［摘 要］ “問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)”（PBL）是一種以復(fù)雜問題為中心，在小組成員自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上互相合作，為解決復(fù)雜問題這一目標共同努力的教學(xué)模式。針對當前“海洋遙感”教學(xué)重理論輕實踐、國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和軟件應(yīng)用不足等問題，以實踐案例設(shè)計和編制為牽引，采用PBL問題導(dǎo)向模式，圍繞一個典型的海洋要素反演案例，探討從遙感數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)解譯分析到專題產(chǎn)品輸出的一體化實踐課程設(shè)計方法，形成發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、延伸問題的自主式與探索式學(xué)習(xí)新思路，為提高學(xué)生海洋遙感實踐能力奠定基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］ 實踐教學(xué)；PBL；海洋遙感；案例設(shè)計

［基金項目］ 2022年度河海大學(xué)本科實踐教學(xué)改革項目“基于PBL模式的海洋遙感實踐教案設(shè)計”（河海教務(wù)〔2022〕29號）

［作者簡介］ 康彥彥（1984—），女，河北石家莊人，博士，河海大學(xué)海洋學(xué)院副教授，主要從事海岸帶遙感研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）21-0117-04 ［收稿日期］ 2023-05-06

引言

21世紀是海洋的世紀，建設(shè)海洋強國是實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重大戰(zhàn)略任務(wù)。遙感（remote sensing）以大面積同步、低成本、全天候、高時空分辨率等優(yōu)勢，成為海洋觀測的重要技術(shù)手段。目前，我國已建立以海洋水色衛(wèi)星、動力環(huán)境衛(wèi)星、海洋監(jiān)視監(jiān)測衛(wèi)星三大類為主的海洋遙感衛(wèi)星體系［1］。海洋遙感（ocean remote sensing）是利用各類傳感器對海洋及海岸帶進行遠距離非接觸觀測，以獲取海洋景觀和海洋要素的圖像或數(shù)據(jù)資料。海洋遙感相關(guān)課程已成為高校海洋科學(xué)、海洋技術(shù)等專業(yè)開設(shè)的核心基礎(chǔ)課程［2］，為培養(yǎng)適應(yīng)國家海洋戰(zhàn)略需求的復(fù)合型人才提供服務(wù)。PBL（Problem-based Learning/ Project-based Learning）以問題/項目為導(dǎo)向，以學(xué)生為主體，教師輔導(dǎo)與指引［3］。這種教學(xué)模式最初應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育，在加拿大麥克馬斯特大學(xué)獲得成功，并逐步被教育領(lǐng)域借鑒和使用。本文聚焦海洋遙感這一領(lǐng)域，以提高學(xué)生實踐能力為目標，以海洋遙感案例編制為牽引，采用PBL教學(xué)模式，闡述具體“海洋遙感”實驗課程設(shè)計和編制步驟，為海洋遙感類課程的實踐教學(xué)服務(wù)提供理論支撐。

一、海洋遙感類課程存在問題剖析

（一）海洋遙感類課程重理論輕實踐

“海洋遙感”是一門對實踐能力要求較高的課程，“海洋遙感”課程內(nèi)容多從傳感器的角度切入，重點介紹可見光和近紅外輻射計、熱紅外輻射計、微波輻射計、散射計、高度計和合成孔徑雷達的基本原理，詳細列出各類傳感器獲取的相關(guān)海洋要素監(jiān)測產(chǎn)品信息，闡述這些產(chǎn)品背后的遙感算法，但具體實踐操作的模塊較弱。我國國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)井噴式發(fā)展，其應(yīng)用范圍和深度都有待加強。同時，相較于ArcGIS、ENVI等國外知名遙感數(shù)據(jù)處理軟件，國產(chǎn)遙感軟件如航天宏圖PIE平臺在我國海洋和高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方面能力更為突出，在實際應(yīng)用和推廣方面仍有一定拓展空間。因此，就目前教學(xué)而言，重理論輕實踐的現(xiàn)象仍然普遍存在，思政教育背景下的國產(chǎn)數(shù)據(jù)+國產(chǎn)軟件的應(yīng)用模式尚待開發(fā)，具有前瞻意識的復(fù)合型海洋遙感人才培養(yǎng)需求無法滿足。

