賀智

（中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519082）

人類正處于科技和產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展、日新月異的時代[1]，云計算、人工智能（Artificial Intelligence，AI）和5G 技術(shù)對全球各國社會、經(jīng)濟和政治帶來了巨大沖擊和深刻影響[2-4]。云計算通過分布式計算和虛擬化等核心技術(shù)對軟、硬件和平臺資源實行按需靈活配置，極大地減低了成本、提高了資源利用率。AI 是引領(lǐng)新一輪科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性技術(shù)，在云計算、大數(shù)據(jù)和5G 等新理論新技術(shù)的驅(qū)動下，呈現(xiàn)出深度學(xué)習(xí)、人機協(xié)同和自動操控等特征，是中國贏得全球科技競爭主動權(quán)的關(guān)鍵。5G 作為第五代移動互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，以其網(wǎng)絡(luò)實時傳播和超低延遲等優(yōu)勢實現(xiàn)了信息極速傳達、萬物泛在互聯(lián)和人機深度交互。

“云+AI+5G”時代的到來激發(fā)了遙感技術(shù)的快速發(fā)展與創(chuàng)新，人類對地觀測進入了黃金時期。在云計算、AI 和5G 技術(shù)的幫助下，遙感數(shù)據(jù)獲取、傳輸、處理和應(yīng)用等呈現(xiàn)出更精確、快速和廣泛等特點[5-8]。傳統(tǒng)的遙感實驗教學(xué)難以滿足“云+AI+5G”背景下高校本科教育的需求，將新技術(shù)滲透到高校教育是提高教學(xué)質(zhì)量的必然趨勢，如何抓住“云+AI+5G”發(fā)展機遇促進高校遙感實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新，是高校教師應(yīng)當(dāng)深入研究的問題。筆者根據(jù)多年在遙感領(lǐng)域從事科研和教學(xué)的經(jīng)驗，分析遙感實驗教學(xué)現(xiàn)狀，探索“云+AI+5G”與遙感實驗教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)改革策略[9-12]，對培養(yǎng)適應(yīng)新時代發(fā)展的遙感人才具有重要現(xiàn)實意義。

1 新時代背景下遙感實驗教學(xué)現(xiàn)狀

遙感始于20 世紀60年代初期，是基于電磁波信號進行遠距離、非接觸的探測技術(shù)。在“云+AI+5G”新時代背景下，中國高度重視遙感技術(shù)的發(fā)展，啟動實施了高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（以下簡稱“高分專項”），截至2020年，已成功發(fā)射了高分一號到十二號衛(wèi)星，形成了全天候、全天時、全球覆蓋的對地觀測能力，在國土調(diào)查、礦產(chǎn)開發(fā)、交通規(guī)劃和城鄉(xiāng)監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[13-15]。同時，中國的載人航天和探月工程也取得了重大進展，從對地觀測延伸到對月球和火星等星體的深空探測，遙感技術(shù)的發(fā)展使社會對遙感人才的需求增加，多個高校開設(shè)了遙感相關(guān)本科專業(yè)，如北京大學(xué)、北京師范大學(xué)、武漢大學(xué)、華東師范大學(xué)等，中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院地理信息科學(xué)專業(yè)也設(shè)置了遙感圖像處理等專業(yè)核心課程，雖然這些課程重視理論知識和實驗動手能力的培養(yǎng)，但在新時代背景下，遙感實驗教學(xué)過程中仍然凸顯出一些問題。

1.1 實驗教學(xué)內(nèi)容滯后于時代發(fā)展

傳統(tǒng)遙感實驗教學(xué)安排與理論內(nèi)容同步，主要用于鞏固和復(fù)習(xí)理論課所涉及的知識點。以筆者教授的“遙感圖像處理”課程為例，理論知識涵蓋遙感基本原理、遙感圖像增強、形態(tài)學(xué)圖像處理、遙感圖像分割和遙感圖像分類等內(nèi)容，實驗教學(xué)的傳統(tǒng)做法是通過實驗軟件（如ENVI、MATLAB、Python 等）對課后習(xí)題進行簡單的編程實現(xiàn)。該做法的優(yōu)點是實驗教學(xué)與理論知識緊密結(jié)合，便于學(xué)生加深對知識的理解，且課后小作業(yè)方便初學(xué)者入門；但不足之處在于各專題的習(xí)題較為分散、不同實驗之間缺乏聯(lián)系，不利于學(xué)生形成遙感圖像處理的整體認識。更重要的是，傳統(tǒng)遙感實驗教學(xué)更新速度慢，較少涉及“云+AI+5G”新時代背景下的新技術(shù)，且與企業(yè)實際需求聯(lián)系不夠緊密，容易滯后于時代的發(fā)展。

1.2 實驗教學(xué)方法單調(diào)

