王彥芳，尚國琲，謝寶妮

(河北地質(zhì)大學(xué) 土地科學(xué)與空間規(guī)劃學(xué)院，河北 石家莊 050031)

1 引言

遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是2011年教育部正式新增的測繪類本科專業(yè)，是在測繪科學(xué)、空間科學(xué)、電子科學(xué)、地球科學(xué)、信息科學(xué)以及其學(xué)科交叉互融的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興交叉學(xué)科[1～3]。該專業(yè)是順應(yīng)新一輪科技和產(chǎn)業(yè)變革，滿足國家對地觀測技術(shù)發(fā)展對人才的需求而成立的符合國家新工科發(fā)展戰(zhàn)略的測繪類新專業(yè)，在現(xiàn)代國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有著廣泛應(yīng)用。遙感利用非接觸傳感器來提取客觀世界中各種目標(biāo)對象的幾何與物理特征信息。該專業(yè)培養(yǎng)掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)并具有較強(qiáng)分析和處理地球空間信息能力的專業(yè)。畢業(yè)生能夠在國家基礎(chǔ)測繪、工程測量、資源環(huán)境調(diào)查與管理、地理信息服務(wù)等領(lǐng)域，勝任測繪遙感工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、遙感數(shù)據(jù)采集與分析處理、遙感新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用等工作，能夠從事遙感工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施、組織和管理等專門技術(shù)工作。

掌握計(jì)算機(jī)操作和信息管理的基本知識，具有程序設(shè)計(jì)和開發(fā)能力、掌握軟件體系架構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)技能該專業(yè)重要技能之一，也是實(shí)現(xiàn)專業(yè)目標(biāo)的關(guān)鍵支撐。對遙感專業(yè)的學(xué)生來說，程序設(shè)計(jì)是一門必備的技能[4]。因此，掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)尤其是程序設(shè)計(jì)相關(guān)技能對該專業(yè)的學(xué)生來說非常重要。非計(jì)算機(jī)專業(yè)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)改革研究很多，但針對遙感專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程改進(jìn)方面的論文較少[5]。本文在分析十余所開設(shè)遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)高校的程序設(shè)計(jì)相關(guān)課程的基礎(chǔ)上，結(jié)合課程設(shè)置和學(xué)生能力培養(yǎng)，剖析存在問題，在此基礎(chǔ)上提出相關(guān)建議。

2 遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程開設(shè)概況

2.1 主要程序設(shè)計(jì)課程

遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的畢業(yè)生要求學(xué)生能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，并通過文獻(xiàn)檢索、資料查詢及運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息，識別、表達(dá)、分析復(fù)雜的遙感技術(shù)問題，以獲得有效結(jié)論。為達(dá)到這個目標(biāo)，學(xué)生必須掌握相應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件開發(fā)等計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)基本理論和主要技能。但不同的高校對于學(xué)生開發(fā)能力的要求不同，因此，在課程設(shè)置上存在一定的差異。表1為不同高校的遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)所設(shè)置的幾類程序設(shè)計(jì)相關(guān)課程。大致可以分為如下幾個階段：計(jì)算思維導(dǎo)論—計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)語言(面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì))—數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)—遙感圖像程序設(shè)計(jì)。此外，其他部分相關(guān)課程如空間數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、軟件工程、GIS系統(tǒng)開發(fā)、Matlab應(yīng)用、R語言等也作為部分高校的選修課程。

表1 遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)幾類程序設(shè)計(jì)相關(guān)課程

綜合以上高校遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的程序設(shè)計(jì)系列課程可以看出，不同高校在考慮學(xué)生的具體情況分別制定了差異化的導(dǎo)入課程，例如部分高校充分考慮了大一新生薄弱的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，學(xué)生在中學(xué)時期主要以基礎(chǔ)學(xué)科知識學(xué)習(xí)為主，雖然涉及到計(jì)算機(jī)的相關(guān)課程，但是大部分學(xué)校并沒有涉及程序設(shè)計(jì)。因此，在大一階段開設(shè)計(jì)算思維課程，引導(dǎo)學(xué)生理解運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等思維和活動，培養(yǎng)計(jì)算思維。在具備計(jì)算思維的基礎(chǔ)上，進(jìn)行以C(VB、C#、C++)等語言為例的編程實(shí)踐，計(jì)算思維課程有獨(dú)立課程或者是與編程實(shí)踐(C)進(jìn)行合并。在語言選擇上，大多數(shù)高校選擇功能強(qiáng)大、難易程度適中且易于移植的C語言，也有高校選擇面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言。在掌握一門基礎(chǔ)語言之后，為了強(qiáng)化對算法的理解，提高程序設(shè)計(jì)能力，下一階段的課程是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法有助于后續(xù)掌握算法設(shè)計(jì)的思路，遙感圖像處理、遙感參數(shù)反演、遙感應(yīng)用往往涉及各種類型的算法，因此，該課程有助于學(xué)生更好地理解算法思想和提高算法設(shè)計(jì)能力。

