海洋遙感課程教學創(chuàng)新實踐探索

顏 鈺

[中國地質(zhì)大學(北京)海洋學院，北京，100083]

黨的十九大報告明確提出了“堅持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強國”的戰(zhàn)略布局，習近平總書記高度重視海洋強國建設(shè)，強調(diào)“建設(shè)海洋強國是實現(xiàn)中華民族偉大復興的重大戰(zhàn)略任務(wù)”[1]。2021年我國海洋生產(chǎn)總值達9.03萬億元，較2011年(4.55萬億元)增長了近一倍，占地區(qū)生產(chǎn)總值的比重達到8%，我國正朝著海洋經(jīng)濟強國邁進。[2]隨著海洋強國戰(zhàn)略的實施，近年來國內(nèi)高校海洋類專業(yè)建設(shè)呈井噴式發(fā)展，以培養(yǎng)海洋強國專業(yè)人才從而服務(wù)海洋強國建設(shè)。遙感科學與技術(shù)是支撐海洋科學發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，2022年9月，“遙感科學與技術(shù)”成為最新版《研究生教育學科專業(yè)目錄》交叉學科門類下新的一級學科，凸顯了遙感技術(shù)的重要性。海洋遙感具有監(jiān)測范圍廣、重復周期短、時空分辨率高等特點。[3]近年來，海洋遙感技術(shù)在海洋資源與環(huán)境、海洋災害監(jiān)測預警、海岸帶生態(tài)環(huán)境保護、海洋氣候變化、極地冰凍圈變化等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。[4]海洋遙感類課程的開設(shè)對培養(yǎng)海洋科學和遙感科學與技術(shù)學科交叉的復合型人才具有重要意義。然而，將遙感科學與技術(shù)簡單地引入海洋科學，缺乏海洋科學和遙感科學與技術(shù)兩個一級學科的系統(tǒng)性融合，難以高質(zhì)量、有針對性地培養(yǎng)具有海洋學科特色的專業(yè)人才，急需對海洋遙感課程教學進行創(chuàng)新實踐探索。

中國地質(zhì)大學(北京)(以下簡稱我校)是教育部與國家海洋局首批聯(lián)合共建的17所涉海院校之一，海洋學院構(gòu)建了海洋科學專業(yè)“本科—碩士—博士—博士后”完整的人才培養(yǎng)體系，海洋科學專業(yè)于2020年入選國家級一流本科專業(yè)。依托學?！暗刭|(zhì)學”與“地質(zhì)資源與地質(zhì)工程”雙一流學科，海洋學院近年來形成了以海洋地質(zhì)與資源為主要特色、以海洋科學研究和海洋專門人才培養(yǎng)為中心任務(wù)的課程培養(yǎng)體系。[5]海洋遙感技術(shù)與應(yīng)用課程(以下簡稱海洋遙感課程)是我校海洋科學、海洋資源與環(huán)境本科三年級的專業(yè)必修課。近年來，筆者一直從事海洋遙感一線教學科研工作，對海洋遙感課程教學改革進行了創(chuàng)新實踐探索。本文將從海洋遙感課程教學現(xiàn)狀與問題、教學內(nèi)容的優(yōu)化、教學方法創(chuàng)新實踐、教學評價革新四個方面進行探討。

