《遙感數(shù)字圖像處理》課程實踐教學(xué)改革與探索

徐永明，祝善友

（1. 南京信息工程大學(xué)遙感與測繪工程學(xué)院，江蘇 南京 210044）

近年來，以大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等為代表的信息技術(shù)促進了遙感技術(shù)的飛速發(fā)展。另外，國家近些年來在高校本科教育方面也非常重視，通過工程教育認(rèn)證、國家一流課程建設(shè)等一系列舉措積極推動教學(xué)改革與課程建設(shè)。新時代下，遙感專業(yè)課程尤其是實踐課程的改革與建設(shè)面臨新的機遇與挑戰(zhàn)。如何根據(jù)高等教育教學(xué)改革和遙感技術(shù)發(fā)展對《遙感數(shù)字圖像處理》課程實踐教學(xué)進行改革，值得關(guān)注和探索。本文針對《遙感數(shù)字圖像處理》實踐教學(xué)中存在的問題，在課程教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和考核方式等方面提出了改革建議，希望可以為該課程的實踐教學(xué)改革提供參考，并為遙感專業(yè)其他課程實踐教學(xué)提供借鑒[1-7]。

1 遙感數(shù)字圖像處理課程概況

遙感數(shù)字圖像處理課程是遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程，也是測繪工程、地理信息科學(xué)、自然地理與資源環(huán)境和地理空間信息工程等專業(yè)的必修課程。與其他遙感專業(yè)課程相比，《遙感數(shù)字圖像處理》的特色在于技術(shù)性和應(yīng)用性很強，非常重視實踐能力[8]。以筆者所在的南京信息工程大學(xué)遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)《遙感數(shù)字圖像處理》課程為例，該課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生全面了解數(shù)字圖像處理的基本概念，掌握其處理方法及應(yīng)用，培養(yǎng)和增強學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，提高實際動手能力和創(chuàng)新能力，為學(xué)生進一步學(xué)習(xí)其他遙感課程奠定基礎(chǔ)。

2 遙感數(shù)字圖像處理實踐教學(xué)中存在的問題

目前《遙感數(shù)字圖像處理》課程實踐教學(xué)主要存在以下問題：

1）實踐教學(xué)思政融合不足。為了加強大學(xué)生的思想政治教育，非思政類專業(yè)課程也要深入挖掘思想政治教育資源，充分發(fā)揮課堂教學(xué)在育人中的主渠道作用。但是在課程實踐教學(xué)過程中，思政教育元素融入得還不夠，不能很好地發(fā)揮實踐教學(xué)在價值引領(lǐng)方面的作用。

2）實踐教學(xué)內(nèi)容滯后。目前的遙感數(shù)字圖像處理課程實踐內(nèi)容比較傳統(tǒng)，沒有根據(jù)遙感技術(shù)的發(fā)展及時補充遙感圖像處理領(lǐng)域前沿技術(shù)，如新的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)、云計算以及人工智能等內(nèi)容。

3）實踐教學(xué)模式保守。遙感數(shù)字圖像處理實踐教學(xué)過程中大多采用教師演示、學(xué)生跟著做的傳統(tǒng)模式，學(xué)生僅僅作為被動的接受者，機械重復(fù)教師的操作。這樣的教學(xué)模式不利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考并解決遙感復(fù)雜工程問題的能力。

4）實踐考核方式單調(diào)。實踐考核主要依據(jù)學(xué)生實習(xí)出勤情況和學(xué)生提交的實習(xí)報告打分，評分缺乏有效的區(qū)分度，不能充分反映學(xué)生對于遙感數(shù)字圖像處理實踐技能的真正掌握情況，也不利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3 遙感數(shù)字圖像處理實踐教學(xué)改革建議

針對遙感數(shù)字圖像處理課程實踐教學(xué)中存在的問題，建議在以下幾個方面進行改革：

1）將思政元素融入實踐課程教學(xué)。在實踐教學(xué)過程中，結(jié)合具體實習(xí)內(nèi)容向?qū)W生講授我國在遙感衛(wèi)星、遙感軟件、遙感科學(xué)裝置等方面取得的突破性進展以及在環(huán)境監(jiān)測、國情普查等方面的應(yīng)用，增強學(xué)生的民族自豪感和自信心，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)分析問題的工程思維與嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀、價值觀與世界觀。

