Matlab软件在“遥感数字图像处理”课程教学中的应用——基于成果导向教育理念

　

(东北林业大学林学院，哈尔滨　150040)

一、成果导向教育理念

成果导向教育(outcome-based education)最早由美国教育学者Spady于1981年首次提出，简称OBE，也称作目标导向教育、需求导向教育或能力导向教育[1]。它与传统教育模式仅注重教育的投入与产出相比，其强调学生学习成绩的不同，是一种以学生学习成果(learning outcomes)为导向的教育，不仅注重发挥教师的主导作用，还注重激发学生学习的主观能动性，并注重培养学生应用所学知识解决实际问题的能力。成果导向教育不以学生学什么为出发点，也不以学生获得什么样的结业成绩为目标，而是以学生通过学习能够获得什么样的能力、能够解决什么样的问题为最终成果，是一种主动的、建构的学习过程，因而它能够引导和激发学生的学习热情和创造能力。虽然成果导向教育最早是在工程教育领域提出的，但目前已成为欧美发达国家实施教育改革的主流理念，更是相关教育认证协会的核心标准，如美国工程与技术教育认证协会(ABET)[2]、中国工程教育认证协会(CEEAA)[3]等。

近年来，我国学者对成果导向教育模式在各个专业领域的实践应用进行了广泛研究，多集中在专业人才培养方案、教学计划以及课程体系等方面[4-6]，但对成果导向教学模式下具体课程设计和改革方法的研究仍不充分。与其他课程不同，“遥感数字图像处理”课程强调对学生知识迁移能力的培养，即应用所学知识解决实际问题的能力。为此，笔者以成果导向教学理念为基础，在“遥感数字图像处理”课程教学中引入了Matlab软件。教师通过改革课堂教学方法、强化并重视实践环节的教学活动、调动学生应用编程思维开展遥感数字图像处理的兴趣、激发学生学习的主动性，使学生掌握了“遥感数字图像处理”课程的基本理论和方法，满足了就业市场对高素质3S技术人才的需求。

二、“遥感数字图像处理”课程教学的现状

近年来，随着以地理信息系统(geographic information system，GIS)技术为核心的遥感(remote sensing，RS)技术、全球定位系统(global positioning system，GPS)的持续发展以及相互渗透，逐渐形成了“一机两翼”的3S集成化技术系统，为解决大尺度范围内复杂的地学问题提供了有效的途径[7]。目前，3S集成化技术系统不仅为各行各业(农业、林业、矿产、环境、海洋、气象等)提供着海量的基础数据，同时也显著地改善着人类的出行方式和生活理念。根据《中国地理信息产业发展前景与投资战略规划分析报告(2015-2020)》[8]显示，我国地理信息产业发展迅速，年均产值始终保持着25%以上的高速增长，预计到2020年底总产值将超过1万亿元；从业人员达40万左右，但地理信息系统专业人才的缺口仍高达几十万，特别是从事地理信息系统设计开发的高级人才严重供不应求。因此，加强地理信息系统专业人才的培养正受到越来越多高校的重视。

在3S集成化技术系统中，遥感技术既是空间数据采集和分类的有效工具，又是地理信息系统重要的信息源。但近年来，随着遥感技术的快速发展，遥感图像的空间、时间、光谱以及辐射分辨率均越来越高，数据类型也越来越丰富，数据量也越来越大，这些新的特征均对遥感图像的智能处理提出了新的挑战。而“遥感数字图像处理”是地理信息系统(GIS)专业一门非常重要的专业课程，其既有严密的理论体系，又与生产实践紧密结合，且具有承上启下的作用。笔者通过对相关用人单位、往届毕业生以及新近招聘信息的调研发现，“遥感数字图像处理”课程存在以下几方面的问题。

(一)课程内容理论性强，学生体验感差

“遥感数字图像处理”是一门理论与实践紧密结合的课程，但因其存在理论性强、内容抽象、算法较多等特征，因此教师在有限的时间内往往很难讲全、讲透，而且多以理论介绍为主，忽略了实践教学环节，使学生很难体会到各种算法的真实作用，逐渐丧失了学习兴趣。因此，为了调动学生学习兴趣，教师应在理论知识讲解的基础上，着重突出实践教学环节的教学工作，让学生充分利用计算机语言进行遥感图像处理的仿真实践，这样既可加深学生对理论知识的理解，又能培养学生的编程能力，提升学生在就业市场的竞争力。

