新一代AI下的遙感專業(yè)課程教學(xué)方式變革探索★

張廣運，張榮庭

(南京工業(yè)大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 211816)

0 引言

遙感科學(xué)與技術(shù)作為現(xiàn)代地理學(xué)發(fā)展的重要組成部分,其專業(yè)具有很強的實踐性和操作性。遙感技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、測繪、地學(xué)研究等各大領(lǐng)域,具有極高的實用價值。培養(yǎng)具有遙感專業(yè)知識、實踐能力和團隊合作意識的人才已成為遙感專業(yè)教育的重要目標之一。然而,由于硬件設(shè)備與實踐成本的限制,當前遙感專業(yè)的教學(xué)方式主要以理論教學(xué)為主,遙感專業(yè)知識與遙感技術(shù)應(yīng)用在專業(yè)培養(yǎng)中未形成良好體系,理論知識的學(xué)習與實踐生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)合不夠緊密,學(xué)生在實踐中應(yīng)用遙感技術(shù)解決問題的能力有待進一步提高。新一代人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和跨領(lǐng)域應(yīng)用推動了傳統(tǒng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的大變革,全人類的生活和發(fā)展需要與時俱進,適應(yīng)未來人工智能和智慧地球的新環(huán)境。2022年國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出,要利用智能技術(shù)加快人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方案改革,標志著我國將利用人工智能技術(shù)培養(yǎng)各界優(yōu)秀人才上升為國家戰(zhàn)略。遙感科學(xué)與技術(shù)是一門研究遙感技術(shù)、電子技術(shù)、計算機科學(xué)與技術(shù)等方面的綜合信息類學(xué)科,以廣大學(xué)生為中心,利用新一代人工智能技術(shù)思考改進遙感課程的教學(xué)方式、豐富學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習內(nèi)容并培養(yǎng)創(chuàng)新能力是當代教學(xué)改革的重要研究方向。因此,利用新一代人工智能技術(shù)賦能傳統(tǒng)遙感課程教學(xué)的課前準備、課程教學(xué)和課程實習的各個環(huán)節(jié),可以改變目前傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容單一、師生互動不足、實習條件受限的現(xiàn)狀,使學(xué)生能夠利用多媒體平臺實現(xiàn)高效學(xué)習,以具備準確高效利用遙感技術(shù)解決傳統(tǒng)遙感科學(xué)研究應(yīng)用中的各類難題的能力,培養(yǎng)滿足遙感專業(yè)人才培養(yǎng)計劃的、具有尖端實踐技能和創(chuàng)新性思維的高素質(zhì)人才。

遙感科學(xué)與技術(shù)是3S空間信息技術(shù)中極具特色的一個分支,涉及的專業(yè)知識涵蓋多個學(xué)科,研究內(nèi)容抽象且內(nèi)在邏輯緊密。當前,國內(nèi)多所綜合型高校均有開設(shè)遙感相關(guān)專業(yè),培養(yǎng)方式主要包括課程理論教學(xué)與課程實踐實習兩大部分。然而,不同地區(qū)的高校人才培養(yǎng)側(cè)重方向不同,專業(yè)開設(shè)時間及其發(fā)展狀況參差不齊,師資力量與配套軟硬件設(shè)備分布不均,難以實現(xiàn)學(xué)生對遙感專業(yè)系列課程理論體系的宏觀構(gòu)建和適應(yīng)培養(yǎng)新時代的專業(yè)型技術(shù)人才。在新一代人工智能時代,遙感專業(yè)課程教學(xué)在教學(xué)資源、教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容方面面臨著巨大挑戰(zhàn):1)教學(xué)資源方面:傳統(tǒng)教學(xué)資源難以全面覆蓋如此豐富的遙感專業(yè)背景知識和遙感系統(tǒng)實驗的各個環(huán)節(jié),自行搭建開發(fā)從平臺到硬件再到軟件的完整遙感系統(tǒng)的方案可行性不足。傳統(tǒng)野外實習不僅受限于存在潛在危險的外界自然環(huán)境,也存在野外儀器價格昂貴等一系列問題;2)教學(xué)模式方面:目前地方高校多采用多媒體設(shè)備教學(xué)為主,有限范圍內(nèi)課程實踐為輔的教學(xué)模式,較少涉及啟發(fā)式與探究式的教學(xué)方法;3)教學(xué)內(nèi)容方面:當前國內(nèi)遙感課程的知識體系不盡完善,教學(xué)內(nèi)容陳舊,沒有與時俱進地與國際該領(lǐng)域最新動態(tài)發(fā)展現(xiàn)狀看齊。