2）更新實踐課程內(nèi)容體系。在實踐總課時不變的情況下，對原有的遙感數(shù)字圖像處理實踐內(nèi)容進行梳理，適當(dāng)精簡和壓縮目前已不太重要的內(nèi)容，補充近年來的遙感圖像處理前沿及熱點內(nèi)容。需要精簡的內(nèi)容包括圖像增強、彩色變換、傳統(tǒng)的監(jiān)督與非監(jiān)督分類方法等內(nèi)容。需要補充的內(nèi)容包括新遙感傳感器數(shù)據(jù)、云計算、機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)等。近些年來，大量的遙感衛(wèi)星投入運行，如歐洲Sentinel 系列、我國高分系列衛(wèi)星等，不同的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)采用了不同的存儲格式，但是遙感數(shù)字圖像處理實踐課程中往往缺失遙感數(shù)據(jù)格式方面的內(nèi)容，大多直接基于Landsat數(shù)據(jù)開展教學(xué)。隨著遙感數(shù)據(jù)規(guī)模不斷增長，傳統(tǒng)的單機模式受限于硬件的性能，已經(jīng)不能對遙感大數(shù)據(jù)進行有效快捷的處理和分析。以Google Earth Engine為代表的遙感云計算平臺提供了性能計算資源，能夠?qū)Ａ窟b感數(shù)據(jù)進行實時訪問、處理和可視化分析，代表了未來遙感大數(shù)據(jù)處理的發(fā)展方向[9-10]，補充基于Google Earth Engine的圖像處理和應(yīng)用內(nèi)容能夠擴展學(xué)生這方面的知識和技能。機器學(xué)習(xí)在遙感圖像地物分類與識別等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢，但是實踐教學(xué)中仍然使用K均值分類法、最大似然法等傳統(tǒng)方法，而這些方法在實際工作中已很少被使用，需要在遙感圖像分類等實踐教學(xué)中引入以隨機森林、CNN等為代表的新分類算法。

3）強化案例教學(xué)。近些年來，我國高校正在積極開展工程教育專業(yè)認(rèn)證。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)明確提出要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[10-11]。傳統(tǒng)的遙感數(shù)字圖像處理課程實踐內(nèi)容側(cè)重與相關(guān)理論教學(xué)內(nèi)容的結(jié)合，通過配套實踐操作加深對理論知識的理解。但是這樣的模式割裂了實踐技能之間的聯(lián)系，不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)技能解決遙感復(fù)雜工程問題的能力。在基礎(chǔ)專項實踐之外，需要設(shè)計若干遙感綜合應(yīng)用案例，通過具體實例將遙感圖像處理各項操作有機組合在一起，提高學(xué)生運用所學(xué)實踐技能解決遙感復(fù)雜工程問題的能力。

4）以學(xué)生為中心。成果導(dǎo)向教育（OBE）理念的核心是以學(xué)生為中心[12]，這也是工程教育認(rèn)證的核心理念。在教學(xué)過程中要強調(diào)學(xué)生的主體位置，在實踐中首先提出需要探索的問題引導(dǎo)學(xué)生思考，鼓勵學(xué)生運用所學(xué)知識構(gòu)建解決方案，然后采用課堂討論、教師演示等方式開展實踐教學(xué)。通過這樣的方式，能夠調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生主動思考問題的意識和能力。

5）重視過程考核。針對不同的實踐內(nèi)容制訂面向?qū)嵺`教學(xué)全過程的多元化考核方式。對于演示性和驗證性實習(xí)如遙感圖像處理軟件介紹、遙感圖像幾何校正等內(nèi)容，采用以實踐課堂學(xué)習(xí)態(tài)度評分和課后實習(xí)報告評分相結(jié)合的方式進行考核，一方面能夠衡量學(xué)生在實踐教學(xué)過程中的表現(xiàn)，另一方面能夠反映學(xué)生在課后復(fù)習(xí)和完成作業(yè)過程中的表現(xiàn)。對于綜合性實習(xí)，如植被動態(tài)變化遙感監(jiān)測、土地覆蓋遙感制圖等內(nèi)容，采用以實踐課堂學(xué)習(xí)態(tài)度評分、課堂實習(xí)任務(wù)完成狀況評分和課后實習(xí)報告評分相結(jié)合的方式進行考核，相比于演示性和驗證性實習(xí)，綜合性實習(xí)考核增加了對學(xué)生在課堂上思考問題和解決問題能力的考察，能夠更有效地反映學(xué)生遙感數(shù)字圖像處理實踐能力。

4 結(jié) 語

在現(xiàn)階段工程教育認(rèn)證、一流課程建設(shè)等教學(xué)改革與遙感技術(shù)飛速發(fā)展的大背景下，遙感專業(yè)課程尤其是實踐課程建設(shè)面臨新的機遇與挑戰(zhàn)。遙感數(shù)字圖像處理是承上啟下的重要課程，具有很強的技術(shù)性，對于培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力與解決遙感復(fù)雜工程問題能力具有重要意義。本文在分析遙感技術(shù)發(fā)展以及遙感數(shù)字圖像處理課程實踐教學(xué)存在問題的基礎(chǔ)上，從教學(xué)思路、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、考核方式等方面提出了針對性的改革建議，以適應(yīng)新的形勢，更好地滿足時代發(fā)展對遙感專業(yè)人才的要求。