(二)学生对图像处理的适应能力较差

“遥感数字图像处理”课程的教学目标要求学生在熟练掌握各种图像处理算法的基础上，能够根据实际情况灵活运用遥感图像处理技术解决遇到的问题。因此，在实践教学环节中，笔者以案例教学和项目教学为主，学生以真实的遥感影像(主要为TM影像)为基础，充分结合专业领域实际问题(如植被指数提取)，练习和熟悉图像处理的各种软件操作过程。学生对目前常用的专业遥感图像处理软件(ERDAS、ENVI、PCI等)具备相当的操作能力，但当改变软件、数据源或实验设计时就表现出适应性差的一面，基本停留在“知其然，不知其所以然”的状态，不能将所学知识融会贯通。一个有经验的图像处理人员会随着研究目标、图像特征的变化进行适当的规划调整，但这样的经验是无法复制的。因此，在实践教学中，教师应注重调动学生学习的积极性和创造性，并依据具体的要求让学生学会如何去解决实际问题。

(三)学生编程“会而不精”，缺乏实际应用

学生虽然在接触“遥感数字图像处理”课程前已经学习过“C语言程序设计”“C++程序设计”“VB程序设计”等课程，但应用这些语言编程还是会而不精，缺乏实践经验。Matlab是美国Mathworks公司推出的一套计算软件，其在遥感数字图像处理中具有显著优势。但教师在“遥感数字图像处理”课程教学中采用Matlab软件时，往往侧重该软件的基本语义、语法规则以及函数功能的讲授，使得课堂教学内容脱离现实的应用，导致学生编程会而不精，缺乏实际应用。

三、以成果导向教育理念为指导，应用Matlab软件，开展“遥感数字图像处理”课程教学改革

成果导向教育遵循反向设计原则，即首先从内外部(即学校培养能力和就业市场)需求开始，由需求决定培养目标，进而由培养目标决定毕业要求，再由毕业要求决定课程体系[9]。该教育理念具有典型的反向设计、正向实施的特征，它克服了传统教育模式只能满足基本教学规律和办学定位的内部需求，兼顾了用人单位的外部需求。根据成果导向教学理念，笔者以学习成果为起点进行了课程设计和教学改革。

(一)明确学习目标及成果

在确定成果导向教学中的学习成果时，教师首先要明确2个基本问题[9]：①想让学生取得的Matlab遥感图像处理学习成果是什么；②为什么要让学生取得这样的学习成果。为此，笔者对用人单位、毕业生反馈意见以及3S专业相关招聘信息等进行了系统的梳理，制定了Matlab遥感图像处理的课程目标：①学生应掌握遥感图像处理的基本理论、概念、方法和技术；②学生能够利用Matlab软件实现图像处理的基本技能，并应用所学知识解决工程问题。改革后的课程目标摒弃了传统教学中仅采用现有遥感图像处理系统(或软件)对各种算法进行验证性处理的实验教学模式，实现了实验教学与理论教学的有机融合。

(二)构建以成果为导向的课程教学体系

学习成果代表了学生的一种能力，因此在具体成果导向教育实施过程中，教师首先应将长期成果目标分解成若干短期成果目标，并分析达到这些成果目标所需具备的知识、技能和其他能力，使得最终目标变得具体可行。“遥感数字图像处理”课程的授课对象主要为大三学生，由于他们之前已经学习了一些专业课程，如“摄影测量学”“遥感技术与应用”“Matlab程序设计”等课程，学生对遥感图像存储方式、基本处理方法和过程等有一定认知，因此“遥感数字图像处理”课程教学改革的核心目标，应该是让学生在系统掌握遥感数字图像处理的基础理论知识和算法的基础上，灵活应用Matlab软件实现图像处理。为此，笔者根据成果导向教育的反向设计原则，在确保授课内容体系完整的情况下，将教学内容归纳为遥感数字图像处理基础、遥感图像质量改善、遥感图像信息提取和定量遥感专题4个教学模块，明确了各教学模块的授课内容和需要培养的预期能力，并将其落实到课堂教学和实践教学中，见表1。

