“光电信息获取与处理”综合实验科教融合体系探索

［摘 要］ 光电信息技术是一门综合交叉学科，知识体系涉及诸多学科基础理论和工程技术，培养的人才不仅应掌握综合知识内容，还应具备解决专业领域应用问题的能力。以遥感科学技术专业为例，针对光学物理量与非光学物理量的信息探测及处理这两个光电信息探测主题，以科教融合为导向，以专业课程体系为框架，探索将遥感专业前沿研究融入“光电信息获取与处理”综合实验的教学方案和实验内容体系，从而巩固学生专业知识，训练学生综合实践能力，拓宽学生学术视野，提升学生创新素质。

［关键词］ 光电信息；综合实验；科教融合；遥感科学与技术

［作者简介］ 苏丽娟（1981—），女，安徽芜湖人，博士，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院副教授，主要从事光谱成像及处理技术研究；潘 锋（1979—），男，广西桂林人，博士，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院副教授，主要从事光学检测研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）37-0010-04 ［收稿日期］ 2023-07-17

引言

光电信息技术是信息科学中的一门综合交叉学科，在光电信息相关专业教学和人才培养过程中，要求学生专业知识面覆盖广的同时，还应具备面向工程问题开展分析、应用知识解决应用需求的能力。因此，需要开设“光电信息获取与处理”综合实验课程教学，将诸多课程知识按照光电信息流的调制、传输、传感、提取、应用这一过程串联，培养学生运用知识解决指定需求问题的能力。

近年来，我国出台了多个高等教育政策、一流高校及学科建设规划，提出开展科教融合提升人才培养的质量，各个高校的学科专业针对如何将科技研究进展融入课程内容改革、课程体系设计、综合实验创新等方面开展了研究和探索［1-4］。北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院的遥感科学与技术专业旨在培养光电探测技术及仪器、视觉测量与影像遥感方向的创新人才，课程体系除了包括光电信息基础课程，还包括视觉测量、影像遥感相关的专业课程。因此，我们将专业特色研究成果融入综合实验教学方案和实验项目体系中，探索在本专业特色领域训练学生专业综合能力、提升创新意识的教学路径。

一、综合实验教学目的及现状

“光电信息获取与处理”是一门综合实验，光电信息技术的光、机、电、算等多个环节。教学的目的是锻炼学生理论联系实际的能力，训练学生创新思维，提升学生科学素养和团队协作精神。综合实验课程项目受仪器设备条件的限制，具体实验系统、实验方案和操作流程基本固定，学生只能按照教师设计的实验方案被动地进行实验操作和撰写实验报告。实验项目由不同的教师结合自身研究应用方向设计，由于授课侧重点不同，有的教师强调实验操作和数据处理而有的教师强调应用创新，因此需要统一教学方案。此外，现有实验教学过程还存在实验参与性和挑战性不足等问题。

二、综合实验教学方案设计

针对上述教学目标和现状，教学团队经过探讨分析，将每个实验教学过程都分为三个主要环节，分别为实验引入、实验实践、实验报告。在上述环节中，围绕“应用牵引、知识联通、问题研究、科研融合、视野拓展、价值塑造”进行教学方案设计。

1.实验引入是在实践前进行课堂授课讲解，从现实应用需求的角度切入实验主题，激发学生学习兴趣。自编实验教案覆盖实验的基础理论、处理方法和工程技术，通过授课帮助学生融会贯通各个专业知识在实际光电信息系统中的应用。授课中穿插相关的科研技术发展案例，融入为国家重大需求服务的思政元素，帮助学生树立科学精神和社会主义核心价值观。

2.实验实践包括学生实验设计训练和实验操作。为了以学生为中心提升实验参与度，实验操作前，指导学生进行实验设计训练。教师将实验任务分解为多个子问题，安排学生组成实验小组对各个子问题进行分工调研，针对实验光学系统、数据处理方法等设计实施方案，培养学生应用专业知识和技能及团队协作能力。教师对学生提交的实验设计进行评估，讨论各个子问题方案的可行性和创新性。对可以实施的方案，指导学生在实验实践过程中加以实施；对不便实施的方案，引导学生进行虚拟仿真或者申请科技训练项目。

