賀智

（中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東 珠海 519082）

人類正處于科技和產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展、日新月異的時(shí)代[1]，云計(jì)算、人工智能（Artificial Intelligence，AI）和5G 技術(shù)對(duì)全球各國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治帶來了巨大沖擊和深刻影響[2-4]。云計(jì)算通過分布式計(jì)算和虛擬化等核心技術(shù)對(duì)軟、硬件和平臺(tái)資源實(shí)行按需靈活配置，極大地減低了成本、提高了資源利用率。AI 是引領(lǐng)新一輪科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性技術(shù)，在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和5G 等新理論新技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，呈現(xiàn)出深度學(xué)習(xí)、人機(jī)協(xié)同和自動(dòng)操控等特征，是中國(guó)贏得全球科技競(jìng)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)的關(guān)鍵。5G 作為第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，以其網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳播和超低延遲等優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了信息極速傳達(dá)、萬物泛在互聯(lián)和人機(jī)深度交互。

“云+AI+5G”時(shí)代的到來激發(fā)了遙感技術(shù)的快速發(fā)展與創(chuàng)新，人類對(duì)地觀測(cè)進(jìn)入了黃金時(shí)期。在云計(jì)算、AI 和5G 技術(shù)的幫助下，遙感數(shù)據(jù)獲取、傳輸、處理和應(yīng)用等呈現(xiàn)出更精確、快速和廣泛等特點(diǎn)[5-8]。傳統(tǒng)的遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以滿足“云+AI+5G”背景下高校本科教育的需求，將新技術(shù)滲透到高校教育是提高教學(xué)質(zhì)量的必然趨勢(shì)，如何抓住“云+AI+5G”發(fā)展機(jī)遇促進(jìn)高校遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新，是高校教師應(yīng)當(dāng)深入研究的問題。筆者根據(jù)多年在遙感領(lǐng)域從事科研和教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，分析遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，探索“云+AI+5G”與遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)改革策略[9-12]，對(duì)培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的遙感人才具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 新時(shí)代背景下遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

遙感始于20 世紀(jì)60年代初期，是基于電磁波信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、非接觸的探測(cè)技術(shù)。在“云+AI+5G”新時(shí)代背景下，中國(guó)高度重視遙感技術(shù)的發(fā)展，啟動(dòng)實(shí)施了高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)（以下簡(jiǎn)稱“高分專項(xiàng)”），截至2020年，已成功發(fā)射了高分一號(hào)到十二號(hào)衛(wèi)星，形成了全天候、全天時(shí)、全球覆蓋的對(duì)地觀測(cè)能力，在國(guó)土調(diào)查、礦產(chǎn)開發(fā)、交通規(guī)劃和城鄉(xiāng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[13-15]。同時(shí)，中國(guó)的載人航天和探月工程也取得了重大進(jìn)展，從對(duì)地觀測(cè)延伸到對(duì)月球和火星等星體的深空探測(cè)，遙感技術(shù)的發(fā)展使社會(huì)對(duì)遙感人才的需求增加，多個(gè)高校開設(shè)了遙感相關(guān)本科專業(yè)，如北京大學(xué)、北京師范大學(xué)、武漢大學(xué)、華東師范大學(xué)等，中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院地理信息科學(xué)專業(yè)也設(shè)置了遙感圖像處理等專業(yè)核心課程，雖然這些課程重視理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的培養(yǎng)，但在新時(shí)代背景下，遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中仍然凸顯出一些問題。

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容滯后于時(shí)代發(fā)展

傳統(tǒng)遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排與理論內(nèi)容同步，主要用于鞏固和復(fù)習(xí)理論課所涉及的知識(shí)點(diǎn)。以筆者教授的“遙感圖像處理”課程為例，理論知識(shí)涵蓋遙感基本原理、遙感圖像增強(qiáng)、形態(tài)學(xué)圖像處理、遙感圖像分割和遙感圖像分類等內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的傳統(tǒng)做法是通過實(shí)驗(yàn)軟件（如ENVI、MATLAB、Python 等）對(duì)課后習(xí)題進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)。該做法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論知識(shí)緊密結(jié)合，便于學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解，且課后小作業(yè)方便初學(xué)者入門；但不足之處在于各專題的習(xí)題較為分散、不同實(shí)驗(yàn)之間缺乏聯(lián)系，不利于學(xué)生形成遙感圖像處理的整體認(rèn)識(shí)。更重要的是，傳統(tǒng)遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)更新速度慢，較少涉及“云+AI+5G”新時(shí)代背景下的新技術(shù)，且與企業(yè)實(shí)際需求聯(lián)系不夠緊密，容易滯后于時(shí)代的發(fā)展。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法單調(diào)