一、海洋遙感課程教學現(xiàn)狀與問題

目前，國內(nèi)諸多涉海院校已開設(shè)海洋遙感本科生課程，屬于學位基礎(chǔ)課或?qū)W位專業(yè)課，講授海洋遙感原理及應(yīng)用等內(nèi)容。[6-7]傳統(tǒng)的海洋遙感課程教學更注重遙感原理等基礎(chǔ)知識的講授，而海洋遙感應(yīng)用部分則以教師進行多媒體展示為主。與此同時，傳統(tǒng)的教學過程以課堂和教師為中心，海洋遙感課程教學的經(jīng)典模式為“引出概念—公式推導—習題鞏固”。傳統(tǒng)的教學方式雖在一定程度上引導學生掌握了海洋遙感原理，但存在一些突出問題，主要包括以下幾方面。第一，海洋遙感是海洋科學和遙感技術(shù)與應(yīng)用結(jié)合的交叉學科，涉及知識點多，包括遙感原理、算法、傳感器參數(shù)、地物特征、海洋遙感應(yīng)用等諸多內(nèi)容。受課時限制，課堂教學如果未進行系統(tǒng)梳理，易造成每部分內(nèi)容教學都只是“蜻蜓點水”，學生很難對關(guān)鍵知識點理解透徹，學生也很難把握到課程重點。第二，課程開始部分就應(yīng)該進行大量的公式推導，學生對此具有畏難情緒，掩蓋了海洋遙感課程本身的魅力，使學生對該課程喪失興趣，造成學生后期學習積極性低，以致講授到海洋遙感應(yīng)用等實踐性較強的內(nèi)容時效果不佳。第三，傳統(tǒng)的海洋遙感應(yīng)用以教師使用演示文稿講解為主，結(jié)合相應(yīng)軟件操作截圖，學生課后參照操作手冊完成教師所提供的海洋遙感影像處理，填鴨式的教學方式可使學生初步掌握遙感軟件的操作，但忽略了每一步操作的實際意義，使得實踐性內(nèi)容難以內(nèi)化，難以有效調(diào)動學生的學習積極性和提升自主探索能力。第四，海洋遙感實踐過程長、模塊多、知識點多、方法多，學生難以參與整個實踐過程，教學效果不理想，學生未來也難以獨立完成海洋遙感類課題任務(wù)。

二、教學內(nèi)容的優(yōu)化

海洋遙感課程具有知識、能力、素質(zhì)三個教學目標。第一，知識目標。學生需掌握遙感的基礎(chǔ)理論知識，了解遙感經(jīng)典算法原理，系統(tǒng)構(gòu)建遙感原理知識體系；理解并掌握遙感技術(shù)的海洋學應(yīng)用方法，為利用遙感技術(shù)解決海洋科學問題奠定方法學基礎(chǔ)；掌握海洋遙感圖像處理基本方法，能借助常用軟件進行遙感數(shù)據(jù)的常規(guī)處理。第二，能力目標。通過系統(tǒng)構(gòu)建遙感原理知識體系，比較不同遙感數(shù)據(jù)處理方法的優(yōu)缺點，培養(yǎng)邏輯思維能力；通過海洋遙感圖像處理上機操作實踐，培養(yǎng)學生的動手能力；通過遙感應(yīng)用自主選題進行文獻閱讀，開展團隊小課題應(yīng)用研究，培養(yǎng)學生的知識遷移能力。第三，素質(zhì)目標。海洋遙感主要基于遙感技術(shù)解決海洋學問題，通過遙感基礎(chǔ)理論知識體系構(gòu)建、豐富的海洋學應(yīng)用引入、學生主導的課題研究，使學生能在我?！按蟮貙W”背景下結(jié)合所學所想，樹立應(yīng)用專業(yè)知識服務(wù)“海洋強國”國家戰(zhàn)略的意識。

圍繞知識、能力、素質(zhì)三大目標，筆者在海洋遙感課程中針對教學內(nèi)容進行了系列的實踐探索，主要包括以下幾部分內(nèi)容。第一，考慮到海洋科學、海洋資源與環(huán)境專業(yè)學生的遙感原理知識較為匱乏，使用4學時系統(tǒng)介紹遙感基本概念及理論，主要包括電磁波及地物波譜特征、電磁波—海水作用機制、典型地物類型(植被、水體、土壤等)的波譜特性差異，重點講解電磁波基礎(chǔ)知識和海水波譜特征等內(nèi)容。第二，使用2學時系統(tǒng)介紹遙感平臺，講解世界上主要的陸地衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星，尤其著重講解世界上主要的海洋衛(wèi)星及其所搭載傳感器波段數(shù)、星下地面像元分辨率、像元素、幅寬等重要參數(shù)，其中利用1學時重點介紹我國海洋衛(wèi)星的發(fā)展歷程，包括海洋水色衛(wèi)星系列、海洋動力環(huán)境衛(wèi)星系列、海洋環(huán)境綜合監(jiān)測衛(wèi)星系列建設(shè)“三部曲”。第三，為便于學生從理論公式遷移到遙感圖像，增加2學時介紹遙感傳感器成像原理及圖像特征，系統(tǒng)介紹遙感傳感器的類型、工作方式、信息記錄方式，重點講解攝影成像、掃描成像和微波遙感成像等原理，講授遙感圖像的幾何特征、物理特征和時間特征。第四，考慮到本門課程具有很強的應(yīng)用性，在以往僅2學時的遙感圖像處理基礎(chǔ)上，增加2學時的遙感圖像質(zhì)量改善內(nèi)容，結(jié)合海洋遙感實際應(yīng)用過程中的需求，系統(tǒng)講解遙感圖像輻射校正、幾何校正、去噪聲、影像增強等原理與方法，著重講解不同方法間的差異。第五，為提升學生的遙感專業(yè)技能，增加4學時的海洋遙感圖像信息解譯及制圖內(nèi)容，重點介紹圖像分割、二值圖像處理和對象提取、特征提取、特征選擇與特征組合等遙感圖像信息提取方法，講解訓練樣本選取和評價、遙感圖像分類、分類后處理及分類精度評價，結(jié)合案例講授海洋遙感制圖基本要求及流程。