（二）課程內(nèi)容在不同專業(yè)的區(qū)分度不明顯

“海洋遙感”課程多用于海洋科學(xué)和海洋技術(shù)兩個專業(yè)。課程理論部分存在明顯的相關(guān)性和重復(fù)性，且知識體系結(jié)構(gòu)一致，但是其面對的學(xué)生不同，培養(yǎng)目標、培養(yǎng)過程及前期培養(yǎng)基礎(chǔ)均不相同，在實踐環(huán)節(jié)需要綜合考慮各專業(yè)特點，編制有針對性的實踐課程教案。海洋科學(xué)專業(yè)的學(xué)生實踐將更側(cè)重后端，即海洋要素的衛(wèi)星觀測產(chǎn)品特點和應(yīng)用，海洋技術(shù)專業(yè)學(xué)生的實踐則更注重前端，即從衛(wèi)星圖像反演獲取海洋要素產(chǎn)品的算法和技術(shù)。因此，針對不同的目標需求，“海洋遙感”實踐課程需要遵循突出重點、主次分明和取舍有序的原則，設(shè)計針對性強的教案內(nèi)容。

（三）實踐課程教案缺乏吸引力

傳統(tǒng)“海洋遙感”實驗教學(xué)更加關(guān)注學(xué)生的動手能力，強調(diào)學(xué)生掌握實驗技能，只求“重復(fù)”出教師要求的實驗結(jié)果，忽略了實驗本身的價值。已無法適應(yīng)“海洋遙感”課程的“應(yīng)用、改進、創(chuàng)造”需求，必須積極探索實驗教學(xué)的課程改革與創(chuàng)新。PBL即以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)，是麥克馬斯特大學(xué)神經(jīng)病學(xué)教授霍華德·巴羅斯于1969年首創(chuàng)的一種教學(xué)模式。PBL教學(xué)以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，強調(diào)把學(xué)習(xí)置于復(fù)雜、有意義且相對真實的問題情景中，通過教師的積極引導(dǎo)、學(xué)生的自主探索和同學(xué)之間的交流協(xié)作，掌握隱含于問題背后的科學(xué)知識，形成發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。作為一種學(xué)習(xí)策略，在“海洋遙感”實踐教學(xué)方面目前尚處于探索階段。

二、PBL模式課程教案設(shè)計

基于PBL的“海洋遙感”實踐教案總體上實施從“學(xué)生”到“學(xué)生”設(shè)計，遵循先分析后撰寫，先動腦后動手的總體原則。具體實施步驟如下。

（一）前期調(diào)研

在撰寫之前，要對所教學(xué)生的年級、層次、交叉學(xué)科的進展及需要交叉學(xué)科的內(nèi)容、教師的調(diào)配、課時的分配等進行詳細調(diào)研，將前5年的課程體系和教學(xué)目標、內(nèi)容進行梳理，分析“海洋遙感”實踐課程在不同專業(yè)（如海洋科學(xué)、海洋技術(shù)）的具體培養(yǎng)目標，為選擇合適案例提供基礎(chǔ)。海洋科學(xué)專業(yè)側(cè)重于應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品開展海洋學(xué)研究，教案設(shè)計將重點放在海洋要素產(chǎn)品的下載、制圖和應(yīng)用方面；海洋技術(shù)專業(yè)側(cè)重于海洋遙感圖像的處理和解譯，如海表面溫度的遙感反演及應(yīng)用案例。海洋科學(xué)專業(yè)的實踐課程內(nèi)容主要集中于對海表面溫度遙感產(chǎn)品的下載和制圖，分析海表面溫度長時間序列的變化情況；海洋技術(shù)專業(yè)則通過選擇合適的遙感圖像，如基于MODIS、HY-1C圖像，研究從圖像到產(chǎn)品的溫度反演算法，獲取高精度的海表面溫度數(shù)據(jù)。

（二）案例編制

案例的選取和編制是實踐教學(xué)的重要組成部分。海洋科學(xué)專業(yè)的課程案例選取側(cè)重衛(wèi)星遙感產(chǎn)品在海洋學(xué)的應(yīng)用，如海表面溫度、鹽度、風(fēng)場、波浪、海冰等衛(wèi)星觀測產(chǎn)品的來源、分辨率、精度和范圍等特點；如何下載、處理、分析和應(yīng)用這些衛(wèi)星觀測產(chǎn)品。海洋技術(shù)專業(yè)案例選取將側(cè)重于圖像的獲取、處理和解譯，如怎樣從激光測高衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取海冰厚度參數(shù)，如何基于光學(xué)遙感影像反演海表面溫度等；不同算法的應(yīng)用范圍和精度如何確定等。所選案例將按照“發(fā)現(xiàn)問題—探討問題—解決問題”的PBL思路撰寫，使所要求掌握、了解的知識主次分明，步步引導(dǎo)學(xué)生通過相互協(xié)作完成實踐。