為此,本文利用新一代人工智能技術(shù)賦能傳統(tǒng)遙感專業(yè)課程教學(xué),提出了全新的遙感教學(xué)改革方式與實踐框架。應(yīng)用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)完成課前教學(xué)準備工作,充實遙感課程教學(xué)內(nèi)容;通過跨媒體智能技術(shù)和群體智能技術(shù)進行理論教學(xué)工作,實現(xiàn)多媒體式教學(xué),使學(xué)生在交互式學(xué)習的過程中深刻理解理論知識;使用混合增強智能技術(shù)和自主智能系統(tǒng)新技術(shù)實現(xiàn)虛擬場景下的遙感實習,擺脫傳統(tǒng)實習課程中人員、設(shè)備、環(huán)境等的諸多限制。通過五大技術(shù)將遙感系統(tǒng)理論知識與遙感工程實踐流程深度融合于高等教育遙感專業(yè)課堂教學(xué)中,可極大地擴展學(xué)生的思路和對遙感學(xué)科的認識,提高學(xué)生對遙感知識的深刻理解,有效地實現(xiàn)良好的課堂教學(xué)成效。

1 人工智能技術(shù)賦能遙感專業(yè)教學(xué)過程的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

遙感科學(xué)與技術(shù)作為現(xiàn)代3S技術(shù)的重要分支,是在多學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新學(xué)科、新技術(shù)。作為引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要推動力,人工智能技術(shù)為遙感課程教學(xué)教育的現(xiàn)代化提供了更多可能性[1]。隨著國家新一代人工智能規(guī)劃的發(fā)布,各行業(yè)都在開展新一代人工智能技術(shù)與行業(yè)的融合規(guī)劃,教育行業(yè)也不例外。早在1970年,Carbonell就已提出智能型計算機輔助教學(xué)(ICAI)的構(gòu)想,以期通過人工智能科學(xué)、認知科學(xué)和思維科學(xué)為理論基礎(chǔ),構(gòu)建計算機輔助教學(xué)的應(yīng)用模式。從歷史發(fā)展變化進程來看,人工智能與教育在50年間相互促進、相互融合,呈現(xiàn)螺旋式上升發(fā)展態(tài)勢[2]。

2017年,教育部發(fā)布了新一代人工智能在教育系統(tǒng)中應(yīng)用的專項規(guī)劃與智能教育戰(zhàn)略研究。國家新一代人工智能規(guī)劃中提出的主要技術(shù)方向包括大數(shù)據(jù)智能技術(shù)、跨媒體智能技術(shù)、群體智能技術(shù)、混合增強智能技術(shù)和自主智能系統(tǒng)五個方面。該規(guī)劃的目標是:以推動人工智能技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新和與經(jīng)濟社會深度融合為主線,按照并跑、領(lǐng)跑兩步走戰(zhàn)略,圍繞五大方向持續(xù)攻關(guān)。從基礎(chǔ)理論、支撐體系、關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新應(yīng)用四個層面構(gòu)筑知識群、技術(shù)群和產(chǎn)品群的生態(tài)環(huán)境,搶占人工智能技術(shù)制高點,妥善應(yīng)對可能帶來的新問題和新挑戰(zhàn),促進大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新,使人工智能成為智能經(jīng)濟社會發(fā)展的強大引擎。如何應(yīng)用這五個方面的技術(shù)來改進目前高等教育的遙感專業(yè)教學(xué)效果,目前基本尚處于探索的階段。

