遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用混合式教學(xué)研究

王躍賓 臧寧

摘 要 遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用是一門培養(yǎng)高質(zhì)量遙感相關(guān)專業(yè)碩士研究生人才的課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際建模能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。根據(jù)該課程特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，本文提出了線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，基于混合式教學(xué)的分析，詳細(xì)闡述了遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用課程的教學(xué)開展形式和內(nèi)容設(shè)置，并提出了擬解決的關(guān)鍵問題，在疫情期間，進(jìn)一步驗(yàn)證了混合式教學(xué)的合理性和有效性。

關(guān)鍵詞 高等學(xué)校 遙感影像大數(shù)據(jù) 分析與應(yīng)用 混合式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424?????????????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.12.042

Abstract The analysis and application of remote sensing image big data is a course for cultivating high-quality graduate students in remote sensing related majors. It aims to train practical modeling ability and teamwork ability. According to the characteristics of the course and teaching goals， bleeding teaching combining online and offline is proposed. Base on the analysis of blending teaching， this paper illustrates the teaching form and content setting of the course of the analysis and application of remote sensing image big data and puts forward the key issues to be solved. During the epidemic， the rationality and effectiveness of blending teaching was further verified.

Keyword colleges and universities; remote sensing image big data; analysis and application; bleeding teaching

遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用課程以學(xué)生的研究方向和科研興趣為導(dǎo)向，是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握遙感影像中的模式識(shí)別、深度學(xué)習(xí)、分類器、特征提取與選擇等內(nèi)容的基本概念、基本原理、基本分析方法，使之具有初步設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別的算法的能力，從而為學(xué)生進(jìn)一步從事該方向的學(xué)習(xí)與研究工作打下基礎(chǔ)。因此，如何更好的開設(shè)該課程，實(shí)現(xiàn)線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，需要相關(guān)的專業(yè)課教師深入研究并付諸實(shí)踐。

1 遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用及課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.1 遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用的背景

隨著遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)在空間、時(shí)間、光譜和輻射等方面的分辨率都越來越高，[1]成像方式的多樣化以及遙感數(shù)據(jù)獲取能力的增強(qiáng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)類型也比以往更加豐富，數(shù)據(jù)量也越來越大，遙感數(shù)據(jù)也已經(jīng)具備了明顯的大數(shù)據(jù)特征，如大容量、多類型、難辨識(shí)、多尺度、價(jià)值大等，這種種跡象都表明了屬于遙感影像大數(shù)據(jù)的時(shí)代已經(jīng)到來。[2，3]目前，深度學(xué)習(xí)算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已被廣泛遷移到遙感影像大數(shù)據(jù)分析中，并在影像分類、目標(biāo)檢測(cè)、影像分割和影像檢索等諸多方面都有著廣泛應(yīng)用，彰顯了深度學(xué)習(xí)在遙感領(lǐng)域中的巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。[4]基于此，探討遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)并開發(fā)適用于遙感大數(shù)據(jù)信息挖掘特點(diǎn)的深度學(xué)習(xí)模型是十分必要的。

1.2 遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用的性質(zhì)

遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用課程綜合了多個(gè)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，它不僅涉及了模式識(shí)別、特征提取與選擇等內(nèi)容中許多復(fù)雜的理論和模型算法，而且還涉及了相關(guān)模型算法的實(shí)際應(yīng)用，這就要求參與此課程的學(xué)生將理論與實(shí)踐結(jié)合起來。遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用以使用深度學(xué)習(xí)方法對(duì)遙感圖像處理為出發(fā)點(diǎn)，以期盡可能激發(fā)起碩士研究生對(duì)于遙感影像大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)等方面的興趣，打開他們的思維限制，使之對(duì)研究方向有更多的自我想法和突破，從而為學(xué)生進(jìn)一步從事該方向的學(xué)習(xí)與研究工作打下基礎(chǔ)。

1.3 遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用課程的基本內(nèi)容設(shè)計(jì)

遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用課程主要從高分辨率遙感、高光譜遙感、模式識(shí)別、線性分類器、特征提取與選擇等五個(gè)方向進(jìn)行系統(tǒng)性介紹，高分辨率遙感和高光譜遙感主要圍繞影像檢索、目標(biāo)識(shí)別、影像分類等方向進(jìn)行研究，正是由于深度學(xué)習(xí)的協(xié)助，遙感影像通過特征提取和特征分析，進(jìn)而借助于影像檢索、目標(biāo)探測(cè)和影像分類為高分遙感影像和高光譜遙感影像識(shí)別服務(wù)。