在系統(tǒng)掌握遙感科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)基本技能和程序設(shè)計(jì)的基本技能的基礎(chǔ)上，需要培養(yǎng)學(xué)生綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、法律、安全、健康、倫理等因素，對遙感領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題能給出合理的解決方案與流程。例如能夠合理地管理遙感實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)有效算法、數(shù)據(jù)處理模塊，并能夠就設(shè)計(jì)的算法和軟件模塊進(jìn)行評價優(yōu)化。能夠依據(jù)專業(yè)知識分析遙感領(lǐng)域的工程問題及影響因素，并設(shè)計(jì)滿足需求的全周期、全流程解決方案。因此，需要開設(shè)遙感圖像處理程序設(shè)計(jì)、測繪遙感程序設(shè)計(jì)、或者相關(guān)的GIS工程設(shè)計(jì)與開發(fā)，針對遙感工程應(yīng)用領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，設(shè)計(jì)/開發(fā)滿足特定需求的解決方案，并在此基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的創(chuàng)新。

最后根據(jù)學(xué)生的興趣所在，提供豐富的程序設(shè)計(jì)選修課程，在語言方法涉及Python、R、JAVA、Matlab、IDL等，與遙感相關(guān)的程序設(shè)計(jì)課程如空間數(shù)據(jù)挖掘算法與實(shí)現(xiàn)、GIS二次開發(fā)。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和未來職業(yè)規(guī)劃進(jìn)行選修，例如有升學(xué)研究計(jì)劃的同學(xué)可以選修Matlab、IDL、R等科學(xué)計(jì)算研究性較強(qiáng)的語言，而打算從事開發(fā)工作的學(xué)生可以選擇JAVA、GIS二次開發(fā)等課程。

2.2 課程特點(diǎn)與學(xué)生能力培養(yǎng)

合格的編程人員要具備的四個基本能力，即計(jì)算機(jī)思維能力、算法和設(shè)計(jì)能力、程序設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力[6]。雖然不是所有的同學(xué)未來都會成為編程人員，但隨著時代的發(fā)展未來無論從事什么相關(guān)工作，都或多或少需要這些能力，通過感受程序設(shè)計(jì)邏輯，培養(yǎng)學(xué)生不僅運(yùn)用編程解決問題的能力，同時形成探索問題的科學(xué)精神。

遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的程序設(shè)計(jì)相關(guān)課程對學(xué)生能力的培養(yǎng)如表2所示，以計(jì)算思維為基礎(chǔ)的課程主要培養(yǎng)新生計(jì)算思維，大學(xué)一年級是學(xué)生樹立正確學(xué)習(xí)態(tài)度和培養(yǎng)計(jì)算思維的重要時期，要引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)習(xí)中獲得樂趣，養(yǎng)成熱愛學(xué)習(xí)的好習(xí)慣尤其重要。C語言等程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)語言的學(xué)習(xí)不僅僅是掌握一門程序設(shè)計(jì)語言，更重要的是在實(shí)踐中逐步掌握程序設(shè)計(jì)的思想和方法，并培養(yǎng)問題求解和語言的應(yīng)用能力[7]和與專業(yè)應(yīng)用相關(guān)的應(yīng)用[8]。通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，拓寬學(xué)生的思維模式，提高他們的邏輯分析能力和理解能力，引領(lǐng)學(xué)生深度思考，也是提升編程最重要的基本功[9]。遙感圖像程序設(shè)計(jì)是程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與遙感專業(yè)相關(guān)知識的碰撞和結(jié)合，提高學(xué)生的遙感及相關(guān)學(xué)科相關(guān)的技術(shù)改造與創(chuàng)新和組織管理能力。最后，各高校提供的各種選修課程，具有一定的綜合性、理論性、技術(shù)性和實(shí)用性，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣自由選擇，也是對學(xué)生專業(yè)知識和計(jì)算機(jī)編程能力的綜合運(yùn)用和體現(xiàn)。

