蔣艷玲，夏既勝

（1.云南大學地球科學學院，云南 昆明 650500）

遙感作為空間信息科學和動態(tài)監(jiān)測的核心技術(shù)之一，其信息采集與更新的技術(shù)手段已被廣泛應用于社會的各個領(lǐng)域[1-2]。高職院校測繪與地理信息相關(guān)專業(yè)開設遙感技術(shù)應用課程不僅能幫助學生掌握遙感基礎理論與技術(shù)方法，也能訓練學生實踐操作的技能，學會分析和處理地學問題，以期為后續(xù)專業(yè)課的學習、實訓課的開展服務。在遙感技術(shù)應用實驗課程的整個教學過程中會運用到諸如地理、計算機、數(shù)學、物理等跨學科跨領(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、卡死等情況時有發(fā)生，與之相比GEE云計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問題注入了新力量[3]。

1 CDIO教學模式

CDIO教學模式由構(gòu)思（conceive）、設計（design）、實現(xiàn)（implement）和運作（operate）4個部分組成，是二十一世紀初由麻省理工學院等多所高等學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，學生在該模式要求下進行跨學科跨領(lǐng)域?qū)嵺`，通過分工合作，進行有效溝通，運用跨學科的方法來解決實際問題，將科學探究與工程技術(shù)、數(shù)學藝術(shù)與遙感技術(shù)有效銜接、融合貫通，從中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、操作技能、團隊協(xié)作意識和處理實際問題的能力，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”和“學中做”，是基于項目的教學[6]，也是理論聯(lián)系實際的典范。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)范的基礎上構(gòu)思合適的解決方案；設計（design）是將構(gòu)思方案具體化，設計和完善工程、圖紙和計劃等的各種細節(jié)；實現(xiàn)（implement）是將已有的構(gòu)思和設計付諸實現(xiàn)的過程，包括產(chǎn)品的生產(chǎn)、測試和修正；運行（operate）即產(chǎn)品的使用、評估和反饋，通過對產(chǎn)品性能的評估來驗證設計的有效性，并根據(jù)反饋結(jié)果對其進行修繕和淘汰[7-8]。

因此，本文在CDIO教學模式的指導下，以高職學校遙感技術(shù)應用課程中的實驗——監(jiān)督分類教學為例，在教學過程中引入GEE云計算平臺作為遙感數(shù)據(jù)獲取和處理平臺，設計開展一堂以學生興趣為驅(qū)動力的實踐教學課程，并對實際教學效果進行分析和討論，以期轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)教學模式，培養(yǎng)學生的學習興趣和地理分析能力，并為相關(guān)專業(yè)實驗教學活動的開展提供一些思路。

2 GEE云計算平臺

谷歌地球引擎（google earth engine，GEE)云計算平臺擁有海量衛(wèi)星遙感影像和多源地理空間數(shù)據(jù)集，可進行實時處理和多尺度分析。它擁有簡單且功能強大的應用程序接口（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用于教學之中[12-13]。

本文選擇GEE平臺作為數(shù)據(jù)處理和分析平臺，該平臺免費服務大眾，人機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)進行處理和分析。這種“即取即用，按需服務”的方式使得教師能夠?qū)崟r獲取和應用云端資源，結(jié)合實際問題進行相關(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[14]。

3 “監(jiān)督分類”教學實踐

本次實驗為綜合性實驗，內(nèi)容主要是基于GEE平臺對云南省的遙感影像進行監(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，具有很強的理論性；對地物進行選擇和分類需要結(jié)合實踐經(jīng)驗，與日常生產(chǎn)生活進行聯(lián)系，具有很強的實踐性；學生需要進行代碼處理，對于樣本選擇需適宜、數(shù)據(jù)分析要精確，具有很強的操作性。

由于學生此前未接觸過或很少接觸GEE云計算平臺，因此需在課前自行查閱資料，對其有一定程度的了解。在實驗課程正式開始之前，教師先利用1個課時進行課堂授課，向?qū)W生介紹GEE云計算平臺的基礎功能和工作原理，并進行相關(guān)操作的演示；再利用1個課時的時間引導學生系統(tǒng)地回顧和復習“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生的預習情況和知識儲備程度。

此次實驗選擇在GEE云計算平臺上采用支持向量機方法（SVM）進行監(jiān)督分類，過程完整、內(nèi)容新穎、步驟清晰。整個實驗分為4個階段，包括項目構(gòu)思階段、項目設計階段、項目實現(xiàn)階段和項目運作階段。

