龔 龑?zhuān)瑥?熠，方圣輝，彭 漪

(武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079 )

高校工科教學(xué)知識(shí)點(diǎn)與科學(xué)精神關(guān)聯(lián)培養(yǎng)探討
——以遙感科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)為例

龔 龑?zhuān)瑥?熠，方圣輝，彭 漪

(武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079 )

高校教學(xué)中學(xué)科知識(shí)點(diǎn)培養(yǎng)是課程教學(xué)的主體，而科學(xué)精神則是高等教育的靈魂所在。教師要從培養(yǎng)具備創(chuàng)新型思維和知識(shí)再創(chuàng)造能力人才的角度來(lái)看待常規(guī)課程教學(xué)。武漢大學(xué)遙感學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)知識(shí)點(diǎn)與科學(xué)精神的關(guān)聯(lián)培養(yǎng)進(jìn)行了一系列探索，從思辨教學(xué)、知識(shí)點(diǎn)過(guò)程化和知其所以然等方面進(jìn)行了一系列富有推廣意義的教學(xué)實(shí)踐。通過(guò)這些實(shí)踐實(shí)現(xiàn)了遙感科學(xué)與技術(shù)工科學(xué)生從科學(xué)和技術(shù)兩個(gè)層面的提升，為培養(yǎng)復(fù)合型高級(jí)應(yīng)用人才奠定了基礎(chǔ)。

知識(shí)點(diǎn)；科學(xué)精神；思辨；科技創(chuàng)新；遙感科學(xué)與技術(shù)

高校工科教學(xué)有其自身的學(xué)科特色和教學(xué)規(guī)律。在推進(jìn)素質(zhì)教育的實(shí)踐中，一方面要造就具備扎實(shí)學(xué)科知識(shí)的專(zhuān)業(yè)人才，另一方面尤其要注重對(duì)大學(xué)生科學(xué)精神的培養(yǎng)。因?yàn)?，工科教學(xué)中知識(shí)點(diǎn)是基礎(chǔ)，而科學(xué)精神是大學(xué)的靈魂[1]。這二者直接影響著國(guó)家未來(lái)科技創(chuàng)新能力的提升。

工科課程的知識(shí)點(diǎn)是教學(xué)內(nèi)容的基本構(gòu)成單元，是學(xué)生在教學(xué)中面對(duì)的主要認(rèn)知對(duì)象集合。如果說(shuō)一門(mén)課程是一棟樓房，知識(shí)點(diǎn)就是其中的一磚一瓦。根據(jù)課程要求，包括了解、掌握、理解或知曉等不同層次類(lèi)型。這些知識(shí)點(diǎn)的有機(jī)體系構(gòu)成了工科課程教學(xué)內(nèi)容的主體。而工科的科學(xué)精神，則是蘊(yùn)含在知識(shí)點(diǎn)集合中的強(qiáng)大磁場(chǎng)，它折射出一種窮追到底探索真理的訴求，體現(xiàn)出發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的技術(shù)美學(xué)。浸潤(rùn)在科學(xué)精神中的大學(xué)教育，是學(xué)生人生中彌足珍貴的思辨品質(zhì)培養(yǎng)階段。

工科教學(xué)中，知識(shí)點(diǎn)與科學(xué)精神互為表里、均不可或缺。沒(méi)有扎實(shí)透徹地把握知識(shí)點(diǎn)，科學(xué)精神便是紙上談兵、浮沙之上筑高臺(tái)；缺乏科學(xué)精神培養(yǎng)，知識(shí)點(diǎn)便是死水一潭，失去知識(shí)再創(chuàng)造的動(dòng)力。因此，本文將結(jié)合教學(xué)團(tuán)隊(duì)在遙感學(xué)科中的教學(xué)實(shí)踐，以所承擔(dān)的遙感科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)系列課程為例，針對(duì)如何在工科課堂中開(kāi)展知識(shí)點(diǎn)與科學(xué)精神關(guān)聯(lián)培養(yǎng)進(jìn)行探討，并從“思辨教學(xué)方式”“知識(shí)點(diǎn)過(guò)程化”和“知其所以然”等幾個(gè)方面進(jìn)行了探索和實(shí)施。

