地球大數(shù)據(jù)背景下“遙感地學(xué)分析”教學(xué)改革與實(shí)踐

李海星

南京工業(yè)大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇南京 211816

1 概述

近20年來(lái),伴隨著傳感器技術(shù)與移動(dòng)定位技術(shù)的飛速發(fā)展,人類對(duì)地表系統(tǒng)的刻畫(huà)能力空前提升,地理學(xué)研究已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代[1]。“遙感地學(xué)分析”課程是遙感科學(xué)與技術(shù)、地理信息科學(xué)專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課之一,是一門(mén)涵蓋地理科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)的交叉學(xué)科課程。目前,天、機(jī)地載移動(dòng)等源、多角度、多分辨率的傳感器構(gòu)成了空天地一體化的對(duì)地觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),時(shí)刻獲取對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù),生成了海量地球科學(xué)數(shù)據(jù)集,極大地拓展了遙感地學(xué)分析與應(yīng)用的數(shù)據(jù)源[2]。因此,基于傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)的“遙感地學(xué)分析”課程勢(shì)必面臨向基于地理大數(shù)據(jù)挖掘的改革與拓展[3]。

作為一門(mén)研究地球的學(xué)科,“遙感地學(xué)分析”課程涉及的范圍很廣,涵蓋地質(zhì)、海洋、氣象、天文等諸多領(lǐng)域。在地球氣候環(huán)境巨變的當(dāng)下,地學(xué)問(wèn)題愈加突出,如氣候變化、自然災(zāi)害、資源短缺、生態(tài)退化等既是時(shí)下影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大問(wèn)題,也是地球科學(xué)領(lǐng)域的熱門(mén)話題[3]?！斑b感地學(xué)分析”有理論性和應(yīng)用性并重的特點(diǎn),教學(xué)目標(biāo)不僅是讓學(xué)生掌握遙感基本原理、圖像分析技術(shù),并運(yùn)用相應(yīng)理論和技術(shù),更需要面向并解決當(dāng)下的熱點(diǎn)地學(xué)問(wèn)題,培養(yǎng)學(xué)生的全面專業(yè)素質(zhì),提高就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和引導(dǎo)繼續(xù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)狀分析

完備的課程體系需要有系統(tǒng)、完整的教學(xué)內(nèi)容,從不同角度組織教學(xué)內(nèi)容,讓學(xué)生容易理解、熟悉及掌握原理、方法和數(shù)據(jù),從而顯著提升教學(xué)效果?，F(xiàn)有遙感地學(xué)分析課程存在的主要問(wèn)題如下:

2.1 教學(xué)內(nèi)容陳舊,教學(xué)模式單一化

目前多數(shù)高校本課程的課時(shí)設(shè)置為16～48學(xué)時(shí),教學(xué)模式以授課型為主,教學(xué)內(nèi)容涵蓋了遙感信息分析的基本方法與在常規(guī)地學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用?；纠碚撆c方法仍停留在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用,和前期課程存在一定的重復(fù),與當(dāng)下應(yīng)用的前沿理論和技術(shù)脫節(jié),基于大數(shù)據(jù)的遙感分析與挖掘的算法及應(yīng)用的介紹較少或缺失,對(duì)學(xué)生選課和聽(tīng)課的吸引能力也不足[4-5]。

2.2 學(xué)生前期基礎(chǔ)課程掌握不牢固,知識(shí)的拓展與推廣應(yīng)用困難

本課程前期課程多為“遙感原理與方法”“數(shù)字遙感圖像處理”,學(xué)生對(duì)前期課程的綜合理解和聯(lián)合運(yùn)動(dòng)能力尚缺乏,理解地學(xué)問(wèn)題并實(shí)際應(yīng)用的能力普遍不足,課程依舊沿襲理論考試或?qū)嵺`報(bào)告等考核評(píng)價(jià)方式[6-7]。學(xué)生在課程中的自主參與性和主導(dǎo)性偏弱,知識(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)化率較低。

