遙感大數(shù)據(jù)支撐下土地資源管理專業(yè)學生實踐創(chuàng)新能力的培育

周 旭，胡 娟，趙海兵，朱 珂，蘭安軍，周秋文

(貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院，貴州貴陽 550001)

土地資源管理是人類意志作用于土地系統(tǒng)的復雜動態(tài)過程。在此過程中，針對各種自然與人文要素的基礎數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)挖掘分析和數(shù)據(jù)可視化表達等是必需的工作環(huán)節(jié)。隨著全球變化研究的不斷深入，時空連續(xù)的高精度土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)需求日益迫切。與此同時，大數(shù)據(jù)時代已悄然來臨，數(shù)據(jù)已成為國家基礎性戰(zhàn)略資源。我國新型城鎮(zhèn)化建設、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)轉型升級和生態(tài)文明建設等，亦迫切需用大數(shù)據(jù)支撐國土空間優(yōu)化與可持續(xù)發(fā)展決策等。有序推進遙感數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀、土地整理規(guī)劃和基本農(nóng)田建設等數(shù)據(jù)向政府部門提供共享服務，是促進國土資源大數(shù)據(jù)應用的重要內容[1]。因此，如何抓住大數(shù)據(jù)發(fā)展機遇，著力培育土地資源管理專業(yè)學生的信息技術應用實踐與創(chuàng)新能力，是當前高校教育教學改革面臨的新使命與新課題。筆者首先闡述了遙感對土地科學研究與管理的重要性，從專業(yè)定位、課程設置和課程教學3個維度提出了“土地+遙感”的深度融合教學模式。以貴州師范大學為例，重點介紹了實施“土地+遙感”融合教學的混合式與研究性2種實驗教學改革案例，旨在為深化遙感大數(shù)據(jù)應用和提升人才培養(yǎng)質量等提供參考。

1 土地資源管理的遙感技術需求分析

1.1遙感大數(shù)據(jù)的特征遙感是以電磁波與地表物質相互作用為基礎，探測、分析和研究地球資源與環(huán)境，揭示地球表面各種要素的空間分布特征和時間變化規(guī)律的一門科學技術。1972年，世界上第一顆地球資源技術衛(wèi)星Landsat-1發(fā)射升空后，美國的LandSat系列衛(wèi)星、NOAA系列衛(wèi)星、Terra和Aqua衛(wèi)星以及法國的SPOT系列衛(wèi)星、日本的ALOS衛(wèi)星以及中國的CBERS系列衛(wèi)星、環(huán)境星系列衛(wèi)星和高分系列衛(wèi)星等，源源不斷地為地面提供海量衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。特別是隨著中國資源衛(wèi)星應用中心、國家衛(wèi)星氣象中心、環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境中心、遙感與數(shù)字地球研究所、地理空間數(shù)據(jù)云、遙感集市以及美國航空航天局NASA、地質調查局USGS、馬里蘭大學的全球土地覆蓋設施GLCF等機構或網(wǎng)頁，免費的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品獲取越來越方便、快捷，遙感發(fā)展也進入了大數(shù)據(jù)時代。遙感大數(shù)據(jù)有多樣的數(shù)據(jù)類型、海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、快速的數(shù)據(jù)流轉和巨大的數(shù)據(jù)價值[2]，為深化土地科學研究與管理等提供了有力支撐。