具體到遙感專業(yè)課程教學(xué)改革方面,目前高校的教學(xué)模式基本沿用遙感專業(yè)教科書講授加課程校內(nèi)實習的傳統(tǒng)模式[3],學(xué)生們只能了解到遙感平臺(衛(wèi)星、飛機等)、傳感器和遙感地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的文字描述信息與遙感數(shù)據(jù)處理的教學(xué)視頻,課程實習也只能接觸到極為有限的自然場景下的儀器操作和數(shù)據(jù)采集過程。因此,迫切需要開展如何應(yīng)用新一代的五大智能技術(shù)和先進的教學(xué)平臺互動系統(tǒng)來改造和擴展目前遙感專業(yè)課程教學(xué)流程,使得學(xué)生能夠在專業(yè)學(xué)習的廣度和深度上取得質(zhì)的提升[4]。

2022年12月,由中華人民共和國教育部、中國聯(lián)合國教科文組織全國委員會與聯(lián)合國教科文組織共同主辦了以“引導(dǎo)人工智能賦能教師,引領(lǐng)教學(xué)智能升級”為主題的國際人工智能與教育會議,指出要加強數(shù)字教育資源的建設(shè)分享,推進數(shù)字教育實踐的交流借鑒,更好地適應(yīng)數(shù)字時代教育發(fā)展新需求。為改變傳統(tǒng)遙感教學(xué)中出現(xiàn)的應(yīng)用與實踐不足的問題,薛永安等提出采用視頻講授、在線測試、云端答疑等方式的線上教學(xué)輔助傳統(tǒng)教學(xué)方式[5];李映紅等結(jié)合大數(shù)據(jù)智能技術(shù)設(shè)計生物信息學(xué)的課程教學(xué)內(nèi)容,以便學(xué)生在有限課時的講授下掌握核心的理論知識[6]。在目前的遙感課程教學(xué)中,理論課主要講解遙感原理、遙感數(shù)據(jù)處理、遙感應(yīng)用等基礎(chǔ)知識,強調(diào)概念的理解和認知,實驗課則通過操作基礎(chǔ)遙感軟件,處理不同類型的遙感數(shù)據(jù),完成實際應(yīng)用小型案例等方式,讓學(xué)生深入了解遙感技術(shù)的核心應(yīng)用。但當前遙感專業(yè)的教學(xué)課程教材陳舊,無法囊括日新月異的遙感新知識新技術(shù);受限于教師有限的精力和傳統(tǒng)授課方式的局限性,學(xué)生難以在個人學(xué)習問題中得到及時有效的解答;課程野外實習成本高昂,有時難配備符合實驗要求的外部條件,使得遙感實習教學(xué)實施困難重重。因此,應(yīng)用五大智能技術(shù)賦能遙感教學(xué)的全過程,改變遙感教學(xué)存在的種種問題現(xiàn)狀是新時代遙感教學(xué)改革的重要方向。

高校是科技第一生產(chǎn)力、人才第一資源、創(chuàng)新第一動力的結(jié)合點,利用五大人工智能技術(shù)協(xié)同各專業(yè)領(lǐng)域的教學(xué)改革和創(chuàng)新發(fā)展,培養(yǎng)大批專業(yè)型人才是高校教學(xué)改革的重要方向[7]?，F(xiàn)今,新一代人工智能在全球蓬勃發(fā)展,利用五大智能技術(shù)打造高質(zhì)量、個性化的互動性教育教學(xué)模式,使得學(xué)生不僅可以通過線下課堂教學(xué)獲取知識,還可以通過學(xué)習平臺在線上隨時針對性學(xué)習,在與師生互動、人機互動中實現(xiàn)對專業(yè)知識與實踐的全方位、系統(tǒng)化理解。人工智能技術(shù)賦能于遙感,不僅推動了遙感數(shù)據(jù)解譯、處理、分析等遙感專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的大變革,還推動了教學(xué)方式的豐富與大改革,為我國高校培養(yǎng)一批優(yōu)秀的遙感專業(yè)人才提供了強大支撐。遙感課程改革應(yīng)緊緊抓住新一代人工智能發(fā)展的機遇,積極發(fā)掘五大智能技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用點并將其應(yīng)用于遙感教學(xué)的全過程中,把握科學(xué)研究前沿方向的高質(zhì)量遙感專業(yè)培養(yǎng)方式,在人工智能技術(shù)的支撐下提升教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