通過對海洋遙感課程教學內(nèi)容的優(yōu)化，注重海洋科學和遙感科學與技術(shù)兩個學科的交叉融合，學生可以更好地進行該課程的系統(tǒng)性知識架構(gòu)，同時重點提升學生基于遙感技術(shù)解決海洋學問題的應(yīng)用能力。通過教學內(nèi)容的優(yōu)化和課時的合理安排，可將“填鴨式”的教學模式轉(zhuǎn)換為“知識—能力—素質(zhì)”三位一體的人才培養(yǎng)模式。

三、教學方法創(chuàng)新實踐

為調(diào)動學生學習海洋遙感課程的積極性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力與發(fā)散思維，結(jié)合應(yīng)用性強的教學內(nèi)容激發(fā)學生的主觀能動性，在對海洋遙感課程教學內(nèi)容進行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，筆者近年來對教學方法進行了創(chuàng)新實踐，具體包括以下四類方案。

(一)引入課題式教學模式

課題式教學可將“教—學—做”三者有機聯(lián)系在一起，與“知識—能力—素質(zhì)”三位一體的人才培養(yǎng)模式相匹配，相比填鴨式教學可大大提高教學效果。[8]該模式需要教師較深入地認識相關(guān)知識點，把握該領(lǐng)域的相關(guān)前沿進展。海洋遙感課程中引入一系列的課題式教學案例，極大地發(fā)揮了學生的主體作用，可培養(yǎng)學生的文獻搜集整理能力、發(fā)現(xiàn)問題能力、科研創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力等。

以海洋遙感應(yīng)用之海冰監(jiān)測為例，為了讓學生參與基于遙感數(shù)據(jù)反演海冰冰情信息的全流程，筆者在“海冰監(jiān)測”主題限定下，設(shè)置若干開放式實踐內(nèi)容，例如渤海海冰變化、波羅的海海冰變化、鄂霍次克海海冰變化、日本海海冰變化、北極海冰變化(白令海、楚科奇海、波弗特海、喀拉海等任選)、南極海冰變化(羅斯海、威德爾海、阿蒙森海等任選)。學生以5人為一組，每組完成一個實踐內(nèi)容。在該課題任務(wù)中，學生首先依據(jù)感興趣的研究區(qū)確定選題，其次查閱相關(guān)文獻，選擇適用于目標海域的典型遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品(如MODIS、GOCI、AVHRR、AMSR-E等)，確定后學會下載至少一種遙感數(shù)據(jù)，并進行海冰信息提取實驗方案設(shè)計，進一步選取適宜的冰情信息提取方法進行海冰遙感反演，通過所提取的冰情時空數(shù)據(jù)，比較分析目標海區(qū)海冰時空變化。小組間還可進一步比較空間差異，進行小組間互動討論，探討海冰時空異質(zhì)性。

上述課題式教學可以促使學生主動思考，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，讓學生全程參與海洋遙感數(shù)據(jù)處理，掌握數(shù)據(jù)流情況。學生可以將前期所學理論知識和上機操作實驗轉(zhuǎn)化為自身技能，極大地激發(fā)了學習興趣。

