蔣艷玲，夏既勝

（1.云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500）

遙感作為空間信息科學(xué)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測的核心技術(shù)之一，其信息采集與更新的技術(shù)手段已被廣泛應(yīng)用于社會的各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。高職院校測繪與地理信息相關(guān)專業(yè)開設(shè)遙感技術(shù)應(yīng)用課程不僅能幫助學(xué)生掌握遙感基礎(chǔ)理論與技術(shù)方法，也能訓(xùn)練學(xué)生實(shí)踐操作的技能，學(xué)會分析和處理地學(xué)問題，以期為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)、實(shí)訓(xùn)課的開展服務(wù)。在遙感技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程的整個(gè)教學(xué)過程中會運(yùn)用到諸如地理、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、物理等跨學(xué)科跨領(lǐng)域的知識，所涉及的技術(shù)范圍較廣泛。傳統(tǒng)的遙感分析軟件很難在短時(shí)間內(nèi)完成大尺度、大數(shù)量的數(shù)據(jù)處理工作，軟件崩潰、卡死等情況時(shí)有發(fā)生，與之相比GEE云計(jì)算平臺可以有效解決這些問題，作為新興的遙感數(shù)據(jù)處理平臺，它為研究和解決地學(xué)問題注入了新力量[3]。

1 CDIO教學(xué)模式

CDIO教學(xué)模式由構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)現(xiàn)（implement）和運(yùn)作（operate）4個(gè)部分組成，是二十一世紀(jì)初由麻省理工學(xué)院等多所高等學(xué)府組成的跨國研究組織探索出來的國際高等工程教育改革的最新成果[4-5]。該模式已成為高等工程教育模式之一，學(xué)生在該模式要求下進(jìn)行跨學(xué)科跨領(lǐng)域?qū)嵺`，通過分工合作，進(jìn)行有效溝通，運(yùn)用跨學(xué)科的方法來解決實(shí)際問題，將科學(xué)探究與工程技術(shù)、數(shù)學(xué)藝術(shù)與遙感技術(shù)有效銜接、融合貫通，從中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、操作技能、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識和處理實(shí)際問題的能力，以提升其專業(yè)水平和綜合素養(yǎng)，滿足自身和社會的需求。

CDIO模式的思想是“做中學(xué)”和“學(xué)中做”，是基于項(xiàng)目的教學(xué)[6]，也是理論聯(lián)系實(shí)際的典范。其中：構(gòu)思（conceive）包括分析問題，歸納需求，在考慮現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上構(gòu)思合適的解決方案；設(shè)計(jì)（design）是將構(gòu)思方案具體化，設(shè)計(jì)和完善工程、圖紙和計(jì)劃等的各種細(xì)節(jié)；實(shí)現(xiàn)（implement）是將已有的構(gòu)思和設(shè)計(jì)付諸實(shí)現(xiàn)的過程，包括產(chǎn)品的生產(chǎn)、測試和修正；運(yùn)行（operate）即產(chǎn)品的使用、評估和反饋，通過對產(chǎn)品性能的評估來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，并根據(jù)反饋結(jié)果對其進(jìn)行修繕和淘汰[7-8]。

因此，本文在CDIO教學(xué)模式的指導(dǎo)下，以高職學(xué)校遙感技術(shù)應(yīng)用課程中的實(shí)驗(yàn)——監(jiān)督分類教學(xué)為例，在教學(xué)過程中引入GEE云計(jì)算平臺作為遙感數(shù)據(jù)獲取和處理平臺，設(shè)計(jì)開展一堂以學(xué)生興趣為驅(qū)動(dòng)力的實(shí)踐教學(xué)課程，并對實(shí)際教學(xué)效果進(jìn)行分析和討論，以期轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和地理分析能力，并為相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的開展提供一些思路。

2 GEE云計(jì)算平臺

谷歌地球引擎（google earth engine，GEE)云計(jì)算平臺擁有海量衛(wèi)星遙感影像和多源地理空間數(shù)據(jù)集，可進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和多尺度分析。它擁有簡單且功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序接口（application programming interface，API），支持Python和JavaScript編程語言，使用基于Web的代碼編輯器，可以快速訪問PB數(shù)量級別的數(shù)據(jù)，進(jìn)行快速、交互式的開發(fā)[9-11]。此外，它還降低了用戶的使用門檻，使得新型遙感平臺更加廣泛地應(yīng)用于教學(xué)之中[12-13]。