2 遙感專業(yè)課程教學(xué)方式變革探討

應(yīng)用新一代人工智能技術(shù)改進高等教育中的各個環(huán)節(jié)是目前我國主推的方向。由于遙感專業(yè)培養(yǎng)方案注重學(xué)生理解和掌握多個學(xué)科的相關(guān)知識并具備工程實踐能力,利用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)、跨媒體智能技術(shù)、混合增強智能技術(shù)、自主智能系統(tǒng)新技術(shù)等在虛擬環(huán)境中復(fù)制和再現(xiàn)遙感系統(tǒng),擺脫傳統(tǒng)教學(xué)中存在的人員、經(jīng)費等限制,拓展學(xué)生的知識廣度和深度,輔助學(xué)生真正掌握從遙感平臺、硬件、數(shù)據(jù)系統(tǒng)到應(yīng)用的各個環(huán)節(jié)。在新一代人工智能技術(shù)的支撐下,本文提出了如圖1所示的遙感專業(yè)課程教學(xué)過程改革框架。

為實現(xiàn)利用新一代人工智能技術(shù)改革高校遙感課程教學(xué)的目標,構(gòu)建遙感專業(yè)培養(yǎng)的理論教學(xué)與實踐教學(xué)的完整體系,本文將按照充實遙感課程教學(xué)內(nèi)容、改進遙感課程理論教學(xué)、設(shè)計遙感課程虛擬野外實踐三大模塊,對遙感課程教學(xué)系統(tǒng)化。

1)充實遙感課程教學(xué)內(nèi)容:遙感科學(xué)與技術(shù)融合了地球科學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)、電子工程、計算機科學(xué)、地理信息系統(tǒng)等多個學(xué)科的理論和方法研究與應(yīng)用遙感技術(shù)獲取地球表面信息,是一門綜合性很強的交叉學(xué)科。利用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)改進教學(xué)內(nèi)容、提升教學(xué)質(zhì)量、制定教學(xué)計劃,以期培養(yǎng)學(xué)生具備遙感科學(xué)與技術(shù)的理論知識和實踐技能,是本教學(xué)改革框架的首要環(huán)節(jié)。

應(yīng)用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)改革遙感教學(xué)內(nèi)容,可以為教師提供全面的教學(xué)計劃和多樣化的教學(xué)方式,借助教學(xué)平臺,教師可隨時更新前沿的教學(xué)資源、開展虛擬實踐,能深入了解每個學(xué)生的學(xué)習特點、學(xué)習進度和困難點,幫助教師更好地了解學(xué)生的學(xué)習需求、準確和全面地構(gòu)建學(xué)生畫像,并針對性地對每個學(xué)生的學(xué)習情況進行分析,充實遙感課程教學(xué)內(nèi)容的總體框架,具體內(nèi)容如下:學(xué)生數(shù)據(jù)采集與分析→制定個性化教學(xué)計劃→智能評估反饋與在線學(xué)習平臺→課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化。