（三）整合案例形成教案

案例編寫以學(xué)生為本，教案將詳細闡述：案例實踐最主要的目的是什么、學(xué)生會提出哪些問題、學(xué)生可能產(chǎn)生哪些假設(shè)、每部分哪些信息可以交叉起來、通過什么方式鼓勵學(xué)生自學(xué)等內(nèi)容。在有針對性地編制適用于不同專業(yè)課程的有效案例后，需要將各個案例與理論知識點進行整合，每個案例教案一般分3～4個部分，并且有趣味性或者戲劇性情景。比如，可以給某個案例教案起個引人入勝的標題；每個部分之間有時間遞進的體現(xiàn)，教案具有整體的連貫性和邏輯性，有挑戰(zhàn)性和趣味性。

三、教案審核與反饋

PBL教案完成后，要經(jīng)過審核、應(yīng)用、反饋、修改、再應(yīng)用的一個過程。本教案完成后，將在實際開課過程中進行反復(fù)修改完善，翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用將很大程度上保證學(xué)生的主體學(xué)習(xí)地位。首先檢查案例有無錯誤、遺漏，初步檢驗是否能達到預(yù)想的教學(xué)目的，邀請專家對教案進行審核并提出意見，及時進行修改；在應(yīng)用過程中與學(xué)生積極溝通，收集學(xué)生和任課教師的反饋意見，對教案進行修改；修改后的教案再次使用，學(xué)生和教師再次提出問題，改正、修正。同時，遙感技術(shù)發(fā)展日新月異，遙感衛(wèi)星、海洋數(shù)據(jù)產(chǎn)品的更新速度極快，在教案編寫的過程中，案例的更新速度必然要與現(xiàn)在的海洋遙感發(fā)展相匹配。

四、典型案例實施

本文采用PBL模式開展海洋遙感實踐案例設(shè)計研究，以國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，綜合運用國產(chǎn)遙感處理軟件如航天宏圖PIE系列軟件，選擇特定海洋遙感案例，以問題為引導(dǎo)，制作從遙感數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)解譯分析到專題產(chǎn)品輸出的一體化課程設(shè)計實驗?zāi)K，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、延伸問題的自主式與探索式學(xué)習(xí)新思路。典型實驗教學(xué)過程流程如圖1所示。

（一）實驗準備階段

首先是理論知識回顧，實驗開始前拋出問題討論海表溫度這一要素在海洋學(xué)研究中的重要性，進而延伸提出：海表溫度如何測量？海表溫度的觀測主要有兩種方式：一種是觀測儀器的現(xiàn)場直接測量（浮標或走航船測），另一種是衛(wèi)星遙感反演的間接測量。相較于直接測量，衛(wèi)星遙感方法能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋、大面積同步和動態(tài)持續(xù)的監(jiān)測，是海表溫度數(shù)據(jù)獲取的主要手段。同時，引導(dǎo)學(xué)生再深入分析：理論課上已經(jīng)講過的能用于反演海表溫度的主要傳感器（可見光、紅外和微波傳感器）有哪些？談?wù)劰鈱W(xué)探測和微波探測在海表溫度獲取上的優(yōu)劣勢等。

其次是實驗步驟概述，以流程圖的形式，從整體上詳細講述實驗的具體步驟和方案，如圖1所示，講述從數(shù)據(jù)下載到分析到反演，最后出圖的全過程，為學(xué)生建立起完成實驗的整體架構(gòu)圖，為后續(xù)具體細節(jié)的實施奠定基礎(chǔ)。同時，引入課程思政點，從國產(chǎn)數(shù)據(jù)和國外數(shù)據(jù)的對比、國產(chǎn)軟件和國外軟件的對比兩方面分析本實驗選取HY-1C數(shù)據(jù)和PIE處理軟件的優(yōu)勢及存在的問題，讓學(xué)生體會國產(chǎn)遙感數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，同時感受到我們的不足，堅定學(xué)生投身海洋遙感事業(yè)的決心。

（二）實驗進行階段

實驗進行階段的主要任務(wù)是如何引導(dǎo)學(xué)生按步驟完成具體操作流程，熟悉軟件的使用和海洋遙感數(shù)據(jù)的處理?？紤]學(xué)生實際操作能力的差異性，采用兩兩配對，熟悉軟件的學(xué)生和不熟悉軟件的學(xué)生結(jié)成互助小組，并且在不同的模塊分別設(shè)置具體的操作問題，引導(dǎo)學(xué)生追著問題去完成，在獨立完成具體步驟的同時，回答設(shè)置好的問題，增強學(xué)生的專注力和創(chuàng)新力。

