何 玲,張 利

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源學(xué)院，河北 保定 071000)

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“遙感概論”實(shí)驗(yàn)課程多層次教學(xué)方法改革探索

何 玲,張 利

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源學(xué)院，河北 保定 071000)

“遙感概論”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是掌握該課程的重要環(huán)節(jié)。通過對理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的介紹，提出將多層次教學(xué)法作為實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法改革的重要舉措。多層次教學(xué)提出知識(shí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)(初級)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)(中級)和綜合研究型實(shí)驗(yàn)(高級)，針對不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、學(xué)生情況和學(xué)時(shí)開展不同層次教學(xué)。經(jīng)過2年實(shí)施驗(yàn)證，多層次教學(xué)取得了較好的效果，并由河北農(nóng)業(yè)大學(xué)本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案和“遙感概論”課程規(guī)范提供實(shí)施保障。

“遙感概論”課程；知識(shí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)；任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)；綜合研究型實(shí)驗(yàn)

DOI號：10.13320/j.cnki.jauhe.2017.0070

遙感是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，與現(xiàn)代物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)和數(shù)學(xué)密切相關(guān)。遙感技術(shù)作為識(shí)別地表要素類型與分布、采集地球數(shù)據(jù)信息的一種強(qiáng)有力工具，已成為資源調(diào)查、區(qū)域規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域必備的有效研究手段，因此隨著社會(huì)對遙感人才需求的日益增加，我國高等院校地球科學(xué)相關(guān)專業(yè)基本都增設(shè)了遙感課程。遙感在我國高等院?？蒲蓄I(lǐng)域側(cè)重于應(yīng)用研究，注重遙感技術(shù)在土地、水資源、植被等要素研究[1,2]；遙感教學(xué)則包括講授和上機(jī)實(shí)驗(yàn)，講授主要包括相關(guān)原理和技術(shù)方法體系，實(shí)驗(yàn)主要是各種圖像處理技術(shù)方法的實(shí)際運(yùn)用。目前各高校實(shí)驗(yàn)課程多數(shù)仍以教師講授為主，學(xué)生主要進(jìn)行知識(shí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，不同成績、學(xué)習(xí)興趣的學(xué)生遙感實(shí)驗(yàn)操作技能差別不大[1,3,4]。

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源學(xué)院開設(shè)的“遙感概論”實(shí)驗(yàn)課程目前也僅局限于采用傳統(tǒng)操作演示方法對基本操作進(jìn)行講解。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生拓展能力，國土資源學(xué)院在2016版專業(yè)人才培養(yǎng)方案和課程規(guī)范中對該課程進(jìn)行了修改與完善，力求為社會(huì)培養(yǎng)出更優(yōu)秀的遙感專業(yè)人才。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

“遙感概論”是河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源學(xué)院自然地理與資源環(huán)境、土地資源管理、環(huán)境科學(xué)、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境等專業(yè)開設(shè)的專業(yè)教育課程，課程詳細(xì)介紹了遙感的基本概念、電磁輻射與地物波譜、遙感成像原理、遙感圖像特征、遙感圖像處理、遙感目視解譯與計(jì)算機(jī)解譯、遙感應(yīng)用和3S技術(shù)綜合應(yīng)用等方面的內(nèi)容，反映了現(xiàn)代遙感技術(shù)的最新成果與應(yīng)用內(nèi)容[5]。

“遙感概論”實(shí)驗(yàn)課程(以下簡稱“遙感”課程)緊密結(jié)合當(dāng)今遙感數(shù)據(jù)、遙感設(shè)備、計(jì)算機(jī)圖像處理軟件等最新現(xiàn)狀與技術(shù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括4部分，即ENVI軟件簡介及圖像視窗操作、遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與圖像預(yù)處理、遙感圖像增強(qiáng)與數(shù)據(jù)復(fù)合、遙感圖像計(jì)算機(jī)分類。實(shí)驗(yàn)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握專業(yè)軟件操作基本技能，增強(qiáng)圖像處理技能，加深對遙感基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)一步應(yīng)用的認(rèn)識(shí)與理解，為學(xué)習(xí)專業(yè)課程、從事專業(yè)技術(shù)工作和進(jìn)行科學(xué)研究打下基礎(chǔ)[6,7]。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