在教學(xué)內(nèi)容方面,應(yīng)根據(jù)遙感專業(yè)培養(yǎng)方案收集各類教學(xué)資源,實現(xiàn)個性化、智能化和數(shù)據(jù)驅(qū)動的教學(xué),提高學(xué)生學(xué)習的效率和滿意度,同時幫助教師優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法,實現(xiàn)教學(xué)的不斷優(yōu)化和創(chuàng)新。應(yīng)用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)制定教學(xué)計劃實現(xiàn)學(xué)習效果精準評估,從而提高課程教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習體驗。首先采集學(xué)生學(xué)習數(shù)據(jù),應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對學(xué)生的學(xué)習情況和課程教學(xué)內(nèi)容分析從而制定個性化教學(xué)計劃,同時通過智能評估系統(tǒng)和在線學(xué)習平臺為學(xué)生提供學(xué)習支持與評估反饋,支持個性化的學(xué)習記錄、問題反饋和解決方案。在整個教學(xué)過程中,教師充當指導(dǎo)者和引導(dǎo)者的角色,引導(dǎo)學(xué)生理解遙感科學(xué)與技術(shù)的概念、原理和應(yīng)用,并鼓勵學(xué)生在掌握課程知識的基礎(chǔ)上進行實踐和創(chuàng)新。此外,根據(jù)規(guī)劃好的教學(xué)方式和實習方案實施遙感課程教學(xué),并在課程結(jié)束時及時收集專家評估和學(xué)生反饋,以便于充分了解改革后教學(xué)體系的教學(xué)效果以及學(xué)生對于專業(yè)課程的學(xué)習效果,以便進一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方法。下面以《遙感數(shù)字圖像處理》課程為例介紹大數(shù)據(jù)智能技術(shù)賦能教學(xué)準備的過程[8]。

《遙感數(shù)字圖像處理》是遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程之一,主要涉及遙感圖像獲取、處理和分析的基本理論與方法。作為遙感專業(yè)最為重要的專業(yè)課程之一,涉及豐富的專有名詞、圖像解譯和處理的多種手段,涵蓋從遙感圖像預(yù)處理、增強、分類、變換到特征提取和目標檢測等方面的知識,課程學(xué)習難度偏大,學(xué)習要求較高。在制定該課程教學(xué)計劃時,教師可預(yù)先收集往年學(xué)生在課程學(xué)習中的學(xué)習數(shù)據(jù)和反饋信息,包括學(xué)習行為、學(xué)習進度、作業(yè)成績、在線測驗結(jié)果等,以便教師根據(jù)章節(jié)內(nèi)容重難點調(diào)整整體教學(xué)課時安排,了解學(xué)生學(xué)習薄弱點,如在學(xué)習數(shù)字圖像增強、濾波和分類等處理技術(shù)時,學(xué)生往往難以深刻理解抽象的概念與相關(guān)實驗操作原理,在教學(xué)中應(yīng)予以側(cè)重。通過大數(shù)據(jù)智能技術(shù)對已有的數(shù)字圖像處理課程學(xué)習數(shù)據(jù)挖掘分析,根據(jù)該課程的學(xué)習特點和學(xué)生的學(xué)習興趣、學(xué)習風格和知識掌握情況逐步完成教學(xué)計劃。針對課程中龐大繁雜的知識內(nèi)容,教師要發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習差異并提供不同的教學(xué)資源和學(xué)習路徑,包括課程線上學(xué)習視頻、在線問答社區(qū)等幫助學(xué)生更高效地學(xué)習遙感知識,為學(xué)生提供個性化指導(dǎo)。通過基于大數(shù)據(jù)智能的在線學(xué)習平臺,為學(xué)生提供全天候的學(xué)習支持和資源,不僅可以提供學(xué)習材料和視頻課程,還可以通過數(shù)據(jù)分析為學(xué)生推送相關(guān)遙感圖像處理技術(shù)和方法,從而增強學(xué)生的學(xué)習興趣和參與度。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的學(xué)習推薦系統(tǒng),推送符合學(xué)生興趣和學(xué)習進度的內(nèi)容,增強學(xué)習動力。最后,教師可利用大數(shù)據(jù)分析結(jié)果智能評估系統(tǒng),對學(xué)生的學(xué)習表現(xiàn)進行評估和反饋,并根據(jù)系統(tǒng)的反饋結(jié)果調(diào)整教學(xué)策略和資源,幫助學(xué)生克服學(xué)習難點。結(jié)合大數(shù)據(jù)智能的課程實時分析結(jié)果和遙感領(lǐng)域的最新進展,及時更新教學(xué)內(nèi)容,保持教學(xué)內(nèi)容的實用性,分析學(xué)生群體的學(xué)習特點和需求,為教師提供有針對性的教學(xué)建議和輔導(dǎo),提高教學(xué)效果。

