王利花，路 鵬

(1. 成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610225； 2. 吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130026)

微波遙感是工作波長在1 mm～1 m的遙感技術(shù)，即用非接觸的手段獲取目標(biāo)信息的電磁技術(shù)，探測、接收被測物體在微波波段的電磁輻射和散射特性，以識別遠(yuǎn)距離目標(biāo)。微波遙感技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，與光學(xué)遙感(可見光、紅外、熱紅外)相比，具有全天候晝夜工作能力，可穿云透霧，不受氣象條件和太陽輻射影響，能夠提供不同于光學(xué)遙感的信息。隨著眾多搭載微波傳感器的衛(wèi)星發(fā)射和運(yùn)行，微波遙感憑借自身獨(dú)特的優(yōu)勢在海洋、大氣、陸地、冰雪和軍事等方面已有廣泛應(yīng)用[1-3]。

微波遙感技術(shù)的發(fā)展在一定程度上也得益于遙感教育的進(jìn)步，目前國內(nèi)已建成相對完善的本、碩、博學(xué)位遙感人才培養(yǎng)體系。眾多高校在遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和地理信息科學(xué)專業(yè)開設(shè)了“微波遙感”課程(以下簡稱“微波遙感”)，但在教學(xué)過程中還存在一些問題：①灌輸式教育。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，根據(jù)固定教材和教學(xué)大綱進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)，然后才考慮學(xué)生的需求。反映在課堂教學(xué)上，是在研究教而非學(xué)。因此，學(xué)生不免處于一種茫然被動的狀態(tài)。②教學(xué)內(nèi)容與微波遙感新技術(shù)的發(fā)展脫節(jié)。尤其是近10年，微波遙感發(fā)展迅猛，大量搭載微波傳感器的衛(wèi)星發(fā)射升空(Sentinel-1、HJ-1C、GF-3等)，新技術(shù)層出不窮。而教學(xué)內(nèi)容更新速度過慢，跟不上新技術(shù)的發(fā)展。③缺乏針對性的實(shí)踐訓(xùn)練，理論與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生思考能力和動手能力較差。綜上，微波遙感涉及復(fù)雜的理論基礎(chǔ)，難度較大的信號傳輸、接收和處理，但在對地觀測領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用。如何讓教師和學(xué)生互動，實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自我探索，在傳道授業(yè)解惑中最大限度地減少誤解和冗余，提高雙方的積極性和主動性，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長，是一個值得不斷探討和研究的課題。

據(jù)此，在分析“微波遙感”教學(xué)過程存在問題的基礎(chǔ)上，試圖從以下3個方面探索“微波遙感”教學(xué)方法改革和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系：①以教學(xué)大綱為主線，結(jié)合國內(nèi)外教材、專業(yè)期刊和學(xué)術(shù)會議等材料作為教學(xué)內(nèi)容；②多種教學(xué)方式并行，重點(diǎn)開展啟發(fā)式教學(xué)、研究性教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)；③借助課堂和課外作業(yè)鞏固微波遙感知識點(diǎn)。在教學(xué)的過程中，力求以學(xué)生為主體，將教師灌輸式學(xué)習(xí)或教師簡單提問改為引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題，加強(qiáng)學(xué)生對知識的理解、吸收和運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)傳道授業(yè)解惑和教學(xué)互長。

1 基礎(chǔ)理論教學(xué)

依據(jù)遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)方案，結(jié)合國內(nèi)外多種教材[4-7]的內(nèi)容編寫教學(xué)大綱。以教學(xué)大綱為主，精選對本學(xué)科基礎(chǔ)理論和技術(shù)形成發(fā)展具有重要意義的中文期刊(《遙感學(xué)報(bào)》《地理學(xué)報(bào)》《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》《武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)》等)、英文期刊(《Remote Sensing of Environment》《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》等)、國際會議文獻(xiàn)(IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium、Dragon Symposium等)和當(dāng)今熱點(diǎn)研究項(xiàng)目(http:∥www.esa.int、http:∥www.gsfc.nasa/gov/NASA_omepage.html、http:∥www.ccrs.nrcan.gc.ca/ccrs/homepge.html)等參考資料，構(gòu)建循序漸進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣的基本概論-核心理論-技術(shù)方法-實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系。學(xué)生要掌握相關(guān)知識內(nèi)容，不僅要在課堂上認(rèn)真聆聽，搭建知識體系，也必須在課堂外通過多種途徑查閱參考資料，深入學(xué)習(xí)，加深理解。