(二)提高學生的實踐動手能力

為培養(yǎng)學生成為具備現(xiàn)代海洋科學與技術(shù)的專業(yè)知識與專業(yè)技能的高級專門人才，海洋遙感課程改革的一個重點就是提高學生的實踐動手能力。實踐性教學是海洋遙感課程的重點，以往的教學中僅有4—6學時的實踐課程，結(jié)合前期教學內(nèi)容的優(yōu)化，應(yīng)提高實踐課程在整個海洋遙感課程中所占的比例，實踐課程學時應(yīng)占到總學時的30%—40%。在掌握遙感基礎(chǔ)理論知識的基礎(chǔ)上，增加實踐性教學內(nèi)容，借助常用遙感處理軟件(如ENVI、IDL)進行遙感圖像上機處理，加強學生處理海洋遙感圖像、分析處理實驗數(shù)據(jù)的能力。

實踐性教學內(nèi)容主要包括以下五部分內(nèi)容。第一，典型地物光譜測量野外實驗。教師對主要實驗步驟進行演示后，組織學生進行不同的物光譜特征實驗，學生分小組進行野外實驗設(shè)計，使用便攜式光譜儀、水體剖面光譜儀等儀器進行數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合學生自采的第一手數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，撰寫實驗報告。第二，常用遙感影像下載及基礎(chǔ)信息讀取。教師引導學生通過小組學習、自學方式了解常用遙感數(shù)據(jù)類型、下載方式，熟悉影像存儲讀取方式，讀取影像基本信息。第三，遙感圖像質(zhì)量改善實踐操作。教師引導學生根據(jù)前期所下載的不同傳感器遙感影像，提出擬采用的圖像輻射校正、幾何校正，遙感圖像去噪聲及圖像增強等圖像質(zhì)量改善方案，獨立完成圖像質(zhì)量改善上機操作并撰寫分析報告，以所選用實驗方案能有效改善圖像質(zhì)量作為評價標準。第四，海洋遙感圖像信息解譯及制圖實踐操作。在傳統(tǒng)的遙感影像提取方法(監(jiān)督或非監(jiān)督分類)基礎(chǔ)上，教師鼓勵學生采用近年來流行的機器學習等新方法，通過設(shè)定相關(guān)研究主題，引導學生組織團隊自主選擇研究課題，設(shè)計研究方案并開展實驗，培養(yǎng)學生在海洋遙感圖像信息提取過程中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。第五，國產(chǎn)海洋遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)專題應(yīng)用?；诤Ｑ笮l(wèi)星數(shù)據(jù)的典型應(yīng)用(如海岸線、赤潮、海冰監(jiān)測等)，教師采用專題形式，分小組提取一定時序的典型海洋要素，學習探討目標信息提取方法，初步分析數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

(三)提高學生的科技論文寫作能力

海洋科學專業(yè)本科生需具備利用各種方法和技術(shù)解決各類海洋學問題、開展海洋科學研究、撰寫本科生科技論文的能力。按照教學安排，學生需在第三學年完成生產(chǎn)實習，即需要跟隨本科生導師完成課題任務(wù)并撰寫生產(chǎn)實習科研報告，在第四學年需完成本科畢業(yè)論文內(nèi)容。筆者在評閱本科生畢業(yè)論文時發(fā)現(xiàn)，學生的論文寫作能力普遍較弱，在完整性、規(guī)范性、邏輯結(jié)構(gòu)存在著較大問題，這表明現(xiàn)階段本科生需進行系統(tǒng)的科技論文寫作訓練。海洋遙感課程在第三學年開設(shè)，課程教學過程中有諸多開放式的選題供學生選擇，并要求完成相應(yīng)課題的論文撰寫工作，這一過程中可以較好地訓練學生的科技論文寫作能力。海洋遙感課程要求學生結(jié)合所選課題完成課程論文，通過教師評閱和學生互評，對內(nèi)容完整性、格式規(guī)范性、選題合理性、結(jié)果科學性等幾方面進行評價，培養(yǎng)學生的文獻綜述、科學問題凝煉、科學語言表達、實驗結(jié)果分析總結(jié)等能力，促使學生通過本課程學習能對科技論文寫作有一定認識與提高。

(四)加強與涉海單位實踐合作，增強“海味”

