國產(chǎn)遙感軟件在混合式教學(xué)模式中的應(yīng)用

航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司 任芳

遙感圖像處理關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成為遙感產(chǎn)業(yè)敏感技術(shù)和“卡脖子”技術(shù)。在高校使用國產(chǎn)遙感軟件的學(xué)習(xí)、研究和應(yīng)用實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)掌握關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用型人才，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)遙感類課程學(xué)生解決實(shí)際問題和創(chuàng)新能力不足的問題，以及在線學(xué)習(xí)過程缺乏監(jiān)管、缺乏互動(dòng)等問題，提出“問題研究+翻轉(zhuǎn)課堂”混合式教學(xué)模式，從內(nèi)容和方法兩方面進(jìn)行了探索，為高校開展面向“理論與實(shí)踐”相結(jié)合課程的混合式教學(xué)模式改革提供參考。

2020年1月美國宣布采取措施限制人工智能類軟件出口，其中包括含圖像智能分析模塊的遙感和地理信息系統(tǒng)類軟件，預(yù)示了針對(duì)新興和基礎(chǔ)技術(shù)更大范圍的管制正式拉開帷幕。因此，“十四五”規(guī)劃對(duì)空間信息化技術(shù)提出了高要求，遙感技術(shù)的研究和應(yīng)用能力在國家信息安全、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面的重要性越來越突出。

在我國，隨著高分專項(xiàng)等重大戰(zhàn)略性工程的實(shí)施，國產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)日趨豐富。從長遠(yuǎn)角度考慮，為了讓這些寶貴的數(shù)據(jù)能夠充分發(fā)揮價(jià)值，高層次的遙感專業(yè)人才市場需求逐漸更大，全國高校要高度重視我國遙感學(xué)科建設(shè)和遙感應(yīng)用人才的培養(yǎng)，培養(yǎng)理論扎實(shí)，實(shí)踐能力強(qiáng)的復(fù)合型人才，需要高校遙感課程進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)要重視學(xué)生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)，加強(qiáng)遙感實(shí)踐訓(xùn)練，以保證學(xué)生能快速適應(yīng)遙感學(xué)科應(yīng)用快速發(fā)展的需要。而且遙感技術(shù)人才培養(yǎng)亟需主動(dòng)“融入”行業(yè)發(fā)展，主動(dòng)“擁抱”技術(shù)變革，加強(qiáng)遙感應(yīng)用與創(chuàng)新能力是遙感技術(shù)人才培養(yǎng)的必然趨勢。在國產(chǎn)化發(fā)展的趨勢下，改革教學(xué)實(shí)踐方式，引入國產(chǎn)數(shù)據(jù)和軟件，提高學(xué)生應(yīng)用國產(chǎn)數(shù)據(jù)和軟件的能力，培養(yǎng)國產(chǎn)化意識(shí)，并由此形成新的教學(xué)體系和教學(xué)案例庫，顯得非常重要和緊迫。因此本文主要對(duì)基于國產(chǎn)遙感軟件的混合式教學(xué)模式進(jìn)行探索，闡述如何充分利用線上教學(xué)優(yōu)勢，鞏固在線教學(xué)成果，并與傳統(tǒng)課堂深度融合，強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

1 遙感類課程教學(xué)的現(xiàn)狀與需求

目前，中國已有百余所高校設(shè)置了遙感相關(guān)專業(yè)，開設(shè)了遙感概論類課程以及行業(yè)應(yīng)用類課程等，并有很多高校增大了遙感類專業(yè)課程在專業(yè)中的比重，不僅傳授遙感基礎(chǔ)理論，而且強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

但是目前高校在遙感教學(xué)主要面臨以下困難和問題。

(1)教學(xué)理念和內(nèi)容重理論輕實(shí)踐，缺乏優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。傳統(tǒng)教學(xué)強(qiáng)調(diào)教師教了多少，忽視學(xué)生能學(xué)到多少。重理論輕實(shí)踐，導(dǎo)致學(xué)生會(huì)考試，但對(duì)遙感分析過程一知半解。因此，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例是課程改革的重要途徑和目標(biāo)，重點(diǎn)培養(yǎng)實(shí)踐能力和綜合分析問題能力。

(2)教學(xué)方案相對(duì)陳舊，脫離科技創(chuàng)新、應(yīng)用趨勢。近年來隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等IT技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)得到了跨越式發(fā)展，比如美國的Google Earth Engine和我國的PIE-Engine，集成了海量遙感數(shù)據(jù)在線、處理算法在線以及云上算力實(shí)時(shí)計(jì)算等能力，在科研與應(yīng)用已越來越廣泛。然而，目前大多數(shù)高校課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)所依托的仍主要是單機(jī)版教學(xué)軟件，與當(dāng)前的發(fā)展趨勢脫節(jié)嚴(yán)重，數(shù)據(jù)處理效率也嚴(yán)重打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，亟需針對(duì)性的引入云平臺(tái)作為教學(xué)實(shí)踐工具。