3 課程改革設(shè)計(jì)方案

“遙感地學(xué)分析”涉及的概念和應(yīng)用領(lǐng)域眾多,地學(xué)分析對(duì)象的多樣性及環(huán)境背景的復(fù)雜性,采用的方法不盡相同。結(jié)合上述課程特點(diǎn)以及目前廣泛存在的問(wèn)題,可以發(fā)現(xiàn)自下而上“先理論后應(yīng)用”的傳統(tǒng)教學(xué)模式對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的介紹占用了大量理論課時(shí),難以保證對(duì)前沿技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行充分介紹。這部分內(nèi)容通常留給學(xué)生課后自習(xí),但實(shí)際學(xué)習(xí)效果堪憂。同時(shí),學(xué)生在課程中自主參與性較弱,習(xí)慣于被授課,資源搜索和團(tuán)隊(duì)合作能力有很大的提高空間。因此本文提出一種以前沿地球科學(xué)問(wèn)題為導(dǎo)向自上而下授課的“遙感地學(xué)分析”教學(xué)改革與方法[4-5]。課程將從內(nèi)容組織、教學(xué)方法設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行教學(xué)改革與實(shí)踐,主體設(shè)計(jì)思想如下:(1)內(nèi)容組織:課程以熱點(diǎn)科研課題入手,結(jié)合大數(shù)據(jù)處理等多學(xué)科理論知識(shí),先進(jìn)行應(yīng)用案例的前沿技術(shù)理論介紹,由前沿技術(shù)輻射至經(jīng)典的基礎(chǔ)理論知識(shí),而后從宏觀和微觀尺度分別選取實(shí)踐應(yīng)用案例實(shí)練。(2)教學(xué)方法設(shè)計(jì):自上而下的教學(xué)方法需要學(xué)生有必要的學(xué)習(xí)基礎(chǔ),本課程充分融合“遙感原理與應(yīng)用”“遙感數(shù)字圖像處理”等課程基礎(chǔ),以思維導(dǎo)圖的形式建立多領(lǐng)域前沿技術(shù)與已有理論知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)模型,便于學(xué)生理解與課后梳理。學(xué)生以分層階梯式進(jìn)行組隊(duì),進(jìn)行資料收集、自主選題、方案探討、課題實(shí)施與答辯。其中教師學(xué)生聯(lián)合授課答辯共計(jì)32學(xué)時(shí),學(xué)生自主實(shí)踐12學(xué)時(shí)。(3)評(píng)價(jià)體系:采取開(kāi)放式教學(xué)評(píng)價(jià)體系,減少背誦式考核,以課堂多組匯報(bào)和答辯為形式進(jìn)行,并且以各組互評(píng)的模式增進(jìn)學(xué)生在多領(lǐng)域知識(shí)的參與度。本課程的體系建設(shè)示意圖如下圖所示。

遙感地學(xué)分析課程體系建設(shè)圖

4 基于地球大數(shù)據(jù)的科研混合型教學(xué)模式的實(shí)施

4.1 前期準(zhǔn)備

由于教學(xué)內(nèi)容涉及面寬廣,學(xué)生們專業(yè)背景和學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的差異較大,因此課前學(xué)習(xí)內(nèi)容的安排是保障教學(xué)效果的前提。具體而言,教師提前1～2周線上發(fā)布熱點(diǎn)地學(xué)問(wèn)題及對(duì)應(yīng)的綜合應(yīng)用案例,標(biāo)注教學(xué)目標(biāo)、授課重點(diǎn)與難點(diǎn)。要求學(xué)生準(zhǔn)備閱后問(wèn)題,留課前提問(wèn)。