目前常用的實驗教學(xué)方法是針對特定的專題（如遙感圖像增強），教師用Landsat 遙感圖像以及ENVI、MATLAB 或Python 軟件給學(xué)生演示如何實現(xiàn)基于灰度變換和基于直方圖均衡的遙感圖像增強，然后給學(xué)生布置類似的課后習(xí)題，學(xué)生統(tǒng)一利用教師給定的Landsat 或MODIS 遙感數(shù)據(jù)，通過軟件對特定遙感圖像進行增強，并以實驗報告的形式上交。如此一來，學(xué)生僅用教師給定的小幅遙感圖像，完成一個個聯(lián)系松散的習(xí)題，缺乏對發(fā)現(xiàn)問題能力的鍛煉、無需主動獲取大量遙感數(shù)據(jù)、整個實驗過程難以調(diào)動主觀能動性，容易導(dǎo)致對算法的理解不夠深刻、實驗創(chuàng)新性較弱。因而，亟需教師精心設(shè)計實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1.3 實驗教學(xué)質(zhì)量評價體系有待完善

實驗教學(xué)質(zhì)量的評價體系包括對實驗教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、方法、過程和效果等方面的評價。教學(xué)質(zhì)量是高校教育的生命線和高校自身發(fā)展的必然要求。雖然目前采取了各種制度來構(gòu)建教學(xué)質(zhì)量評價體系，如隨堂評教、期末網(wǎng)上評教、教學(xué)督導(dǎo)機制和成績評定等，但遙感實驗教學(xué)質(zhì)量評價體系仍然有待完善。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①實驗教學(xué)依然存在重理論輕實驗的思想，對培養(yǎng)實驗動手能力的重視程度需要加強；②實驗教學(xué)考核形式單一，僅對實驗結(jié)果進行評價，而對實驗過程中解決問題的能力和團隊協(xié)作能力的評價比例不足；③實驗成績評定主要以學(xué)生提交的實驗報告為依據(jù)，容易開展“唯報告論”的片面評價。

2 遙感實驗案例式教學(xué)改革探索

針對“云+AI+5G”新時代背景下遙感實驗教學(xué)存在的不足，提出案例式教學(xué)改革方案，從課程體系、教學(xué)模式和評估制度等方面對現(xiàn)有遙感實驗教學(xué)進行改進。

2.1 構(gòu)建緊扣新時代發(fā)展的遙感實驗課程體系

為了保持遙感實驗教學(xué)緊扣時代發(fā)展，綜合國內(nèi)外最新研究現(xiàn)狀定期更新實驗課程體系，內(nèi)容設(shè)計源于理論教學(xué)但高于理論知識。遙感實驗數(shù)據(jù)不僅局限于Landsat、MODIS 等，還可以鼓勵學(xué)生采用Sentinel-2、高分系列數(shù)據(jù)（如高分一號、高分二號等）、珠海一號、吉林一號等較新的高分辨率遙感數(shù)據(jù)及溫度、降水量、人口、日照時數(shù)、溫室氣體排放量和國內(nèi)生產(chǎn)總值（Gross Domestic Product，GDP）等非遙感數(shù)據(jù)，如圖1所示。遙感實驗平臺不僅局限于ENVI、MATLAB 或Python，為了解決遙感數(shù)據(jù)量大、不同源數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一和數(shù)據(jù)使用成本高等問題，在課堂向?qū)W生介紹并使用谷歌地球引擎平臺（Google Earth Engine，GEE）獲取和處理數(shù)據(jù)。此外，通過天河二號超級計算機或云計算（如AWS、阿里云、Azure、Google Cloud、華為云、騰訊云等）進一步提高對遙感數(shù)據(jù)的存儲和計算能力，如圖2所示。

圖1 遙感實驗教學(xué)數(shù)據(jù)

圖2 遙感實驗教學(xué)平臺

2.2 設(shè)計以案例教學(xué)為主的多模態(tài)實驗教學(xué)模式

遙感實驗是啟發(fā)學(xué)生了解課程用途的有效途徑，教師需要傳授給學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的方法。為了提升學(xué)習(xí)興趣和改善教學(xué)效果，本文提出以案例教學(xué)為主的多模態(tài)實驗教學(xué)模式。案例式教學(xué)以實際問題為驅(qū)動，將問題進行合理分解，得到若干模塊，每個模塊將涵蓋理論教學(xué)的各章節(jié)內(nèi)容，最終將多個模塊串成一個完整案例。實際問題的發(fā)現(xiàn)與選取不僅停留在課后習(xí)題上，而是要求學(xué)生充分調(diào)研走訪企業(yè)、社會和政府的實際需求，如國土資源調(diào)查中違章建筑自動標(biāo)注（如圖3所示）、城中村房屋識別、海上油輪監(jiān)測和臺風(fēng)災(zāi)害損失評估等。多模態(tài)的教學(xué)模式是指除了案例式教學(xué)，還借助多種資源和工具（如網(wǎng)絡(luò)資源、音視頻、電子課件、思維導(dǎo)圖和微信/QQ等）將課前、課堂和課后聯(lián)動，引導(dǎo)學(xué)生提出和解決問題。此外，鼓勵學(xué)生形成3～4 人的研究團隊，通過團隊協(xié)作完成實驗案例。

