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探究极地测绘遥感信息学教学现状与方法

2019-12-27 444 上传者：管理员

摘要：极地科考和研究的相关研究中需要大量复合型测绘人才，武汉大学经过长期深入研究发展了极地测绘遥感信息学这一具有特色的交叉学科，并编制了专业教材同时开设了专业课程。本文围绕极地测绘遥感信息学的教学研究与实践，以笔者的实际教学经验为基础，探讨授课对象、教学内容、教学方法、教学实践等多方面内容，旨在为该课程的进一步发展提供参考。

关键词：
交叉学科
教学实践
教学方法
极地测绘
遥感信息学
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当前，我国正在从极地科考大国向极地科考强国进军，极地科学研究和技术日益受到重视，另一方面，以3S为代表的现代测绘新技术也使测绘学科从理论到手段发生了革命性的变化^[1-2]，因此，基于测绘、遥感、地理信息技术的极地测绘遥感信息学逐渐形成为一门新兴的交叉学科^[3-4]。在这一领域的相关研究中，需要较为全面地掌握测绘遥感信息学相关知识及其在极区应用的复合型测绘人才^[5-8]，针对这一需求便产生了相应的专业课程。本文从笔者多年的教学经验出发，围绕极地测绘遥感信息学的教学模式，从教学现状、授课对象、教学内容、教学方法、教学实践等方面等多方面探讨了该课程，为该课程的进一步发展提供参考。

1、极地测绘遥感信息学的教学现状

2018年世界地球日，25所国内高校成立了中国高校极地联合研究中心，其中专设极地研究机构的高校包括武汉大学、北京师范大学、中国海洋大学、中国科学技术大学、同济大学、河海大学、吉林大学、大连理工大学等；其中较为深入开展极地测绘遥感信息相关教学和研究工作的高校主要有武汉大学、北京师范大学、同济大学等；另有中科院测量与地球物理研究所、中科院遥感与数字地球研究所等主要致力于极地相关的研究工作。而武汉大学中国南极测绘研究中心是成立最早也是相关研究最为全面、深入的研究机构。

自1984年我国首次南极考察开始，武汉大学作为我国极地测绘的主力，是国内参加极地考察最早、次数最多、派出科考队员最多的高校科研机构。以现代大地测量学、遥感科学与技术和地理信息科学为依托，以极地特殊环境下极地空间信息过程与全球变化研究为目标，武汉大学的鄂栋臣教授建立了极地测绘遥感信息学学科体系，是中国极地测绘科学考察和科学研究的开创者和奠基人。随后，武汉大学中国南极测绘研究中心以现代大地测量学、遥感学和地理信息科学为依托，逐步发展了极地测绘遥感信息学这一具有特色的交叉学科，在学术团队建设、学科建设和人才培养等方面取得了显著成绩。在极地测绘遥感教学领域，其他高校主要是针对具体的研究对象或研究手段，开设了《地球系统与全球变化》、《气候变化科学进展》、《大气海洋学概论》、《冰川物理》、《全球陆表遥感应用》等课程，还没有形成体系化的极地测绘遥感信息学。而武汉大学从2011年开始，在全国率先开设了《极地测绘遥感信息学》课程，主要面向研究生和高年级本科生。迄今，该课程已培养出大量满足极地测绘研究需求的复合型人才，对促进极地测绘遥感信息学的发展起到了重要作用。

2、教学研究与实践

下面分别从授课对象、教学内容、教学方法、教学实践等方面讨论该课程。

2.1 授课对象

极地测绘遥感信息学主要是面向从事极地研究的研究生、交叉学科相关专业的研究生、测绘遥感信息领域高年级的本科生。

该课程虽然涵盖的内容较广，但并不应归类于通识教育，课程本身侧重的还是启发性教育，需要学生在储备一定的测绘遥感地理信息相关知识的基础之上，逐步提升在实际应用中解决问题的综合能力。这门课程在研究技术手段的基础上，更强调各种测绘新技术在极区的应用，以及新技术应用中所面临的问题及相应的解决方法。

极地相关领域的研究重视理解问题、解决问题的实际能力，其培养的复合型人才对于学生走上工作岗位也大有好处。无论学生是今后继续从事极地研究、教育工作，或是进入生产单位等，其知识储备的复合性、问题解决的实际能力等，都有助于其尽快融入相应的工作。

2.2 教学内容

在学科交叉的大背景下，该课程更加强调对于多种技术手段的综合运用，并以研究对象为主要目标，包括冰盖/冰川、海洋、大气等，而不只是仅仅关注某一项技术本身。

具体内容包括：在极地测绘信息学概念、极地测绘科考的任务和主要研究方向的基础上，进一步讨论极地大地参考框架的建立与维持、极地数字制图方法与应用、基于卫星测高与卫星重力的应用研究、极地遥感应用研究概述及雷达遥感、极地光学遥感应用研究、极地观测数据质量评估、极地地理信息系统原理与方法、GNSS在极地的应用研究、极地验潮及海平面变化、极地地球物理反演等内容。

在教材选择上，本课程偏向于应用领域以及最新的研究进展，而传统的技术类教材过于单一且缺乏新技术的介绍，理论类教材过于基础且缺乏极区应用。所以，一方面，武汉大学中国南极测绘研究中心最新编制的相关教材《极地测绘遥感信息学》已于2018年10月正式出版[4]，另一方面，主要是结合最新的研究成果，包括论文、报告等。同时，还会推荐一些国际性机构的网站作为辅助资料，包括南极科学委员(Scientific Committeeon Antarctic Research，SCAR)、北极科学委员会(International Arctic Science Committee，IASC)等，保持教学内容的时代性。

