Python 軟件在地理信息科學專業課程教學中的應用
——以“遙感數字圖像處理”課程為例

韓 瑛

（海南師范大學地理與環境科學學院，海南?？?570000）

隨著社會的高速發展，大數據思想應運而生，智能信息技術飛速發展，地理信息系統（GIS）和全球定位系統（GPS）成為了空間信息研究的重要學科和手段。遙感技術作為一項先進、實用的新型技術也隨之發展起來，并在我國的地方經濟建設和地球科學研究等方面發揮著巨大作用，國內各大高校順應時代變化相繼開設了遙感技術相關課程，以滿足當今社會及用人單位對高素質遙感技術專業人才的需求，海南師范大學地理與環境科學學院就開設了遙感概論、遙感地學分析與解譯、遙感數字圖形處理等遙感類相關課程。高等院校是培養遙感技術人才的搖籃，如何針對高校自身特點，提高學生對地理信息專業的興趣及主觀能動性，培養高素質遙感專業人才成為課程教學的核心問題。

近年來，Python 軟件以其開源、代碼可讀性強、多平臺可移植性等特點被廣泛應用到生產、生活、科研等領域。Python軟件在地理信息科學的應用具有很大潛力，可以有效地減少學生的程序編譯難度，高效實現地理信息數據的處理分析，提高工作效率。

本文以培養地理信息專業的應用型人才為目的，針對海南師范大學遙感數字圖像處理課程教學提出一系列改革和實踐探索意見。

一、“遙感數字圖像處理”課程教學現狀及存在問題

我校自開設遙感數字圖像處理專業課程以來，積極參考國內相關專業的優點，不斷完善課程教學模式。隨著遙感技術專業性人才的需求日益增大，我校目前的“遙感數字圖像處理”課程在教學模式方面仍存在一些不足，其主要表現在以下幾個方面：

1、授課方式與考核體系傳統

“遙感數字圖像處理”作為一門理論性較強的課程，多采用課堂講授的形式進行授課，課堂講授的授課形式占全部課時的68.75%；實際操作部分采用經典案例分析的手段?！斑b感數字圖像處理”課程中的理論知識較為抽象，授課教師很難在有限的授課時間內講全、講透其中的知識，很難引起學生的注意力進而調動學生的學習興趣?？己朔绞街饕捎闷谀┛荚嚲砻娉煽儯?0%）和實際操作成績（30%）相加的考核形式。這種傳統的考核方式使授課教師很難準確了解學生們的學習狀態和知識的掌握程度。同時，部分學生存在僥幸心理，因此也會在課程中“劃水”。

2、學生應用軟件能力較弱

目前“遙感數字圖像處理”課程多采用ENVI（The Environment for Visualizing Images）和Matlab 作為實驗課程的工具軟件。雖然，地理信息科學專業的學生會在本科一、二年級時學習C 語言和Java 等計算機語言類課程，但是像ENVI 和Matlab 這樣較為專業過于依賴計算機語言基礎的軟件，學生很難在課程學習過程中熟練掌握，應用這些語言編程還是會而不精，缺乏實踐經驗進而導致學生對課程的興趣下降。

3、實驗課程多以驗證性實驗為主

實踐教學是創新人才培養中的重要環節，對于培養學生專業技能和理論實踐結合能力、激發學生的創新思維和探索精神、提升科研能力有著重要意義。從課程體系設置、實驗課程內容設計、實驗室開放項目、畢業設計、大學生科研訓練計劃和教師科研課題等幾個方面為學生提供多樣化的實踐途徑，豐富了實踐教學體系。實驗課程是鍛煉學生動手能力，消化并更好掌握理論知識的重要環節。然而，在實驗課程中多是驗證性實驗，學生按照既定的步驟去完成結果已知的實驗內容，不僅會使學生失去動手操作的興趣，也限制了學生的想象力。

二、Python 軟件的應用現狀及優勢

Python 軟件是由Guidovan Rossum 于1989 年發明并與1991 年開始發行使用，是面向對象解釋型程序語言。相比于傳統的C 語言、Java 語言，Python 軟件具有簡單易學、可擴展、可嵌入、免費開源、可移植、豐富的庫等眾多優點，被廣泛應用于科學計算、數據挖掘、機器學習、圖像處理等各個領域。近年來，隨著Python 語言不斷完善、功能不斷強大，使其逐漸受到了各大高校教育工作者的青睞。

Python 軟件在地理信息科學的應用具有很大潛力。作為ArcGIS 軟件的腳本語言之一，Python 軟件可以與ArcPy、GIS在教學與實踐中有效結合，并且還可以將ENVI/IDL 開發的功能集成到ArcGIS 中。Python 軟件在“遙感數字圖像處理”課程教學中的優勢主要有以下幾點：

