無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用

呂文清

（寧夏師范學(xué)院，寧夏固原 756000）

0 引言

黨的二十大報(bào)告明確提出“以中國(guó)式現(xiàn)代化全面推進(jìn)中華民族偉大復(fù)興”的使命任務(wù)，同時(shí)也明確指出加快建設(shè)高質(zhì)量教育體系，著力培養(yǎng)創(chuàng)新人才[1,2]。而全面深入推進(jìn)基礎(chǔ)教育現(xiàn)代化，培養(yǎng)創(chuàng)新拔尖人才是深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的重要途徑。地理學(xué)是一門(mén)研究地球表層自然要素與人文要素相互關(guān)系與作用的科學(xué)，是融自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)于一體的綜合性科學(xué)[3]，在人類(lèi)的全面發(fā)展、服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求等方面都有著重要的作用。強(qiáng)化地理學(xué)科的育人能力，提高學(xué)生的地理科學(xué)素養(yǎng)既是基礎(chǔ)地理教育的學(xué)科責(zé)任，也是服務(wù)國(guó)家重大發(fā)展戰(zhàn)略的要求。關(guān)注學(xué)科發(fā)展前沿，應(yīng)用新技術(shù)手段豐富地理教學(xué)，對(duì)提升地理實(shí)踐教學(xué)水平、培養(yǎng)創(chuàng)新人才具有重要意義。無(wú)人機(jī)是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的空中移動(dòng)智能體，而無(wú)人機(jī)遙感則是無(wú)人機(jī)應(yīng)用最重要的引領(lǐng)性產(chǎn)業(yè)[4]。近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展和遙感技術(shù)應(yīng)用研究的不斷深入，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行深入應(yīng)用，并取得了顯著的成果。在地理教學(xué)中地理課程枯燥難度大、缺乏與其他學(xué)科的交叉并且教學(xué)目標(biāo)較為單一，為了解決這一系列問(wèn)題我們將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)融入日常教學(xué)中，讓學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手去掌握和理解一些知識(shí)的內(nèi)在邏輯。因此，在地理教學(xué)中應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的地理實(shí)踐能力和創(chuàng)新素養(yǎng)具有重要作用，這既是推進(jìn)信息化教學(xué)向深拓展的重要舉措，也是革新教學(xué)手段、豐富地理課堂、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率的必要行動(dòng)。同時(shí)將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)運(yùn)用到教中還可以加強(qiáng)學(xué)生們的地理實(shí)踐力，培養(yǎng)綜合化的學(xué)生。本文擬對(duì)教育信息化建設(shè)背景下，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)+地理教學(xué)中的深度融合應(yīng)用進(jìn)行分析研究，以期提高地理學(xué)科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 地理教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 創(chuàng)新能力不足，教學(xué)目標(biāo)單一

目前，地理課程教學(xué)創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足，教學(xué)目標(biāo)層次較為單一，這與新時(shí)代對(duì)學(xué)生的要求不匹配。從日常地理教學(xué)過(guò)程來(lái)看，受課時(shí)制約教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新性、生活性、深度和廣度都在一定程度上難以有效深化，較少關(guān)注學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。教學(xué)方法仍然沿用傳統(tǒng)教學(xué)模式，雖有引入信息化教學(xué)設(shè)備，但技術(shù)和內(nèi)容仍然是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的二次加工，只是改變了知識(shí)的展現(xiàn)形式，從書(shū)本、課件轉(zhuǎn)變?yōu)閂R、AR支持下的可視化形式。

教學(xué)內(nèi)容組織更多側(cè)重于考試，對(duì)學(xué)生的個(gè)性化需求和新技術(shù)、新方法的應(yīng)用相對(duì)較少，對(duì)于新的技術(shù)如GIS、RS、GPS 技術(shù)及其相關(guān)應(yīng)用雖有涉及，但僅僅停留在圖片、視頻等形式的展示上，沒(méi)有引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手完成相關(guān)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有讓學(xué)生從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。面對(duì)無(wú)人技術(shù)和遙感技術(shù)深度融合的應(yīng)用背景和學(xué)科發(fā)展，教學(xué)中很難創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的教學(xué)情景，幫助學(xué)生了解新技術(shù)，形成科學(xué)認(rèn)知，即使有引入無(wú)人機(jī)到教學(xué)中，也大多停留在無(wú)人機(jī)航拍視頻等娛樂(lè)應(yīng)用，且學(xué)生操作相對(duì)較少。這不利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，也無(wú)法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)無(wú)法觸及，不能有效發(fā)揮地理課程的育人價(jià)值。

