土地管理的遙感課程教學(xué)改革論文
摘要：針對土地管理實(shí)踐，對遙感課程的教學(xué)改革進(jìn)行了一系列探索。首先分析土地管理學(xué)科中遙感課程的定位，提出了關(guān)聯(lián)課程設置方案。其次采用需求啟發(fā)的方式動(dòng)態(tài)跟蹤市場(chǎng)變化，建立教學(xué)框架，并調整教學(xué)內容，同時(shí)輔以實(shí)驗信息反饋等教學(xué)手段，實(shí)現理論教學(xué)和實(shí)驗教學(xué)的交叉與融合。最后在課程設計中基于Matlab平臺培養學(xué)生的程序開(kāi)發(fā)技能，從而為土地管理單位輸送更加優(yōu)秀的復合型技術(shù)人才。
關(guān)鍵詞：遙感教學(xué)；土地管理學(xué)科；需求分析；任務(wù)驅動(dòng)；Matlab
在土地資源管理工作中，遙感對地觀(guān)測方法憑借其覆蓋范圍廣、周期性強、信息豐富等優(yōu)勢，已為相關(guān)部門(mén)提供了大量實(shí)時(shí)有效的基礎地理空間數據[1-3]。許多高校已將遙感設置為土地資源管理專(zhuān)業(yè)的基礎課，但一些遙感教學(xué)的先進(jìn)經(jīng)驗和方法，如需求分析法、任務(wù)驅動(dòng)法，Matlab輔助學(xué)習法等，在本專(zhuān)業(yè)雖有所提及卻沒(méi)有形成系統的研究[3-5]，導致學(xué)生對知識要點(diǎn)掌握不全面，在實(shí)際工作中缺乏自主創(chuàng )新能力。另一方面，隨著(zhù)遙感技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)內容也不斷發(fā)生變化，其數據類(lèi)型、理論重點(diǎn)、處理流程和處理方法都已更新。因而，針對土地管理實(shí)踐進(jìn)行遙感課程教學(xué)改革，對于學(xué)科建設及人才培養都是必要而緊迫的。
1土地管理學(xué)科的遙感課程教學(xué)改革需求分析
當前，我國土地管理事業(yè)快速發(fā)展，對3S技術(shù)人才結構及人才素養的需求也發(fā)生較大變化[6-7]：在各級土地勘測、土地開(kāi)發(fā)整理儲備、土地規劃等事業(yè)單位，基于3S技術(shù)的應用工程項目增多，需要大量的技術(shù)熟手和一定的高端技術(shù)管理人才，目前專(zhuān)科生和碩博士因人力成本合理而較受青睞；高等院校對人才的學(xué)位要求較高，主要吸納博士畢業(yè)生就業(yè)；3S技術(shù)類(lèi)公司近年來(lái)發(fā)展勢頭迅猛，人才需求量巨大，但隨著(zhù)市場(chǎng)競爭激烈，各公司致力于提供特色服務(wù)或打造高端軟件產(chǎn)品（如MapGis、SuperMap等），因此要求雇員擁有多學(xué)科交叉的知識體系，同時(shí)具備3S技術(shù)集成應用和創(chuàng )新的能力�？梢�(jiàn)，市場(chǎng)上較多地解決了專(zhuān)科生和碩博士的就業(yè)，本科畢業(yè)生雖然具備豐富的學(xué)科知識背景，但動(dòng)手能力弱，技術(shù)特色不突出，即使通過(guò)部門(mén)培訓也很難培養創(chuàng )新和拓展能力，往往處于一種“高不成、低不就”的尷尬狀態(tài)。實(shí)際上，大部分教師期望通過(guò)遙感實(shí)踐課程的開(kāi)展，實(shí)現與具體工作的銜接[2-5]，但離“學(xué)以致用”的教學(xué)目標仍有一定距離。首先，土地管理的專(zhuān)業(yè)課程眾多，因此安排的遙感實(shí)驗課時(shí)通常較少，也缺乏對口的實(shí)習基地建設；其次，相關(guān)科研成果的跟進(jìn)與融合較少，與實(shí)踐的關(guān)聯(lián)較弱；往往局限于對既有軟件的運用，缺乏對開(kāi)發(fā)類(lèi)軟件平臺的學(xué)習，導致技術(shù)手段單一、僵化，不符合學(xué)科關(guān)聯(lián)與學(xué)科創(chuàng )新的發(fā)展趨勢。應該認識到，嚴峻的就業(yè)形式對人才培養提出了更高要求，教學(xué)過(guò)程必須結合具體的應用，從課程結構、內容體系、教學(xué)手段等方面進(jìn)行調整[8]，并通過(guò)學(xué)習一些軟件開(kāi)發(fā)知識[9]，跟蹤最新的科研成果，從而發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習和創(chuàng )新能力。
2遙感課程的定位與關(guān)聯(lián)課程設置
