下的地方師范院校地理信息科學專業發展也面臨眾多機遇和挑戰。面臨的機遇表現在以下三個方面:(1)招生規模擴大,學生分數提高。大類招生之前,地理科學師范類是按照一類本科分數線招生,地理信息科學非師范類按照二類本科分數線招生。在重慶師范大學地理信息科學專業納入地理學大類招生后,全部學生按照一類本科招生,招生規模和生源成績較往年有明顯提升。(2)大學科、大專業的理念下,有利于各學科專業教師的交流學習,提升教師教學能力;有利于整合學科資源,促進地理學基礎和地理信息技術應用的交叉融合;也有利于培養學生對地理學的全面認識,構建綜合地理學知識體系。(3)遵從人才培養邏輯,全面服務學生發展,學生專業認知增強,學習興趣濃厚。專業分流過程中,學生全程參與,通過前期專業導論和各類專業宣講,學生對專業的知識構建,專業的未來發展及就業前景等方面有了深入了解,結合自身興趣的選擇專業,學生學習積極主動性高,學習動力足、投入時間多,參與教學、實踐等熱情高,教學效果好。面臨的挑戰包括:(1)學生對專業分流知曉度低,影響學生對錄取專業的滿意度。在分流前,大部分學校仍有近30%的學生對專業設置、分流程度、專業培養目標、課程設置及專業就業等方面了解不足,存在不理性填報專業的情況,錄取后,學生對專業認同度低。(2)地方師范類高校以培養地方教師為主要目標,而地理信息科學等非師范專業就業方向不明晰,易導致專業分流“一邊倒”。學生在報考地方師范院校的初衷是從事中小學教師工作,地理信息科學專業就業方向主要是面向區域、資源、環境、基礎設施和城市規劃等領域,從事與地理信息系統有關的應用研究、技術開發等工作。范圍寬泛,不能聚焦在某個行業或者領域,學生無法將所學專業與社會發展的行業需求相結合,導致就業信心不足,大批學生選擇地理科學專業。(3)學生個體差異大,自我認知存在偏差,多種因素影響專業選擇,如學生的興趣、學習和科研能力、專業就業形勢、專業教學實力、專業分流限制等因素對學生的專業選擇有不同程度的影響,導致專業分流之后部分學生對分流專業的承諾水平低,缺乏專業認同度,學習投入程度低,學習效果差。因此,在專業分流前,對學生進行分流政策的詳細解讀,階段性地進行地理信息科學的專業宣講;強化地理信息科學專業教師對學生專業引導,結合學生自身特征,明確就業方向;加強GIS和RS的實習實踐,通過觀察地理現象,分析地理環境,發現問題、分析問題、解決問題等實踐過程,提高專業自信心和認可度。
結語
文章以重慶師范大學為例,通過分析大類招生背景下,地方師范院校地理信息科學專業在招生、教學、課程設置等方面的變化,結合部分師范類院校大類招生的學生情況調查,淺談地方師范院校地理信息科學專業參與大類招生后面臨的機遇和挑戰。隨著大類招生與培養教育改革的進一步深化,立足本土,地方師范類院校調整招生模式,在適應變化的同時,積極探索適宜本校、本科專業教育發展的新模式。
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關鍵詞:微波遙感;教學;學生學習成果
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2014)45-0283-02
社會更需要“能力型”人才,從傳統知識教育向能力培養的轉變,已成國內外高等教育界的共識。以學生學習成果(Student Learning Outcomes,SLOs)為導向的教學模式[1],從以教師和教學為中心轉向以學生和學習為中心,更注重人才能力的培養[2],已在美國、歐盟及我國港澳臺地區取得了成功。隨著遙感科學與技術的發展,社會對遙感技術高技能人才的需求更迫切,對遙感專業課程教學的要求也更高。以《微波遙感》課程為例,社會對不同能力的遙感專業人才的需求差異,要求微波遙感教學必須考慮到學生的個性化專業能力定位。同時,雷達干涉測量和極化雷達等新技術的發展,急劇增加了《微波遙感》課程的知識內容。
為了更好地滿足不同層面的社會需求,順應遙感學科發展的要求,如何提高遙感專業教學質量、有效增強學生的專業能力,是當前遙感專業課程教學必須面對和亟待解決的一個重要問題。
因此,本文以《微波遙感》課程為例,針對遙感專業學生不同層次的能力需求,重構《微波遙感》課程的知識模塊,設計《微波遙感》課程的學習成果,并針對性選擇合適的教學手段,對以學生學習成果為導向的遙感專業課程教學模式進行探索和實踐。
一、《微波遙感》教學問題分析
面向遙感科學與技術專業本科生開設的《微波遙感》課程,通過教授微波遙感原理與系統、微波遙感圖像的特點及處理、微波遙感的最新發展及應用等內容,使學生掌握微波遙感的基本原理及其圖像處理的基本技能,為今后應用或進一步深造奠定基礎[3]。我校《微波遙感》課程為專業選修課,共40課時,于大三上學期開設。前一學期開設的先行課程《遙感原理與應用》中包含有微波遙感原理簡介的章節。
目前《微波遙感》課程教學的問題至少包括以下幾個方面。
1.新知識的更新快,雷達干涉測量和極化雷達等相關新技術的發展,急劇增加了課程內容。在這種情況下,如何優化并重構課程知識模塊是首先要解決的一個根本問題。