2.3 教学方法

由于涵盖的知识面较广，在实际教学中，本课程首先需要以有经验的主讲老师为主，串起整个内容，帮助学生构建该课程学习的思维框架；再由其他专长老师协助讲授，补充技术细节。在当前互联网+的背景下，单纯依靠讲授或案例分析，不利于吸引学生参与课堂的学习。一方面，本课程的讲授和讨论以研究对象为出发点，将解决问题的过程贯穿到课件当中，而且，每名学生都有自己的研究方向，在课堂讨论中从学科交叉里寻找创新点。另一方面，通过卫星网络技术^[9]、三维建模和虚拟现实技术^[10]等实时展示极区状况，并且依托武汉大学建立的极地展览馆，让学生近距离接触南北极。

本课程的课堂讲解和课件制作的原则是启发式教育，注重解决实际问题的能力。同时利用极地科学的资料丰富、趣味性较强的特点，激发学生们的参与热情。但是，考虑到该课程涉及的内容较广，教学课时有限，要避免基础知识的简单罗列，教学内容也并不是越多越好。以冰盖/冰川研究为例，从研究对象出发，以大气、海洋等学科交叉为重要手段，寻找包括3S在内的诸多方法，进行技术手段和研究方法的改进和创新，最终实现问题的解决，让知识在运用中得到升华。这种讲解模式也更贴近研究生从事研究的过程，有利于他们尽快开展自己的研究工作。

在课堂讨论环节，主要包括两部分，老师和学生的讨论，以及不同研究方向的学生之间的讨论。有极地经验的老师，会增加讲课内容的丰富程度，有利于与学生的互动。常规教学中那种老师从头讲到尾，学生一言不发也没有参与感的情况，在该课程教学中很少出现。在实际的教学过程中，从案例分析入手，以极地科考现场的问题为切入点，充分调动了学生的兴趣，进而提出问题，与学生共同讨论。不同研究方向的学生之间的讨论也非常重要，现在研究生导师的方向往往比较具体，以至于其众多研究生的研究方向比较集中，缺乏与其他研究方向的碰撞。而本课程提供了良好的平台，让不同研究方向的学生在解决实际问题的过程中互相讨论。同时，由于该课程的涵盖面较广，不同研究方向学生之间的讨论，也有助于增加学生的课程参与感。

2.4 教学实践

在笔者的实际教学过程中，发现有两个突出问题需要注意，一是积累和创新并重的启发式教育，二是从案例分析和学科交叉中寻找创新点。

创新离不开知识的积累。虽然现在比较强调本科阶段的创新创业，但基于打好基础的目的，不少学生在本科阶段的学习依然以书本知识为主，灵活运用为辅。而到了研究生阶段，主要以其具体的研究方向为主，对于其他方向，原本就缺乏深入的理解，随着时间的流逝，会进一步忘记，更别提运用。知识创新离不开知识积累，这不是过分强调知识积累的重要性，而是说要以知识积累为手段，以知识创新为目的。对于研究生创新来说，缺乏对综合知识的理解和运用，空谈创新，其实并不利于他们创新。这一情况在解决极区实际问题时尤其突出。本课程的开设就为这种积累和创新构建了良好的桥梁，并且，通过鼓励学生阅读交叉学科的教材和文章、更好地掌握相关知识点，进而在一定交叉知识的积累上开展创新。

创新也是在已有知识中寻找互补性，以此形成创新点。比如，以测绘仪器为例：测绘技术的更新换代很快，但这并不表示某一项技术就可以完全取代其他技术。电子仪器越来越流行，传统的光学仪器甚至不再是教学环节的重点，但在极区低温环境下电子仪器工作时并不稳定，而光学仪器的极区低温环境下依然优秀，在格罗夫山测量中发挥了极为重要的作用^[11]。比如，以空间天气研究为例：原本SAR数据处理环节不需要考虑电离层的影响，单频测高卫星用电离层模型改正即可，但随着SAR卫星L波段、P波段的出现，原本在高频信号时无需考虑的电离层问题在低频信号时变得突出，而测高卫星为了更好地改正电离层影响，后来的卫星加入了双频改正。通过学科交叉，我们进一步将SAR手段运用电离层反演中，又基于测高卫星进行电离层信息提取，促进了空间天气研究^[12]。这样比如，再以冰盖/冰川研究为例：我们研究的重点之一是冰盖/冰川的形态变化、物质平衡等，而诸多测绘遥感信息技术均可以扮演重要角色，包括角度前方交会、GPS静态、RTK、PPP、探冰雷达、无人机航拍、倾斜摄影测量、微波遥感、光学遥感、地面重力、机载重力、卫星重力、地面三维激光扫描等。不过，诸多技术细节不可能让学生全部掌握，而是要明确了解每一项技术各自的特色和不足，要扬长避短，以解决实际问题为最终导向。

3、结束语

极地相关领域的研究正从冷门走向大众，而极地测绘遥感信息作为极地领域的重要研究内容，也日益受到重视。而且，该课程的开展也是对学科交叉和自主创新的尝试和突破。复合型人才是当今社会的需求，各种知识点和技术手段的综合运用是基本能力，而该课程正是以多种测绘技术手段为载体，有助于培养知识和技能全面的测绘人才。不过，客观地说，受惠于武汉大学测绘相关学科的全面性和武汉大学中国南极测绘研究中心在极地的长期研究工作，本课程的开展在武汉大学具有一定优势，短时间内未必适宜其他高校推广。但是随着极地研究的深入，从事极地相关研究的高校可以根据其实际情况，有所侧重地开展极地测绘遥感信息学。

参考文献：

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