(一)多層次教學(xué)方法設(shè)置

實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要有3種層次：知識(shí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)和綜合研究型實(shí)驗(yàn)。知識(shí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是指學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行獨(dú)立操作，通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析來驗(yàn)證新知識(shí)，同時(shí)訓(xùn)練操作技能的實(shí)驗(yàn)；任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)是將所學(xué)知識(shí)內(nèi)容隱含在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生分析、討論任務(wù)，明確問題，通過實(shí)驗(yàn)過程和教師指導(dǎo)找到問題的解決方法，完成實(shí)驗(yàn)并提高自主探究及解決問題的能力[8-10]；綜合研究型實(shí)驗(yàn)是在驗(yàn)證型和驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生結(jié)合科研課題，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?dú)立分解任務(wù)，獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，自行操作全部實(shí)驗(yàn)流程的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[10-12]。

針對“遙感”課程的特點(diǎn)，我院該課程由上述3種層次共同構(gòu)成：掌握基本操作技能實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采用初級層次，即知識(shí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)；在掌握基本操作技能基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生操作基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)興趣，教師布置不同難度教學(xué)任務(wù)，學(xué)生以小組形式完成，提高學(xué)生的初步應(yīng)用能力，此環(huán)節(jié)采用中級教學(xué)層次，即任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)；為拓展學(xué)生的科研能力，設(shè)置高層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即綜合研究型實(shí)驗(yàn)，該環(huán)節(jié)利用實(shí)驗(yàn)課程最后8課時(shí)，讓學(xué)生參與教師科研課題，由學(xué)生獨(dú)立確定研究方法、技術(shù)路線，完成研究報(bào)告。

(二)初級層次——知識(shí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)設(shè)置

傳統(tǒng)的“遙感”實(shí)驗(yàn)課程以知識(shí)驗(yàn)證型為主，遙感實(shí)驗(yàn)采用“教師演示，學(xué)生練習(xí)”的形式，教師全程示范操作，學(xué)生按部就班模仿，學(xué)生對教師和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材高度依賴，抑制了學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，不利于學(xué)生差異化學(xué)習(xí)[7,8]。另外，實(shí)驗(yàn)考核以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容較一致，少有梯度差異，很難準(zhǔn)確、合理量化實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量，學(xué)生上機(jī)操作能力難以全面考核。

根據(jù)“遙感”實(shí)驗(yàn)課的課程性質(zhì)，全部否定知識(shí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)并不科學(xué)。實(shí)驗(yàn)課程前期講授專業(yè)軟件操作，在學(xué)生對軟件完全陌生的情況下，教師演示學(xué)生練習(xí)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)使學(xué)生最短時(shí)間內(nèi)掌握軟件基本操作的途徑，教師可以把各軟件模塊功能、操作技巧通過示范傳授給學(xué)生，如進(jìn)行幾何校正時(shí)控制點(diǎn)的布局和精度的確定，學(xué)生通過教師演示，能選擇出精準(zhǔn)的位置及坐標(biāo)，否則學(xué)生很難理解教科書上的精度描述。

但是實(shí)驗(yàn)課程全部為知識(shí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不足以具備獨(dú)立處理遙感影像圖件的能力，可以安排4次知識(shí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)(每次試驗(yàn)2～4課時(shí))用于學(xué)生掌握基本操作技能，其他課時(shí)安排任務(wù)驅(qū)動(dòng)式綜合型實(shí)驗(yàn)和差異化研究型實(shí)驗(yàn)。

(三)中級層次——任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)設(shè)置

任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生具備基本操作技能，即在完成知識(shí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，為學(xué)生布置任務(wù)，以學(xué)生為中心，教師為輔助完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在“遙感”實(shí)驗(yàn)課程上，學(xué)生掌握ENVI軟件基本操作后，教師可布置從遙感影像獲取、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、圖像預(yù)處理、圖像增強(qiáng)到遙感影像分類的全部工作，根據(jù)任務(wù)要求賦予不同精度要求，由學(xué)生個(gè)人獨(dú)立完成。