3.实验报告包括实验研究报告和实验数据处理分析报告两部分，教师给出报告内容要求和撰写规范，培养学生科研素养。实验研究报告要求学生从指定特征物理量测量技术、指定实验数据处理方法等视角，查阅相关国内外文献资料，追踪前沿技术。实验数据分析报告要求学生对实验数据进行处理，绘制数据展示图表，探讨实验结果反映的信息特征；同时鼓励学生学习最新算法处理数据，深入对比分析数据处理方法的差异性。研究报告旨在培养学生自主学习能力，促进学生开阔学术视野；数据处理分析报告旨在锻炼学生数据处理算法编程和软件使用方面的动手能力，同时培养学生分析问题的思维。

为了提升学生在上述教学过程中的参与度和积极性，对学生的考核机制进行改进。根据实验教学各个阶段，从师生互动、实验操作、实验设计、文献调研、实验数据报告、团队表现等多个环节进行考核，激发学生的学习内生动力。

三、科教融合实验内容体系设计

综合实验的开课时间为本科阶段第七学期，面向的学生已经完成了大部分专业基础课程的学习，基本掌握了专业知识要点。综合实验项目包含光电信息技术的多门课程知识，具有专业特色的科学研究被融入实验教学内容以体现专业应用方向和技术前沿性，培养学生综合应用所学知识解决复杂工程问题的能力，同时培养学生的创新意识和专业素养。

教学团队在分析探测的信息特征类型后，设计了遥感科学技术专业的光电信息获取及处理综合实验项目。根据光电探测系统探测的物理量类型，教学团队将“光电信息获取及处理”综合实验设计为两个主题：光学物理量信息探测及处理、非光学物理量探测及处理。在此基础上，根据我校遥感科学技术专业所培养人才的专业领域方向，结合教师科学研究工作内容和科研案例，在每个主题下设置两个综合实验，映射人才培养体系中特色课程内容和专业发展方向，突出光电信息获取及处理技术应用前沿。具体设计的综合实验项目体系如图1所示。首先，光学物理量信息探测及处理类的综合实验紧扣影像遥感方向的专业课程体系和应用技术，分别为多变光照下遥感地面测量仿真实验和多光谱成像遥感实验。前者侧重对遥感光照过程的模拟及成像数据的处理应用，后者侧重于光谱遥感成像系统的辐射校正和图像处理应用实践。其次，非光学物理量探测及处理类的综合实验则分别针对光学载波探测和视觉测量的基础课程体系，分别为数字全息成像测量实验和工业近景摄影测量实验。前者侧重光学及光电探测技术基础课程体系，设计复杂光学系统将目标特征物理量调制于光波信息进行测量实践；后者侧重视觉和摄影测量基础课程体系，利用立体视觉原理对目标进行三维测量。

（一）多变光照下遥感地面测量仿真实验

多变光照下遥感地面测量仿真综合实验探测的物理量是地物反射的光谱辐射信息，该实验通过辐射模拟系统展示太阳光辐射和天空光辐射照射下的地表物体，展示遥感成像过程中的辐射校正，进行地物识别和分类实践。该实验项目实践过程包括多变光照辐射过程模拟系统设计、仿真光照测量及辐射校正、地物光谱特征分析及应用拓展三个主要环节。

1.多变光照辐射过程模拟系统设计环节中，指导教师授课讲解辐射失真源、本实验采用的光照模拟系统方案，指导学生调研分析现有系统存在的不足、设计模拟系统改进方案、研讨技术实施的可行性，引导学生研究不同的地物目标（如植物、土壤、矿物等），构建多种样本集用于成像测量实验。

2.在仿真光照测量及辐射校正环节，学生利用模拟系统完成不同太阳天顶角、不同天空光状态下的地物反射辐射信息测量，进而分析不同辐照条件对地物反射辐射失真的影响。教师指导学生对测量数据进行辐射校正处理获得物体光谱反射率，鼓励学生调研其他辐射校正方法，设计该方法对应的实验方案，讨论新方法的优势，激发学生的科研兴趣。

3.地物光谱特征分析及应用环节中，学生从测量的光谱图像数据中提取样本目标的光谱曲线，检索对应目标的光谱曲线，利用ENVI软件和已知矿物光谱对实验矿物进行光谱分析和分类应用，培养科研思维。在此基础上，指导学生调研最新的地物分类和识别方法及应用场景，拓宽学生的学术视野。

（二）多光谱成像遥感实验

多光谱成像遥感综合实验探测的物理量是景物目标反射的光谱辐射信息，但是该实验目的是展示多光谱成像系统获得目标光谱图像数据立方体的机制、系统定标原理、遥感数据处理及应用。该实验项目包含多光谱成像系统设计、成像系统辐射定标、多光谱影像处理及应用拓展三个主要环节。