在理論授課部分,以學(xué)生的提問(wèn)為切入點(diǎn),由點(diǎn)及面拓展前沿知識(shí)點(diǎn)的介紹。例如,在講授時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘時(shí),可以選擇土地利用分類、全球氣候變化監(jiān)控(碳中和、碳達(dá)峰話題所涉及的碳循環(huán)問(wèn)題;厄爾尼諾現(xiàn)象等熱點(diǎn))。此部分內(nèi)容需要大量數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概論、機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)教程,以及深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)挖掘等內(nèi)容。因此,考慮到前期課程的不足,本課程需要適度引入云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)的介紹,這也是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和興趣的激發(fā)。

4.2 以大數(shù)據(jù)為導(dǎo)向的科研實(shí)例導(dǎo)讀

以最新的研究實(shí)例為切入點(diǎn),融入遙感前沿技術(shù)。如遙感處理及計(jì)算方法要涉及深度學(xué)習(xí)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容,利于引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)闊視野,激發(fā)科學(xué)興趣,也有助于為深造搭建良好的科研平臺(tái)。在選擇最新科研動(dòng)態(tài)資料的時(shí)候,以各領(lǐng)域?qū)W術(shù)領(lǐng)軍人物的綜述性文章為佳。課題選題方向建議區(qū)分專題,如在全球氣候變化監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)專題方面,選擇Remotesensingoftheterrestrialcarboncycle:Areviewofadvancesover50years,此論文總結(jié)了近50年來(lái)利用遙感技術(shù)獲取陸地碳源碳匯的歷史和進(jìn)展,歸納了多遙感平臺(tái)、傳感器、大數(shù)據(jù)處理、結(jié)論以及挑戰(zhàn);針對(duì)基于衛(wèi)星植被指數(shù)的碳匯估計(jì)算法,利用陸面生態(tài)模型定量估計(jì)碳匯模型等,可以與統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別等內(nèi)容結(jié)合。又如在時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘方面選擇了預(yù)測(cè)時(shí)空模型、大數(shù)據(jù)融合的論文案例,對(duì)于知識(shí)規(guī)則、空間分析、大數(shù)據(jù)挖掘等內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展性介紹。

4.3 問(wèn)題啟發(fā)式的自主選題與匯報(bào)

基于理論知識(shí)的線上下學(xué)習(xí)與教師引導(dǎo)的科研實(shí)例講解,學(xué)生可以自主開(kāi)展研究實(shí)例的運(yùn)用。由于學(xué)生對(duì)遙感地學(xué)分析的基本原理已有一定的理解基礎(chǔ),但對(duì)前沿知識(shí)仍停留在概況了解,此階段推薦學(xué)生開(kāi)展問(wèn)題啟發(fā)式自主學(xué)習(xí)的同時(shí),教師依舊需要從原理、數(shù)據(jù)、處理過(guò)程、結(jié)果討論思路出發(fā)制定框架。學(xué)生在此范疇內(nèi),可自主選擇熱點(diǎn)問(wèn)題,選取國(guó)內(nèi)外研究實(shí)例閱讀與剖析,并進(jìn)行PPT匯報(bào)。匯報(bào)結(jié)束后要求開(kāi)展點(diǎn)評(píng)與互評(píng)。在該環(huán)節(jié)中要求學(xué)生以小組為單位合理分工,將一個(gè)完整的項(xiàng)目知識(shí)點(diǎn)拆分,做到在課堂匯報(bào)的時(shí)候可以舉一反三,觸類旁通。同時(shí),組外成員也可以借此機(jī)會(huì),快速掌握多專題的背景知識(shí)和內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)頭腦風(fēng)暴。

4.4 多層次階梯組隊(duì)的實(shí)踐學(xué)習(xí)