1.2 課程枯燥，學(xué)習(xí)難度大

從地理課程內(nèi)容來(lái)看，地理知識(shí)涉及自然、人文等多個(gè)領(lǐng)域，理論性、實(shí)踐性較強(qiáng)，相對(duì)復(fù)雜枯燥，不易理解。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、熱情相對(duì)較低，課堂參與度、學(xué)習(xí)效果較差，在地理學(xué)科方向的興趣受到了打擊，甚至出現(xiàn)厭學(xué)情緒。面對(duì)理論性、實(shí)踐性較強(qiáng)的內(nèi)容傳統(tǒng)教學(xué)改革中雖有觸及，但學(xué)生缺乏真實(shí)場(chǎng)景的接觸，很難理解理論背景。因此，在長(zhǎng)期雙重因素的共同作用下，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效果受到影響，而在二者結(jié)果的進(jìn)一步反噬下，地理教學(xué)逐漸從理解知識(shí)的維度向識(shí)記知識(shí)的低端維度遷移。而信息化教學(xué)的功能就是革新教學(xué)內(nèi)容承載方式，變被動(dòng)接受為主動(dòng)探索，深度應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行地理教學(xué)，將為這一問(wèn)題有效解決提供支持。

1.3 交叉視野不足，培養(yǎng)過(guò)程割裂

從學(xué)科交叉的角度來(lái)看，地理教學(xué)大多立足于本課程、本領(lǐng)域的知識(shí)，對(duì)其他課程的融合和應(yīng)用較少，沒(méi)有發(fā)揮出多學(xué)科交叉的課程優(yōu)勢(shì)。從地理科學(xué)在人類(lèi)的全面發(fā)展中的作用來(lái)看，當(dāng)前的地理教學(xué)目標(biāo)層次較低，較少?gòu)膶W(xué)生全面發(fā)展的角度設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐活動(dòng)，對(duì)學(xué)生感興趣、前沿科學(xué)話題關(guān)注度較低，不利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。人才培養(yǎng)過(guò)程中對(duì)多學(xué)科、多領(lǐng)域的知識(shí)割裂來(lái)看，對(duì)學(xué)科交叉認(rèn)識(shí)不足，而這正是地理學(xué)本身所表現(xiàn)出的一大特性。地理學(xué)因其研究領(lǐng)域廣泛涉及自然、人文、地理信息等多個(gè)領(lǐng)域，表現(xiàn)出強(qiáng)大的學(xué)科交叉特性，這一特性使得地理學(xué)者也同樣具備這一素養(yǎng)。因此，引入新技術(shù)熱點(diǎn)，重視學(xué)科交叉特性，對(duì)于培養(yǎng)具備這一特性的創(chuàng)新人才具有重要意義。

從創(chuàng)新人才培養(yǎng)的角度來(lái)看，以往的創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)大多面向少數(shù)的學(xué)習(xí)成績(jī)好的“高智商”學(xué)生，將學(xué)習(xí)成績(jī)高低與創(chuàng)新素養(yǎng)畫(huà)等號(hào)，造成了在其他方面有天賦的學(xué)生無(wú)法通過(guò)成績(jī)?nèi)雵＿@種以成績(jī)劃分的方法，人為地將創(chuàng)新人才培養(yǎng)的對(duì)象進(jìn)行了劃分，使創(chuàng)新人才培養(yǎng)中另一部分成績(jī)較低者無(wú)法被培養(yǎng)和挖掘，這難以適應(yīng)當(dāng)前時(shí)代發(fā)展的需要。在創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程中，也存在拔苗助長(zhǎng)的一些現(xiàn)象。在這一過(guò)程中，對(duì)選拔的學(xué)生提前灌輸相關(guān)的學(xué)科知識(shí)，忽略學(xué)生的年齡特征、心理特點(diǎn)、學(xué)習(xí)特點(diǎn)和主觀能動(dòng)性。且創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程多依靠課外活動(dòng)、社團(tuán)活動(dòng)、拓展訓(xùn)練課程等模塊進(jìn)行，而這割裂了學(xué)科課程與創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)之間的連接，進(jìn)一步弱化了地理課程在創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)方面的價(jià)值。

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的教學(xué)價(jià)值

隨著天基導(dǎo)航通信系統(tǒng)等高新技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)已成為一種新興的遙感平臺(tái)，被廣泛地應(yīng)用于國(guó)土航測(cè)、農(nóng)林植保、大氣探測(cè)、災(zāi)害救援、國(guó)防安全等領(lǐng)域，輕小型無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在數(shù)量和應(yīng)用領(lǐng)域都占絕對(duì)主導(dǎo)地位[5,6]。無(wú)人機(jī)遙感主要應(yīng)用于低空基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取和處理，是區(qū)域快速測(cè)繪、傾斜三維模型構(gòu)建、自然資源調(diào)查的重要工具，因機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活安全、空間分辨率高、圖像采集周期短、操作簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，成為衛(wèi)星光學(xué)遙感的重要補(bǔ)充。作為遙感技術(shù)的重要組成部分，在地理教學(xué)中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

