基于PBL模式的“海洋遥感”实践案例设计

［摘 要］ “问题导向学习”（PBL）是一种以复杂问题为中心，在小组成员自主学习的基础上互相合作，为解决复杂问题这一目标共同努力的教学模式。针对当前“海洋遥感”教学重理论轻实践、国产卫星数据和软件应用不足等问题，以实践案例设计和编制为牵引，采用PBL问题导向模式，围绕一个典型的海洋要素反演案例，探讨从遥感数据输入、数据处理、数据解译分析到专题产品输出的一体化实践课程设计方法，形成发现问题、分析问题、解决问题、延伸问题的自主式与探索式学习新思路，为提高学生海洋遥感实践能力奠定基础。

［关键词］ 实践教学；PBL；海洋遥感；案例设计

［基金项目］ 2022年度河海大学本科实践教学改革项目“基于PBL模式的海洋遥感实践教案设计”（河海教务〔2022〕29号）

［作者简介］ 康彦彦（1984—），女，河北石家庄人，博士，河海大学海洋学院副教授，主要从事海岸带遥感研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）21-0117-04 ［收稿日期］ 2023-05-06

引言

21世纪是海洋的世纪，建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务。遥感（remote sensing）以大面积同步、低成本、全天候、高时空分辨率等优势，成为海洋观测的重要技术手段。目前，我国已建立以海洋水色卫星、动力环境卫星、海洋监视监测卫星三大类为主的海洋遥感卫星体系［1］。海洋遥感（ocean remote sensing）是利用各类传感器对海洋及海岸带进行远距离非接触观测，以获取海洋景观和海洋要素的图像或数据资料。海洋遥感相关课程已成为高校海洋科学、海洋技术等专业开设的核心基础课程［2］，为培养适应国家海洋战略需求的复合型人才提供服务。PBL（Problem-based Learning/ Project-based Learning）以问题/项目为导向，以学生为主体，教师辅导与指引［3］。这种教学模式最初应用于医学教育，在加拿大麦克马斯特大学获得成功，并逐步被教育领域借鉴和使用。本文聚焦海洋遥感这一领域，以提高学生实践能力为目标，以海洋遥感案例编制为牵引，采用PBL教学模式，阐述具体“海洋遥感”实验课程设计和编制步骤，为海洋遥感类课程的实践教学服务提供理论支撑。

一、海洋遥感类课程存在问题剖析

（一）海洋遥感类课程重理论轻实践

“海洋遥感”是一门对实践能力要求较高的课程，“海洋遥感”课程内容多从传感器的角度切入，重点介绍可见光和近红外辐射计、热红外辐射计、微波辐射计、散射计、高度计和合成孔径雷达的基本原理，详细列出各类传感器获取的相关海洋要素监测产品信息，阐述这些产品背后的遥感算法，但具体实践操作的模块较弱。我国国产卫星数据井喷式发展，其应用范围和深度都有待加强。同时，相较于ArcGIS、ENVI等国外知名遥感数据处理软件，国产遥感软件如航天宏图PIE平台在我国海洋和高分系列卫星数据处理方面能力更为突出，在实际应用和推广方面仍有一定拓展空间。因此，就目前教学而言，重理论轻实践的现象仍然普遍存在，思政教育背景下的国产数据+国产软件的应用模式尚待开发，具有前瞻意识的复合型海洋遥感人才培养需求无法满足。

（二）课程内容在不同专业的区分度不明显

“海洋遥感”课程多用于海洋科学和海洋技术两个专业。课程理论部分存在明显的相关性和重复性，且知识体系结构一致，但是其面对的学生不同，培养目标、培养过程及前期培养基础均不相同，在实践环节需要综合考虑各专业特点，编制有针对性的实践课程教案。海洋科学专业的学生实践将更侧重后端，即海洋要素的卫星观测产品特点和应用，海洋技术专业学生的实践则更注重前端，即从卫星图像反演获取海洋要素产品的算法和技术。因此，针对不同的目标需求，“海洋遥感”实践课程需要遵循突出重点、主次分明和取舍有序的原则，设计针对性强的教案内容。