(3)教學(xué)內(nèi)容對(duì)國外遙感軟件和數(shù)據(jù)過度依賴。目前大多高校仍主要使用國外遙感軟件，而對(duì)國產(chǎn)遙感數(shù)據(jù)與軟件的使用相對(duì)不足，將嚴(yán)重制約國產(chǎn)遙感應(yīng)用業(yè)化生態(tài)圈的建立與可持續(xù)發(fā)展。國外軟件雖然經(jīng)過多年發(fā)展較為成熟，但在信息安全和服務(wù)保障方面存在重大隱患。而且學(xué)生很少接觸國產(chǎn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和軟件，會(huì)造成學(xué)校育人與企業(yè)要人的需求斷層。

(4)教學(xué)方法單一，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣。目前課堂教學(xué)大多數(shù)為“老師講、學(xué)生聽”的狀態(tài)，基本上都是滿堂灌的授課形式，教學(xué)過程缺少有效互動(dòng)，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣。從教學(xué)育人階段，國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)及軟件也沒有得到基本的扶持與培育。因此，推進(jìn)高校遙感技術(shù)學(xué)科的教學(xué)改革，提高學(xué)生遙感技術(shù)的應(yīng)用能力，讓教師、學(xué)生掌握國產(chǎn)遙感軟件和數(shù)據(jù)的應(yīng)用，顯得非常重要和緊迫。

2 國產(chǎn)遙感處理軟件的研制進(jìn)展

隨著遙感衛(wèi)星的發(fā)展，國產(chǎn)遙感圖像處理軟件實(shí)現(xiàn)了從萌芽期、追趕期到自主創(chuàng)新期的發(fā)展。1972—2000年為萌芽期，國內(nèi)遙感應(yīng)用市場基本上被國外遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和軟件壟斷。2001—2010年為追趕期，陸續(xù)出現(xiàn)Titan Image、PIE等國內(nèi)遙感軟件。2011年至今為自主創(chuàng)新期，國家重大戰(zhàn)略性工程推動(dòng)了國產(chǎn)遙感衛(wèi)星自主創(chuàng)新性發(fā)展[1]。

面對(duì)高速發(fā)展的應(yīng)用需求，航天宏圖發(fā)布了PIE遙感圖像處理軟件6.0版本，產(chǎn)品體系覆蓋了光學(xué)、SAR、高光譜、無人機(jī)等多源載荷影像的全流程處理，產(chǎn)品形態(tài)上不僅有桌面軟件和集群軟件，還有PIEEngine遙感云服務(wù)平臺(tái)[2]。PIE系列軟件提供了遙感數(shù)據(jù)處理、分析應(yīng)用、云計(jì)算及二次開發(fā)的完整體系，基本功能已經(jīng)與國外軟件相當(dāng)，部分處理國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的能力已經(jīng)優(yōu)于國外軟件。航天宏圖基于PIE積極構(gòu)建新型教育實(shí)踐模式，已在上百所高校進(jìn)行PIE軟件的使用培訓(xùn)達(dá)5萬多人次，并出版了PIE系列課程教材，積累了豐富的培訓(xùn)課程資源。因此，在課程教學(xué)中使用國產(chǎn)遙感軟件和數(shù)據(jù)的條件已經(jīng)具備。

3 基于國產(chǎn)軟件的混合式教學(xué)模式探索

完善的課程資源、有效的教學(xué)手段是一流課程的重要保障。遙感類課程是一門理論到實(shí)踐到創(chuàng)新發(fā)展的課程，存在課程內(nèi)容多課時(shí)少、實(shí)踐少、課堂學(xué)習(xí)深度不夠，學(xué)生難以充分消化吸收等問題。在線教學(xué)存在過程缺乏監(jiān)管、自主學(xué)習(xí)有效性不足等問題，需要進(jìn)一步從內(nèi)容和方法上研究在線教學(xué)的設(shè)計(jì)模式等，以保證有效組織線上活動(dòng)、提高學(xué)習(xí)效果。

3.1 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

以《遙感數(shù)字圖像處理》課程為例，該課程通常是“測繪工程”“遙感科學(xué)與技術(shù)”等本科專業(yè)的必修課，同時(shí)也是導(dǎo)航工程等本科專業(yè)的選修課，涉及全國上千所高校[3]。教學(xué)內(nèi)容主要包括基本原理、圖像增強(qiáng)、輻射校正、幾何校正、圖像濾波、圖像分類、信息提取等內(nèi)容，涉及應(yīng)用型案例及大數(shù)據(jù)計(jì)算等新技術(shù)新方法非常少。