1.2國外典型需求案例1995年，國際地圈生物圈計劃(IGBP)和國際全球環(huán)境變化人文因素計劃(IHDP)聯(lián)合發(fā)起“土地利用/覆被變化(LUCC)研究計劃”，將“土地覆被變化狀況評估，全球LUCC建模與預測，全球、區(qū)域和局地尺度的LUCC驅動力，數(shù)據(jù)開發(fā)活動與數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)”列為其研究重點。LUCC迅速成為全球變化研究的前沿和熱點課題。2000年，美國國家航空航天局(NASA)提出地球科學事業(yè)系列計劃，通過系統(tǒng)的全球多光譜圖像得到數(shù)米空間分辨率的土地覆蓋信息，診斷土地覆被/利用的變化起因，預測未來變化趨勢，對農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水資源、生物多樣性、碳儲存與釋放以及人群的地理分布與活動進行定量化。2005年，IGBP和IHDP系統(tǒng)總結了LUCC研究進展后，發(fā)起全球陸地計劃(GLP)，將“量測、模擬和理解人類-環(huán)境耦合系統(tǒng)、土地系統(tǒng)動力機制、土地系統(tǒng)變化結果、土地可持續(xù)性集成分析與模擬”列為研究重點。2012年，國際科學理事會(ICSU)和國際社會科學理事會(ISSC)聯(lián)合發(fā)起未來地球研究計劃(Future Earth)，將“觀測、分析、模擬自然和社會系統(tǒng)變化，特別是人類-環(huán)境相互作用的動力學特征；為全球面臨環(huán)境變化風險的社會群體提供科學知識和預警信息，抓住可持續(xù)性轉型機遇；確定和評估應對環(huán)境變化的戰(zhàn)略，提出關鍵問題的解決方案”列為研究重點。這些是有全球影響力的研究計劃[3]，強調用遙感實現(xiàn)土地多時空尺度、多要素過程觀測，量化解析土地利用/覆被變化的驅動力及其生態(tài)環(huán)境效應，為全球或區(qū)域環(huán)境變化預測、可持續(xù)發(fā)展決策等提供科學范式。

1.3國內典型需求案例1978年7月，我國首次進行大規(guī)模、多學科、綜合性遙感應用試驗——騰沖航空遙感試驗，開創(chuàng)我國應用遙感勘察自然資源的先河。1980年，“六五”期間將“利用遙感技術進行全國土地資源調查制圖”列為國家重點攻關項目。1984年5月至1997年底，我國利用遙感技術進行第一次全國土地調查。1986年，“七五”期間國家重點開展“三北”防護林遙感綜合調查；中國科學院主持“黃土高原遙感專題研究”，用遙感調查林草資源、土壤侵蝕和土地類型等。1992年，“八五”期間中國科學院組織“國家資源環(huán)境遙感宏觀調查與動態(tài)研究”，建立全國完整的資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫。1996年，“九五”期間“3S技術綜合應用研究”被列為科技攻關“重中之重”項目，開始高精度大比例尺縣級資源環(huán)境動態(tài)監(jiān)測示范。從1999年開始，國家正式啟動“利用遙感影像進行土地利用動態(tài)監(jiān)測項目”，開始用多源、高分、多時相數(shù)據(jù)監(jiān)測耕地占用情況。2000年，“十五”期間完成全國省級土地、森林、礦產(chǎn)、地質和海岸帶的遙感綜合調查。2006年，“十一五”期間遙感應用拓展到城市、環(huán)境、災害、生態(tài)和農(nóng)林調查等領域。2007—2009年，大多數(shù)地區(qū)用SPOT5，有些復雜地區(qū)用Quick Bird，完成全國第二次土地調查。2013—2015年，利用國產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)完成第一次全國地理國情普查。2017年，國務院再次利用遙感開展第三次全國土地調查。我國遙感應用從無到有、從引進數(shù)據(jù)方法到獨創(chuàng)數(shù)據(jù)技術、從科學研究到管理實踐，已形成數(shù)據(jù)海量化、技術智能化、應用多樣化的局面[4]。土地資源調查、林地變更調查、草地資源清查、濕地資源調查、礦產(chǎn)資源勘查、基本農(nóng)田建設和生態(tài)環(huán)境保護等的研究與管理均需用遙感技術。因此，土地資源管理專業(yè)教育迫切需要與遙感技術深度融合。

2 專業(yè)課程與遙感技術的深度融合設計

2.1融合必要性分析學科交叉融合是當前土地科學發(fā)展的主要趨勢，也是高校培養(yǎng)實踐創(chuàng)新人才的重要途徑。根據(jù)中國教育在線網(wǎng)調查，截至2017年6月全國有90所高校招收土地資源管理專業(yè)本科生。其中，綜合類院校18所，占20%；理工類院校20所，占22%；農(nóng)林類院校25所，占28%；師范類型院校14所，占16%；財經(jīng)類院校13所，占14%。不同類型的高校在不同學科的基礎上建設土地資源管理專業(yè)，即是土地科學與相關學科融合的有力佐證。但相關學科或課程如何與土地科學深度融合還缺乏深入研究[5]。

