張欣佳 劉建忠 張寅寶

基金項目：本文系2022年鄭州大學教育改革研究與實踐項目“基于云教材建設思維的《遙感數(shù)字圖像處理》課程改革研究”（項目編號：2022ZZUJG257）研究成果之一。

作者簡介：張欣佳（1988—），女，博士，鄭州大學地球科學與技術(shù)學院講師，研究方向為地理信息科學；劉建忠（1964—），男，博士，鄭州大學地球科學與技術(shù)學院教授，研究方向為地理信息科學；張寅寶（1980—），男，碩士，鄭州大學地球科學與技術(shù)學院副教授，研究方向為地理信息科學。

摘? 要：遙感課程群是地理信息科學專業(yè)的主干內(nèi)容，“遙感數(shù)字圖像處理”更是其中最主要的專業(yè)核心課程之一。文章基于云教材建設思維對“遙感數(shù)字圖像處理”課程展開優(yōu)化，提出了相應改革方案，提高了前置與后置課程的銜接度、加強了課程與GIS專業(yè)契合度、進一步體現(xiàn)了地理科學學科特色。改革優(yōu)化后的課程能切實提升學生的學習、實踐以及探究能力，將為培養(yǎng)優(yōu)秀GIS本科專業(yè)人才做出重要貢獻。

關(guān)鍵詞：遙感數(shù)字圖像處；地理信息科學；課程優(yōu)化；云教材

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2024）14-0059-04

鄭州大學地理信息科學（GIS）本科專業(yè)開設于2001年，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前已成為學校地球科學與技術(shù)學院的核心本科專業(yè)。GIS是一門廣泛的交叉學科，按照《本科專業(yè)教學質(zhì)量國家標準》（以下簡稱“國標”）要求，GIS專業(yè)本科生需在掌握自然地理、人文地理和地理信息科學相關(guān)知識、理論、分析方法和應用技能的基礎(chǔ)上，進一步學習測繪、遙感、計算機等各類專業(yè)知識，靈活運用3S（GIS、GPS、RS）技術(shù)解決地理學相關(guān)問題。因此，GIS本科專業(yè)呈現(xiàn)出專業(yè)知識背景復雜、交叉學科特點突出的特征，而GIS本科培養(yǎng)方案中各課程間的銜接成為教學過程中最需要重點關(guān)注的問題。［1］

遙感是GIS本科專業(yè)的主干內(nèi)容，相關(guān)課程群在各院校GIS本科專業(yè)課程體系中均設置為專業(yè)必修課。而此類課程群中遙感影像處理相關(guān)內(nèi)容更是貫穿理論教學、實習實驗、分析應用等方方面面的重要組成部分。［2-4］

對國內(nèi)外各院校地理信息科學本科專業(yè)中遙感課程群，尤其是“遙感數(shù)字圖像處理”課程的設置現(xiàn)狀進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前許多院校受限于師資力量、專業(yè)結(jié)構(gòu)、歷史遺留問題等因素，在課程內(nèi)容設置方面普遍存在一定的問題。鄭州大學GIS專業(yè)過去20多年來在課程體系、課程設置、實踐教學及科學研究等方面有了長足發(fā)展，但也存在類似問題。［5-9］

近年來，隨著GIS本科專業(yè)在全國范圍內(nèi)的大量開設，GIS本科專業(yè)建設和本科生培養(yǎng)也面臨著更高的要求，而“遙感數(shù)字圖像處理”作為專業(yè)核心課程的改革迫在眉睫。如何有效解決教學實踐中遇到的相關(guān)問題，提升學生的學習效果是課程改革的核心。

一、“遙感數(shù)字圖像處理”課程存在的問題

（一）學時、課時不足

目前，我國大多數(shù)院校的地理信息科學本科專業(yè)在遙感相關(guān)課程方面配置的課時數(shù)普遍較少，大多僅開設一門“遙感技術(shù)/導論”，內(nèi)容上看似囊括了遙感原理、應用以及遙感數(shù)字圖像處理，但課時普遍偏少，大多內(nèi)容的講授淺嘗輒止。以鄭州大學地理信息科學專業(yè)為例，此前地理信息科學本科專業(yè)培養(yǎng)方案中“遙感技術(shù)”課程只有44課時（32理論+12實驗）。近兩年增加為52課時（40理論+12實驗），但相較于課程的理想教學目標，課時依然有所不足。還可能進一步導致理論和實踐教學無法平衡，學生對理論不清不楚，實踐不明不白，甚至連基本操作都成了問題。因此，地理信息科學專業(yè)本科生在遙感相關(guān)知識儲備和應用方面較之遙感、測繪等相關(guān)專業(yè)本科生有著極大劣勢。