首先，在地理教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，可以讓學(xué)生對(duì)地理學(xué)的前沿技術(shù)領(lǐng)域有所了解，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注學(xué)科前沿技術(shù)發(fā)展，了解前沿地理信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用熱點(diǎn)，為學(xué)生的人生規(guī)劃提供一定的參考。因?yàn)閷W(xué)生大都認(rèn)為地理是文科，對(duì)其自然科學(xué)屬性認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致學(xué)生在人生規(guī)劃中首先排除了從事地理科學(xué)研究這一選項(xiàng)。其次，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)與地理實(shí)踐力培養(yǎng)能夠有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生親自操作無(wú)人機(jī)獲取地理信息數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析與成果制圖，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力、數(shù)據(jù)處理與分析能力、解決問(wèn)題能力具有一定的價(jià)值，也能激發(fā)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)。其次，無(wú)人機(jī)遙感貼近學(xué)生生活，可以為學(xué)生提供上帝視角觀測(cè)所處的地理環(huán)境，使學(xué)生從自己熟悉的區(qū)域出發(fā)逐漸將視角推移至全國(guó)、全球，深入理解人類(lèi)生存環(huán)境的變化，思考人類(lèi)活動(dòng)與地理環(huán)境的相互關(guān)系[7]，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊的地理，學(xué)習(xí)貫徹對(duì)生活有用的地理這一理念。最后，無(wú)人機(jī)應(yīng)用的大眾參與度高，創(chuàng)新活躍度也很高，發(fā)展迅猛，融入地理教學(xué)中能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的獲得感和滿足感，提升課程的教學(xué)質(zhì)量。

3 無(wú)人機(jī)技術(shù)教學(xué)場(chǎng)景重構(gòu)

無(wú)人機(jī)攝影與傳統(tǒng)地理學(xué)景觀觀察法結(jié)合可吸引學(xué)生主動(dòng)思考和探究，是中學(xué)地理教師培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的地理知識(shí)和培養(yǎng)學(xué)生地理志趣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8]。在地理教學(xué)中應(yīng)用無(wú)人機(jī)獲取所在區(qū)域典型地理自然景觀、人文景觀的影像數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生建構(gòu)對(duì)所在區(qū)域地理景觀的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)所學(xué)地理課程內(nèi)容的理解。如獲取所在區(qū)域河流的正射影像，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)的河流地貌知識(shí)，辨識(shí)該河流所處的位置是上游、中游還是下游，地貌特點(diǎn)如何等。通過(guò)無(wú)人機(jī)影像讓學(xué)生結(jié)合區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)章節(jié)知識(shí)評(píng)價(jià)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，樹(shù)立自覺(jué)保護(hù)生態(tài)環(huán)境的責(zé)任感和使命感。結(jié)合對(duì)所在城市的正射影像，讓學(xué)生結(jié)合城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的知識(shí)辨識(shí)該城市的功能分區(qū)及其形態(tài)、特點(diǎn)和城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)模式，分析城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)模式形成的原因。還可以同時(shí)獲取鄉(xiāng)村的正射影像，讓學(xué)生通過(guò)城市與鄉(xiāng)村的影像數(shù)據(jù)特點(diǎn)總結(jié)城市與鄉(xiāng)村聚落的區(qū)別與聯(lián)系，分析城市與鄉(xiāng)村土地利用和功能分區(qū)的合理性，引導(dǎo)學(xué)生思考當(dāng)前城鎮(zhèn)化過(guò)程中的出現(xiàn)問(wèn)題，深刻理解城鎮(zhèn)化過(guò)程中需堅(jiān)持以人為本、優(yōu)化布局、生態(tài)文明和傳承文化的基本原則，深化發(fā)展有歷史記憶、地域特色、民族特點(diǎn)的美麗城鎮(zhèn)，不搞千城一面、萬(wàn)樓一貌的認(rèn)識(shí)[9]。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠快速獲取某一區(qū)域的三維地形，快速構(gòu)建某一區(qū)域的三維模型，這在地理教學(xué)的多個(gè)方面具有應(yīng)用價(jià)值，能夠更加直觀地表現(xiàn)地理知識(shí)，幫助學(xué)生理解相關(guān)的地理知識(shí)。如通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取學(xué)校周邊的山體傾斜數(shù)據(jù)，利用軟件快速構(gòu)建地形三維模型，結(jié)合獲取的數(shù)字高程模型，并以此生成該山體的等高線數(shù)據(jù)，直觀表達(dá)等高線與真實(shí)地形之間的關(guān)系，更好地幫助學(xué)生理解這部分內(nèi)容。還可以利用無(wú)人機(jī)獲取野外某一典型區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)三維數(shù)據(jù)，使學(xué)生無(wú)需到現(xiàn)場(chǎng)就能直觀感受到地質(zhì)構(gòu)造的特點(diǎn)、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的狀況，理解無(wú)人機(jī)在野外數(shù)據(jù)采集、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用[10]。此外，無(wú)人機(jī)在古建筑保護(hù)領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用。在課程教學(xué)中，可利用無(wú)人機(jī)獲取不同地域的古建筑三維模型，使學(xué)生直觀感受建筑風(fēng)格的地域特點(diǎn)及其與地理環(huán)境之間的關(guān)系，感受古建筑魅力和古人智慧，在內(nèi)心深處形成高度的文化自信，樹(shù)立自覺(jué)保護(hù)古建筑的意識(shí)。

