新一代AI下的遙感專業課程教學方式變革探索★

張廣運，張榮庭

(南京工業大學測繪科學與技術學院,江蘇 南京 211816)

0 引言

遙感科學與技術作為現代地理學發展的重要組成部分,其專業具有很強的實踐性和操作性。遙感技術目前已被廣泛應用于農業、測繪、地學研究等各大領域,具有極高的實用價值。培養具有遙感專業知識、實踐能力和團隊合作意識的人才已成為遙感專業教育的重要目標之一。然而,由于硬件設備與實踐成本的限制,當前遙感專業的教學方式主要以理論教學為主,遙感專業知識與遙感技術應用在專業培養中未形成良好體系,理論知識的學習與實踐生產應用結合不夠緊密,學生在實踐中應用遙感技術解決問題的能力有待進一步提高。新一代人工智能技術的不斷發展和跨領域應用推動了傳統工業、農業生產方式的大變革,全人類的生活和發展需要與時俱進,適應未來人工智能和智慧地球的新環境。2022年國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》明確指出,要利用智能技術加快人才培養模式、教學方案改革,標志著我國將利用人工智能技術培養各界優秀人才上升為國家戰略。遙感科學與技術是一門研究遙感技術、電子技術、計算機科學與技術等方面的綜合信息類學科,以廣大學生為中心,利用新一代人工智能技術思考改進遙感課程的教學方式、豐富學生對專業知識的學習內容并培養創新能力是當代教學改革的重要研究方向。因此,利用新一代人工智能技術賦能傳統遙感課程教學的課前準備、課程教學和課程實習的各個環節,可以改變目前傳統教學的教學內容單一、師生互動不足、實習條件受限的現狀,使學生能夠利用多媒體平臺實現高效學習,以具備準確高效利用遙感技術解決傳統遙感科學研究應用中的各類難題的能力,培養滿足遙感專業人才培養計劃的、具有尖端實踐技能和創新性思維的高素質人才。

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

為此,本文利用新一代人工智能技術賦能傳統遙感專業課程教學,提出了全新的遙感教學改革方式與實踐框架。應用大數據智能技術完成課前教學準備工作,充實遙感課程教學內容;通過跨媒體智能技術和群體智能技術進行理論教學工作,實現多媒體式教學,使學生在交互式學習的過程中深刻理解理論知識;使用混合增強智能技術和自主智能系統新技術實現虛擬場景下的遙感實習,擺脫傳統實習課程中人員、設備、環境等的諸多限制。通過五大技術將遙感系統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課堂教學中,可極大地擴展學生的思路和對遙感學科的認識,提高學生對遙感知識的深刻理解,有效地實現良好的課堂教學成效。

1 人工智能技術賦能遙感專業教學過程的國內外研究現狀

遙感科學與技術作為現代3S技術的重要分支,是在多學科基礎上發展起來的新學科、新技術。作為引領新一輪科技革命和產業革命的重要推動力,人工智能技術為遙感課程教學教育的現代化提供了更多可能性[1]。隨著國家新一代人工智能規劃的發布,各行業都在開展新一代人工智能技術與行業的融合規劃,教育行業也不例外。早在1970年,Carbonell就已提出智能型計算機輔助教學(ICAI)的構想,以期通過人工智能科學、認知科學和思維科學為理論基礎,構建計算機輔助教學的應用模式。從歷史發展變化進程來看,人工智能與教育在50年間相互促進、相互融合,呈現螺旋式上升發展態勢[2]。

2017年,教育部發布了新一代人工智能在教育系統中應用的專項規劃與智能教育戰略研究。國家新一代人工智能規劃中提出的主要技術方向包括大數據智能技術、跨媒體智能技術、群體智能技術、混合增強智能技術和自主智能系統五個方面。該規劃的目標是:以推動人工智能技術持續創新和與經濟社會深度融合為主線,按照并跑、領跑兩步走戰略,圍繞五大方向持續攻關。從基礎理論、支撐體系、關鍵技術、創新應用四個層面構筑知識群、技術群和產品群的生態環境,搶占人工智能技術制高點,妥善應對可能帶來的新問題和新挑戰,促進大眾創業萬眾創新,使人工智能成為智能經濟社會發展的強大引擎。如何應用這五個方面的技術來改進目前高等教育的遙感專業教學效果,目前基本尚處于探索的階段。