2)改進遙感課程理論教學(xué):跨媒體技術(shù)是指利用多種媒體形式(如文字、圖像、音頻、視頻等)對教學(xué)內(nèi)容進行信息呈現(xiàn)和傳播的技術(shù),它強調(diào)通過不同的媒體形式將內(nèi)容進行跨越式的拓展和延伸,以豐富學(xué)生的體驗和參與度。通過跨媒體技術(shù)將遙感教學(xué)內(nèi)容進行多媒體化展示,將抽象的遙感概念和原理呈現(xiàn)出來,使學(xué)生更易于理解和掌握。跨媒體技術(shù)可以增強學(xué)生的學(xué)習興趣,提高學(xué)習的互動性和趣味性,從而增強學(xué)生的學(xué)習動力。而群體智能技術(shù)通過對群體中個體的協(xié)同和互動進行分析和優(yōu)化,從而實現(xiàn)更智能、高效的決策和問題解決的技術(shù)。群體智能技術(shù)可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習數(shù)據(jù)和行為,對學(xué)生的學(xué)習特點和需求進行分析和挖掘?；趯W(xué)習數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,可以為教師提供個性化的教學(xué)建議和輔導(dǎo)并針對學(xué)生的學(xué)習差異制定不同的教學(xué)策略。利用平臺推送符合學(xué)生興趣和學(xué)習進度的內(nèi)容,可以幫助學(xué)生更有針對性地學(xué)習遙感知識。這兩大技術(shù)可在遙感教學(xué)中提供多媒體呈現(xiàn)、交互式學(xué)習、個性化學(xué)習、協(xié)同學(xué)習、社交學(xué)習和反饋等功能,提升遙感課程的理論教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習體驗。

如圖2所示,本文搭建師生平臺互動框架以實施具體理論教學(xué)。教師以教學(xué)平臺為媒介為學(xué)生線上授課并實時分享多媒體教學(xué)資源,幫助學(xué)生全面學(xué)習最新專業(yè)課程知識;平臺在教學(xué)開展過程中會根據(jù)每位學(xué)生的學(xué)習表現(xiàn)自動生成學(xué)生畫像,便于教師隨時了解學(xué)生情況,在平臺輔助下根據(jù)學(xué)生的實時問題反饋提供個性化學(xué)習指導(dǎo);在理論課程教學(xué)結(jié)束后,學(xué)生可在學(xué)習評價模塊根據(jù)自身的學(xué)習體驗給出評價和建議,幫助教師及時記錄整體教學(xué)環(huán)節(jié)中的優(yōu)點和不足,以便于反饋改進專業(yè)課程的整體教學(xué)計劃。通過理論課堂教學(xué)新模式,學(xué)生能更好地理解和應(yīng)用遙感理論知識,同時促進學(xué)生的主動參與和深入思考,提高教學(xué)效果和學(xué)習成果。例如在開展《遙感數(shù)字圖像處理》理論教學(xué)的過程中,教師利用前期制定的教學(xué)內(nèi)容和計劃,在課程開始前利用平臺動態(tài)構(gòu)建課程整體框架,應(yīng)用課程PPT、在線學(xué)習視頻以及相關(guān)實踐應(yīng)用案例對各章節(jié)內(nèi)容進行信息呈現(xiàn),采用線下教學(xué)與線上多媒體學(xué)習資料并行的模式進行授課,幫助學(xué)生更加深刻地理解課程最新知識。創(chuàng)建交互式在線學(xué)習社區(qū)對學(xué)生的學(xué)習問題和學(xué)習情況進行實時監(jiān)控,保存每位學(xué)生的學(xué)習記錄與問題反饋,隨時針對學(xué)生提出的圖像增強處理方式、上機實驗代碼編寫等個性化問題予以在線互動指導(dǎo)支持,并根據(jù)學(xué)生的個體學(xué)習特點構(gòu)建學(xué)生畫像,及時提供學(xué)習建議和相關(guān)學(xué)習資料個性化推送。