目前常用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是針對(duì)特定的專題（如遙感圖像增強(qiáng)），教師用Landsat 遙感圖像以及ENVI、MATLAB 或Python 軟件給學(xué)生演示如何實(shí)現(xiàn)基于灰度變換和基于直方圖均衡的遙感圖像增強(qiáng)，然后給學(xué)生布置類似的課后習(xí)題，學(xué)生統(tǒng)一利用教師給定的Landsat 或MODIS 遙感數(shù)據(jù)，通過軟件對(duì)特定遙感圖像進(jìn)行增強(qiáng)，并以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式上交。如此一來，學(xué)生僅用教師給定的小幅遙感圖像，完成一個(gè)個(gè)聯(lián)系松散的習(xí)題，缺乏對(duì)發(fā)現(xiàn)問題能力的鍛煉、無需主動(dòng)獲取大量遙感數(shù)據(jù)、整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程難以調(diào)動(dòng)主觀能動(dòng)性，容易導(dǎo)致對(duì)算法的理解不夠深刻、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性較弱。因而，亟需教師精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系有待完善

實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)體系包括對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、方法、過程和效果等方面的評(píng)價(jià)。教學(xué)質(zhì)量是高校教育的生命線和高校自身發(fā)展的必然要求。雖然目前采取了各種制度來構(gòu)建教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，如隨堂評(píng)教、期末網(wǎng)上評(píng)教、教學(xué)督導(dǎo)機(jī)制和成績(jī)?cè)u(píng)定等，但遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系仍然有待完善。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①實(shí)驗(yàn)教學(xué)依然存在重理論輕實(shí)驗(yàn)的思想，對(duì)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的重視程度需要加強(qiáng)；②實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核形式單一，僅對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，而對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中解決問題的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的評(píng)價(jià)比例不足；③實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定主要以學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告為依據(jù)，容易開展“唯報(bào)告論”的片面評(píng)價(jià)。

2 遙感實(shí)驗(yàn)案例式教學(xué)改革探索

針對(duì)“云+AI+5G”新時(shí)代背景下遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，提出案例式教學(xué)改革方案，從課程體系、教學(xué)模式和評(píng)估制度等方面對(duì)現(xiàn)有遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 構(gòu)建緊扣新時(shí)代發(fā)展的遙感實(shí)驗(yàn)課程體系

為了保持遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊扣時(shí)代發(fā)展，綜合國(guó)內(nèi)外最新研究現(xiàn)狀定期更新實(shí)驗(yàn)課程體系，內(nèi)容設(shè)計(jì)源于理論教學(xué)但高于理論知識(shí)。遙感實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅局限于Landsat、MODIS 等，還可以鼓勵(lì)學(xué)生采用Sentinel-2、高分系列數(shù)據(jù)（如高分一號(hào)、高分二號(hào)等）、珠海一號(hào)、吉林一號(hào)等較新的高分辨率遙感數(shù)據(jù)及溫度、降水量、人口、日照時(shí)數(shù)、溫室氣體排放量和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（Gross Domestic Product，GDP）等非遙感數(shù)據(jù)，如圖1所示。遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅局限于ENVI、MATLAB 或Python，為了解決遙感數(shù)據(jù)量大、不同源數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一和數(shù)據(jù)使用成本高等問題，在課堂向?qū)W生介紹并使用谷歌地球引擎平臺(tái)（Google Earth Engine，GEE）獲取和處理數(shù)據(jù)。此外，通過天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)或云計(jì)算（如AWS、阿里云、Azure、Google Cloud、華為云、騰訊云等）進(jìn)一步提高對(duì)遙感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算能力，如圖2所示。

圖1 遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)

圖2 遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

2.2 設(shè)計(jì)以案例教學(xué)為主的多模態(tài)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

遙感實(shí)驗(yàn)是啟發(fā)學(xué)生了解課程用途的有效途徑，教師需要傳授給學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的方法。為了提升學(xué)習(xí)興趣和改善教學(xué)效果，本文提出以案例教學(xué)為主的多模態(tài)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。案例式教學(xué)以實(shí)際問題為驅(qū)動(dòng)，將問題進(jìn)行合理分解，得到若干模塊，每個(gè)模塊將涵蓋理論教學(xué)的各章節(jié)內(nèi)容，最終將多個(gè)模塊串成一個(gè)完整案例。實(shí)際問題的發(fā)現(xiàn)與選取不僅停留在課后習(xí)題上，而是要求學(xué)生充分調(diào)研走訪企業(yè)、社會(huì)和政府的實(shí)際需求，如國(guó)土資源調(diào)查中違章建筑自動(dòng)標(biāo)注（如圖3所示）、城中村房屋識(shí)別、海上油輪監(jiān)測(cè)和臺(tái)風(fēng)災(zāi)害損失評(píng)估等。多模態(tài)的教學(xué)模式是指除了案例式教學(xué)，還借助多種資源和工具（如網(wǎng)絡(luò)資源、音視頻、電子課件、思維導(dǎo)圖和微信/QQ等）將課前、課堂和課后聯(lián)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生提出和解決問題。此外，鼓勵(lì)學(xué)生形成3～4 人的研究團(tuán)隊(duì)，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)案例。