圖3 案例式實驗教學(xué)設(shè)計（以違章建筑監(jiān)測為例）

2.3 健全實驗教學(xué)效果評估制度

為了更全面、更客觀地評價遙感實驗教學(xué)效果，采用層次化評估制度從多個角度評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。遙感實驗總成績由平時成績（20%）、實驗報告成績（30%）和實驗案例展示成績（50%）這3 部分組成，如圖4所示。其中，平時成績重點考察學(xué)生課前預(yù)習(xí)、回答課堂提問和課堂考勤等方面，體現(xiàn)了學(xué)生在日常學(xué)習(xí)中是否活躍、是否善于思考問題；實驗報告重點考察學(xué)生是否能正確、規(guī)范地書寫實驗代碼，是否能清晰地展示實驗過程和實驗結(jié)果，體現(xiàn)了學(xué)生的寫作能力和分析問題的能力；實驗案例展示重點考察學(xué)生在實際案例中的要解決的問題是否有實際意義、分工是否明確、團隊合作是否流暢以及演講過程是否清晰等?？傊?，通過構(gòu)建更健全的實驗教學(xué)評估制度有助于激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性，發(fā)現(xiàn)并解決實際問題，將課堂所學(xué)理論知識應(yīng)用于實際。

圖4 遙感實驗教學(xué)效果評估方式

3 教學(xué)改革效果

遙感實驗教學(xué)改革效果主要從學(xué)生對課程的整體評價、學(xué)生對知識的掌握程度、學(xué)生科研水平提升效果和深造率等方面進行分析。

首先，通過教學(xué)改革，學(xué)生對該課程的整體評價從原來的91.125 分上升到94.729 分。學(xué)生對課程的評價包括教師態(tài)度（如備課是否充分、能否耐心解答學(xué)生疑問等）、教學(xué)內(nèi)容（如講課深度、是否注重最新動態(tài)等）和教學(xué)方法（如是否聯(lián)系實際、教學(xué)是否有啟發(fā)性等）等方面，學(xué)生對課程評價的提升反映了學(xué)生對改革后的遙感實驗教學(xué)更滿意。

其次，通過結(jié)合實際的案例式教學(xué)，學(xué)生對知識的掌握程度也有所提高，知識面更廣，動手能力、創(chuàng)新能力和表達能力等也有改善，最終成績從平均83.94分提高到平均88.38 分。

再次，學(xué)生的科研水平也得到了鍛煉，在各項學(xué)科競賽中表現(xiàn)突出，從2015年至今，筆者所在院校代表隊在中國高校地理科學(xué)展示大賽均取得了全國二等獎以上的成績，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目立項數(shù)保持在30 項以上，在全國GIS 技能應(yīng)用大賽和“歐比特杯”高光譜遙感影像智能處理行業(yè)應(yīng)用大賽等比賽中也有不錯的表現(xiàn)，這些與科研水平的提高有密切關(guān)系。

最后，筆者所在學(xué)院的本科深造率（包括讀研和出國等）也有較大提升，從2015年的49.20%增長到了2020年的72.00%，說明國內(nèi)外同行充分肯定學(xué)生的綜合實力。教學(xué)改革效果如表1所示。

表1 教學(xué)改革效果

4 結(jié)語

“云+AI+5G”時代的到來給遙感行業(yè)帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)，也給遙感實驗教學(xué)改革帶來了新的契機。本文在“云+AI+5G”新時代背景下探索遙感實驗教學(xué)改革方法，針對現(xiàn)有課程存在的問題，提出案例式實驗教學(xué)改革方法，探討了如何使遙感實驗課程緊扣時代發(fā)展、如何設(shè)計以案例教學(xué)為主的多模態(tài)教學(xué)模式和如何健全教學(xué)效果評估制度。從實際教學(xué)效果來看，本文提出的教學(xué)改革方法能使課堂教學(xué)與時代發(fā)展結(jié)合更緊密，通過實驗操作能加深對國內(nèi)外前沿的理解，以實際調(diào)研為前提選定的遙感實驗案例更貼合實際需求，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。然而，科技和產(chǎn)業(yè)仍處在快速發(fā)展中，后續(xù)需要不斷優(yōu)化和更新教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)出適應(yīng)時代發(fā)展的新型遙感人才。