1 知識(shí)點(diǎn)與科學(xué)精神的思辨教學(xué)方式

在“遙感原理與應(yīng)用”“高光譜遙感”和“定量遙感”等專(zhuān)業(yè)課程中，知識(shí)點(diǎn)主要體現(xiàn)為遙感各類(lèi)相關(guān)技術(shù)的基本理論、基本方法和應(yīng)用方式[2]。學(xué)生掌握了這些知識(shí)，才能具備在國(guó)土測(cè)繪、農(nóng)林牧漁和環(huán)保監(jiān)測(cè)等行業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的基本要求。而其中的科學(xué)精神，主要體現(xiàn)為遙感基本理論在接近科學(xué)真相過(guò)程中的自身規(guī)律、遙感基本方法在對(duì)地觀測(cè)中的創(chuàng)新歷程，以及遙感應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)、分析并解決問(wèn)題的技術(shù)邏輯閉環(huán)。通過(guò)對(duì)科學(xué)精神的培養(yǎng)，學(xué)生才能在國(guó)內(nèi)外新型遙感技術(shù)不斷涌現(xiàn)的條件下，形成自主思考、主動(dòng)探索并不斷創(chuàng)新的科學(xué)素養(yǎng)。與初等教育相比，思辨品質(zhì)培養(yǎng)是大學(xué)教育突出的特點(diǎn)，其培養(yǎng)過(guò)程與具體的知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)應(yīng)該緊密結(jié)合。因此，在大學(xué)工科的課堂中，教師不能以占據(jù)知識(shí)與學(xué)術(shù)制高點(diǎn)姿態(tài)自居，教師僅僅是比學(xué)生早接觸某些知識(shí)，在學(xué)生和未知世界之間，教師是橋梁和指引者，不是知識(shí)的搬運(yùn)工。為實(shí)現(xiàn)上述思想，在具體的課程教學(xué)中，本文從兩方面進(jìn)行了實(shí)踐。

1.1 課程教學(xué)與學(xué)科知識(shí)的大局觀

教師在課程教學(xué)之前，除了對(duì)課程教學(xué)大綱進(jìn)行理解，還應(yīng)該從專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)角度具備對(duì)學(xué)科知識(shí)的整體思考[3]。工科的專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案，通常體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生能力素質(zhì)的培養(yǎng)目標(biāo)，這實(shí)際上是該專(zhuān)業(yè)關(guān)于科學(xué)精神培養(yǎng)的具體依據(jù)。

以武漢大學(xué)《遙感科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科人才培養(yǎng)方案(2010版)》為例，該專(zhuān)業(yè)(代碼：080902) 屬高校首批國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科和“211工程”重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科，培養(yǎng)目標(biāo)中要求：“本專(zhuān)業(yè)面向國(guó)家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要，培養(yǎng)掌握遙感科學(xué)基本理論、方法和技術(shù)，具有空間信息獲取、處理、分析和應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)的復(fù)合型高級(jí)技術(shù)應(yīng)用人才”，要求“使學(xué)生具有應(yīng)用所學(xué)專(zhuān)業(yè)解決空間信息分析、表達(dá)與應(yīng)用等實(shí)際問(wèn)題的能力”。通過(guò)對(duì)培養(yǎng)方案的解讀，科學(xué)精神的培養(yǎng)著重點(diǎn)體現(xiàn)在“復(fù)合型高級(jí)應(yīng)用人才”和“分析、表達(dá)與應(yīng)用能力”等方面。對(duì)該專(zhuān)業(yè)而言，遙感理論與應(yīng)用的內(nèi)在關(guān)聯(lián)、分析方法的創(chuàng)新推進(jìn)過(guò)程是思辨教學(xué)的主要內(nèi)容[4-5]。而對(duì)于具體課程的教學(xué)，都涉及一系列對(duì)學(xué)生思辨能力培養(yǎng)的環(huán)節(jié)。如何通過(guò)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)達(dá)到“復(fù)合型人才”培養(yǎng)的目的，對(duì)遙感空間信息的分析能力如何提高，如何形成從分析問(wèn)題到表達(dá)與應(yīng)用的技術(shù)轉(zhuǎn)換，筆者在國(guó)家級(jí)精品課程“遙感原理與應(yīng)用”等課程的教學(xué)中，通過(guò)對(duì)上述問(wèn)題的思考，對(duì)課程在實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)科學(xué)精神培養(yǎng)目標(biāo)中的角色進(jìn)行了界定，從而厘清思辨教學(xué)思路。