首先是數(shù)據(jù)讀取與顯示模塊，數(shù)據(jù)下載方面，指導(dǎo)學(xué)生從官方網(wǎng)站上（如國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心官網(wǎng)）完成黃海海域的HY-1C數(shù)據(jù)的下載，了解遙感圖像的光譜波段設(shè)置，確定能用于海表溫度反演的特征波段。該模塊主要用到PIE-Basic軟件的系統(tǒng)及顯示控制功能，指導(dǎo)學(xué)生完成HY-1C數(shù)據(jù)的展示，并引導(dǎo)學(xué)生自主進行圖像增強等操作，查看圖像顯示結(jié)果，回答為什么圖像的顏色不同。

其次是數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，主要用到圖像預(yù)處理功能，依次完成輻射校正，圖像配準及圖像裁剪等預(yù)處理，引導(dǎo)學(xué)生回答為什么要做輻射校正和配準、輻射定標和輻射校正兩者的區(qū)別、圖像幾何精糾正的誤差范圍等問題。

再次是信息提取與解譯模塊，該模塊主要結(jié)合前期理論課程學(xué)習(xí)過程中提到的溫度反演模型（如雙通道模型），分析反演模型的具體算式，并基于PIE-Basic軟件的基礎(chǔ)工具模塊里面的圖像運算功能，計算獲取海表面溫度反演結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生開展反演結(jié)果與實測海溫數(shù)據(jù)的對比分析，引導(dǎo)學(xué)生回答誤差的來源。

最后是專題圖生成模塊，主要用到專題制圖功能模塊，依次完成制圖模板、符號化、整飾制圖等步驟，繪制黃海海表溫度專題圖?；卮疬x取怎樣的符號化方法，使得海表面溫度的分布細節(jié)更清晰和合理。

（三）實驗結(jié)果提交與討論階段

完成全流程模塊化的實驗后，每個小組需要提交最后的實驗報告，結(jié)合案例來看，首先需要每名學(xué)生自主完成實驗報告的編寫，重點闡述HY-1C遙感圖像的處理過程及海表溫度反演和制圖。其次就具體實驗的整個過程展開多維討論，制作PPT，開展翻轉(zhuǎn)課堂，結(jié)合實驗過程中的幾個問題，依次給出解答，并結(jié)合前期理論知識，融會貫通。最后，教師結(jié)合學(xué)生實驗報告和PPT匯報情況，提出具有挑戰(zhàn)性的實驗課題，如根據(jù)實測數(shù)據(jù)和現(xiàn)有遙感數(shù)據(jù)，嘗試探索其他方法，完成海表溫度的反演，并開展不同反演模型之間的精度對比分析。

結(jié)語

針對海洋遙感典型案例，設(shè)計對應(yīng)實驗，將PBL模式融入實驗教學(xué)過程，通過教師引導(dǎo)、任務(wù)設(shè)置、模塊分解，學(xué)生自主獨立地完成遙感數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、信息提取與解譯及專題圖制作等各模塊任務(wù)，明確每一個模塊的具體要求、實驗?zāi)繕耍糠帜K還將結(jié)合科研實際，設(shè)置探索性、創(chuàng)新性的遙感算法自主設(shè)計環(huán)節(jié)，提升學(xué)生在海洋遙感方案設(shè)計中的自主學(xué)習(xí)能力、實踐能力以及綜合分析能力。通過在實際課程的應(yīng)用和實踐，發(fā)現(xiàn)該案例模式對學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、延伸問題的能力培養(yǎng)起到了關(guān)鍵作用，學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力被激發(fā)出來，實踐能力得到了進一步的提升。

參考文獻

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［3］劉景福，鐘志賢.基于項目的學(xué)習(xí)（PBL）模式研究［J］.外國教育研究，2002（11）：18-22.

Design of a Practical Case Study on Ocean Remote Sensing Based on PBL Model

KANG Yan-yan， WANG Gui-fen

（College of Oceanography， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098， China）

Abstract： “Problem-Based Learning” （PBL） is an educational model that centers around complex problems for group members， and the members collaborate to solve complex problems based on their autonomous learning. In response to the current issues of “Ocean Remote Sensing” teaching that emphasizes theory over practice and insufficient application of domestic satellite data and software， the PBL problem-oriented model is adopted. Guided by the design and compilation of practical cases， focusing on a typical case of ocean element inversion， this paper explores the integrated practical curriculum design method from remote sensing data input， data processing， data interpretation and analysis to thematic product output， forming a new way of autonomous and exploratory learning that discovers， analyzes， solves， and extends problems， laying the foundation for improving students' practical abilities in ocean remote sensing.

Key words： practical teaching; PBL; Ocean Remote Sensing; case design