（二）課程內(nèi)容失衡

部分院校的地信專業(yè)在“遙感技術(shù)/導論”課程的基礎(chǔ)上又增設了“遙感數(shù)字圖像處理”或“數(shù)字圖像處理”等課程?！斑b感數(shù)字圖像處理”課程內(nèi)容的設置應具有高度的交叉性和綜合性，充分發(fā)揮其地理信息科學專業(yè)整體培養(yǎng)體系中應有的作用，達到相應目標。學生應掌握遙感數(shù)字圖像的處理原理、方法，具備豐富的地理學知識，以便能夠?qū)⑵鋺糜谵r(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、氣象、海洋、交通等領(lǐng)域。但此類課程的具體課程內(nèi)容設置都普遍存在一定問題。

目前，地理信息科學本科專業(yè)開設“遙感數(shù)字圖像處理”課程較多，其主要教學內(nèi)容為遙感影像的具體案例處理以及ENVI等專用軟件的使用，整體與地理信息科學本科專業(yè)培養(yǎng)目標具有更高適配度。但目前從各院校所用教材和授課實際效果來看，普遍存在“重操作（非實踐）、輕原理”的問題。主要體現(xiàn)在對概念與算法原理不求甚解、照本宣科，甚至不做講解，僅針對具體案例進行操作教學，學生知其然不知其所以然等方面。之所以說是“重操作”而非“重實踐”，是因為課堂及教材所使用的案例均已預設固定條件，使用特定軟件進行處理，導致部分學生在脫離案例后，無法處理更復雜多變的實際問題。

“數(shù)字圖像處理”課程一般應設置“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”等前置課程，學習MATLAB等專業(yè)軟件。但地理信息科學本科專業(yè)普遍不具備設置類似前置課程的條件，因此進行高質(zhì)量教學難度較大。此外，雖然“數(shù)字圖像處理”課程的基礎(chǔ)理論和算法原理是學習遙感數(shù)字圖像處理知識的重要基石，但知識落地到具體應用方面，其側(cè)重點和研究方向都與地信和遙感專業(yè)需求有著較大差異，最直觀的后果就是現(xiàn)有“數(shù)字圖像處理”主流教材原理偏深而GIS專業(yè)相關(guān)內(nèi)容嚴重不足。

上述課程普遍僅針對圖像處理本身進行教學，不重視其所代表的實際地物的地理特征。而地理信息科學本科專業(yè)培養(yǎng)計劃中的自然地理、人文地理等課程專業(yè)基礎(chǔ)課程與遙感數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容出現(xiàn)了明顯脫節(jié)，而且學生本身對相應知識的儲備較少，這將進一步導致學生難以利用遙感影像解決實際問題。

總而言之，鄭州大學現(xiàn)有“遙感數(shù)字圖像處理”課程定位不夠明晰、內(nèi)容不夠豐富、實踐不夠深入，與GIS專業(yè)契合度不足，無法體現(xiàn)地理科學學科特色。本研究結(jié)合學院實際，以云教材建設為切入點對“遙感數(shù)字圖像處理”課程進行改革，旨在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

二、改革方法探索

“遙感數(shù)字圖像處理”課程內(nèi)容應同時兼顧基礎(chǔ)理論算法與地信專業(yè)具體內(nèi)容，平衡理論與實踐授課環(huán)節(jié)，另外還需要綜合培養(yǎng)學生的地理學認知。這就需要綜合遙感、數(shù)字圖像、地理學等多方面知識內(nèi)容，然而單一教材是不夠的?；谏鲜龈母镄枨螅平滩慕ㄔO思路將是非常行之有效的方式方法。

（一）云教材概況及優(yōu)勢

云教材是集成移動學習、富媒體數(shù)字出版和云服務三大領(lǐng)域的前沿技術(shù)，能夠提供數(shù)字教學資源與智能化教學形式。云教材配合云課堂將是信息化時代線下線上、課上課下教學與學習發(fā)展的重要形式和方向。［10-11］

1. 靈活的多源數(shù)字教學資源

云教材可以依據(jù)學習者情景化、動態(tài)化、形象化的學習需求，配合文本、圖片、音視頻等多種資源將傳統(tǒng)紙質(zhì)教材內(nèi)容重新進行富媒體編排設計和交互設計，形成豐富的數(shù)字資源。數(shù)字教學資源將課程內(nèi)容進行全新設計呈現(xiàn)，配合相應App，可在手機、平板等各種電子終端上進行使用，在教學與學習內(nèi)容、方式上都更加豐富與靈活。