1.2 知識(shí)點(diǎn)的批判式教學(xué)

工科課程中理論與應(yīng)用結(jié)合的特點(diǎn)，在很多知識(shí)內(nèi)容中得到體現(xiàn)。這種特點(diǎn)非常適合讓學(xué)生帶著探索精神去學(xué)習(xí)和思考，為實(shí)施批判式教學(xué)提供了良機(jī)。

在“遙感原理與應(yīng)用”中，采用了自底向上關(guān)聯(lián)等方法，進(jìn)行了多種知識(shí)點(diǎn)的批判式教學(xué)實(shí)踐。例如，在關(guān)于遙感信息的基本物理量教學(xué)內(nèi)容中[6]，有輻射能量、輻射通量、輻射通量密度和輻射亮度等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)。這些遙感物理知識(shí)點(diǎn)概念縝密，內(nèi)容經(jīng)典且通用，如果直接灌輸，將剝奪學(xué)生思考機(jī)會(huì)，形成被動(dòng)接受的不利模式。而采用批判式教學(xué)則效果截然不同。針對(duì)遙感衛(wèi)星地面站所提供的影像輻射亮度產(chǎn)品為具體對(duì)象，引導(dǎo)學(xué)生不斷提出批判性問(wèn)題，如為何遙感影像產(chǎn)品中不能直接記錄能量焦耳數(shù)值信息。進(jìn)而分析其背后原因，因?yàn)樾l(wèi)星只在探測(cè)器凝視時(shí)間內(nèi)觀測(cè)，所以需考慮單位時(shí)間，于是就有了輻射通量的記錄。再繼續(xù)提出批判問(wèn)題，不同影像分辨率不同，現(xiàn)有模型中面積因素如何考慮，因此進(jìn)一步引入單位面積分析，就產(chǎn)生了輻射通量密度信息。再深入一步批判，衛(wèi)星只從某個(gè)角度范圍觀測(cè)目標(biāo)，如何體現(xiàn)單位角度，就產(chǎn)生了輻射亮度物理量。從而使學(xué)生形成對(duì)地面站輻射亮度產(chǎn)品的深刻理解的同時(shí)，經(jīng)歷了遙感信息合理表達(dá)的思辨過(guò)程。

2 知識(shí)點(diǎn)過(guò)程化

什么是知識(shí)點(diǎn)過(guò)程化？這是由大學(xué)工科課程特別是專(zhuān)業(yè)課的一個(gè)顯著特點(diǎn)決定的，那就是知識(shí)點(diǎn)更新淘汰非常迅速。因而所謂新理論、新方法都是相對(duì)的。因此，教師應(yīng)該有意識(shí)地將新舊知識(shí)點(diǎn)的來(lái)龍去脈、內(nèi)部關(guān)聯(lián)呈現(xiàn)給學(xué)生，也就是要重視知識(shí)產(chǎn)生的過(guò)程。

一方面，從學(xué)生認(rèn)知的一般規(guī)律來(lái)看，知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程化教學(xué)利于學(xué)生理解；另一方面更重要的是，通過(guò)知識(shí)產(chǎn)生的過(guò)程學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生有探索參與感，體會(huì)逐步推進(jìn)、螺旋上升的科學(xué)規(guī)律，這對(duì)于培養(yǎng)工科學(xué)生的自主創(chuàng)新思維能力和知識(shí)再創(chuàng)造意識(shí)是很有必要的。基于這種認(rèn)識(shí)，在遙感教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐。例如，“植被指數(shù)”是遙感植被監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)和學(xué)術(shù)熱點(diǎn)，更新變化較快[7-9]。對(duì)此采取如下知識(shí)點(diǎn)過(guò)程化教學(xué)方式。對(duì)經(jīng)典“歸一化差值植被指數(shù)”進(jìn)行分析后，從實(shí)際應(yīng)用角度指引學(xué)生發(fā)現(xiàn)它的不足，即高密度飽和現(xiàn)象。按照常規(guī)性的教學(xué)進(jìn)度，就會(huì)直接講解改進(jìn)的新方法、新的植被指數(shù)知識(shí)點(diǎn)。如果這樣做，就是孤立處理知識(shí)點(diǎn)。知識(shí)的產(chǎn)生一定要有分析探索的過(guò)程。