表1　基于Matlab软件应用的以成果为导向的“遥感数字图像处理”课程教学体系

(三)以成果为导向创新教学模式

根据成果导向教学理念，教学过程中授课教师应摒弃传统的“教为教会，学为学会”的教学理念，而将学习过程的主体由教师改为学生，以学生通过课程学习后能够具备什么样的能力为主线开展教学活动。为了使学生能够真正掌握“遥感数字图像处理”课程的基本原理和算法，同时提高学生应用Matlab软件处理遥感图像的能力，笔者从课堂教学、实践教学和研究教学3个方面探索了提升学生学习成果的途径。

1.开展多种形式的教学，提升课堂教学效果

在“遥感数字图像处理”课程教学过程中，教师应根据该课程各章节的特征，制作内容丰富、通俗易懂且与教材匹配的多媒体课件，这是教学改革的重要环节，也是决定课堂教学成败的关键因素之一。但是，在课堂教学过程中，教师不应完全依赖多媒体课件，对课程中特别基础且重要的图像处理算法要适时的运用板书进行一步一步的推导，让学生领会该算法的实现要点和难点。

2.强化实践教学环节，提升Matlab软件的应用能力

实践教学是高校创新人才培养的重要环节，对培养学生理论与实践结合能力、激发学生创新思维和探索意识均具有重要作用。“遥感数字图像处理”课程是一门实践性很强的课程，为此教师应充分结合教学、生产和科研等实际情况，科学规划该课程的实验内容和程序，为学生提供个性化、多样化的实践途径。

“遥感数字图像处理”课程实践环节由验证性实验和综合性实验组成。前者根据各教学章节内容进行安排，主要目的是为了加深学生对遥感图像处理算法的掌握、理解以及程序实现能力，主要包括遥感数字图像变换、遥感图像质量改善和遥感信息提取3个部分的内容；后者则主要为应用性和探索性实验，要求学生从遥感数字图像处理基础开始，直到最终获取专题信息，这类实验具有一定的综合性和多样性，有利于学生综合运用所学知识处理实际问题能力的培养。需要强调的是，教师对综合性实验内容的设计要注意难度适中、密切联系生产实际，要具备一定的综合性和新颖性，要不断拓展学生的知识面、激发学生的学习兴趣。

此外，整个实践环节要确保各个实验内容的互动呼应，实现不同实践内容体系内部及其与课堂教学体系的正向迁移，使学生体会到遥感图像的整个处理流程。改革后的实践教学环节更强调学生采用Matlab软件实现遥感图像处理能力的培养，提升学生Matlab软件的应用能力。

3.促进教研一体化，培养学生的创新能力

传统以知识灌输为主导的教学模式既不能满足当今学生个性化、多样化的发展需要，也无法满足就业市场对高素质专业人才的需求。因此，高校教师在教学过程中应注重科研成果到教学内容的转化，实现教学和科研的良好互动，激发和培养学生的创新能力。为此，在“遥感数字图像处理”课程授课过程中，笔者鼓励学生积极参加相关行业大赛、大学生科技创新项目及教师的科研项目。一般来说，这类项目需要学生解决的问题比课堂上遇到的问题要多、要难，学生需要根据指导教师提出的研究目标开展大量的工作，包括查阅文献、制定研究路线、收集数据、分析整理结果、撰写科研论文等，这对学生心理素质的培养以及学识的积累等均能产生重要的作用。

(四)科学评估学习成果

学习成果评价是成果导向教学的重要环节之一。传统期末考试形式(期末考试卷面成绩70%+实验成绩30%)弊端很多，特别是在学生中间普遍存在考前“临时突击”等问题，因此这种考核方式很难反应学生的综合能力。成果导向教育不过分关注教师的教学内容和方式，而是将焦点放在对学生学习过程和学习成果的评价上，突出了评价主体的多元化、评价内容的多维化以及评价方法的多样化的特点。