具體到遙感專業課程教學改革方面,目前高校的教學模式基本沿用遙感專業教科書講授加課程校內實習的傳統模式[3],學生們只能了解到遙感平臺(衛星、飛機等)、傳感器和遙感地面數據接收系統等環節的文字描述信息與遙感數據處理的教學視頻,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據采集過程。因此,迫切需要開展如何應用新一代的五大智能技術和先進的教學平臺互動系統來改造和擴展目前遙感專業課程教學流程,使得學生能夠在專業學習的廣度和深度上取得質的提升[4]。

2022年12月,由中華人民共和國教育部、中國聯合國教科文組織全國委員會與聯合國教科文組織共同主辦了以“引導人工智能賦能教師,引領教學智能升級”為主題的國際人工智能與教育會議,指出要加強數字教育資源的建設分享,推進數字教育實踐的交流借鑒,更好地適應數字時代教育發展新需求。為改變傳統遙感教學中出現的應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輔助傳統教學方式[5];李映紅等結合大數據智能技術設計生物信息學的課程教學內容,以便學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中,理論課主要講解遙感原理、遙感數據處理、遙感應用等基礎知識,強調概念的理解和認知,實驗課則通過操作基礎遙感軟件,處理不同類型的遙感數據,完成實際應用小型案例等方式,讓學生深入了解遙感技術的核心應用。但當前遙感專業的教學課程教材陳舊,無法囊括日新月異的遙感新知識新技術;受限于教師有限的精力和傳統授課方式的局限性,學生難以在個人學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,使得遙感實習教學實施困難重重。因此,應用五大智能技術賦能遙感教學的全過程,改變遙感教學存在的種種問題現狀是新時代遙感教學改革的重要方向。

高校是科技第一生產力、人才第一資源、創新第一動力的結合點,利用五大人工智能技術協同各專業領域的教學改革和創新發展,培養大批專業型人才是高校教學改革的重要方向[7]。現今,新一代人工智能在全球蓬勃發展,利用五大智能技術打造高質量、個性化的互動性教育教學模式,使得學生不僅可以通過線下課堂教學獲取知識,還可以通過學習平臺在線上隨時針對性學習,在與師生互動、人機互動中實現對專業知識與實踐的全方位、系統化理解。人工智能技術賦能于遙感,不僅推動了遙感數據解譯、處理、分析等遙感專業技術領域的大變革,還推動了教學方式的豐富與大改革,為我國高校培養一批優秀的遙感專業人才提供了強大支撐。遙感課程改革應緊緊抓住新一代人工智能發展的機遇,積極發掘五大智能技術的教學應用點并將其應用于遙感教學的全過程中,把握科學研究前沿方向的高質量遙感專業培養方式,在人工智能技術的支撐下提升教學效果和教學質量。

2 遙感專業課程教學方式變革探討

應用新一代人工智能技術改進高等教育中的各個環節是目前我國主推的方向。由于遙感專業培養方案注重學生理解和掌握多個學科的相關知識并具備工程實踐能力,利用大數據智能技術、跨媒體智能技術、混合增強智能技術、自主智能系統新技術等在虛擬環境中復制和再現遙感系統,擺脫傳統教學中存在的人員、經費等限制,拓展學生的知識廣度和深度,輔助學生真正掌握從遙感平臺、硬件、數據系統到應用的各個環節。在新一代人工智能技術的支撐下,本文提出了如圖1所示的遙感專業課程教學過程改革框架。

為實現利用新一代人工智能技術改革高校遙感課程教學的目標,構建遙感專業培養的理論教學與實踐教學的完整體系,本文將按照充實遙感課程教學內容、改進遙感課程理論教學、設計遙感課程虛擬野外實踐三大模塊,對遙感課程教學系統化。