1.1 多種教學(xué)方式并行

教師運(yùn)用多媒體方法進(jìn)行“微波遙感”教學(xué)時(shí)，需對教學(xué)內(nèi)容爛熟于心，邏輯嚴(yán)密，條理清晰，將知識點(diǎn)劃分為一般內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)，進(jìn)行有針對性的教學(xué)方案設(shè)計(jì)，主要采用教師導(dǎo)航型教學(xué)模式[8]，輔以慕課、微助教和教學(xué)平臺等多種方式加強(qiáng)基礎(chǔ)理論教學(xué)，如圖1所示。

圖1 教師導(dǎo)航型教學(xué)模式

舉例如下：針對衛(wèi)星運(yùn)行軌道、姿態(tài)和掃描方式等，采用動畫技術(shù)展示ENVISAT ASAR右側(cè)視的升、降軌掃描方式，Radarsat SAR左側(cè)視和右側(cè)視對地觀測技術(shù)，啟發(fā)學(xué)生思考采用不同側(cè)視方向?qū)走_(dá)影像成像的影響；圖文并茂地展示SAR基本散射機(jī)制(如圖2所示)和地物表面粗糙度的影響因素。針對微波遙感在海洋領(lǐng)域的探測，首先采用三維立體動畫展示海水從底層到表層的運(yùn)動狀態(tài)，結(jié)合(準(zhǔn))同步SAR影像，揭示水下地形、海表動態(tài)是如何被SAR影像捕捉到，進(jìn)而分析海洋參數(shù)在SAR影像上的成像機(jī)理和理論，探討不同海洋現(xiàn)象的SAR影像特征，為微波遙感的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。針對微波遙感圖像處理部分，結(jié)合學(xué)生熟悉的光學(xué)遙感影像，對比講解SAR影像、微波輻射計(jì)影像的探測能力及特點(diǎn)，圖文并茂地展示微波遙感的獨(dú)特優(yōu)勢和典型應(yīng)用。

圖2 SAR基本散射機(jī)制

1.2 啟發(fā)式教學(xué)

在“微波遙感”教學(xué)中，筆者以問題為驅(qū)動，設(shè)計(jì)討論課，使每位學(xué)生都能參與其中，在參與中主動消化知識，深化理解并形成新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，如圖3所示。例如在講述典型地物或現(xiàn)象在不同微波波段、不同極化方式、不同入射角的遙感影像上展現(xiàn)不同的后向散射特性時(shí)，以不同類型地物或現(xiàn)象的SAR影像作為導(dǎo)入，如圖4所示，根據(jù)SAR影像的不同參數(shù)設(shè)置情境，引發(fā)學(xué)生思考SAR影像上地物或現(xiàn)象特征的原因，深化學(xué)生對SAR后向散射機(jī)制及理論的理解，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)新的理論知識。

圖3 教師啟發(fā)式教學(xué)模式

圖4 杭州灣ENVISAT ASAR影像

1.3 研究性教學(xué)

(1) 科研和教學(xué)相結(jié)合：教師的科研工作通常都是當(dāng)今國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，要將教師的科研服務(wù)于教學(xué)，發(fā)揮科研對教學(xué)的促進(jìn)作用[9-11]。筆者在教學(xué)過程中將SAR反演海表流場、SAR監(jiān)測水下地形及INSAR應(yīng)用于大城市地表沉降等科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生參與度高，課堂氣氛活躍，對理論知識的理解更深入，對理論應(yīng)用于實(shí)踐有更清晰的認(rèn)識。