因此，改革后学生学习成果评价由教师和学生共同完成，其评价采用期末考核40%+过程考核40%+成果考核20%的综合考核方式。①期末考核采用卷面考试方式，主要评价学生对课程理论知识的掌握程度。②过程考核采用多种方式综合评价学生对基础理论知识的理解能力、编程实现能力以及结果分析能力，包括实验技能成绩20%+实验报告成绩10%+小组专题报告成绩10%。其中，实验技能成绩要求教师应根据各章节知识体系将每次实验考核内容再细分成2个层次：首先，学生要完成基本验证性实验内容(10%)；其次，在此基础上提出任务要求，用实验内容独立解决具体的应用问题(10%)，教师需对这2个层次分别进行考核。通过上述2个不同层次的训练，不仅能让学生学会各种图像处理方法，而且能够让学生明白操作的目的、意义以及未来的应用情境。③成果考核采用项目驱动形式评价学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力。首先，教师根据个人的科研经历和专业知识将各教学知识点进行整合，形成不同的实际应用问题；其次，要求学生以项目小组形式开展整体协作，在与教师进行积极沟通后，利用课程所学技能和方法确定具体的技术路线、处理方法，并完成最终的数据处理、成果分析和报告整理等环节。

四、“遥感数字图像处理”课程教学改革的成效

笔者发现在引入成果导向教学理念后，因整个课程(包括教学理念、教学目标、教学方法、教学形式以及评价方法等)始终以学生就业需求(包括考研和工作)为导向进行不断地调整和转变，因而改革后的“遥感数字图像处理”课程能够从根本上激发学生的学习兴趣，学生能够掌握“遥感数字图像处理”课程的基本理论知识和实现技能，提高了学生应用编程思维解决实际问题的能力。目前，每年都有3～5名地理信息科学毕业生被保送进入北京大学、中国科学院大学、武汉大学、北京师范大学等学府深造；针对部分毕业生的回访调查发现，80%的用人单位对东北林业大学地理信息科学专业的毕业生给予高度肯定。但由于课时数和授课内容等方面因素的限制，学生普遍反映在现有“遥感数字图像处理”课程体系中，有关应用环节的训练还相对较弱，因此关于“遥感数字图像处理”课程体系配置及授课方法仍有待进一步优化。

总之，随着地理信息技术的不断发展及其应用领域广度和深度的不断拓展，地理信息科学专业正受到越来越多的用人单位以及学生的青睐。但“遥感数字图像处理”课程作为一门交叉学科的课程，其所涉及的遥感传感器、数据存储、图像处理以及应用领域等都具有动态发展的特点，这给该门课程的教学带来了巨大的挑战，因此在今后的教学过程中如何教授学生有效地利用多方位、多层次的图像处理技术，是广大高校教师和科研工作者应积极探索的问题。

[1]SPADY W G.Outcome-based education：critical issues and answers[M].Arlington：American Association of School Administrators，1994：12-13.

[2]朱永东，张振刚.美国ABET工程教育专业质量认证研究[J].中国高教研究，2009(12)：54-56.

[3]中国工程教育认证协会.工程教育认证标准(2015版)[EB/OL].(2015-03-27)[2017-10-20].http：//www.ceeaa.org.cn/main!newsList4Top.w?menuID=01010702.

[4]覃晶晶.基于OBE成果导向教育理念的给排水专业人才培养模式研究[J].教育教学论坛，2016(34)：157-158.

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[6]蒋丹，陈静，武双.成果导向下的“生物化学”课程教学改革研究[J].生命的化学，2016，36(5)：730-734.

[7]张晓丽，陈江凌.“林业遥感与地理信息系统”课程教学改革初探[J].中国林业教育，2014，32(5)：51-54.

[8]华研中商研究院.中国地理信息产业发展前景与投资战略规划分析报告(2015—2020)[R].北京：华研中商研究院，2015：37-38.

[9]李志义.解析工程教育专业认证的成果导向理念[J].中国高等教育，2014(17)：7-10.