3)遙感課程虛擬野外實踐:隨著混合增強智能技術(shù)與自主智能系統(tǒng)的飛速發(fā)展,利用計算機平臺的三維建模技術(shù)和混合增強現(xiàn)實技術(shù)可創(chuàng)造出逼真的野外環(huán)境,采取遙感課程教學(xué)與虛擬野外實習相結(jié)合的教學(xué)模式是高校實踐教學(xué)改革的新方向。實踐課在遙感專業(yè)教學(xué)中起著舉足輕重的作用,利用混合增強三維場景平臺開展一系列的教學(xué)實習任務(wù),加強實踐互動、拓展學(xué)生視野、培養(yǎng)學(xué)生興趣,可鞏固課堂理論學(xué)習的內(nèi)容,加深學(xué)生對于專業(yè)課程的理解與思考。

與傳統(tǒng)實習相比,通過在線學(xué)習平臺進行虛擬實踐無需應(yīng)對復(fù)雜的外部環(huán)境條件,能夠在混合增強環(huán)境中進行不同實習內(nèi)容要求下的實踐應(yīng)用,減少了實地實習所需的經(jīng)濟成本。在實驗中,平臺支持不受時間限制多次重復(fù)實驗操作,為學(xué)生提供了更加友好的實習體驗,使學(xué)生能深度體會遙感實驗的技術(shù)流程。實習任務(wù)完成后,學(xué)生還可以自主利用虛擬實習平臺對采集的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量評估,分析數(shù)據(jù)的準確性和一致性,并由平臺給出相應(yīng)的評估結(jié)果和建議,幫助提高實習質(zhì)量。通過混合增強現(xiàn)實,學(xué)生可在虛擬環(huán)境中根據(jù)教學(xué)需求自定義實驗設(shè)置和場景更改,調(diào)整環(huán)境參數(shù)和條件,觀察不同影響因素下對實驗的多種結(jié)果。這種線上互動的實習模式既擺脫了傳統(tǒng)遙感實習的資源環(huán)境限制,又可幫助學(xué)生隨時與任課教師互動反饋、提高學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習興趣,從而加深學(xué)生對遙感知識的理解和掌握,達到良好的學(xué)習效果。

遙感實習改革方案具體的虛擬實驗流程如圖3所示?；旌显鰪妼嵺`平臺為各類遙感實習提供相關(guān)場景與環(huán)境支持,可根據(jù)實踐需求設(shè)置相關(guān)環(huán)境參數(shù)和虛擬場景;平臺在模擬野外實踐操作中為學(xué)生提供詳細指導(dǎo),教師實時解決學(xué)生的個性化問題,引領(lǐng)學(xué)生成果完成野外實習任務(wù);實習作業(yè)完成后,平臺對實習數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析與評價,將評估結(jié)果輸出并針對實驗流程中存在的問題給予問題解決方案,便于指導(dǎo)學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)并改正錯誤,成功完成實踐;實習結(jié)束后,平臺提供虛擬實習評價與反饋模塊,邀請師生互動雙評,將評價結(jié)果總結(jié)輸出,以期為教師設(shè)置后續(xù)實習工作提供可行性指導(dǎo)。例如在遙感測量的實習任務(wù)中,學(xué)生首先進入指定混合增強技術(shù)支持的實踐平臺即可置身于野外環(huán)境中,沉浸式體驗真實場景。根據(jù)平臺提示,學(xué)生將實習主題、地點定位、測量儀器安置等輸入映射至混合增強環(huán)境中,并依據(jù)測量范圍和精度要求切換場景區(qū)域,根據(jù)平臺提供的實習儀器選擇建議和介紹選擇測量工具,仔細閱讀對應(yīng)儀器的操作使用說明和規(guī)范。測量時在虛擬環(huán)境中操作儀器讀取測量數(shù)據(jù),由平臺實時監(jiān)控測量步驟以及儀器操作的規(guī)范性,通過顯示屏和語音播報及時對實習過程中的問題與操作建議予以反饋,幫助學(xué)生掌握完整的測量儀器操作流程。讀取儀器數(shù)據(jù)之后,學(xué)生在記錄頁面根據(jù)平臺提供的數(shù)據(jù)記錄表格實時記錄測量數(shù)據(jù),同時平臺提供數(shù)據(jù)計算、記錄的相關(guān)錯誤提示,幫助學(xué)生迅速按要求完成測量數(shù)據(jù)記錄。切換測量控制點時,平臺的智能導(dǎo)航和路徑規(guī)劃功能可幫助學(xué)生在混合增強野外環(huán)境中進行導(dǎo)航和定位,從而避免因測量路線錯誤造成的實習返工。測量結(jié)束時,學(xué)生在實驗結(jié)果精度檢驗頁面輸入測量限差計算公式對實驗數(shù)據(jù)進行檢查,看其是否滿足精度要求,隨后保存實習過程視頻和實驗結(jié)果提交于平臺用于記錄實驗成果。通過單次實驗操作,學(xué)生可能未對實驗流程和儀器操作完全記憶和掌握,平臺開放多次實驗,幫助學(xué)生加深實習印象。通過混合增強智能技術(shù)和自主智能技術(shù)支持的在線虛擬實習平臺,學(xué)生可以根據(jù)系統(tǒng)提供的實時提示和錯誤反饋進行規(guī)范化實驗,深刻領(lǐng)悟各個實驗流程,正確快速地完成課程實踐。對于學(xué)生實習中出現(xiàn)的個性化問題,平臺可不斷更新存儲問題反饋的數(shù)據(jù)庫,便于為學(xué)生提供更加智能化、個性化的解決方案。