隨著生態(tài)文明戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)成為學(xué)界研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，多光譜無(wú)人機(jī)技術(shù)、高光譜無(wú)人機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，為快速獲取區(qū)域光譜指數(shù)評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量提供了一種靈活、高效的技術(shù)手段。利用多光譜無(wú)人機(jī)獲取區(qū)域多光譜數(shù)據(jù)，并利用遙感數(shù)字圖像處理軟件生成如NDVI 數(shù)據(jù)等光譜指數(shù)，在ArcGIS 軟件中對(duì)NDVI 進(jìn)行分級(jí)和統(tǒng)計(jì)以評(píng)價(jià)該區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量。能夠讓學(xué)生從數(shù)據(jù)獲取、處理到制圖與分析整個(gè)過(guò)程中感受到科學(xué)研究的魅力，培養(yǎng)學(xué)生的地理實(shí)踐力和創(chuàng)新精神；引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注區(qū)域生態(tài)質(zhì)量，自覺(jué)踐行生態(tài)文明戰(zhàn)略。還可以結(jié)合葉綠素儀對(duì)學(xué)校周邊農(nóng)田的作物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，反演作物的生物量、估測(cè)產(chǎn)量等，使學(xué)生不僅能深入科學(xué)研究過(guò)程中，還可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注農(nóng)業(yè)，深刻理解農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化在全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略中的重要意義。

4 無(wú)人機(jī)遙感地學(xué)創(chuàng)新培養(yǎng)模式

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)地理教學(xué)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)與地理教學(xué)相結(jié)合成為地學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新方案，本文結(jié)合無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用場(chǎng)景和地理人才培養(yǎng)中面臨的問(wèn)題，提出了一種無(wú)人機(jī)遙感支持下的地學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)遙感地學(xué)創(chuàng)新培養(yǎng)模式

無(wú)人機(jī)操作技能訓(xùn)練模塊主要包括無(wú)人機(jī)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)、無(wú)人機(jī)飛行模擬、無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃、無(wú)人機(jī)測(cè)圖。在該模塊中主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)遙感影像獲取的能力，讓學(xué)生理解遙感數(shù)據(jù)獲取的方式和原理。無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用能力訓(xùn)練模塊主要包括地理景觀識(shí)別，二、三維數(shù)據(jù)制圖，多光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用、遙感地學(xué)應(yīng)用。在該模塊學(xué)生系統(tǒng)地進(jìn)行了無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)應(yīng)用專(zhuān)題化訓(xùn)練，使學(xué)生初步掌握開(kāi)展地學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用的技能和創(chuàng)新思維。在地理創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)模塊中，通過(guò)課程實(shí)踐教學(xué)、綜合素質(zhì)拓展、無(wú)人機(jī)創(chuàng)新空間、地學(xué)學(xué)科競(jìng)賽等方式，多樣化、多渠道、全過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)，使學(xué)生在這一模式下形成地學(xué)創(chuàng)新的意識(shí)和能力。

5 結(jié)論

隨著無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，在地理教學(xué)中融入無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)于提高課程教學(xué)質(zhì)量、提升課程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的能力具有重要意義。本文結(jié)合創(chuàng)新人才培養(yǎng)的時(shí)代背景，從當(dāng)前地理教學(xué)中存在的問(wèn)題出發(fā)，對(duì)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行多角度分析，并結(jié)合地理課程教學(xué)內(nèi)容對(duì)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，最后提出了一種新的無(wú)人機(jī)地學(xué)遙感創(chuàng)新培養(yǎng)模式。地理學(xué)的課程枯燥難懂，并且學(xué)習(xí)難度大，學(xué)生總是難以理解和掌握。今后可以讓學(xué)生通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)一些數(shù)據(jù)和模塊自主學(xué)習(xí)，這樣可以讓學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)有著更深的理解，能更好地掌握所學(xué)知識(shí)。通過(guò)該研究以期為基礎(chǔ)地理教育課程改革、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式改革提供一定的借鑒。