1.多光谱成像系统设计环节中，教师介绍多光谱成像原理及本实验系统方案，指导学生调研新型的光谱成像技术，开展新型光谱成像实验系统并完成器件选型和详细设计，利用软件平台模拟系统搭建，培养学生综合运用知识和现代工程工具的能力。

2.在成像系统辐射定标环节，教师介绍实验系统的辐射定标理论，学生针对多光谱成像系统设计辐射定标系统。教师根据实验室已有设备指导学生改进定标系统设计方案，完成定标系统整体搭建和测试，进而完成多光谱成像系统辐射定标。

3.多光谱影像处理及应用环节包括光谱成像操作实验和遥感影像处理两部分。教师在现场指导学生完成遥感影像获取，引导学生讨论分析本实验与实验一的联系和区别，明确实验的侧重点。然后，指导学生完成遥感影像的系统辐射校正处理，采用ENVI软件对多光谱图像进行显示增强、去噪、地物分类等处理。鼓励学生学习前沿影像处理方法，分析新方法的优势和发展趋势，激发学生创新思维。

（三）数字全息成像测量实验

数字全息成像测量综合实验是通过光学干涉成像系统将工件振动、细胞体积等非光学待测物理量调制到光波信息中，利用数字全息成像和再现算法实现特征信息的重构。该实验项目实践过程包括数字全息成像测量实验方案设计、全息成像测量及特征信息解算、全息测量应用拓展三个主要环节。

1.在数字全息成像测量实验方案设计环节，教师讲解数字全息技术基本原理、典型的光学系统结构和全息在线算法，然后指定多种待测物理量（如工件振动频率、肿瘤细胞形态等）。学生选择其中一类设计相应数字全息成像系统方案，教师对学生的设计方案进行评估并提出改进意见，指导学生完成实验系统的详细设计与搭建，开展系统测试。

2.全息成像测量及特征信息解算环节中，学生完成实验操作获取数据，采用再现算法和相位校正算法处理全息数据，进而反演处理获取待测物理量。鼓励学生采用多种方法处理数据，对比分析处理效果，培养学生归纳分析能力。

3.在全息测量应用拓展环节，要求学生调研归纳全息成像技术能测量其他类型的物理量，鼓励学生开拓思路提出新的测量应用。针对特定物理量测量，引导学生调研其他的测量技术，归纳分析不同测量方法的优缺点和适用场景，拓宽学生学术视野。

（四）工业近景摄影测量综合实验

工业近景摄影测量综合实验是视觉测量技术的典型应用之一，采用摄影相机获取工业产品的图像信息，通过计算物点三维坐标实现物体完整的尺寸、形状、位置信息的提取。该实验项目实践过程包括摄影测量实验系统方案设计、摄影系统定标实验及参数提取、目标摄影测量实验及应用拓展三个主要环节。

1.摄影测量实验系统方案设计环节中，教师授课摄影测量原理、空间点三维计算方法，然后指定待测工件样品（如大型工件、复杂铸件等）。学生调研典型摄影测量方案，针对测量目标设计摄影测量实验系统，如设计条纹投影的摄影测量系统测量复杂铸件。教师基于实验室设备条件对学生的设计方案进行评估并提出改进建议，指导学生完成实验系统的搭建，完善摄影测量步骤规划和辅助准备工作。

2.在摄影系统定标环节，教师介绍摄影系统定标原理和参数提取方法，学生针对摄影测量系统设计相应的定标实验方案、参考标定板，然后教师指导学生应用图像处理方法处理标志点图像，通过计算获取标志三维坐标及相机内参数。

3.目标摄影测量实验及应用环节中，学生完成工件样品的摄影测量和三维信息提取。指导学生对不同类型的样品开展测量实验，分析测量系统适用于哪些类型的工件测量。鼓励学生调研前沿的摄影测量方案（如基于投影的并行单像素成像技术）、最新测量应用，培养学生的创新动力和专业视野。

结语

“光电信息获取与处理”综合实验课程是帮助本科生理解课程知识体系和运用工程技术的重要途径。将科学研究进展转化为实验项目，探索以培养学生自主性的教学方案和实验体系，引导学生开展科学文献调研，自主设计实验系统方案，提高学生实验课学习效果。通过了解学科技术前沿，提升了学生创新动力，为将来选择科学研究方向打下良好的基础。教学团队通过探索，以科教融合为导向，完善了教学方法和实验内容，提高了整体教学水平。