(2) 課堂分享：每2學(xué)時(shí)利用5 min時(shí)間讓學(xué)生分享和微波遙感研究相關(guān)的當(dāng)今研究熱點(diǎn)，課堂上5 min的分享時(shí)間需要學(xué)生課下查閱一定量的文獻(xiàn)資料，并進(jìn)一步消化吸收轉(zhuǎn)化為自己的知識，制作PPT并在課堂上講解才能完成。該分享活動既鍛煉了學(xué)生自我學(xué)習(xí)、自我理解和自我總結(jié)的能力，同時(shí)又鍛煉了演講能力，實(shí)現(xiàn)了良好的互動，能夠產(chǎn)生知識的發(fā)散和傳遞效應(yīng)，使得其他同學(xué)在旁聽、參與中主動學(xué)習(xí)微波遙感理論和應(yīng)用，擴(kuò)大了知識面。

(3) 定期開展學(xué)術(shù)報(bào)告，組織“微波遙感”課題組的老師在“微波遙感”課程進(jìn)行過程中每月開展1次學(xué)術(shù)報(bào)告，主要涉及新發(fā)射的衛(wèi)星，搭載的新型傳感器，數(shù)據(jù)處理的新技術(shù)和方法，數(shù)據(jù)共享政策等最新微波遙感技術(shù)的發(fā)展，通過開展學(xué)術(shù)報(bào)告使學(xué)生能夠了解和跟蹤熱點(diǎn)問題、最新事件及微波遙感的應(yīng)用領(lǐng)域，使教學(xué)內(nèi)容能夠跟得上新技術(shù)的發(fā)展，具有前沿性。

2 實(shí)踐教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課堂理論效果的加強(qiáng)[12-16]。微波影像的下載、讀取、處理及應(yīng)用是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。實(shí)驗(yàn)教學(xué)要注重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的使用，選擇合適的微波遙感影像，基于微波遙感理論完成圖像預(yù)處理和具體應(yīng)用，使學(xué)生能夠?qū)W為所用。

2.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

根據(jù)“微波遙感”課程體系，結(jié)合微波遙感數(shù)據(jù)源信息和現(xiàn)有軟件及開發(fā)環(huán)境，構(gòu)建了8個專題實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)考慮基礎(chǔ)性和創(chuàng)新性?；A(chǔ)性項(xiàng)目主要涉及微波遙感數(shù)據(jù)的下載、讀取、圖像預(yù)處理及目視解譯，創(chuàng)新性項(xiàng)目突出微波遙感的新技術(shù)及應(yīng)用，主要包括基于SAR的水邊線信息提取，光學(xué)影像和SAR影像融合，極化SAR地物分類，INSAR干涉測量及SAR立體三維重建技術(shù)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成方式包括個人完成和分組通力合作完成。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

根據(jù)上述8個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，利用科研項(xiàng)目及遙感數(shù)據(jù)源開放平臺收集相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，建立了一批實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要是星載SAR影像，包括歐洲空間局的ERS-1/2、ENVISAT ASAR和Sentinel-1 SAR，加拿大的Radarsat-1/2 SAR，德國的TerraSAR，我國的HJ-1C SAR和GF-3 SAR等，涉及不同波段(C、L波段)、不同空間分辨率(百米級到米級)、不同極化方式(HH、VV、HV和VH)、不同入射角的遙感數(shù)據(jù)。

依據(jù)遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科培養(yǎng)方案編寫了“微波遙感”實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，每個項(xiàng)目均詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求、?shù)據(jù)、平臺和模塊，有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟、結(jié)果和分析。

2.3 實(shí)驗(yàn)課堂及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分發(fā)

實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)改傳統(tǒng)的教師演示，學(xué)生練習(xí)為啟發(fā)式的教學(xué)方式。圍繞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用教師、學(xué)生和小組相結(jié)合，貫穿到整個實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，主要通過教師引導(dǎo)、學(xué)生思考進(jìn)而實(shí)際動手操作解決問題的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生思考、分析和解決問題，通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告、小組討論和專題報(bào)告等形式檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)效果。