2.2融合實現(xiàn)的主要途徑課程融合的根本目的是在保證“厚基礎，寬口徑”的同時，力爭做到“有效率、重創(chuàng)新”。避免以往“降學分、加課程”、“壓學時、減內容”等現(xiàn)象，講求理論知識的厚度、技術方法的寬度、教學過程的效率與學生獲得的創(chuàng)新之間的協(xié)調平衡。課程融合的實現(xiàn)途徑主要從專業(yè)定位、課程設置和課程教學3個方面去挖掘設計(圖1)。

圖1 土地資源管理專業(yè)課程與遙感技術融合模式Fig.1 The fusion mode of professional courses in land resources management specialty and remote sensing technology

專業(yè)定位需要從宏觀上思考各校土地資源管理專業(yè)建設的學科基礎及資源的優(yōu)勢，并結合土地科學與相關學科前沿，準確把握“土地+遙感”的必要性和可行性。以依托地理學建設土地資源管理專業(yè)的師范院校為例，將專業(yè)定位為培養(yǎng)具備土地科學與信息技術突出優(yōu)勢的專業(yè)人才比較適宜。課程設置需要從中觀上梳理不同學科課程對實現(xiàn)培養(yǎng)目標的主要功能或作用差異，通過設置不同學科課程群及擬定不同課程的教學大綱，協(xié)調相近課程教學內容的有效銜接，并實現(xiàn)優(yōu)質教學資源的共建與共享[6]。

課程教學需要從微觀上具體落實“融合什么”及“怎樣融合”的問題，這是實現(xiàn)“土地+遙感”深度融合的關鍵環(huán)節(jié)。課程教學應以培養(yǎng)學生的實踐與創(chuàng)新能力為“中心目標”；通過學科交叉與案例式教學，拓展不同課程與遙感應用結合的基礎理論知識；通過實驗實踐與混合式教學，訓練土地科學與信息技術結合的專業(yè)核心技能；通過探究課題與研究性教學，促進教師引領與學生養(yǎng)成結合的學習能力發(fā)展。課程教學不僅要重視“土地+遙感”的教學內容融合(表1)，而且應重視轉變觀念，養(yǎng)成學科交叉與融合思維，實現(xiàn)從接受型教學向研究型教學轉變，逐步構建教師有效教學與學生主動研究相輔相成的睿智教學模式。這種睿智教學不能簡單地要求師生“要做什么”以及“不做什么”，更應深化教輔環(huán)境的供給側改革，著力打造對師生有益的健康成長平臺、自主學習平臺、開放實驗平臺、科研創(chuàng)新平臺和學術交流平臺，從而建成“一個中心+三個結合+五個平臺”的“土地+遙感”深度融合教學模式。

3 貴州師范大學土地資源管理專業(yè)教育改革探索

3.1專業(yè)建設基礎貴州師范大學土地資源管理專業(yè)是依托其地理學優(yōu)勢學科而創(chuàng)建的。該校地理學為一級學科博士學位授權點，現(xiàn)有地圖學與地理信息系統(tǒng)專業(yè)背景的教授6人、副教授10人、博士12人，有土地資源管理專業(yè)背景的教授6人、副教授7人、博士8人，有國家遙感中心貴州分部、貴州省山地資源與環(huán)境遙感應用重點實驗室和貴州山區(qū)地理環(huán)境與遙感技術應用省級科技創(chuàng)新人才團隊等專業(yè)平臺，為推進以“土地科學+信息技術”為突出優(yōu)勢的土地資源管理專業(yè)教育奠定了扎實的基礎。

3.2專業(yè)發(fā)展環(huán)境為了優(yōu)化育人環(huán)境，大力建設對師生有益的“五個平臺”。健康成長平臺通過開展工會活動、組織活動、文體活動、交際聯(lián)誼和師兄師姐開講啦等，加強人文關懷，促進師生的身心健康發(fā)展。自主學習平臺通過建設校史館、文化墻、圖書館、數(shù)字期刊庫和無手機課堂等，營造學習氛圍，促進師生的終身自主學習。開放實驗平臺通過構建遙感省級重點實驗室、遙感集市交易中心、地理與環(huán)境生態(tài)大學生創(chuàng)新訓練中心以及學生參與教師科研項目等，拓展開放渠道，促進師生的積極交流互動?？蒲袆?chuàng)新平臺通過申報各級科研項目、投標政府購買服務、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目以及課程創(chuàng)新探究課題等，重視科研訓練，促進師生的教研互助互惠。學術交流平臺通過組建課程匯報、學術沙龍、學術論壇和學術年會等，活躍學術氛圍，促進師生的學術思維轉變。

