基于CDIO模式將GEE平臺(tái)引入遙感實(shí)驗(yàn)的探討

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(cè)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(huì)的各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。高職院校測(cè)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(huì)分析和處理地學(xué)問(wèn)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(guò)程中會(huì)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(shí)，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(tái)可以有效解決這些問(wèn)題，作為新興的遙感數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，它為研究和解決地學(xué)問(wèn)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(guó)研究組織探索出來(lái)的國(guó)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(guò)分工合作，進(jìn)行有效溝通，運(yùn)用跨學(xué)科的方法來(lái)解決實(shí)際問(wèn)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(shí)和處理實(shí)際問(wèn)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(huì)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(wèn)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(guò)程，包括產(chǎn)品的生產(chǎn)、測(cè)試和修正；運(yùn)行（operate）即產(chǎn)品的使用、評(píng)估和反饋，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品性能的評(píng)估來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，并根據(jù)反饋結(jié)果對(duì)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(guò)程中引入GEE云計(jì)算平臺(tái)作為遙感數(shù)據(jù)獲取和處理平臺(tái)，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(duì)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(tái)

谷歌地球引擎（google earth engine，GEE)云計(jì)算平臺(tái)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(jiǎn)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(yǔ)言，使用基于Web的代碼編輯器，可以快速訪問(wèn)PB數(shù)量級(jí)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(tái)更加廣泛地應(yīng)用于教學(xué)之中[12-13]。

本文選擇GEE平臺(tái)作為數(shù)據(jù)處理和分析平臺(tái)，該平臺(tái)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(chǔ)于云端數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶不需在本地安裝專業(yè)軟件，直接訪問(wèn)GEE云計(jì)算平臺(tái)即可獲取所需數(shù)據(jù)，訪問(wèn)其API即可在線對(duì)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(wèn)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(tái)對(duì)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(shí)，具有很強(qiáng)的理論性；對(duì)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(duì)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(guò)或很少接觸GEE云計(jì)算平臺(tái)，因此需在課前自行查閱資料，對(duì)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(tái)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(shí)和分類方法，在此過(guò)程中開展小組討論和交流，分析和解決課堂問(wèn)題。教師可在此過(guò)程中掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況和知識(shí)儲(chǔ)備程度。

此次實(shí)驗(yàn)選擇在GEE云計(jì)算平臺(tái)上采用支持向量機(jī)方法（SVM）進(jìn)行監(jiān)督分類，過(guò)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(duì)實(shí)驗(yàn)原理、方法和過(guò)程的講解，GEE云計(jì)算平臺(tái)的展示與說(shuō)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(tái)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(guò)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(tái)，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(zhǎng)。4名小組成員均需獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，遇到問(wèn)題時(shí)記錄并匯總至組長(zhǎng)。組長(zhǎng)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(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)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(chǎng)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(shí)。教師全程參與學(xué)生的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，適時(shí)鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生并評(píng)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(duì)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(píng)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(zhǎng)組成評(píng)審組，對(duì)每個(gè)學(xué)生的成果進(jìn)行點(diǎn)贊和評(píng)分，評(píng)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(píng)各小組的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，包括紀(jì)律問(wèn)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(guò)程中遇到的問(wèn)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(zhǎng)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(píng)定。評(píng)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(wèn)題。師生共同討論，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、結(jié)果和問(wèn)題進(jìn)行分析和反思。

4 結(jié)論與討論

GEE云計(jì)算平臺(tái)作為高效的遙感數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，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(tái)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(wèn)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(guò)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(shí)解決實(shí)際問(wèn)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(tái)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(tái)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(wèn)題相結(jié)合，解決實(shí)際問(wèn)題，促進(jìn)知識(shí)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。