（三）实践课程教案缺乏吸引力

传统“海洋遥感”实验教学更加关注学生的动手能力，强调学生掌握实验技能，只求“重复”出教师要求的实验结果，忽略了实验本身的价值。已无法适应“海洋遥感”课程的“应用、改进、创造”需求，必须积极探索实验教学的课程改革与创新。PBL即以问题为导向的学习，是麦克马斯特大学神经病学教授霍华德·巴罗斯于1969年首创的一种教学模式。PBL教学以建构主义学习理论为基础，强调把学习置于复杂、有意义且相对真实的问题情景中，通过教师的积极引导、学生的自主探索和同学之间的交流协作，掌握隐含于问题背后的科学知识，形成发现问题、分析问题和解决问题的能力。作为一种学习策略，在“海洋遥感”实践教学方面目前尚处于探索阶段。

二、PBL模式课程教案设计

基于PBL的“海洋遥感”实践教案总体上实施从“学生”到“学生”设计，遵循先分析后撰写，先动脑后动手的总体原则。具体实施步骤如下。

（一）前期调研

在撰写之前，要对所教学生的年级、层次、交叉学科的进展及需要交叉学科的内容、教师的调配、课时的分配等进行详细调研，将前5年的课程体系和教学目标、内容进行梳理，分析“海洋遥感”实践课程在不同专业（如海洋科学、海洋技术）的具体培养目标，为选择合适案例提供基础。海洋科学专业侧重于应用遥感数据产品开展海洋学研究，教案设计将重点放在海洋要素产品的下载、制图和应用方面；海洋技术专业侧重于海洋遥感图像的处理和解译，如海表面温度的遥感反演及应用案例。海洋科学专业的实践课程内容主要集中于对海表面温度遥感产品的下载和制图，分析海表面温度长时间序列的变化情况；海洋技术专业则通过选择合适的遥感图像，如基于MODIS、HY-1C图像，研究从图像到产品的温度反演算法，获取高精度的海表面温度数据。

（二）案例编制

案例的选取和编制是实践教学的重要组成部分。海洋科学专业的课程案例选取侧重卫星遥感产品在海洋学的应用，如海表面温度、盐度、风场、波浪、海冰等卫星观测产品的来源、分辨率、精度和范围等特点；如何下载、处理、分析和应用这些卫星观测产品。海洋技术专业案例选取将侧重于图像的获取、处理和解译，如怎样从激光测高卫星数据中提取海冰厚度参数，如何基于光学遥感影像反演海表面温度等；不同算法的应用范围和精度如何确定等。所选案例将按照“发现问题—探讨问题—解决问题”的PBL思路撰写，使所要求掌握、了解的知识主次分明，步步引导学生通过相互协作完成实践。

（三）整合案例形成教案

案例编写以学生为本，教案将详细阐述：案例实践最主要的目的是什么、学生会提出哪些问题、学生可能产生哪些假设、每部分哪些信息可以交叉起来、通过什么方式鼓励学生自学等内容。在有针对性地编制适用于不同专业课程的有效案例后，需要将各个案例与理论知识点进行整合，每个案例教案一般分3～4个部分，并且有趣味性或者戏剧性情景。比如，可以给某个案例教案起个引人入胜的标题；每个部分之间有时间递进的体现，教案具有整体的连贯性和逻辑性，有挑战性和趣味性。

三、教案审核与反馈

PBL教案完成后，要经过审核、应用、反馈、修改、再应用的一个过程。本教案完成后，将在实际开课过程中进行反复修改完善，翻转课堂的应用将很大程度上保证学生的主体学习地位。首先检查案例有无错误、遗漏，初步检验是否能达到预想的教学目的，邀请专家对教案进行审核并提出意见，及时进行修改；在应用过程中与学生积极沟通，收集学生和任课教师的反馈意见，对教案进行修改；修改后的教案再次使用，学生和教师再次提出问题，改正、修正。同时，遥感技术发展日新月异，遥感卫星、海洋数据产品的更新速度极快，在教案编写的过程中，案例的更新速度必然要与现在的海洋遥感发展相匹配。