我校位于首都北京，近海卻不靠海，受地域限制易造成海洋專業(yè)學生“海味”較淡的現(xiàn)象。海洋遙感課程現(xiàn)有的教學環(huán)節(jié)也全部在北京校區(qū)內(nèi)，也缺乏一定的“海味”。因此，我校積極與相關(guān)涉海單位共建實習實踐基地，加強學生野外調(diào)查實踐能力，增強海洋遙感課程的“海味”。2020年，我校與自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議；2021年，雙方成為自然資源部和教育部10個跨部委“科教融合”平臺之一。[9]海洋遙感課程可作為“科教融合”的切入點之一，借助青島海洋地質(zhì)研究所科考船、海洋觀測站，讓學生到海邊“真聽、真看、真感受”，利用海洋觀測儀器開展典型海洋要素采樣工作，調(diào)查分析區(qū)域海洋要素特征，處理實驗數(shù)據(jù)并撰寫野外實驗報告。與此同時，我校與國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，海洋遙感課程中的“中國海洋衛(wèi)星發(fā)展歷程”“中國海洋衛(wèi)星應(yīng)用”等內(nèi)容均可到衛(wèi)星中心進行實地學習，或邀請衛(wèi)星中心專家來校講學。

四、教學評價革新

傳統(tǒng)的本科生課程成績由期末考試(70%—80%)和平時成績(20%—30%)組成。在“知識—能力—素質(zhì)”三位一體的人才培養(yǎng)模式下，教學評價體系也應(yīng)相應(yīng)進行革新。鑒于海洋遙感課程既包含

大量的遙感原理知識，又包含諸多實踐性教學內(nèi)容，目前的教學評價體系無法全方位、全過程地對學生進行考核，因此，未來本課程的教學評價擬從以下兩方面進行革新。

一方面，按照本科生學位專業(yè)課程考核要求，期末考試占據(jù)教學評價主導，因此，期末考試成績設(shè)置占總成績的60%，考核方式以閉卷考試的形式進行。在此基礎(chǔ)上，可對期末閉卷考試試題進行適當?shù)母母铩Ｈ缫酝脑囶}突出對遙感原理知識把握的考核，改革后新增海洋遙感應(yīng)用類題目；同時，縮減遙感原理基礎(chǔ)知識部分分值，控制在50—60分(總分100分)，重點考核對海洋遙感關(guān)鍵要點的掌握情況，一定程度避免學生平時不認真上課、依賴期末突擊硬背的情況。此外，海洋遙感應(yīng)用類題目源于上機實踐、野外實驗、校外見習等學生參與過的內(nèi)容，知識點覆蓋面廣，具有一定普適性，重點考查學生對參與過的實踐課題的熟悉度與思考深度以及對其他組課題內(nèi)容的關(guān)注程度，從而避免小組學習只是組長在“負重前行”及其他組匯報“事不關(guān)己”的現(xiàn)象。

另一方面，突出基于遙感技術(shù)解決海洋學問題的過程中學生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力。除了上述期末考試成績占60%，課程實踐和平時表現(xiàn)則分別占比30%和10%。課程實踐部分占到30%，可很大程度提高學生對海洋遙感課程實踐的參與度，有助于學生發(fā)揮主觀能動性，參與自主學習和團隊學習。課程實踐采取論文撰寫及口頭報告兩種模式：論文撰寫主要考查學生的問題梳理、方案設(shè)計、分析數(shù)據(jù)、文字表述能力，口頭報告中則著重考查學生的知識理解、口頭交流、團隊合作能力。論文撰寫和口頭報告綜合考慮了學生的自主學習與團隊學習情況，使評價體系更全面。

五、結(jié)語

圍繞“加快建設(shè)海洋強國”的國家戰(zhàn)略目標，努力提升海洋科學專業(yè)教學科研水平，高質(zhì)量、有針對性地培養(yǎng)具有學科特色的專門人才，海洋科學專業(yè)教師對此責無旁貸。本研究結(jié)合海洋遙感課程的特點，開展了教學創(chuàng)新實踐探索，包括從教學內(nèi)容優(yōu)化、教學方法創(chuàng)新、教學評價革新等方面提出改革措施，加深了學生對遙感技術(shù)解決海洋學問題的理解，調(diào)動了學生參與海洋遙感應(yīng)用的主動性與積極性，這對達到培養(yǎng)“知識—能力—素質(zhì)”三位一體的海洋科學專門人才具有推動作用。