2 混合式教學(xué)的特色及工作開展

2.1 混合式教學(xué)的特色

2.1.1 必要性

遙感大數(shù)據(jù)時(shí)代的信息提取與分析是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的信息分析模型為主要特征，[4]深度學(xué)習(xí)模型的構(gòu)建是將深度學(xué)習(xí)成功應(yīng)用到遙感領(lǐng)域的核心任務(wù)之一，所以本門課程針對(duì)碩士研究生在內(nèi)的科研人員，探討遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)，開發(fā)適用于遙感大數(shù)據(jù)信息挖掘特點(diǎn)的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型是十分必要的。

2.1.2 創(chuàng)新性

一方面，教學(xué)研究?jī)?nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，遙感影像大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用綜合了多個(gè)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，在當(dāng)前大數(shù)據(jù)、跨學(xué)科交叉背景之下，研究探討相關(guān)教學(xué)知識(shí)。同時(shí)，探討混合式教學(xué)的可能性，線上、線下兩種課程模式各有優(yōu)缺。線上模式形式靈活，內(nèi)容豐富，但是一定程度上缺乏實(shí)時(shí)的交互。線下模式教學(xué)效果好，便于師生交流，但是教學(xué)條件嚴(yán)格，一定程度上會(huì)有所限制。所以線上和線下教學(xué)可以相互補(bǔ)充，完善教學(xué)方法體系。

2.1.3 充分性

混合式教學(xué)研究?jī)?nèi)容豐富，遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用課程線上教學(xué)模式的建立主要以超星爾雅、釘釘、騰訊會(huì)議、嗶哩嗶哩等軟件和網(wǎng)站作為授課平臺(tái)，以實(shí)時(shí)直播、錄制課程視頻、網(wǎng)上實(shí)時(shí)討論等方式作為主要線上授課方式，內(nèi)容包括模式識(shí)別的最新知識(shí)和遙感領(lǐng)域的前沿進(jìn)展等。遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用課程線下教學(xué)模式在教學(xué)場(chǎng)地上以基本教室為主，可以完成課程知識(shí)講述，學(xué)生匯報(bào)等課程環(huán)節(jié)，對(duì)于需要?jiǎng)邮植僮?、編程?shí)現(xiàn)的課程環(huán)節(jié)可以在實(shí)驗(yàn)室中完成。

2.2 混合式教學(xué)的工作開展

遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用課程計(jì)劃采用線上線下混合教學(xué)（Online-Merge-Offline， OMO）的模式進(jìn)行授課。OMO模式就是將線上網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)面授學(xué)習(xí)相結(jié)合起來，線上側(cè)重實(shí)踐，線下側(cè)重理論，線上賦能線下，二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。[5]但是請(qǐng)注意的是，OMO并不是線上線下簡(jiǎn)單的互相疊加，而是那種我中有你、你中有我的幾何化放大教與學(xué)效果的學(xué)習(xí)方式。在2020年新冠肺炎疫情中，OMO模式得到了充分的檢驗(yàn)，相關(guān)線上平臺(tái)得到了豐富和完善，這為本課程開展線上線下混合教學(xué)提供了客觀條件。

從這門課的角度來說，OMO也非常貼合本課程的需要。教師通過PPT進(jìn)行相關(guān)知識(shí)和理論的講解，學(xué)生在線上學(xué)習(xí)且可以反復(fù)觀看視頻。在線下課程上，學(xué)生可以將自己對(duì)模型算法的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行展示，且能與老師面對(duì)面交流解決疑問。本課程理論模型大都必須憑借計(jì)算機(jī)才能得到具體的實(shí)現(xiàn)，這對(duì)于課堂的硬件水平提出了較高的要求，線上線下混合教學(xué)能夠能更加簡(jiǎn)便高效地實(shí)現(xiàn)這一目的。這樣的教學(xué)方式既傳授了理論又兼顧了應(yīng)用，盡可能落實(shí)了本課程名中的“分析與應(yīng)用”幾字的含義。