將傳統(tǒng)紙質(zhì)教材轉(zhuǎn)換為形式豐富的數(shù)字教材資源后，云教材可以將這些資源進行自由調(diào)配與靈活組合以形成全新的教學資料，而不必編撰新教材。這使得教師可以按照本專業(yè)培養(yǎng)目標對相應課程進行“個性化定制”。

2. 智能化教學形式

云教材是集成多種智能功能的新型教學工具，其中嵌合了互動式教學模塊以及智能輔助學習工具等。在課堂上可以形成高效的課堂互動、課堂外可以對學生的任務完成情況進行智能追蹤與評價。配合云班課、雨課堂等其他智能教學方法，可以在教學實踐中貫通線上線下、課上課下，切實提升教學質(zhì)量。

（二）基于云教材建設思路的課程優(yōu)化方案

本研究以云教材建設思維為指導，從教學內(nèi)容與方法兩個方面對“遙感數(shù)字圖像處理”課程進行全面優(yōu)化。優(yōu)化后的課程加強了與遙感導論等前置課程的銜接，提高了與GIS專業(yè)的契合度，著重體現(xiàn)地理教學的學科特色。

1. 課程教學大綱優(yōu)化

教學大綱是開展高質(zhì)量本科教學的重要基礎(chǔ)。以前的教學大綱多是基于某一固定教材進行編撰，教學內(nèi)容往往受限于所選擇的教材。根據(jù)課程改革的目標，這種單一教材有著很大的不足。但如果需要擴充教學內(nèi)容，要么同時使用多本紙質(zhì)教材，要么教師自編教材，非常不方便。云教材可以提供靈活的手段將多方資源整合成一個整體，便于師生教學使用。因此教師可以拋開對自編教材的巨大工作量的顧慮，按照自己的教學目標靈活安排教學內(nèi)容。

理論部分：由于遙感影像隸屬于數(shù)字圖像，因此對數(shù)字圖像基本理論及算法原理的學習是必要的。但數(shù)字圖像處理領(lǐng)域內(nèi)容繁多，部分內(nèi)容與遙感以及地理信息科學契合度不高。本課程優(yōu)化是以地理科學為背景，以數(shù)字圖像處理為基礎(chǔ)，以遙感為主干，突出地理信息科學特色，形成了“遙感數(shù)字圖像處理”課程教學大綱的理論部分。

實踐部分：在近年來課時縮減的背景下，首先保障實踐教學的基本課時。在實踐方案設計中，本科階段的遙感影像處理多使用ENVI等專業(yè)軟件，采用經(jīng)典案例分析進行。但此類教學方式易使學生陷入不求甚解、機械應對的境地。因此課程實踐教學大綱要求學生除掌握ENVI相關(guān)操作外，還會使用Python或MATLAB等工具，通過算法深入理解概念原理。實踐教學主要形式為學生自主上機、完成課題、形成實驗報告。

表1? 教學大綱總體安排（部分）

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2. 課程教學內(nèi)容完善與深化

教學內(nèi)容的深化是基于優(yōu)化后的教學大綱完成的。

表2? 實踐部分教學安排（部分）

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首先對國內(nèi)外各院校所使用經(jīng)典教材進行調(diào)研與整理，如《遙感數(shù)字影像處理與地理特征提取》（錢樂祥編著，科學出版社出版）、《遙感數(shù)字圖像處理教程》（韋玉春等主編，科學出版社出版），以及國外知名教材，由岡薩雷斯等主編的《數(shù)字圖像處理》。

其次以優(yōu)化后的教學大綱為框架，將填充相應內(nèi)容，并進行數(shù)字化處理。利用云教材的富媒體特色功能（如多媒體素材、擴展鏈接、交互學習等）制作拓展教學資料，進一步豐富教學內(nèi)容。實踐部分的教學分為上機實驗和課外拓展兩部分。課外拓展部分將根據(jù)理論教學內(nèi)容，基于不同時間節(jié)點下的實踐教學任務要求與流程開展，達到與理論完美配合的目標。

最后依托云教材編輯器或其他電子書制作平臺完成教學資料的整體編制。同時教材制作與教學內(nèi)容優(yōu)化屬雙線并行，利用云教材制作上的靈活性隨時將教學實踐中的收獲運用于教學實踐中接受、檢驗、發(fā)現(xiàn)問題，依據(jù)實際教學反饋進行完善。