本文所提出的遙感課程教學(xué)設(shè)計方案在不同階段借助新一代人工智能技術(shù)中的五大內(nèi)容,實現(xiàn)遙感課程教學(xué)方式的大變革,實現(xiàn)新模式下遙感課程學(xué)習的目標。通過將本設(shè)計方案融入到高校遙感專業(yè)的課程安排中,有助于提高學(xué)生對遙感系統(tǒng)和野外實驗的了解與掌握,以達到將遙感系統(tǒng)過程和野外多場景實驗融入課堂教學(xué)的目的,促進高校遙感科學(xué)與技術(shù)方向人才的科學(xué)培養(yǎng)[9]。

3 結(jié)論

本文通過應(yīng)用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)、跨媒體智能技術(shù)、群體智能技術(shù)、混合增強智能技術(shù)、自主智能系統(tǒng)等技術(shù)賦能遙感專業(yè)課程教學(xué),提出了一種全新的遙感專業(yè)課程教學(xué)改革框架,詳述了教學(xué)前期準備、開展理論教學(xué)、完成實踐教學(xué)的具體實現(xiàn)流程,實現(xiàn)了新一代人工智能技術(shù)與遙感課程教學(xué)改革的有機結(jié)合,打破了遙感課堂教學(xué)的壁壘。同時,通過教學(xué)平臺實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習情況監(jiān)督、增強師生互動、支持學(xué)習成果評價反饋,改變了傳統(tǒng)遙感授課形式單一、教學(xué)互動不足的現(xiàn)狀,實現(xiàn)了精準到各位學(xué)生的個性化學(xué)習監(jiān)督與指導(dǎo)。在未來開展具體的遙感課程教學(xué)中,還應(yīng)實時結(jié)合當下遙感領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和需求,及時修訂遙感專業(yè)課程設(shè)置和維護虛擬遙感課程學(xué)習平臺,不斷強化與人工智能技術(shù)的關(guān)聯(lián)從而豐富實踐環(huán)節(jié),使學(xué)生所學(xué)的知識與技能可以更好滿足市場需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。各地高校也應(yīng)不斷探索創(chuàng)新遙感專業(yè)課程教學(xué)的新方式,為推動人才培養(yǎng)計劃和遙感技術(shù)持續(xù)發(fā)展和壯大做出更加積極的貢獻。