本文選擇GEE平臺作為數(shù)據(jù)處理和分析平臺，該平臺免費(fèi)服務(wù)大眾，人機(jī)交互可視化效果良好，遙感數(shù)據(jù)等資源存儲于云端數(shù)據(jù)庫，用戶不需在本地安裝專業(yè)軟件，直接訪問GEE云計(jì)算平臺即可獲取所需數(shù)據(jù)，訪問其API即可在線對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。這種“即取即用，按需服務(wù)”的方式使得教師能夠?qū)崟r(shí)獲取和應(yīng)用云端資源，結(jié)合實(shí)際問題進(jìn)行相關(guān)的地理空間分析等操作，有效完成課程相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)[14]。

3 “監(jiān)督分類”教學(xué)實(shí)踐

本次實(shí)驗(yàn)為綜合性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容主要是基于GEE平臺對云南省的遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類，涉及遙感影像的判讀、地物的樣本選擇、算法代碼的處理、分類結(jié)果的分析等專業(yè)知識，具有很強(qiáng)的理論性；對地物進(jìn)行選擇和分類需要結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，與日常生產(chǎn)生活進(jìn)行聯(lián)系，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性；學(xué)生需要進(jìn)行代碼處理，對于樣本選擇需適宜、數(shù)據(jù)分析要精確，具有很強(qiáng)的操作性。

由于學(xué)生此前未接觸過或很少接觸GEE云計(jì)算平臺，因此需在課前自行查閱資料，對其有一定程度的了解。在實(shí)驗(yàn)課程正式開始之前，教師先利用1個(gè)課時(shí)進(jìn)行課堂授課，向?qū)W生介紹GEE云計(jì)算平臺的基礎(chǔ)功能和工作原理，并進(jìn)行相關(guān)操作的演示；再利用1個(gè)課時(shí)的時(shí)間引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)地回顧和復(fù)習(xí)“監(jiān)督分類”的相關(guān)理論知識和分類方法，在此過程中開展小組討論和交流，分析和解決課堂問題。教師可在此過程中掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況和知識儲備程度。

此次實(shí)驗(yàn)選擇在GEE云計(jì)算平臺上采用支持向量機(jī)方法（SVM）進(jìn)行監(jiān)督分類，過程完整、內(nèi)容新穎、步驟清晰。整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)階段，包括項(xiàng)目構(gòu)思階段、項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)階段和項(xiàng)目運(yùn)作階段。

3.1 項(xiàng)目構(gòu)思階段

項(xiàng)目構(gòu)思階段分為理論教學(xué)內(nèi)容構(gòu)思和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容構(gòu)思，理論教學(xué)是構(gòu)思階段的理論基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是構(gòu)思階段的實(shí)踐基礎(chǔ)[15]。在此階段，教師需根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程的需求和學(xué)生的學(xué)情特點(diǎn)，在組織學(xué)生討論并結(jié)合學(xué)生反饋的基礎(chǔ)上完成項(xiàng)目的構(gòu)思，主要包括實(shí)驗(yàn)課的總體安排、學(xué)生所要完成的任務(wù)、課時(shí)計(jì)劃等內(nèi)容[16]。理論教學(xué)的主要內(nèi)容見表1，共計(jì)2個(gè)課時(shí)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要內(nèi)容見表2，共計(jì)4個(gè)課時(shí)。

表1 理論教學(xué)主要內(nèi)容

表2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要內(nèi)容

3.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段

項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段包括實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)、資源和技術(shù)方法的準(zhǔn)備，教師對實(shí)驗(yàn)原理、方法和過程的講解，GEE云計(jì)算平臺的展示與說明，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)。

教師提前布置學(xué)習(xí)任務(wù)，預(yù)留思考題，例如：監(jiān)督分類有何優(yōu)缺點(diǎn)、怎樣提高本實(shí)驗(yàn)中監(jiān)督分類的精度、GEE云計(jì)算平臺還有哪些用途以及實(shí)驗(yàn)操作的注意事項(xiàng)等。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，自行查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。指導(dǎo)老師在實(shí)驗(yàn)過程中隨機(jī)檢查和記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況。學(xué)生進(jìn)行分組合作，開展自主訓(xùn)練，學(xué)習(xí)使用GEE云計(jì)算平臺，同時(shí)在訓(xùn)練中調(diào)整改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，以加強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力，提升團(tuán)隊(duì)工作效率。