表1 土地資源管理專業(yè)課程與遙感技術融合案例

3.3專業(yè)教改案例為了進一步培育土地資源管理專業(yè)學生的實踐創(chuàng)新能力，依托省級教改項目“遙感課程多維一體化創(chuàng)新教學體系研究與實踐”，對比開展“土地+遙感”教學內容與教學方法融合教育改革試驗。在教改年級安排有“土地+遙感”專業(yè)背景的教師擔任輔導員、學術導師和專業(yè)骨干教師。輔導員通過主題班會等，組織學生討論我國不同高校的土地資源管理專業(yè)教育現(xiàn)狀與特色，明確專業(yè)定位并增強學習興趣。學術導師通過專題講座等，介紹土地資源遙感與GIS應用需求態(tài)勢，指導學生完成學業(yè)發(fā)展規(guī)劃、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目和專業(yè)綜合實踐等，增強專業(yè)凝聚力并引領學生創(chuàng)新發(fā)展。骨干教師通過參與修訂培養(yǎng)方案與教學大綱并講授主干課程等，從專業(yè)定位、課程設置和課程教學等維度(圖1)，將遙感等地理信息科學基礎知識、技術方法、思維方式和前沿趨勢等，深刻滲透進土地資源管理專業(yè)教改實踐(表1)，從而夯實專業(yè)發(fā)展基礎并強化“土地+遙感”的融合教學內涵建設。

在遙感原理與應用課程教學過程中，嘗試“遙感+土地”的混合式實驗實踐教學改革[7]。課程定位為培養(yǎng)學生的土地資源數(shù)據(jù)獲取實踐能力服務，教學目標是教會學生理解遙感基礎概念、掌握遙感技術流程并能熟練運用遙感監(jiān)督分類獲取土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)。因此，安排課堂理論與實驗實踐教學課時比為1∶1。必修基礎實驗有遙感大數(shù)據(jù)下載、遙感圖像幾何精校正、簡單大氣校正、拼接與裁剪，必做綜合實驗有彩色合成、非監(jiān)督分類、監(jiān)督分類和土地利用遙感解譯等。隨著遙感精品課、公開課、共享課和慕課等以及ENVI、ERDAS等軟件的網(wǎng)絡教學資源越來越豐富，遙感軟件在線學習頗受學生歡迎，但系統(tǒng)學習、深度學習和創(chuàng)新學習等還需教師面對面地引領。所謂混合式教學是指將傳統(tǒng)面對面教學與網(wǎng)絡在線教學的優(yōu)勢互補形成的“線下+線上”有機整合的教學方法，特別強調教師組織引領與學生自主學習的結合(圖2)。其中，教師積極開展教改研究，將先進的教學理念和方法等引入教學實踐；不斷提升教學設計水平，優(yōu)化布置教學任務，開發(fā)更新教學資源，靈活組織教學活動等。學生主動適應環(huán)境變化，將便捷的移動終端與網(wǎng)絡等用于學習活動；鍛煉實驗實踐能力，認真理解實驗任務，挖掘積累學習資源，熟悉實驗操作等。進一步強化評價反饋與整改提升，逐步形成“以研帶教，以教促研”的良性互饋機制，從而實現(xiàn)教學實踐能力培育目的。