3.1 項目構(gòu)思階段

項目構(gòu)思階段分為理論教學內(nèi)容構(gòu)思和實驗教學內(nèi)容構(gòu)思，理論教學是構(gòu)思階段的理論基礎，實驗教學是構(gòu)思階段的實踐基礎[15]。在此階段，教師需根據(jù)實驗課程的需求和學生的學情特點，在組織學生討論并結(jié)合學生反饋的基礎上完成項目的構(gòu)思，主要包括實驗課的總體安排、學生所要完成的任務、課時計劃等內(nèi)容[16]。理論教學的主要內(nèi)容見表1，共計2個課時；實驗教學的主要內(nèi)容見表2，共計4個課時。

表1 理論教學主要內(nèi)容

表2 實驗教學主要內(nèi)容

3.2 項目設計階段

項目設計階段包括實驗所需的數(shù)據(jù)、資源和技術(shù)方法的準備，教師對實驗原理、方法和過程的講解，GEE云計算平臺的展示與說明，同時引導學生進行項目方案設計。

教師提前布置學習任務，預留思考題，例如：監(jiān)督分類有何優(yōu)缺點、怎樣提高本實驗中監(jiān)督分類的精度、GEE云計算平臺還有哪些用途以及實驗操作的注意事項等。學生在教師的指導下，認真閱讀實驗指導書，自行查閱相關(guān)資料和文獻，撰寫實驗報告。指導老師在實驗過程中隨機檢查和記錄學生實驗完成情況。學生進行分組合作，開展自主訓練，學習使用GEE云計算平臺，同時在訓練中調(diào)整改進設計方案，以加強學生自主學習能力、創(chuàng)新能力，提升團隊工作效率。

3.3 項目實現(xiàn)階段

教師課前合理組織學生進行分組并分配任務，以便后期開展自主訓練、合作學習。分組安排4人為一個小組（根據(jù)實際情況進行調(diào)整），其中1人為組長。4名小組成員均需獨立完成整個實驗，遇到問題時記錄并匯總至組長。組長負責總體安排，維持小組紀律，記錄實驗數(shù)據(jù)，匯總實驗過程中出現(xiàn)的問題，并組織小組成員進行討論和交流。

在實驗正式開始前，教師現(xiàn)場演示一遍實驗流程和操作步驟，讓學生產(chǎn)生較為直觀和感性的認識。教師全程參與學生的整個實驗過程，適時鼓勵和引導學生并評價打分。

3.4 項目運作階段

項目運作階段是檢驗學生實驗完成情況和教師教學實施效果好壞的關(guān)鍵階段。在此階段，學生需要在項目構(gòu)思、設計、實施階段的基礎上，循序漸進，嚴格按照實驗要求，完成監(jiān)督分類，對比驗證分類精度，制作和輸出分類成果圖。

3.4.1 成果展示與評價

各組利用共計4個課時的時間在實驗室完成云南省土地利用監(jiān)督分類實驗，實驗結(jié)束后各小組展示最終成果，由各組組長組成評審組，對每個學生的成果進行點贊和評分，評價內(nèi)容包括分類類型是否合理、樣本點選取是否準確、分類精度是否理想、成果圖是否美觀等。

教師點評各小組的實驗過程，包括紀律問題，合作情況，操作是否規(guī)范、有序等。師生共同討論交流，比如實驗過程中遇到的問題，實驗的重點、難點，學生的所獲所感等。

3.4.2 總結(jié)與反思

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

4 結(jié)論與討論

GEE云計算平臺作為高效的遙感數(shù)據(jù)處理平臺，為遙感教學提供了新手段，學生在CDIO工程教育模式的指導下有序完成4個階段的實踐任務。實踐證明，基于GEE云計算平臺和CDIO模式的遙感實驗教學在一定程度上鞏固和提高了學生處理實際遙感問題的能力，為后續(xù)相關(guān)課程的開展和學習起到了良好的指引作用。

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

精英型人才的培養(yǎng)是當代高等教育的主要任務和當前遙感應用和研究領(lǐng)域的迫切需求[17]。引入GEE云計算平臺并基于CDIO教學模式的遙感實驗課程教學設計，采用先進的教學方法和手段，強調(diào)基于項目的教學，踐行“學做合一”的教育理念。學生在GEE云計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踐教學內(nèi)容，而且可將理論教學內(nèi)容和實際情景問題相結(jié)合，解決實際問題，促進知識與技能的有效銜接，同時還能積累經(jīng)驗，提高專業(yè)素養(yǎng)，強化專業(yè)技能，以期成為真正的遙感技術(shù)人才。