遙感課程的實(shí)踐性特征非常強(qiáng),在課程的第四階段設(shè)置專題研究。該階段的目標(biāo)是使學(xué)生初步了解科研過(guò)程,培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)踐能力。通過(guò)對(duì)實(shí)踐教學(xué)方式的意愿統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)45%的學(xué)生希望老師邊講邊演示,形成教師講解和參考實(shí)習(xí)指導(dǎo)書(shū)并行的互助學(xué)習(xí)方式(師生互助型);30%的學(xué)生愿意老師先講授,學(xué)生根據(jù)講解參考指導(dǎo)書(shū)再獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)(自主實(shí)踐型);25%的學(xué)生仍習(xí)慣于“老師邊講邊演示,自己跟著逐步操作”(跟隨學(xué)習(xí)型)。學(xué)生雖然有一定的自主學(xué)習(xí)性,但大多存在實(shí)踐惰性。實(shí)習(xí)方式上高達(dá)80%的學(xué)生愿意分組實(shí)習(xí),同學(xué)間合作完成實(shí)習(xí)內(nèi)容,這代表學(xué)生具有較強(qiáng)的合作意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作意向,但也說(shuō)明了部分學(xué)生的依賴性較強(qiáng),希望借助團(tuán)隊(duì)力量為自己減負(fù)。

因此本課程建立了一套多層次階梯式的實(shí)踐教學(xué)模式,所謂“多層次”是指面向不同實(shí)踐學(xué)習(xí)方式訴求的學(xué)生,分別從師生互助型、自主實(shí)習(xí)型和跟隨操作型的學(xué)生中,重組選擇成員完成課程的實(shí)踐教學(xué)。所謂階梯式,是指每個(gè)小組的組長(zhǎng)實(shí)行輪流制,一方面可以實(shí)現(xiàn)多層次同學(xué)的互幫互帶,也積極鍛煉了部分依賴性較強(qiáng)的學(xué)生。

實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容上主要開(kāi)展例如植被、土壤、水體、海岸等資源環(huán)境的衛(wèi)星遙感影像分析、解譯、分類、判讀等數(shù)據(jù)處理,使學(xué)生具備利用主流遙感軟件及編程語(yǔ)言開(kāi)展防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域?qū)嶋H項(xiàng)目相關(guān)的分析能力。課程增加了我國(guó)高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及合成孔徑雷達(dá)的應(yīng)用實(shí)踐,高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)工程啟動(dòng)以來(lái),已具備了厘米級(jí)地面空間分辨率、納米級(jí)光譜分辨率,正由試驗(yàn)應(yīng)用型向?qū)I(yè)服務(wù)型發(fā)生轉(zhuǎn)變。SAR遙感技術(shù)具有全天時(shí)、全天候以及對(duì)某些地物的穿透能力,上述遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用在全球變化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源勘查等領(lǐng)域,這部分內(nèi)容的融入也有利于增強(qiáng)課程思政教育。

4.5 延續(xù)性的課后總結(jié)與互動(dòng)

學(xué)生自主選題的內(nèi)容并不因?yàn)檎n程的終止而結(jié)束,課程針對(duì)科研專題給學(xué)生延續(xù)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。如課程中介紹了高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的技術(shù)方法,學(xué)生自主選題時(shí)選擇了城市地表溫度反演專題進(jìn)行介紹。此后以國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)入手,選擇了精細(xì)化城市地表溫度進(jìn)行特征挖掘的畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容。學(xué)生順利架構(gòu)了論文的研究思路和技術(shù)路線,并融入了城市微環(huán)境的科研熱點(diǎn),不僅順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì),獲得校和省級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)論文,也將此方向延續(xù)至研究生階段的科研工作,繼續(xù)進(jìn)行城市遙感方向的探索。

5 考核方式與學(xué)生反饋

成績(jī)的最終評(píng)定除了期末筆試之外,加入了課堂互動(dòng)、實(shí)例展示和研究報(bào)告:(1)課堂互動(dòng)考查學(xué)生在課堂互動(dòng)討論中的參與度和對(duì)問(wèn)題的思考能力,根據(jù)講課內(nèi)容設(shè)置一定的問(wèn)題在課堂上進(jìn)行討論,鼓勵(lì)學(xué)生提問(wèn)辯論;(2)實(shí)例展示考查學(xué)生對(duì)研究實(shí)例的理解、相關(guān)內(nèi)容的查閱和剖析、展示效果和回應(yīng)問(wèn)題的能力;(3)研究報(bào)告要求學(xué)生按照科研論文的范式完成一份特定主題的研究報(bào)告,從研究目標(biāo)的解析、方案設(shè)定,到遙感數(shù)據(jù)的處理及結(jié)果討論,均由學(xué)生獨(dú)立完成。