本文根據(jù)圖1通過(guò)分析探索過(guò)程引出知識(shí)點(diǎn)，回到光譜曲線進(jìn)行分析，找到飽和現(xiàn)象產(chǎn)生背后的機(jī)理和原因，即近紅外反射率和葉高濃度綠素含量的相關(guān)性[10]。此時(shí)有針對(duì)性地啟發(fā)學(xué)生思考如何改進(jìn)，學(xué)生就參與了知識(shí)的創(chuàng)造過(guò)程。在此基礎(chǔ)上對(duì)國(guó)際前沿的最新指數(shù)形式進(jìn)行介紹，學(xué)生再也不會(huì)仰視教材中這些公式，反而會(huì)體會(huì)出這種研究過(guò)程的樂(lè)趣，學(xué)習(xí)的信心和積極性都會(huì)提高。

本科教學(xué)中，科研成果的引入需要經(jīng)過(guò)教學(xué)加工從而切合大綱。無(wú)論是新理論、新方法還是新應(yīng)用，教師都應(yīng)充分設(shè)計(jì)，在兼顧學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)的條件下與現(xiàn)有知識(shí)有效銜接，體現(xiàn)出知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程化，這也有助于形成科研促進(jìn)教學(xué)的良性態(tài)勢(shì)。

3 知其所以然

知其所以然，與大學(xué)工科教學(xué)的學(xué)術(shù)性有著內(nèi)在聯(lián)系。工科課程知識(shí)點(diǎn)的學(xué)術(shù)性包括“科學(xué)”與“技術(shù)”兩個(gè)層次，前者指工科課程知識(shí)內(nèi)稟的科學(xué)原理，后者則關(guān)乎課程知識(shí)涉及的典型應(yīng)用。工科課程中學(xué)生“知其然”的典型是對(duì)方法、技能的掌握，“知其所以然”則是學(xué)生對(duì)背后科學(xué)道理的理解。因此，“知其所以然”的本質(zhì)，是教學(xué)中的學(xué)術(shù)性。從教師的角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)對(duì)知識(shí)點(diǎn)從科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)層次進(jìn)行剖析理解。不能僅從教學(xué)大綱關(guān)于教學(xué)內(nèi)容的字面文字理解，更要著眼于學(xué)科背景和學(xué)術(shù)規(guī)律，深刻把握辯證思維過(guò)程。在教學(xué)過(guò)程中貫穿著對(duì)知其所以然的追求，有利于教師將科學(xué)與技術(shù)的前進(jìn)歷程與具體知識(shí)點(diǎn)的無(wú)縫結(jié)合。