在土地資源管理專(zhuān)業(yè)中，遙感是一門(mén)綜合性和技術(shù)性很強的課程，它與其他學(xué)科之間的交叉和聯(lián)系主要包括2個(gè)方面：首先，從技術(shù)層面分析，學(xué)習該課程要求具備數學(xué)、物理、計算機方面的基礎知識。同時(shí)，它與測量、制圖、信息科學(xué)等工具學(xué)科相互滲透和交融，在實(shí)際工作中共同發(fā)揮核心技術(shù)工具的作用。其次，在應用層面上，經(jīng)濟管理類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎理論學(xué)科為實(shí)踐操作提供背景知識，而專(zhuān)業(yè)應用類(lèi)學(xué)科為其提供了發(fā)展方向�？梢哉f(shuō)，多層次豐富的學(xué)科知識促進(jìn)了遙感技術(shù)的發(fā)展和應用領(lǐng)域的擴張，它們之間互為支撐和依托，相輔相承。為適應市場(chǎng)對實(shí)踐創(chuàng )新型遙感人才的需求，根據對該學(xué)科的關(guān)聯(lián)與定位分析，按表1所示的方案調整相關(guān)配套課程。
3需求引導下的教學(xué)實(shí)踐方案
3.1啟發(fā)式教學(xué)框架設計
在課堂教學(xué)的首尾環(huán)節，分別增設需求分析與總結這兩項教學(xué)內容，為教學(xué)框架的設計起到提綱契領(lǐng)的作用，使教學(xué)思路清晰、教學(xué)內容系統。①在初次課堂教學(xué)中，對土地遙感應用的領(lǐng)域及成果作重點(diǎn)介紹，圍繞當前的應用熱點(diǎn)，選擇全國土地遙感二次調查、城市三維空間遙感調查、城市土地利用遙感監測執法、重點(diǎn)項目選址與規劃、汶川地震災害遙感監測與評價(jià)、鄱陽(yáng)湖生態(tài)環(huán)境遙感監測等經(jīng)典案例，采用圖示對比的方法與學(xué)生分享遙感應用經(jīng)驗和成果，并通過(guò)對案例中技術(shù)要點(diǎn)的提煉，讓學(xué)生了解該課程的實(shí)踐需求，對整體教學(xué)框架形成直觀(guān)的、系統的概念，即“提出問(wèn)題”。②在具體的理論學(xué)習中引導學(xué)生自主思考：本堂課針對什么問(wèn)題，學(xué)習什么內容，怎么進(jìn)行學(xué)習，從而不斷地“回答問(wèn)題”。③在理論教學(xué)完成后，安排專(zhuān)門(mén)的課時(shí)對知識點(diǎn)進(jìn)行串講，逐一總結這些技術(shù)要點(diǎn)，并指出目前存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展方向，從而讓整個(gè)教學(xué)體系更加全面，教學(xué)過(guò)程更有針對性，形成“前后呼應”的模式。具體如表2所示。
3.2反饋式理論知識學(xué)習
遙感數字圖像處理涉及到眾多模型和算法，為在短期內系統地掌握這些知識，需交叉利用課堂教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)進(jìn)行強化訓練。當完成關(guān)鍵技術(shù)理論的課堂教學(xué)后，穿插對應的實(shí)驗課教學(xué)分別有6次：圖像校正原理與方法、圖像增強技術(shù)、遙感影像目視解譯、最大似然法分類(lèi)、圖像變化檢測。在實(shí)驗課中，選擇功能齊備、與GIS兼容性強的Erdas軟件作為平臺，并采用SPOT5、QuickBird、IKNOIS等高空間分辨率影像作為實(shí)驗數據，演示在既有軟件中如何實(shí)現課堂中所講授的理論方法。同時(shí)，指導學(xué)生完成課后模擬實(shí)驗，并將結果及時(shí)反饋給教師，既是對學(xué)生的考核，也為下一輪教學(xué)提供了經(jīng)驗和素材。經(jīng)實(shí)踐，學(xué)生的實(shí)驗效率不斷提高，反饋信息也逐步細化，這種理論知識和實(shí)驗內容相互交叉、反饋式學(xué)習的方法具有及時(shí)強化的效果，同時(shí)也鍛煉了軟件操作技能。
3.3基于Matlab的任務(wù)驅動(dòng)式遙感課程設計
3.3.1課程設置目的及實(shí)現模式
“遙感課程實(shí)習與設計”是對實(shí)驗課的延伸與補充，它引導學(xué)生參與具體的實(shí)習項目，并培養基于Matlab的算法開(kāi)發(fā)技能。為保證實(shí)習案例動(dòng)態(tài)更新，可以選用2種培訓模式：一是與相關(guān)生產(chǎn)科研單位進(jìn)行聯(lián)合培養，建立長(cháng)期的實(shí)習基地。本校土地資源管理專(zhuān)業(yè)與諸多單位有密切合作，如廣州市城市規劃勘測設計研究院、廣東省城鄉規劃設計研究院、廣東省土地勘測規劃院、廣州市國土資源和房屋管理局等單位。學(xué)生在實(shí)習單位見(jiàn)習項目的一般流程，并做相應的輔助工作，總結其中的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，再通過(guò)小組協(xié)作的方式選擇其中一些任務(wù)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)訓練，最后完成實(shí)習報告。二是參與教師的相關(guān)科研項目，學(xué)習利用豐富的圖書(shū)館資源查找文獻，進(jìn)行綜述，再根據完成情況讓學(xué)生參與到部分項目設計與開(kāi)發(fā)環(huán)節中來(lái)，通過(guò)實(shí)習任務(wù)引導學(xué)生認識到技術(shù)研究中的新問(wèn)題，真正培養學(xué)生的技術(shù)創(chuàng )新思維能力。根據經(jīng)驗，我們已經(jīng)總結出一些遙感圖像處理的流水線(xiàn)工作任務(wù)，當前涉及到的技術(shù)難點(diǎn)主要是影像特征提取、解譯、變化檢測、集成計算等。為此，我們選擇Matlab軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)技能的培訓，讓學(xué)生可以利用本專(zhuān)業(yè)多種信息技術(shù)集成的優(yōu)勢，取得良好的'圖像處理效果。