1、地理信息科學的學生不會像計算機專業學生一樣進行系統的計算機語言學習，計算機語言學習的課時和學習時間有限，使得學生很難有效掌握遙感數字圖像處理的相關軟件，嚴重打擊了學生的積極性和主觀能動性。Python 語言相比“遙感數字圖形處理”中常用的軟件ENVI，Matlab 軟件具有編譯語言簡單易學的特點，可以使學生在短時間看到軟件學習的成果，學生可以按照自己的想法實現并完成既定的教學實驗任務，激發學生的學習興趣及動手動腦能力。

2、Python 是開源免費軟件，可以大大降低教學運行的成本，并且授課教師可以把主要精力放在培養學生的創新能力和解決問題的能力上，壓縮了在編程語言上講解的時間。學生也可以不用將大量時間花費在編程語言的學習上。

3、Python 軟件具有可擴展、可嵌入和可移植的特點，其能夠與ArcGIS、Matlab 等軟件相結合解決遙感數字圖像處理問題和地理信息問題。Python 軟件具有強大的第三方庫，其中numpy、scipy、pillow 等工具包提供了大量數字圖像處理功能和豐富的圖形繪制功能，豐富了學生解決遙感數字圖像處理問題和地理信息問題的手段，學生可以通過豐富的想象力解決相應的問題。

隨著我國遙感技術的不斷發展，各大企業和公司急需實用性尖端人才。利用Python 軟件的優勢將其引入“遙感數字圖像處理”課程教學中來，可以很好地滿足用人單位及學生的需求。

三、利用Python 軟件開展“遙感數字圖像處理”課程改革

針對目前我校的“遙感數字圖像處理”課程在教學模式方面存在的一些不足，結合Python 軟件的優勢，提出以下“遙感數字圖像處理”課程改革意見：

1、理論教學與實踐教學相結合

目前，學校的學分制度使學生在選課問題上有更大的空間和靈活度，但是這種理論教學和實驗的分離選課模式會導致理論教學與實驗教學不同步的現象出現，往往是理論學習之后的很長一段時間還沒有進行實驗，這使得學生很難把理論與實驗結合起來，缺少理論的鋪墊，會使學生在實驗教學中表現出無從下手，應付課程的現象出現。因此在選課的環節中，應該將理論和實踐教學合并選取，讓學生在實驗過程中學習并理解理論知識。

2、提高學生興趣進而提升學生的主觀能動性

豐富課堂教學，提升教學課件的質量，采用“黑板”和“多媒體課件”相結合的方式授課，為學生生動展現課程理論中難以理解的部分。增加Python 軟件學習的相關課程，利用Python 軟件學習操作簡單、呈現結果多樣性的特點，以圖形的可視化手段解決實驗課程的相關問題，提高學生的研究興趣。教師在采用Python 軟件教學的過程中，應重點體現軟件操作簡單、編程語言容易理解的特點，鼓勵學生放下軟件學習的包袱并激發學生主觀能動性。

3、教研一體化，培養學生創新能力

教師在進行“遙感數字圖像處理”的授課過程中采用教研一體化模式，引導學生主動參與發現、探索和討論所學知識。教師應結合自身在科學研究中遇到的問題和掌握的經驗，引導學生積極思考課程在實踐過程中可能遇到的問題，并運用所學知識解決問題；授課教師應不拘泥于書本上常規的實驗內容鼓勵學生充分發揮想象，針對實際研究中出現的問題與學生積極討論各種方案的可行性來豐富實驗教學內容，開發學生的實踐創新能力。

4、科學評估課程考核成績

課程考核是檢驗評估教學成果的重要手段，秉承考核的科學性與公正性，應依據牢固理論知識、培養并強化實驗操作技能和創新能力的思想，注重多元化考核，綜合評價學生課程學習效果。采用期末考試與過程考核相結合的考核模式進行考核，即期末考核50%和過程考核50%的綜合考核方式。期末考核采用卷面考試方式，評價學生對理論知識的掌握程度；而過程考核主要采用實際操作和小組專題設計兩個部分，考查學生綜合應用遙感數字圖像處理這門課程的能力。在理論考核方面，除了考察學生在重點知識的掌握程度外，有目的地增加在實際應用問題的分析與解決能力方面的考核。在實驗操作考核方面，除了考察學生在常規命題中分析解決問題的能力外，增加開放性命題，其目的在于考核學生的創新思維能力，盡量消除學生“考試突擊、死記硬背就能考高分”的思想。

四、結束語

Python 軟件簡單易學、免費開源和功能強大等特點，將其融入到海南師范大學“遙感數字圖像處理”課程改革中，針對高校與學生的實際情況進行適當調整，從理論教學和實踐教學相結合、教研一體化、提高學生興趣與創新性和課程評估考核等方面進行課程改革，提高學生對課程學習的興趣及創新能力，加強學生的主觀能動性。授課教師應不斷提高課堂教學氛圍，使學生在輕松、愉快和高效的學習環境中不斷提升專業水平。