圖1 植被指數(shù)知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程化教學(xué)方法示意

關(guān)于知其所以然的實(shí)踐，在教學(xué)中不乏案例。在“遙感原理與應(yīng)用”課程中，遙感影像融合是重要的處理技術(shù)，對(duì)遙感影像融合方法的掌握會(huì)直接影響到學(xué)生的后續(xù)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用能力。因此，教學(xué)內(nèi)容中有多項(xiàng)影像融合方法的知識(shí)點(diǎn)，這也是常規(guī)教學(xué)中教師需要重點(diǎn)闡述、學(xué)生需要加強(qiáng)練習(xí)的重點(diǎn)。以影像融合經(jīng)典方法HIS變換法為例，教材中會(huì)直接介紹變換數(shù)學(xué)公式并介紹實(shí)踐步驟。但如果僅僅以掌握方法為標(biāo)準(zhǔn)，只是“知其然”的表現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)“知其所以然”的思考探究，教師必須從更深刻的層次洞悉這部分知識(shí)。以遙感影像融合為例，在教學(xué)中采取了如下方式：首先提出遙感影像融合的科學(xué)問(wèn)題，即對(duì)融合要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是什么進(jìn)行分析，進(jìn)而從不同遙感傳感器和飛行器機(jī)理角度進(jìn)行揭示，使得學(xué)生明確融合的實(shí)質(zhì)是要實(shí)現(xiàn)不同遙感信息的優(yōu)勢(shì)綜合，然后站在解決這樣一個(gè)核心問(wèn)題的角度，從HIS變換法的角度進(jìn)行教學(xué)，此時(shí)可以把全色衛(wèi)星影像和多光譜衛(wèi)星影像分別展現(xiàn)出來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生觀察二者的特點(diǎn)，即前者為高分辨率影像但無(wú)色彩信息，后者色彩豐富但分辨率較低。緊接著，圍繞優(yōu)勢(shì)信息綜合這一核心科學(xué)問(wèn)題向?qū)W生提問(wèn)：第一，兩幅影像記錄值的優(yōu)勢(shì)信息是什么？第二，如何綜合？通過(guò)這兩個(gè)符合學(xué)生的認(rèn)知邏輯的基本問(wèn)題的思考，可以逐步帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)強(qiáng)度標(biāo)量值和色彩矢量值這兩種優(yōu)勢(shì)信息進(jìn)行專(zhuān)業(yè)分析。進(jìn)而在科學(xué)邏輯上，自然會(huì)涉及對(duì)標(biāo)量與矢量的定量變換關(guān)系的討論。此時(shí)再學(xué)習(xí)教材中的變換數(shù)學(xué)公式，學(xué)生會(huì)豁然開(kāi)朗。教學(xué)中還可酌情讓學(xué)生自行進(jìn)行公式推導(dǎo)。實(shí)現(xiàn)對(duì)該方法的教學(xué)后，對(duì)其相關(guān)融合方法，學(xué)生都可自發(fā)形成新的擴(kuò)展思路。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以遙感科學(xué)與技術(shù)本科教育為例，探討了工科大學(xué)教育中知識(shí)點(diǎn)和科學(xué)精神的辯證統(tǒng)一關(guān)系，并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)如何在工科課堂中開(kāi)展知識(shí)點(diǎn)與科學(xué)精神關(guān)聯(lián)培養(yǎng)進(jìn)行了討論。從培養(yǎng)方案的理解中體現(xiàn)遙感科學(xué)與技術(shù)高等教育的科學(xué)精神，從批判式教學(xué)的實(shí)踐中凝練知識(shí)點(diǎn)，二者的結(jié)合促成思辨式教學(xué)方式。通過(guò)知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程化形成科研促進(jìn)教學(xué)的良性態(tài)勢(shì)。將科學(xué)原理與教學(xué)表象所體現(xiàn)的處理方法進(jìn)行深度結(jié)合，既是知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)過(guò)程，又是科學(xué)思維的訓(xùn)練過(guò)程，經(jīng)歷這一過(guò)程，學(xué)生才能實(shí)現(xiàn)“知其所以然”。

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Incorporation of Scientific Thinking into Teaching Key Points in Engineering Education——A Case Study of the Course of Remote Sensing and Information Engineering

GONG Yan,ZHANG Yi,FANG Shenghui,PENG Yi

(School of Remote Sensing and Information Engineering, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

Although professional knowledge training is the main part of the course teaching in colleges and universities teaching activities, the scientific spirit is the soul of higher education. Teachers should look at the conventional teaching from the new point of view which focus on cultivating innovative thinking and knowledge creation ability. The Teaching Team of the School of Remote Sensing of Wuhan University has carried out a series of teaching practice which has a wide range of meaning from the aspects of speculative teaching, extending the knowledge points to knowledge process and exploring why. Through these practices, the students of remote sensing science and engineering have improved from two aspects in technical and scientific capacity.

knowledge points; scientific spirit; speculative teaching; scientific and technological innovation; remote sensing science and technology

龔龑?zhuān)瑥堨冢绞ポx，等.高校工科教學(xué)知識(shí)點(diǎn)與科學(xué)精神關(guān)聯(lián)培養(yǎng)探討——以遙感科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)為例[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(2)：143-146.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0069.

2015-11-19；

2016-02-23

龔 龑(1979—)，男，博士，副教授，從事遙感學(xué)科教學(xué)科研工作。E-mail：gongyan@whu.edu.cn 通信作者： 張 熠

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0494-0911(2017)02-0143-04