四、典型案例实施

本文采用PBL模式开展海洋遥感实践案例设计研究，以国产卫星数据为主要数据源，综合运用国产遥感处理软件如航天宏图PIE系列软件，选择特定海洋遥感案例，以问题为引导，制作从遥感数据输入、数据处理、数据解译分析到专题产品输出的一体化课程设计实验模块，培养学生发现问题、分析问题、解决问题、延伸问题的自主式与探索式学习新思路。典型实验教学过程流程如图1所示。

（一）实验准备阶段

首先是理论知识回顾，实验开始前抛出问题讨论海表温度这一要素在海洋学研究中的重要性，进而延伸提出：海表温度如何测量？海表温度的观测主要有两种方式：一种是观测仪器的现场直接测量（浮标或走航船测），另一种是卫星遥感反演的间接测量。相较于直接测量，卫星遥感方法能够实现全球覆盖、大面积同步和动态持续的监测，是海表温度数据获取的主要手段。同时，引导学生再深入分析：理论课上已经讲过的能用于反演海表温度的主要传感器（可见光、红外和微波传感器）有哪些？谈谈光学探测和微波探测在海表温度获取上的优劣势等。

其次是实验步骤概述，以流程图的形式，从整体上详细讲述实验的具体步骤和方案，如图1所示，讲述从数据下载到分析到反演，最后出图的全过程，为学生建立起完成实验的整体架构图，为后续具体细节的实施奠定基础。同时，引入课程思政点，从国产数据和国外数据的对比、国产软件和国外软件的对比两方面分析本实验选取HY-1C数据和PIE处理软件的优势及存在的问题，让学生体会国产遥感数据和产品的优质服务，同时感受到我们的不足，坚定学生投身海洋遥感事业的决心。

（二）实验进行阶段

实验进行阶段的主要任务是如何引导学生按步骤完成具体操作流程，熟悉软件的使用和海洋遥感数据的处理。考虑学生实际操作能力的差异性，采用两两配对，熟悉软件的学生和不熟悉软件的学生结成互助小组，并且在不同的模块分别设置具体的操作问题，引导学生追着问题去完成，在独立完成具体步骤的同时，回答设置好的问题，增强学生的专注力和创新力。

首先是数据读取与显示模块，数据下载方面，指导学生从官方网站上（如国家卫星海洋应用中心官网）完成黄海海域的HY-1C数据的下载，了解遥感图像的光谱波段设置，确定能用于海表温度反演的特征波段。该模块主要用到PIE-Basic软件的系统及显示控制功能，指导学生完成HY-1C数据的展示，并引导学生自主进行图像增强等操作，查看图像显示结果，回答为什么图像的颜色不同。

其次是数据预处理模块，主要用到图像预处理功能，依次完成辐射校正，图像配准及图像裁剪等预处理，引导学生回答为什么要做辐射校正和配准、辐射定标和辐射校正两者的区别、图像几何精纠正的误差范围等问题。

再次是信息提取与解译模块，该模块主要结合前期理论课程学习过程中提到的温度反演模型（如双通道模型），分析反演模型的具体算式，并基于PIE-Basic软件的基础工具模块里面的图像运算功能，计算获取海表面温度反演结果，引导学生开展反演结果与实测海温数据的对比分析，引导学生回答误差的来源。

最后是专题图生成模块，主要用到专题制图功能模块，依次完成制图模板、符号化、整饰制图等步骤，绘制黄海海表温度专题图。回答选取怎样的符号化方法，使得海表面温度的分布细节更清晰和合理。

（三）实验结果提交与讨论阶段

完成全流程模块化的实验后，每个小组需要提交最后的实验报告，结合案例来看，首先需要每名学生自主完成实验报告的编写，重点阐述HY-1C遥感图像的处理过程及海表温度反演和制图。其次就具体实验的整个过程展开多维讨论，制作PPT，开展翻转课堂，结合实验过程中的几个问题，依次给出解答，并结合前期理论知识，融会贯通。最后，教师结合学生实验报告和PPT汇报情况，提出具有挑战性的实验课题，如根据实测数据和现有遥感数据，尝试探索其他方法，完成海表温度的反演，并开展不同反演模型之间的精度对比分析。