3.3.2Matlab軟件開(kāi)發(fā)平臺的學(xué)習與實(shí)踐
Matlab是世界頂級的科學(xué)計算軟件，它采用面向對象的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和面向任務(wù)的開(kāi)發(fā)思想，為圖像處理用戶(hù)提供一個(gè)編寫(xiě)簡(jiǎn)單、計算快捷、兼容性好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，幾乎所有的圖像處理經(jīng)典算法及近期權威的研究成果都收集到了其工具箱（ImageProcessingToolbox）中。該軟件的學(xué)習應從以下幾個(gè)要點(diǎn)展開(kāi)：①掌握基本的圖像處理函數，包括圖像顯示、圖像算術(shù)運算、幾何變換、圖像增強、線(xiàn)性濾波、色彩空間變換、鄰域與塊處理、空間濾波、形態(tài)學(xué)運算等。②在擴展的Matlab工具箱中，學(xué)習與影像解譯相關(guān)的經(jīng)典算法，包括紋理特征提取、主成分分析、相關(guān)性分析、聚類(lèi)分析、最大似然法分類(lèi)、最小距離法分類(lèi)、誤差矩陣分析等。在熟練調用的基礎上，理解其運算原理。同時(shí)，根據具體的實(shí)習任務(wù)需求，有針對性地研究某類(lèi)算法，包括對設計思路、參數選擇、編程技巧等進(jìn)行深入學(xué)習與分析。③為促進(jìn)學(xué)科交叉融合，注重與GIS數據分析平臺的交互，實(shí)現技術(shù)創(chuàng )新與突破。主要講授Matlab與ArcGIS軟件的自動(dòng)化集成運算方法，即采用ArcGIS平臺中集成的VBA作為控制器來(lái)啟動(dòng)和控制Matlab，而Matlab作為ActiveX的自動(dòng)化服務(wù)器，接收通過(guò)引擎傳來(lái)的數據和指定信息進(jìn)行計算，完成鏈接擴展。既利用了ArcGIS既有的強大的矢柵數據分析功能，也利用Matlab承擔了大部分與矩陣計算有關(guān)的任務(wù)，有利于融合GIS領(lǐng)域知識，實(shí)現快速自動(dòng)化、智能化的圖像處理任務(wù)。④在指導學(xué)生編寫(xiě)具體算法時(shí)，充分利用Matlab自帶的矩陣運算函數，避免循環(huán)語(yǔ)句的大量使用，從而為處理大數據量的影像打下良好基礎。筆者曾做過(guò)一個(gè)實(shí)驗，在實(shí)現最小距離分類(lèi)算法時(shí)，先使用二層循環(huán)語(yǔ)句for…end計算特征之間的距離，再調用既有函數repmat（A，N）在第N維空間重復矩陣A從而替代循環(huán)語(yǔ)句完成計算，僅針對1000×1000的二維矩陣，后者的效率就提高了8倍之多�？梢�(jiàn)，Matlab算術(shù)技巧將為我們節省大量運算時(shí)間。類(lèi)似的代表性函數包括：cat（dim,A,B），將矩陣A、B在第dim維聯(lián)結起來(lái)；permute（A,order），將矩陣A按設定order次序排序；reshape（A,[m,n]），將矩陣A按m×n維大小重新排列；sort（A,dim），將矩陣A按第dim維數值進(jìn)行排序；max（A,[],dim），返回矩陣A在第dim維的最大值；min（A,[],dim），返回矩陣A在第dim維的最小值；mean（A,[],dim），返回矩陣A在第dim維的平均值。
4結語(yǔ)
在土地管理專(zhuān)業(yè)的遙感課程教學(xué)中，探討了關(guān)聯(lián)課程的設置方案，采用需求引導法調整教學(xué)框架和內容；對傳統教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)課堂教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)相互交叉、反饋的方法進(jìn)行強化訓練，深化對理論知識的掌握；采用科研課題驅動(dòng)或與單位聯(lián)合培養的模式，指導學(xué)生參與具體的實(shí)習項目，并基于Matlab平臺學(xué)習經(jīng)典的圖像處理函數，使學(xué)生能具備一定的程序開(kāi)發(fā)素養和技術(shù)創(chuàng )新能力。
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