表2 程序設(shè)計(jì)相關(guān)課程的特點(diǎn)與能力培養(yǎng)

3 課程實(shí)施中存在的主要問題

各所高校在相關(guān)程序設(shè)計(jì)的課程設(shè)置上總體是從基礎(chǔ)性-進(jìn)階性-專業(yè)性-擴(kuò)展性的逐步過渡，學(xué)生的編程思維和能力也得到逐漸加強(qiáng)和鍛煉。但在具體的實(shí)踐中，會存在以下問題。

3.1 學(xué)生對程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)興趣和動力普遍不足

在教學(xué)實(shí)踐的過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍反映程序設(shè)計(jì)課程的概念和知識點(diǎn)多，跨度大，課程內(nèi)容抽象，系統(tǒng)性差等特點(diǎn)，課程風(fēng)格與其他課程差別很大，不容易理解。一方面，由于程序設(shè)計(jì)課程難度大，處理專業(yè)問題的特殊性和復(fù)雜性，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用的效果并不理想，學(xué)生對程序設(shè)計(jì)課程普遍缺乏動力。尤其是受入學(xué)基礎(chǔ)差、缺乏興趣，很多同學(xué)對程序涉及有抵觸情緒，甚至在還沒有開始學(xué)習(xí)之前，就感覺程序設(shè)計(jì)很難，自己學(xué)不會。另一方面，學(xué)生未認(rèn)識到專業(yè)課程與與程序設(shè)計(jì)之間的密切關(guān)系，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣和動力不足，對自己的程序設(shè)計(jì)要求降低，例如在學(xué)習(xí)C語言時，認(rèn)為C語言的用處不大，只是應(yīng)付考試，對語言缺少興趣。

3.2 學(xué)生對多門相關(guān)課程的關(guān)系不明確

學(xué)生往往搞不清學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的用途，且不同階段所學(xué)知識不能建立有效連接，形成體系。例如學(xué)生學(xué)習(xí)C語言之后，大多數(shù)學(xué)生處于似懂非懂階段，感覺會用，但是不知該怎么用。緊接著學(xué)習(xí)一門更加抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，且涉及到偽代碼，學(xué)生難以理解偽碼和C語言之間的區(qū)別，而且不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)書目采用的語言包括C、C++、JAVA語言等，這些復(fù)雜的關(guān)系給學(xué)生的理解造成很大困擾。同時，學(xué)生感覺這兩門課和遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)似乎并沒有直接的聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)習(xí)的積極性較低。在后續(xù)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生仍會接觸程序設(shè)計(jì)課程，包括如IDL、Matlab、Python等語言，如果學(xué)生無法把握課程之間的關(guān)系，直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3.3 常規(guī)教學(xué)方式不能達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果

具有多年的程序設(shè)計(jì)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的老師，容易慣性地認(rèn)為所講授的知識比較容易，難以理解學(xué)生差異化的個性感受，未能因材施教，因而教學(xué)效果不如意[4]。在教學(xué)方法上，傳統(tǒng)以教師講授為主的教學(xué)方式，抑制了學(xué)生主觀能動性的發(fā)揮，尤其是缺乏系統(tǒng)思維和綜合練習(xí)的鍛煉機(jī)會，導(dǎo)致學(xué)生對指導(dǎo)書過度依賴，提高創(chuàng)新能力無從談起。而編程是需要不斷地實(shí)踐，通過練習(xí)把海量的知識轉(zhuǎn)化為技能，培養(yǎng)編程思維。從學(xué)生角度看，缺乏有效的鍛煉機(jī)會，因此對知識的運(yùn)用不夠，實(shí)踐能力得不到強(qiáng)化。同時，在教學(xué)管理方面，程序課程通常在機(jī)房上課，如果不能加大對課程的管理，上機(jī)課程學(xué)生自控能力查，沒有監(jiān)督學(xué)生容易走神，甚至去做一些與該課程無關(guān)的事，導(dǎo)致達(dá)不到教學(xué)效果。