“遙感”課程是以地理學(xué)、物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)的新興交叉學(xué)科，教師在任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)之前，根據(jù)對學(xué)生高中和大學(xué)期間掌握的地理、物理和計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)的調(diào)查，將學(xué)生分成A、B和C組，分別布置不同難度的實(shí)習(xí)任務(wù)：A組學(xué)生以上3門課程基礎(chǔ)較好，對“遙感”課程及遙感影像解譯有濃厚的興趣；B組學(xué)生3門課程成績一般，對“遙感”課程興趣一般；C組學(xué)生3門課程成績較差，對“遙感”課程學(xué)習(xí)興趣較低。

針對3組學(xué)生的實(shí)際情況，布置不同難度的個(gè)人實(shí)習(xí)任務(wù)(見表1)：A組學(xué)生自主選取一期面積不低于1 000公頃和地類不低于6種的研究區(qū)域、遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源及其荷載參數(shù)，影像提取方法要求選擇專家分類法(見圖1)，安排2～4次實(shí)驗(yàn)(每次試驗(yàn)4課時(shí))，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理、圖像增強(qiáng)和遙感圖像監(jiān)督分類任務(wù)分解及處理，各處理精度要求不低于0.8；B組學(xué)生自主選取一期面積不低于800公頃和地類不低于5種的研究區(qū)域，影像提取方法要求使用監(jiān)督分類法(見圖2)，安排2～4次任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)，各處理精度要求不低于0.75；C組學(xué)生自主選取一期面積不低于500公頃和地類不低于4種的研究區(qū)域，影像提取方法要求使用監(jiān)督分類法，安排2～4次任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)，各處理精度要求不低于0.7。3組實(shí)驗(yàn)成績均根據(jù)任務(wù)完成總用時(shí)、總精度和Kappa系數(shù)評定。在任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生通過自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，完成不同難度任務(wù)，既鞏固完善了基本操作技能，又在各自基礎(chǔ)上提高競爭能力。

表1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)分組實(shí)習(xí)要求

圖1 專家分類流程圖

圖2 監(jiān)督分類流程圖

(四)高級層次——綜合研究型實(shí)驗(yàn)設(shè)置

教師在綜合研究型實(shí)驗(yàn)中，引導(dǎo)學(xué)生參與科研課題，學(xué)生根據(jù)課題研究目的、研究內(nèi)容及成果要求設(shè)計(jì)研究技術(shù)路線。實(shí)驗(yàn)過程可能涉及除地理學(xué)、物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)以外的專業(yè)知識(shí)，學(xué)生綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)及多種信息集成技術(shù)，在深刻理解科研課題的基礎(chǔ)上，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并撰寫完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、研究報(bào)告及制作遙感影像地圖，全部過程安排2～4次實(shí)驗(yàn)(每次試驗(yàn)4課時(shí))。

“遙感”課程的綜合研究型實(shí)驗(yàn)課程主要讓學(xué)生在任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行兩期土地利用類型變化檢測、集成計(jì)算和遙感制圖處理，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析地類演變驅(qū)動(dòng)因素，完成研究報(bào)告。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)以項(xiàng)目小組為單位開展，每個(gè)項(xiàng)目小組由任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)中的2名A組成員、2名B組成員和2名C組成員組成，小組內(nèi)自行進(jìn)行分工，主要由A組成員推動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，B組和C組成員輔助實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度、分工排名及任務(wù)貢獻(xiàn)給予成績。各項(xiàng)目小組可應(yīng)用不同地類變化監(jiān)測方法、不同數(shù)據(jù)集成方法分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中遇到的難題小組與老師共同討論探求解決方法，最終完成課題研究。研究成果以報(bào)告和PPT形式體現(xiàn)，由小組推選學(xué)生進(jìn)行課題研究成果匯報(bào)，匯報(bào)中詳細(xì)講解研究方法、技術(shù)路線、遇到的問題及解決方案。教師根據(jù)所有小組研究成果，匯總各地類變化監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)集成方法優(yōu)缺點(diǎn)，有助于學(xué)生深入理解各方法的特點(diǎn)，拓展科研能力，為教師和學(xué)生今后的研究提供有效參考。