課程充分考慮到了理論知識(shí)和綜合實(shí)踐能力評(píng)估的平衡性,將考核形式分為了理論內(nèi)容考核和綜合實(shí)踐能力考核。其中,理論知識(shí)重點(diǎn)考核學(xué)生對(duì)遙感地學(xué)分析中涉及的地學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)、常用的分析方法、不同分辨率數(shù)據(jù)圖像處理技術(shù),以及不同應(yīng)用場(chǎng)景的典型算法的原理性掌握。實(shí)踐能力綜合考核中,一部分是實(shí)踐操作能力的考核,以學(xué)生上機(jī)實(shí)踐結(jié)果為考核對(duì)象;另一部分是學(xué)生的小組匯報(bào)內(nèi)容,由教師和學(xué)生互評(píng)共同打分。理論筆試成績(jī)只占30%,其他環(huán)節(jié)共占70%,成績(jī)的評(píng)定貫穿整個(gè)課程的始終,不會(huì)出現(xiàn)“平時(shí)松,期末緊”的情況。

綜合學(xué)生的反饋可知,通過(guò)在前期教學(xué)中引入前沿和熱點(diǎn),并且將理論基礎(chǔ)內(nèi)容整理給學(xué)生,對(duì)于增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)探索,搜索中英文文獻(xiàn),掌握研讀方法,提高歸納和解決問(wèn)題的能力起到了很好的效果。雖然閱讀整理專題相關(guān)的文獻(xiàn)的時(shí)候占用了不少的時(shí)間,但是這種方式為學(xué)生后期的大作業(yè)和畢業(yè)設(shè)計(jì)拓展了深度,大多數(shù)學(xué)生表示歡迎。實(shí)踐課程中通過(guò)層次梯隊(duì)組隊(duì),帶動(dòng)了不同學(xué)習(xí)背景的學(xué)生,并調(diào)動(dòng)大家融入實(shí)踐課題的積極性,普遍反映這樣的實(shí)踐方式參與度較好,學(xué)習(xí)回報(bào)性較高,自我參與的體驗(yàn)度明顯提升。這也充分驗(yàn)證了學(xué)生往往是學(xué)習(xí)的道路上遇到一些障礙,需要教師和團(tuán)隊(duì)幫助解決,并不是學(xué)生自我的惰性而引發(fā)的。本課程的改革方法促進(jìn)了學(xué)生獲得更深度的實(shí)踐體驗(yàn)度和專題參與度,對(duì)于教育質(zhì)量提升,學(xué)生后續(xù)發(fā)展均有顯著的增強(qiáng)作用。

結(jié)語(yǔ)

“遙感地學(xué)分析”課程對(duì)于培養(yǎng)遙感、GIS專業(yè)學(xué)生的全面技能,激發(fā)自主學(xué)習(xí)、技術(shù)創(chuàng)新、科研思維,提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義?？v觀當(dāng)下地球科學(xué)問(wèn)題日益嚴(yán)重、地球科學(xué)數(shù)據(jù)大爆炸的現(xiàn)狀,更有必要著眼于科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)瓶頸,進(jìn)行課程的教學(xué)改革。本文通過(guò)總結(jié)遙感地學(xué)資源類相近課程,引入科學(xué)觀視野和前沿科學(xué)技術(shù),建立了一套以地球科學(xué)大數(shù)據(jù)為背景的,融合數(shù)據(jù)挖掘等前沿技術(shù)的遙感地學(xué)分析課程的改革方案,取得了較為顯著的教學(xué)改革效果,值得進(jìn)行進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。