因此在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要合理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，重組教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)過程中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代遙感行業(yè)發(fā)展新技術(shù)，在保持課程體系完整的前提下，對(duì)當(dāng)前較少使用的技術(shù)與方法從教學(xué)內(nèi)容中刪減，增加新的技術(shù)與方法。(1)可通過國產(chǎn)軟件PIE結(jié)合國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理能力與行業(yè)解決方案，使學(xué)生了解我國遙感應(yīng)用的發(fā)展方向，還可培養(yǎng)學(xué)生民族自豪感，加入“課程思政”元素，達(dá)到既教書又育人的立德樹人目標(biāo)。(2)遙感云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和平臺(tái)的出現(xiàn)為海量遙感數(shù)據(jù)處理和分析提供了前所未有的機(jī)遇，并改變了傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)處理和分析的模式[4]。為了解決高校難以獲取多源遙感數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)機(jī)房難以支撐空間大數(shù)據(jù)計(jì)算等問題，將PIE-Engine云平臺(tái)教學(xué)內(nèi)容引入教學(xué)也是迫切需要的。其次需要構(gòu)建真實(shí)的遙感應(yīng)用案例庫，促進(jìn)理論知識(shí)的理解。“灌輸式”的教學(xué)不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性的思維，會(huì)一定程度上扼殺學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在課堂教學(xué)中需要積極引進(jìn)真實(shí)的應(yīng)用實(shí)例，讓學(xué)生體會(huì)到遙感技術(shù)方法如何在實(shí)際應(yīng)用中解決問題和發(fā)揮重要作用，深刻認(rèn)識(shí)到本專業(yè)的發(fā)展前景和重要性。

3.2 教學(xué)方法設(shè)計(jì)

在教學(xué)材料準(zhǔn)備和教學(xué)內(nèi)容準(zhǔn)備等環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建“問題研究+翻轉(zhuǎn)課堂”混合式教學(xué)模式，逐步形成以“問題”為中心、以“學(xué)生”為中心、以“合作”為中心的教學(xué)特點(diǎn)。

首先完善線上教學(xué)資源，包括課程大綱設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)資料、討論資料、前沿拓展資源等。學(xué)生提前線上學(xué)習(xí)后，對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)有一定的掌握，面授老師就進(jìn)行教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)、延伸問題的講解，組織小組討論，重點(diǎn)答疑解惑并進(jìn)行實(shí)例分析，逐步形成以學(xué)生為主體，教師為引導(dǎo)的課堂教學(xué)模式。

遙感類課程應(yīng)用實(shí)踐性較強(qiáng)，需要學(xué)生了解理論并能夠熟練地運(yùn)用主流RS/GIS軟件來解決實(shí)際應(yīng)用問題。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)，大部分學(xué)生按照操作指導(dǎo)書機(jī)械地操作，未積極地思考背后的原理和意義，真正解決問題的能力不強(qiáng)?！皢栴}研究+翻轉(zhuǎn)課堂”的模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生為主體進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作解決問題?？梢酝ㄟ^老師針對(duì)知識(shí)點(diǎn)給布置的實(shí)踐課題方向，或者結(jié)合老師研究方向和課題參與老師課題中，學(xué)生組內(nèi)成員進(jìn)行任務(wù)分工和合作，從查閱文獻(xiàn)和材料，收集與整理數(shù)據(jù)，到交流討論確定技術(shù)路線，數(shù)據(jù)處理與分析報(bào)告編寫，制作演示文檔進(jìn)行集中演講，互相提問或點(diǎn)評(píng)。培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)相互配合、互相支持的團(tuán)隊(duì)精神。通過此教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生積極的參與項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、調(diào)研、執(zhí)行、總結(jié)等各個(gè)環(huán)節(jié)中，可以讓學(xué)生能更好地掌握實(shí)驗(yàn)方法和流程，鞏固和拓展課堂內(nèi)容，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際應(yīng)用問題的能力。

4 結(jié)語

針對(duì)遙感類課程傳統(tǒng)線下教學(xué)中以老師為中心，難以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題和創(chuàng)新能力不足的問題，以及在線學(xué)習(xí)過程缺乏監(jiān)管、缺乏情景課堂教學(xué)互動(dòng)等問題，提出基于“問題研究+翻轉(zhuǎn)課堂”的混合式教學(xué)模式，從課程內(nèi)容和教學(xué)方法等方面進(jìn)行了探索，在教學(xué)內(nèi)容方面增加應(yīng)用型案例及云計(jì)算等新技術(shù)新方法；在教學(xué)方法方面，形成以“問題”為中心、以“學(xué)生”為中心、以“合作”為中心的教學(xué)方式。充分結(jié)合線上與線下教學(xué)優(yōu)勢，并將此模式應(yīng)用到成都理工大學(xué)等高校的“高光譜遙感”“遙感概論”等校企合作課程共建項(xiàng)目中，針對(duì)性的豐富與完善教學(xué)內(nèi)容和方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了混合式教學(xué)的合理性和有效性。