三、多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施效果與保障

(一)多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施效果

當(dāng)前的“遙感”課程教學(xué)計(jì)劃僅有16學(xué)時(shí)，僅能實(shí)現(xiàn)由單一的初級層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)向初級和中級結(jié)合教學(xué)的轉(zhuǎn)變。2015年之前16學(xué)時(shí)的課程全部為初級層次，即知識(shí)驗(yàn)證型，4項(xiàng)實(shí)驗(yàn)各4學(xué)時(shí)；2015―2016學(xué)年、2016―2017學(xué)年增設(shè)中級層次，即任務(wù)驅(qū)動(dòng)型，增設(shè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有所調(diào)整(見表2)。經(jīng)過兩屆共105名學(xué)生的教學(xué)效果調(diào)查發(fā)現(xiàn)，74名學(xué)生支持增設(shè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，愿意完成不同難度的學(xué)習(xí)任務(wù)；51名學(xué)生有強(qiáng)烈的意愿進(jìn)入A組，選取難度系數(shù)最高的圖像解譯任務(wù)；46名學(xué)生所在小組能獨(dú)立解決試驗(yàn)中遇到的困難，完成實(shí)驗(yàn)。教學(xué)過程中，仍有31名學(xué)生不愿完成驅(qū)動(dòng)任務(wù)，學(xué)習(xí)積極性不高，這部分學(xué)生安排進(jìn)入C組，分配難度較低的實(shí)驗(yàn)，C組全部學(xué)生能在教師輔助情況下完成教學(xué)任務(wù)，基本操作技能的熟練程度較2015年之前的學(xué)生有所增加。通過增設(shè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性有一定提升，動(dòng)手能力明顯增強(qiáng)，分析問題和解決問題的專業(yè)拓展能力也有較大提高。高級層次——綜合研究型實(shí)驗(yàn)由于課時(shí)原因，目前尚未實(shí)施，擬通過河北農(nóng)業(yè)大學(xué)2016年本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案進(jìn)行課時(shí)調(diào)整并開展實(shí)施。

(二)多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施保障

針對我校自然地理與資源環(huán)境專業(yè)、土地資源管理專業(yè)、環(huán)境科學(xué)專業(yè)和農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)的本科生開展不同層次、不同形式實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程(見表2)。其中，“遙感”課程在環(huán)境科學(xué)、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)的本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案中為專業(yè)拓展課程，在自然地理與資源環(huán)境、土地資源管理專業(yè)中為專業(yè)教育課程(專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)核心課)，根據(jù)課程性質(zhì)不同，專業(yè)拓展課中的“遙感”課程開展知識(shí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)，對綜合研究型實(shí)驗(yàn)不作要求，計(jì)劃課時(shí)為16學(xué)時(shí)；專業(yè)教育課程中的“遙感”課程開展全部層次的實(shí)驗(yàn)，計(jì)劃課時(shí)為24學(xué)時(shí)，通過專業(yè)平臺(tái)老師集體論證、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案、“遙感”課程規(guī)范的定制保障實(shí)施。

表2 不同專業(yè)“遙感實(shí)驗(yàn)”課程學(xué)時(shí)安排 學(xué)時(shí)

四、結(jié)語

“遙感概論”是一門技術(shù)性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)教育課程，立足于社會(huì)發(fā)展對遙感實(shí)踐操作技能的需求，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法需要多元化和規(guī)范化并進(jìn)，經(jīng)過多年的探索，“遙感”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法日趨合理，學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的目的更加明確，通過多層次教學(xué)提高了學(xué)生自我分析問題和解決問題的能力，也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)“遙感”課程的積極性，從而提高了課程教學(xué)效果。通過近兩年實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的實(shí)施，部分專業(yè)拓展能力強(qiáng)的學(xué)生參與了教師科研課題，完成了河北省黃驊市鹽堿地變化遙感監(jiān)測、河北省13縣市未利用地開發(fā)利用情況遙感監(jiān)測、河北省部分縣市土地利用類型變化遙感監(jiān)測等，學(xué)生綜合分析能力和實(shí)際操作水平有了很大提高。在今后的教學(xué)過程中，教師會(huì)進(jìn)一步分析總結(jié)現(xiàn)行教學(xué)方法的不足，多與其他學(xué)?！斑b感”課程教師討論，探求改進(jìn)意見，以期為社會(huì)培養(yǎng)出更優(yōu)秀的專業(yè)人才。

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(編輯：楊建肖)

2016-12-23

何 玲(1980-)，女，河北保定人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橥恋厣鷳B(tài)、土地資源持續(xù)利用。

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