4 相關(guān)教學(xué)改革建議

4.1 強(qiáng)化程序設(shè)計(jì)課程在專業(yè)中的作用

在新生導(dǎo)論課程或者相關(guān)的專業(yè)介紹課程中，向?qū)W生強(qiáng)調(diào)程序設(shè)計(jì)的重要性，在學(xué)習(xí)C語言、C#等程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程時，就強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生認(rèn)識到程序設(shè)計(jì)在專業(yè)學(xué)習(xí)中的重要性，從大一起開始對程序設(shè)計(jì)建立起興趣。學(xué)習(xí)編程還能鍛煉思維，使我們的邏輯思維更加嚴(yán)密，并強(qiáng)調(diào)學(xué)會編寫程序會給工作帶來哪些方便，在遙感批處理中的作用。但同時告知學(xué)生程序設(shè)計(jì)只是一個工具，并不是遙感專業(yè)的終極目標(biāo)，老師應(yīng)該進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生體會程序設(shè)計(jì)所帶來的優(yōu)勢，并在對專業(yè)興趣的驅(qū)動下，由興趣帶動程序設(shè)計(jì)語言學(xué)習(xí)，行成良性循環(huán)。

4.2 構(gòu)建程序設(shè)計(jì)課程群體系

各高校根據(jù)各自的人才培養(yǎng)目標(biāo)構(gòu)建起適合本校學(xué)生的程序設(shè)計(jì)課程群體系。首先要讓學(xué)生了解不同時期所開設(shè)的程序設(shè)計(jì)課程在設(shè)置上的考慮，理解不同課程之間的遞進(jìn)深入關(guān)系，明確每門課程在程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)中的位置和作用。其次，讓學(xué)生明白語言學(xué)習(xí)主要是為了掌握編程思維，雖然不同的高校開設(shè)了不同的語言課程，但并不是每個學(xué)生都需要熟練掌握C、C++、C#、Python、Matlab、IDL等不同類型語言，根據(jù)自己的習(xí)慣和優(yōu)勢選擇一個自己喜歡的語言和方式深入和進(jìn)階型學(xué)習(xí)就可以。關(guān)鍵是學(xué)一種思想，有了思想，是可以觸類旁通，無論是初級階段的基礎(chǔ)程序語言還是在專業(yè)中的應(yīng)用。

4.3 探索更加有效的新方式組織教學(xué)活動

注重產(chǎn)學(xué)合作，科教融合，在課程設(shè)計(jì)中，適當(dāng)增加綜合實(shí)驗(yàn)和探索性研究，讓學(xué)生充分體會到程序設(shè)計(jì)的作用，能夠到綜合實(shí)驗(yàn)和研究探索中獲得成就感，從而促進(jìn)學(xué)生興趣的培養(yǎng)。例如可以采用項(xiàng)目教學(xué)法提升實(shí)用性，依據(jù)項(xiàng)目的內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，并在教學(xué)過程中實(shí)施應(yīng)用[10～12]，教法上采用反轉(zhuǎn)課堂、教學(xué)-科研融合、故事教學(xué)等方式[13，14]，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。加強(qiáng)學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與老師之間的交流，由于各人的思維方式不同、角度各異，教學(xué)中通過分組，讓大家進(jìn)行合作，讓學(xué)生通過交流可不斷吸收別人的長處，豐富編程實(shí)踐，幫助自己提高水平。同時，加強(qiáng)教學(xué)管理，關(guān)注不同類別的學(xué)生，不要讓部分學(xué)生因?yàn)闀簳r遇到的挫敗而對程序設(shè)計(jì)失去信心。最后，可以采用校企合作模式，讓學(xué)生的能力最終落地并得到強(qiáng)化[15]。

5 結(jié)語

程序設(shè)計(jì)能力是遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的關(guān)鍵技能之一，通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，目前各高校遙感專業(yè)的程序設(shè)計(jì)課程通常涉及多門課程，大體分為計(jì)算思維-語言基礎(chǔ)-專業(yè)程序設(shè)計(jì)-選修拓展等過程，逐漸培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維邏輯能力和專業(yè)問題解決能力。但針對目前相關(guān)課程實(shí)施效果并不理想的問題，以后要在課程與專業(yè)的關(guān)系、課程和課程之間的關(guān)系，以及改革程序設(shè)計(jì)系列課程的教學(xué)方法等基礎(chǔ)上，提升遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的整體程序設(shè)計(jì)能力，能在應(yīng)用開發(fā)與科學(xué)研究上不斷提升，以達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的目標(biāo)。