2.對不同層次能力需求和學生自身的特點和發展考慮較少。面向社會對遙感專業人才能力的需求,學生并不太清楚自己學習該課程后應該取得哪些具體、可測量的成果,隨之影響了學生學習的積極性和主動性。
3.教學方式的不夠靈活、合理,限制了教學效果的提升。實現和達到學生的最終課程學習成果,需要選擇合適的教學方法,面向不同能力層次、不同的教學內容,如何采用合適的教學方法也很重要。
二、《微波遙感》學習成果導向教學
SLOs是對學生特定學習期望的描述,本質上是一種預期的教學目標,即學生學習了具體課程后應該取得的哪些具體、可測量的成果[4]。這些成果主要包括知識與理解力、能力和實際技能,也包括自信心、毅力、領導才能等學生成長的其他方面。
針對當前《微波遙感》課程教學存在的問題,學習成果導向的《微波遙感》教學需解決課程知識模塊的優化與重構、不同層次課程SLOs的設計、教學方法與成果評價等問題。
1.課程知識模塊重構。由新技術的發展而急劇增加的《微波遙感》課程知識內容,使得在有限的課程教學時間內,避免與先行課程的內容重復,提升學生的有效學習時間,確保學生對新技術的學習時間與效果成為課程知識模塊重構的主要目的。
優化、重構《微波遙感》課程知識模塊包括兩個方面:①與其他課程的合理分工與有效協作:依據最新遙感專業培養方案,避免與先行課程中相關基礎知識的重復;②合理增加新技術教學內容:結合社會需求及遙感學科發展情況,增加雷達干涉測量和極化雷達測量等重要的前沿知識模塊。
課程內容模塊的組織,以雷達遙感為主,在微波遙感基本原理與方法內容的基礎上,重點擴展了雷達干涉測量和極化雷達信息處理兩方面的內容。優化重構后的課程內容由以下三大知識模塊構成:①微波遙感基本原理:包括微波遙感物理基礎、雷達遙感原理、雷達圖像的斑點噪聲、幾何特點及目視解譯、合成孔徑雷達系統及其發展等。重要知識點,如輻射傳輸理論、雷達方程、雷達散射截面、雷達側視成像原理等,按照雷達系統的發展過程,結合實際雷達圖像和應用實例串起這些抽象的概念和基礎知識。該模塊在《遙感原理與應用》中“微波遙感”內容的基礎上擴展,避免過度重復。②雷達干涉測量:包括雷達干涉測量原理、差分干涉測量原理、永久散射體干涉測量原理及應用等。其中雷達干涉測量原理是核心基礎,其重要處理步驟包括復數數據配置、干涉圖噪聲濾波和相位解纏。在此基礎上根據形變監測應用需求及存在的問題,結合應用案例,擴展差分干涉測量、永久散射體干涉測量知識以及相關最新研究進展。③極化雷達圖像處理:包括極化雷達基礎知識、目標散射特征、極化目標分解、極化圖像信息提取等。其中的相干斑濾除、極化目標分解、分類和極化干涉雷達等知識,可以與熟悉的光學遙感圖像處理中的預處理、目標特征提取、分類和信息融合等內容相對應,通過這種對比關聯來建立新的知識體系。
2.課程SLOs的設計。學生學習成果導向教學的關鍵在于學生學習成果的設計,即面向不同遙感專業人才能力的需求,學生通過《微波遙感》課程學習后,應該取得哪些具體、可測量的成果。
目前遙感專業人才可分為應用型、研究型等角色,應用型人才主要從事遙感數據的生產、處理等工作,而研究型人才大多從事基礎理論研究。面向不同遙感專業人才能力的需求,可以將遙感專業能力劃分為“解釋/討論”、“應用/操作”和“研究創新”三個層次。達到“解釋/討論”能力的學生應具備利用遙感原理知識分析、討論問題的能力;達到“應用/操作”能力的學生應具備利用相關軟件進行遙感圖像處理分析并解決實際應用問題的能力;達到“研究創新”能力的學生應具備提出創新思路解決現有遙感領域理論和應用問題的能力。
面向不同遙感專業人才能力的需求,通過“自頂而下”的過程設計《微波遙感》課程中各個層次的SLOs。具體包括:①《微波遙感》課程的總體SLOs:分別設計出不同專業能力所對應的SLOs,明確給出學習完《微波遙感》后學生能夠完成的具體成果。②課程中各知識模塊的SLOs:針對課程的基本原理、雷達干涉測量和極化雷達等知識模塊,具體設計相應的SLOs,見表1。③每一節課的SLOs:結合課堂教學安排,細化每一節課的SLOs,保證每一節課的教學質量。
3.課程教學方法與評價。所設計的課程SLOs需要通過具體的教學過程來實現,選擇合適的教學方式、方法及評價方式是實現SLOs的具體措施和保證。面向不同的遙感專業能力層次,綜合運用多媒體教學、設問討論教學、實踐教學、科研教學等多種方法進行教學。各能力層次對應的教學方式、教學方法和教學評價方式見表2。
針對“研究創新”能力層次,實踐研究型教學方法,結合與課程內容相關的產學研、大學生創新訓練項目等科研活動,進一步培養學生的研究創新能力,最終將三個能力層次對應的課堂討論、實踐操作和科研項目考核方式結合,對學生學習效果進行綜合評價。
三、結語
學習成果導向的遙感專業教學模式以成果為導向、以學生為中心,能很好地提升學生的遙感專業能力。面向遙感專業人才的不同能力需求設計的課程學習成果,使學生能夠根據自身興趣和發展方向選擇學習重點,有效調動了學生的積極性。知識模塊重構后,避免與先行課程內容重復,并確保新知識、新技術的教學時間與效果。面向不同能力層次的學生,有針對性地采用合適的教學方法能確保良好的教學效果。
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