3 課程開設(shè)形式和內(nèi)容設(shè)置

3.1 課程開設(shè)形式

3.1.1 建立遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用課程的線上教學(xué)模式

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展、各類實(shí)時(shí)互動(dòng)軟件及視頻網(wǎng)站的廣泛普及，建立線上教學(xué)模式的客觀條件已經(jīng)基本成熟。線上教學(xué)模式有如下優(yōu)點(diǎn)：1）線上課程比較靈活，不受時(shí)間及地點(diǎn)的限制;2）視頻課程支持隨時(shí)暫停、反復(fù)觀看，有利于學(xué)生課后復(fù)習(xí)、加深理解;3）探索線上教學(xué)模式有利于高效完成疫情、地震、極端天氣等特殊時(shí)期的教學(xué)要求，線上教學(xué)模式在特殊時(shí)期可以有效的保障學(xué)生安全且高質(zhì)量的完成基本課業(yè)。綜上所述，探索建立線上教學(xué)模式是很有必要的。

目前，課程線上教學(xué)模式的建立主要以超星爾雅、釘釘、騰訊會(huì)議、嗶哩嗶哩等軟件和網(wǎng)站作為授課平臺(tái)，以實(shí)時(shí)直播、錄制課程視頻、網(wǎng)上實(shí)時(shí)討論等方式作為主要線上授課方式。遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用課程總學(xué)時(shí)安排為32學(xué)時(shí)，線上教學(xué)部分為24學(xué)時(shí)。線上授課具體教學(xué)內(nèi)容如下：背景知識(shí)介紹（4學(xué)時(shí)）、高分辨率遙感（4學(xué)時(shí)）、高光譜遙感（4學(xué)時(shí)）、模式識(shí)別概述（4學(xué)時(shí)）、線性分類器（4學(xué)時(shí)）、特征提取與選擇（4學(xué)時(shí)）。

3.1.2 建立遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用線下教學(xué)模式

在當(dāng)下，線下教學(xué)模式即傳統(tǒng)的面授式課堂仍然是主流的教學(xué)方式，擁有不可替代的優(yōu)勢(shì)。線下教學(xué)模式有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）師生之間交互性強(qiáng)，教學(xué)效果直觀，教學(xué)效果好;（2）線下教學(xué)模式課堂氛圍濃厚，學(xué)生聽課紀(jì)律性、嚴(yán)肅性有保障;（3）針對(duì)一些細(xì)致深入的問題，采用傳統(tǒng)授課方式更容易及時(shí)得到學(xué)生反饋，從而針對(duì)性的講解，便于學(xué)生理解，提高教學(xué)質(zhì)量;（4）布置一些問題面對(duì)面自由討論，一方面激發(fā)學(xué)生的探究和合作精神，另一方面促進(jìn)學(xué)生交流能力和展示自我能力的提升。遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用的線下教學(xué)模式在教學(xué)場(chǎng)地上以基本教室為主，可以完成課程知識(shí)講述，學(xué)生匯報(bào)等課程環(huán)節(jié)，對(duì)于需要?jiǎng)邮植僮?、編程?shí)現(xiàn)的課程環(huán)節(jié)可以在實(shí)驗(yàn)室中完成。遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用課程總學(xué)時(shí)安排為32學(xué)時(shí)，線下教學(xué)部分為8學(xué)時(shí)。線下教學(xué)模式具體教學(xué)內(nèi)容如下：前沿工作探討（4學(xué)時(shí)）、學(xué)生匯報(bào)（4學(xué)時(shí)）。

3.1.3 線上線下教學(xué)相互補(bǔ)充

線上、線下兩種課程模式各有優(yōu)缺。線上模式形式靈活，內(nèi)容豐富，但是一定程度上缺乏實(shí)時(shí)的交互。線下模式教學(xué)效果好，便于師生交流，但是教學(xué)條件嚴(yán)格，一定程度上會(huì)有所限制。所以線上和線下教學(xué)可以相互補(bǔ)充，完善教學(xué)體系。[6，7]主要有以下三點(diǎn)：（1）在教學(xué)內(nèi)容上：線上教學(xué)以基礎(chǔ)授課為主，線下完成關(guān)鍵性問題講解和交流答疑。（2）在學(xué)生合作、討論方面：線上教學(xué)主要以學(xué)生自主交流為主，線下完成小組的合作匯報(bào)。增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力并檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果。（3）最終的成績(jī)?cè)u(píng)定方面：最終成績(jī)應(yīng)由線上教學(xué)的課程完成情況、上課出勤情況和線下的結(jié)課論文、匯報(bào)情況綜合評(píng)定。