3. 課程教學方法多元化

目前各類智能教學方法眾多，各院校也鼓勵教師在實際教學中積極運用相關(guān)手段。而在課時縮減的背景下，智能教學方法的確可以充分利用課堂和課余時間，提升教學效果。方法雖好，但不可盲目亂用。一味堆砌新手段新方法將會舍本逐末，導致教學流于形式。因此，本研究立足傳統(tǒng)教學手段，結(jié)合雨課堂等線上課堂形式，形成高效互動機制，在課堂上充分發(fā)揮以學生為認知主體的作用，引導學生抽絲剝繭學習知識，而非單純地被動接受知識。充分利用課堂時間，提高教學效率；合理布置課余任務，鞏固加強課堂知識吸收，拓展知識廣度與深度；線上線下與課上課下緊密配合，綜合提升教學效果。切實提升學生的學習、實踐以及探究能力，有效提高課程教學效果，以實現(xiàn)課程教學目的。

三、結(jié)語

“遙感數(shù)字圖像處理”作為GIS本科專業(yè)的主干課程是高質(zhì)量GIS專業(yè)人才培養(yǎng)中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。本研究從課程本身和整體培養(yǎng)方案兩個層次出發(fā)，對現(xiàn)有“遙感數(shù)字圖像處理”課程的問題進行了剖析，并提出基于云教材建設思維的課程優(yōu)化方案。該方案從教學內(nèi)容與方法兩個方面進行，優(yōu)化后的課程加強了與遙感導論等前置課程的銜接，提高了與GIS專業(yè)的契合度，著重體現(xiàn)出地理科學的學科特色，為培養(yǎng)優(yōu)秀的GIS本科專業(yè)人才打下了堅實的基礎(chǔ)。

優(yōu)化后的教學大綱如表1和表2所示，在已有學時條件下進一步平衡了理論與實踐的授課學時比例，課程章節(jié)與遙感課程群銜接緊密且基本無重復、無斷層；與地理信息科學本科專業(yè)培養(yǎng)方案高度契合；體現(xiàn)了地理科學的學科特色，將自然地理、人文地理、地質(zhì)學、氣候?qū)W等相關(guān)知識與遙感影像解譯充分聯(lián)系起來，使學生更加深入理解遙感影像，靈活利用所學知識解決問題，在未來的競爭中擁有獨特優(yōu)勢。

參考文獻：

［1］ 盧艷，劉建忠，張寅寶. 高等院校創(chuàng)新人才培養(yǎng)中存在的問題與政策建議［J］. 教育現(xiàn)代化，2022，9（15）：17-20.

［2］ 楊樹文，孫建國，李軼鯤，等. 高校GIS專業(yè)遙感類課程教學模式改革研究［J］. 地理空間信息，2014，12（03）：167-168+10.

［3］ 張喜旺，劉劍鋒. 高校GIS專業(yè)遙感類課程教學改革探索［J］. 測繪與空間地理信息，2012，35（10）：10-12.

［4］ 馬明國，王雪梅，于文憑，等.遙感概論教學中的教學模式創(chuàng)新實踐探索［J］. 大學，2020（36）：53-54.

［5］ 張翀. “遙感地學應用”課程混合式教學模式探討［J］. 大學，2021（43）：61-63.

［6］ 鄧帆，何貞銘，魏薇，等. GIS專業(yè)遙感類課程體系建設與實踐［J］. 電腦知識與技術(shù)，2017，13（35）：186-187.

［7］ 吳鵬海，吳艷蘭，王杰，等. 新開GIS專業(yè)的遙感圖像處理課程教學探討［J］. 測繪與空間地理信息，2016，39（04）：4-7.

［8］ 劉春國，盧曉峰，馬超. GIS專業(yè)“遙感數(shù)字圖像處理”課程教學改革探索［J］. 中國電力教育，2012（10）：81-82.

［9］ 賀智. “雙萬計劃”背景下遙感圖像處理課程教學改革探討［J］. 教育現(xiàn)代化，2021，8（43）：52-56.

［10］ 李英輝，郝敏釵，邵英秀. 基于藍墨云班課和云教材的信息化教學改革［J］. 石家莊職業(yè)技術(shù)學院學報，2017，29（04）：60-65.

［11］ 李麗. 基于藍墨云班課和云教材的信息化教學改革對策［J］. 呂梁教育學院學報，2018，35（03）：114-116+124.

（責任編輯：邵秋露）