在土地資源學課程教學過程中，嘗試“土地資源+信息技術”的研究性實驗實踐教學改革。課程定位為培養(yǎng)學生的土地信息技術應用實踐能力服務，教學目標是教會學生理解土地資源基礎概念、掌握“土地+遙感+GIS”的基本技術流程并能靈活運用信息技術開展土地資源問題創(chuàng)新探究。因此，鑒于該課程有基礎性、綜合性和拓展性特點，且與許多先行課有較多重復內容，安排課堂理論與實驗實踐教學課時比為1∶2。必修綜合實驗有土地資源遙感調查、土地變化空間分析和土地資源專題制圖，選修探究實驗有基于遙感和GIS的土地資源要素互饋關系解析、土地規(guī)?；頋摿υu價、經(jīng)濟作物種植適宜性評價、土地利用可持續(xù)性評價、土地生態(tài)安全評價、土地石漠化敏感性評價、生態(tài)用地服務價值變化分析和城市擴展生態(tài)環(huán)境效應探究等。綜合實驗用混合式教學組織，探究實驗用研究性教學開展。所謂研究性教學是以培養(yǎng)學生的研究意識、研究能力和創(chuàng)新能力為目標，通過教學過程的研究性，引導學生進行研究性學習，從而促使學生掌握知識、培養(yǎng)研究能力和創(chuàng)新能力的一種教學理念。以基于遙感與GIS的巖溶山區(qū)土地石漠化敏感性評價探究實驗教學為例(圖3)，教師結合“第八章 土地資源的退化與保護”，啟發(fā)學生思考“巖溶山區(qū)主要生態(tài)環(huán)境問題是什么”，學生通過文獻綜述提出“石漠化是其主要生態(tài)環(huán)境問題”。教師引導學生分析問題，討論“石漠化影響因素有哪些”，理解石漠化敏感性評價的研究意義，進而指導學生去解決問題，確定石漠化敏感性評價技術路線、難點及實施方案，進一步督導學生完成遙感數(shù)據(jù)獲取、指標數(shù)據(jù)處理、評價結果分析、論文寫作和過程匯報以及動態(tài)評價與監(jiān)督指導等。其他探究實驗也以類似過程組織開展，從而強化學生的主體作用，教會學生理論聯(lián)系實際，提出、分析和解決簡單科學問題，實現(xiàn)教學創(chuàng)新能力培育目的。

圖2 遙感原理與應用課程的混合式教學流程Fig.2 The blending teaching process of remote sensing’s principle and application course

圖3 土地資源學課程研究性教學案例Fig.3 The inquiry teaching case of land resource course

3.4教改效果測評其他課程亦按照融合教學模式積極開展教學內容與方法的改革實踐。從學生對遙感課程的重要性認識、遙感應用實踐力、遙感應用創(chuàng)新力和遙感教改建議4個方面設計問卷，分別在教改年級和對比年級進行調查[8]。其中，教改年級收回有效問卷60份，對比年級收回有效問卷32份。從圖4、5可以看出：①總體上，重要性認識與實踐力和創(chuàng)新力呈一定正相關關系；但除重要性認識外，創(chuàng)新力比實踐力受更多因素影響。②與對比年級相比，教改年級的學生對重要性認識及其實踐力和創(chuàng)新力得分均比對比年級略高，表明此次教改已開始發(fā)揮積極作用。③與教改年級相比，對比年級提出要更新教學資源、強化實驗教學和提升教師素養(yǎng)的人數(shù)更多。與對比年級相比，教改年級提出要激發(fā)學習興趣和強化自主學習的人數(shù)更多。這為未來深化教改研究與實踐提供了有益信息。

4 結語

強于實踐、善于創(chuàng)新的高層次土地資源管理專業(yè)人才培養(yǎng)是項長期復雜的系統(tǒng)工程。遙感大數(shù)據(jù)為開展土地資源管理專業(yè)實踐創(chuàng)新教育提供了海量的數(shù)據(jù)支撐、先進的技術支持和廣闊的應用前景。在貴州師范大學的實踐表明，轉變師生觀念，充分認識到遙感技術對土地資源管理專業(yè)的重要性，優(yōu)化實踐遙感技術與專業(yè)課程深度融合的教學模式，積極開展混合式與研究性的實驗實踐教學改革，是持續(xù)推進土地資源管理專業(yè)學生實踐與創(chuàng)新能力培育的有效途徑。今后的教改工作還應在此基礎上進一步優(yōu)化“土地+遙感”的實驗實踐教學內容融合設計，并大力激發(fā)學生學習興趣、強化學生自主學習。

圖4 重要性認識對實踐力和創(chuàng)新力的影響Fig.4 The influences of recognition of importance on practical and innovative abilities

圖5 教改年級與對比年級的重要指標比較Fig.5 The comparison of important indicators between reform grade and contrast grade