3.3 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)階段

教師課前合理組織學(xué)生進(jìn)行分組并分配任務(wù)，以便后期開展自主訓(xùn)練、合作學(xué)習(xí)。分組安排4人為一個(gè)小組（根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整），其中1人為組長。4名小組成員均需獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，遇到問題時(shí)記錄并匯總至組長。組長負(fù)責(zé)總體安排，維持小組紀(jì)律，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，匯總實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，并組織小組成員進(jìn)行討論和交流。

在實(shí)驗(yàn)正式開始前，教師現(xiàn)場演示一遍實(shí)驗(yàn)流程和操作步驟，讓學(xué)生產(chǎn)生較為直觀和感性的認(rèn)識。教師全程參與學(xué)生的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，適時(shí)鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生并評價(jià)打分。

3.4 項(xiàng)目運(yùn)作階段

項(xiàng)目運(yùn)作階段是檢驗(yàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況和教師教學(xué)實(shí)施效果好壞的關(guān)鍵階段。在此階段，學(xué)生需要在項(xiàng)目構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施階段的基礎(chǔ)上，循序漸進(jìn)，嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)要求，完成監(jiān)督分類，對比驗(yàn)證分類精度，制作和輸出分類成果圖。

3.4.1 成果展示與評價(jià)

各組利用共計(jì)4個(gè)課時(shí)的時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室完成云南省土地利用監(jiān)督分類實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后各小組展示最終成果，由各組組長組成評審組，對每個(gè)學(xué)生的成果進(jìn)行點(diǎn)贊和評分，評價(jià)內(nèi)容包括分類類型是否合理、樣本點(diǎn)選取是否準(zhǔn)確、分類精度是否理想、成果圖是否美觀等。

教師點(diǎn)評各小組的實(shí)驗(yàn)過程，包括紀(jì)律問題，合作情況，操作是否規(guī)范、有序等。師生共同討論交流，比如實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，學(xué)生的所獲所感等。

3.4.2 總結(jié)與反思

各組組長將組員的成果與實(shí)驗(yàn)報(bào)告一起交由教師進(jìn)行最終評定。評定結(jié)束后，由教師總結(jié)此次實(shí)驗(yàn)的總體情況和存在問題。師生共同討論，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、結(jié)果和問題進(jìn)行分析和反思。

4 結(jié)論與討論

GEE云計(jì)算平臺作為高效的遙感數(shù)據(jù)處理平臺，為遙感教學(xué)提供了新手段，學(xué)生在CDIO工程教育模式的指導(dǎo)下有序完成4個(gè)階段的實(shí)踐任務(wù)。實(shí)踐證明，基于GEE云計(jì)算平臺和CDIO模式的遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)在一定程度上鞏固和提高了學(xué)生處理實(shí)際遙感問題的能力，為后續(xù)相關(guān)課程的開展和學(xué)習(xí)起到了良好的指引作用。

此次綜合性實(shí)驗(yàn)課遵循了以“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的原則，“師生互動(dòng)、生生互動(dòng)”的教學(xué)方式使課堂氛圍變得輕松且有趣，能夠極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，實(shí)踐過程中所獲得的直觀體驗(yàn)和輸出成果提高了學(xué)生的自我效能感。在充分利用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的同時(shí)，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力、合作探究能力和跨學(xué)科跨領(lǐng)域的綜合實(shí)踐能力，切實(shí)地提高了實(shí)踐教學(xué)層次、教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)水平。

精英型人才的培養(yǎng)是當(dāng)代高等教育的主要任務(wù)和當(dāng)前遙感應(yīng)用和研究領(lǐng)域的迫切需求[17]。引入GEE云計(jì)算平臺并基于CDIO教學(xué)模式的遙感實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的教學(xué)方法和手段，強(qiáng)調(diào)基于項(xiàng)目的教學(xué)，踐行“學(xué)做合一”的教育理念。學(xué)生在GEE云計(jì)算平臺上不僅能完成遙感數(shù)據(jù)處理、圖像分類、成果展示與分析等實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，而且可將理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)際情景問題相結(jié)合，解決實(shí)際問題，促進(jìn)知識與技能的有效銜接，同時(shí)還能積累經(jīng)驗(yàn)，提高專業(yè)素養(yǎng)，強(qiáng)化專業(yè)技能，以期成為真正的遙感技術(shù)人才。