借助學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)存儲和教學(xué)平臺，將構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)材料進(jìn)行共享，方便學(xué)生下載學(xué)習(xí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。對于數(shù)據(jù)量較大的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，借助云盤等專用網(wǎng)絡(luò)共享軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分發(fā)。

3 教學(xué)評價(jià)

3.1 布置大作業(yè)，撰寫小論文

課堂作業(yè)主要通過微信公眾號-微助教完成，教師上傳習(xí)題，學(xué)生同步打開手機(jī)在線做題，迅速生成結(jié)果判斷對錯，方便教師快速查詢，決定是否再次講解對應(yīng)知識點(diǎn)。課后作業(yè)主要結(jié)合微波遙感。

教學(xué)實(shí)際中以基本教學(xué)模塊為單元，布置綜合性作業(yè)，比如闡述微波遙感在海表動力參數(shù)反演方面的研究進(jìn)展，要求學(xué)生在所學(xué)知識的基礎(chǔ)上，大量查閱相關(guān)文獻(xiàn)，以論文的形式完成作業(yè)。為了達(dá)到讓學(xué)生了解當(dāng)今國際研究前沿和英文專業(yè)詞匯，挑選有代表性的英文論文，要求學(xué)生翻譯，使得學(xué)生可以一方面了解研究進(jìn)展，另一方面學(xué)習(xí)專業(yè)詞匯的英文表達(dá)。

課堂和課外作業(yè)的實(shí)施，尤其是課外作業(yè)，既能培養(yǎng)學(xué)生對知識的理解，也能啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，使學(xué)生較早地掌握查閱文獻(xiàn)、撰寫論文、閱讀英文文獻(xiàn)的能力，可為未來畢業(yè)論文的撰寫提供基礎(chǔ)。

3.2 考核方式

考試不是目的，教學(xué)的最終目的是學(xué)生能夠?qū)虒W(xué)內(nèi)容主動消化、反思，在獨(dú)立解析中解構(gòu)打散，搭出自己的思維框架，進(jìn)而更好地掌握教學(xué)內(nèi)容。

改變傳統(tǒng)課程結(jié)束后閉卷考核的單一形式。將最終成績劃分為課堂作業(yè)成績、課后作業(yè)論文成績、課后作業(yè)文獻(xiàn)翻譯成績、課堂內(nèi)容分享成績，實(shí)驗(yàn)成績和閉卷成績，多角度考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和能力。閉卷考試重點(diǎn)考查學(xué)生對基本理論的理解程度，避免死記硬背的考查方式；加大主觀分析題內(nèi)容，提高學(xué)生思考、分析能力，達(dá)到解決問題的實(shí)際效果。同時(shí)，輔以各種遙感、GIS技能大賽，比如ESRI開發(fā)大賽、全國高校GIS技能大賽、“挑戰(zhàn)杯”和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，以加分?jǐn)?shù)作為鼓勵，引導(dǎo)學(xué)生參賽。

4 結(jié) 語

近幾年來，通過實(shí)行“微波遙感”課程教學(xué)改革，結(jié)合考核方式的轉(zhuǎn)變，在微波遙感應(yīng)用過程中提高了學(xué)生思考、分析和解決問題的能力，獲得了良好的教學(xué)效果，尤其體現(xiàn)在畢業(yè)論文的選題上，更多學(xué)生想從事微波遙感領(lǐng)域的探索和學(xué)習(xí)，并較好地完成了畢業(yè)論文，實(shí)現(xiàn)了微波遙感應(yīng)用于實(shí)際的對地觀測。

讓教師的科研服務(wù)于教學(xué)工作，定期開展學(xué)術(shù)報(bào)告，同時(shí)安排學(xué)生分享微波遙感的相關(guān)研究，通過4年的教學(xué)實(shí)踐運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)此種教學(xué)方式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生了解當(dāng)今國際研究前沿內(nèi)容，讓“微波遙感”課程和課堂更加具有生命力。