圖3 案例式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)（以違章建筑監(jiān)測(cè)為例）

2.3 健全實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)估制度

為了更全面、更客觀地評(píng)價(jià)遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，采用層次化評(píng)估制度從多個(gè)角度評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。遙感實(shí)驗(yàn)總成績(jī)由平時(shí)成績(jī)（20%）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)（30%）和實(shí)驗(yàn)案例展示成績(jī)（50%）這3 部分組成，如圖4所示。其中，平時(shí)成績(jī)重點(diǎn)考察學(xué)生課前預(yù)習(xí)、回答課堂提問和課堂考勤等方面，體現(xiàn)了學(xué)生在日常學(xué)習(xí)中是否活躍、是否善于思考問題；實(shí)驗(yàn)報(bào)告重點(diǎn)考察學(xué)生是否能正確、規(guī)范地書寫實(shí)驗(yàn)代碼，是否能清晰地展示實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，體現(xiàn)了學(xué)生的寫作能力和分析問題的能力；實(shí)驗(yàn)案例展示重點(diǎn)考察學(xué)生在實(shí)際案例中的要解決的問題是否有實(shí)際意義、分工是否明確、團(tuán)隊(duì)合作是否流暢以及演講過程是否清晰等?？傊?，通過構(gòu)建更健全的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)估制度有助于激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性，發(fā)現(xiàn)并解決實(shí)際問題，將課堂所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際。

圖4 遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)估方式

3 教學(xué)改革效果

遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革效果主要從學(xué)生對(duì)課程的整體評(píng)價(jià)、學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度、學(xué)生科研水平提升效果和深造率等方面進(jìn)行分析。

首先，通過教學(xué)改革，學(xué)生對(duì)該課程的整體評(píng)價(jià)從原來的91.125 分上升到94.729 分。學(xué)生對(duì)課程的評(píng)價(jià)包括教師態(tài)度（如備課是否充分、能否耐心解答學(xué)生疑問等）、教學(xué)內(nèi)容（如講課深度、是否注重最新動(dòng)態(tài)等）和教學(xué)方法（如是否聯(lián)系實(shí)際、教學(xué)是否有啟發(fā)性等）等方面，學(xué)生對(duì)課程評(píng)價(jià)的提升反映了學(xué)生對(duì)改革后的遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)更滿意。

其次，通過結(jié)合實(shí)際的案例式教學(xué)，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度也有所提高，知識(shí)面更廣，動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和表達(dá)能力等也有改善，最終成績(jī)從平均83.94分提高到平均88.38 分。

再次，學(xué)生的科研水平也得到了鍛煉，在各項(xiàng)學(xué)科競(jìng)賽中表現(xiàn)突出，從2015年至今，筆者所在院校代表隊(duì)在中國(guó)高校地理科學(xué)展示大賽均取得了全國(guó)二等獎(jiǎng)以上的成績(jī)，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目立項(xiàng)數(shù)保持在30 項(xiàng)以上，在全國(guó)GIS 技能應(yīng)用大賽和“歐比特杯”高光譜遙感影像智能處理行業(yè)應(yīng)用大賽等比賽中也有不錯(cuò)的表現(xiàn)，這些與科研水平的提高有密切關(guān)系。

最后，筆者所在學(xué)院的本科深造率（包括讀研和出國(guó)等）也有較大提升，從2015年的49.20%增長(zhǎng)到了2020年的72.00%，說明國(guó)內(nèi)外同行充分肯定學(xué)生的綜合實(shí)力。教學(xué)改革效果如表1所示。

表1 教學(xué)改革效果

4 結(jié)語

“云+AI+5G”時(shí)代的到來給遙感行業(yè)帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，也給遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革帶來了新的契機(jī)。本文在“云+AI+5G”新時(shí)代背景下探索遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方法，針對(duì)現(xiàn)有課程存在的問題，提出案例式實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方法，探討了如何使遙感實(shí)驗(yàn)課程緊扣時(shí)代發(fā)展、如何設(shè)計(jì)以案例教學(xué)為主的多模態(tài)教學(xué)模式和如何健全教學(xué)效果評(píng)估制度。從實(shí)際教學(xué)效果來看，本文提出的教學(xué)改革方法能使課堂教學(xué)與時(shí)代發(fā)展結(jié)合更緊密，通過實(shí)驗(yàn)操作能加深對(duì)國(guó)內(nèi)外前沿的理解，以實(shí)際調(diào)研為前提選定的遙感實(shí)驗(yàn)案例更貼合實(shí)際需求，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。然而，科技和產(chǎn)業(yè)仍處在快速發(fā)展中，后續(xù)需要不斷優(yōu)化和更新教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)出適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的新型遙感人才。