3.2 課程內(nèi)容設(shè)置

如表1所示，遙感影像大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用課程總學(xué)時(shí)32學(xué)時(shí)，其中線上教學(xué)為24學(xué)時(shí)，線下教學(xué)為8學(xué)時(shí)。線上教學(xué)模塊承擔(dān)了基本的課業(yè)內(nèi)容，本課程一個(gè)重要的內(nèi)容就是通過深度學(xué)習(xí)方法對(duì)遙感圖像進(jìn)行處理，首先利用前12個(gè)學(xué)時(shí)（背景知識(shí)介紹、高分辨率遙感、高光譜遙感）對(duì)于人工智能、深度學(xué)習(xí)、高分辨率遙感以及高光譜遙感相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用加以介紹。計(jì)算機(jī)視覺與圖像處理是遙感圖像處理領(lǐng)域與其他眾多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，近年來各種基于深度學(xué)習(xí)的遙感圖像處理算法被提出。模式識(shí)別概述、線性分類器與特征提取與選擇三個(gè)部分共12學(xué)時(shí)，主要圍繞圖像處理中的分類與聚類任務(wù)展開，特征提取的好壞以及分類器的選擇都極大的影響了分類與聚類任務(wù)結(jié)果。通過線上24學(xué)時(shí)的教學(xué)，首先學(xué)生應(yīng)能初步了解深度學(xué)習(xí)以及遙感影像的基本知識(shí)，再者學(xué)生通過對(duì)模式識(shí)別、線性分類器以及特征提取及選擇的學(xué)習(xí)，應(yīng)能了解模式識(shí)別概念、分類與聚類任務(wù)以及常用的分類器和優(yōu)化算法。最后，通過線上教學(xué)模塊的教學(xué)，學(xué)生應(yīng)能對(duì)遙感數(shù)據(jù)特征以及遙感數(shù)據(jù)的分類及聚類算法有所掌握，并能有效運(yùn)用到未來的相關(guān)研究中去。

線下教學(xué)承擔(dān)了前沿工作探討和學(xué)生匯報(bào)工作，授課教師首先對(duì)相關(guān)研究領(lǐng)域近幾年的研究工作加以介紹，主要以基于深度學(xué)習(xí)的遙感圖像處理為主，涵蓋圖像分割、目標(biāo)檢測(cè)、場(chǎng)景分類以及圖像聚類等內(nèi)容;其次，課題組部分成員對(duì)他們的研究工作進(jìn)行匯報(bào)，匯報(bào)內(nèi)容主要包括研究?jī)?nèi)容背景、研究的方法理論、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)分析等內(nèi)容，比較完整的展示了一項(xiàng)研究任務(wù)的基本框架，最后教師和學(xué)生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的未來方向進(jìn)行探討。匯報(bào)要求學(xué)生分組對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，一方面研究綜述能夠快速的讓學(xué)生了解相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與發(fā)展，另一方面也有利于學(xué)生匯報(bào)和交流能力的提升。

4 總結(jié)

遙感大數(shù)據(jù)時(shí)代的信息提取與分析是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的信息分析模型為主要特征，深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建是將深度學(xué)習(xí)成功應(yīng)用到遙感領(lǐng)域的核心任務(wù)之一，所以本門課程針對(duì)碩士研究生在內(nèi)的科研人員，探討遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)，充分發(fā)掘線上教學(xué)和線下教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，并將這兩者的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到研究生的教學(xué)中，結(jié)合當(dāng)前社會(huì)需求，進(jìn)一步豐富線上教學(xué)和線下教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。本文詳細(xì)闡述了該課程線上教學(xué)和線下教學(xué)相結(jié)合的開展形式，并根據(jù)該形式對(duì)授課內(nèi)容進(jìn)行了細(xì)致規(guī)劃。在疫情期間，進(jìn)一步驗(yàn)證了混合式教學(xué)的合理性和有效性。

基金項(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）2021年度研究生教改建設(shè)資助項(xiàng)目（2021YJSJG-2）

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