1)充實遙感課程教學內容:遙感科學與技術融合了地球科學、物理學、光學、電子工程、計算機科學、地理信息系統等多個學科的理論和方法研究與應用遙感技術獲取地球表面信息,是一門綜合性很強的交叉學科。利用大數據智能技術改進教學內容、提升教學質量、制定教學計劃,以期培養學生具備遙感科學與技術的理論知識和實踐技能,是本教學改革框架的首要環節。

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

在教學內容方面,應根據遙感專業培養方案收集各類教學資源,實現個性化、智能化和數據驅動的教學,提高學生學習的效率和滿意度,同時幫助教師優化教學內容和教學方法,實現教學的不斷優化和創新。應用大數據智能技術制定教學計劃實現學習效果精準評估,從而提高課程教學效果和學生學習體驗。首先采集學生學習數據,應用大數據分析技術對學生的學習情況和課程教學內容分析從而制定個性化教學計劃,同時通過智能評估系統和在線學習平臺為學生提供學習支持與評估反饋,支持個性化的學習記錄、問題反饋和解決方案。在整個教學過程中,教師充當指導者和引導者的角色,引導學生理解遙感科學與技術的概念、原理和應用,并鼓勵學生在掌握課程知識的基礎上進行實踐和創新。此外,根據規劃好的教學方式和實習方案實施遙感課程教學,并在課程結束時及時收集專家評估和學生反饋,以便于充分了解改革后教學體系的教學效果以及學生對于專業課程的學習效果,以便進一步優化教學內容和方法。下面以《遙感數字圖像處理》課程為例介紹大數據智能技術賦能教學準備的過程[8]。

《遙感數字圖像處理》是遙感科學與技術專業的核心課程之一,主要涉及遙感圖像獲取、處理和分析的基本理論與方法。作為遙感專業最為重要的專業課程之一,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,課程學習難度偏大,學習要求較高。在制定該課程教學計劃時,教師可預先收集往年學生在課程學習中的學習數據和反饋信息,包括學習行為、學習進度、作業成績、在線測驗結果等,以便教師根據章節內容重難點調整整體教學課時安排,了解學生學習薄弱點,如在學習數字圖像增強、濾波和分類等處理技術時,學生往往難以深刻理解抽象的概念與相關實驗操作原理,在教學中應予以側重。通過大數據智能技術對已有的數字圖像處理課程學習數據挖掘分析,根據該課程的學習特點和學生的學習興趣、學習風格和知識掌握情況逐步完成教學計劃。針對課程中龐大繁雜的知識內容,教師要發現學生的學習差異并提供不同的教學資源和學習路徑,包括課程線上學習視頻、在線問答社區等幫助學生更高效地學習遙感知識,為學生提供個性化指導。通過基于大數據智能的在線學習平臺,為學生提供全天候的學習支持和資源,不僅可以提供學習材料和視頻課程,還可以通過數據分析為學生推送相關遙感圖像處理技術和方法,從而增強學生的學習興趣和參與度。通過數據驅動的學習推薦系統,推送符合學生興趣和學習進度的內容,增強學習動力。最后,教師可利用大數據分析結果智能評估系統,對學生的學習表現進行評估和反饋,并根據系統的反饋結果調整教學策略和資源,幫助學生克服學習難點。結合大數據智能的課程實時分析結果和遙感領域的最新進展,及時更新教學內容,保持教學內容的實用性,分析學生群體的學習特點和需求,為教師提供有針對性的教學建議和輔導,提高教學效果。

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

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。教師以教學平臺為媒介為學生線上授課并實時分享多媒體教學資源,幫助學生全面學習最新專業課程知識;平臺在教學開展過程中會根據每位學生的學習表現自動生成學生畫像,便于教師隨時了解學生情況,在平臺輔助下根據學生的實時問題反饋提供個性化學習指導;在理論課程教學結束后,學生可在學習評價模塊根據自身的學習體驗給出評價和建議,幫助教師及時記錄整體教學環節中的優點和不足,以便于反饋改進專業課程的整體教學計劃。通過理論課堂教學新模式,學生能更好地理解和應用遙感理論知識,同時促進學生的主動參與和深入思考,提高教學效果和學習成果。例如在開展《遙感數字圖像處理》理論教學的過程中,教師利用前期制定的教學內容和計劃,在課程開始前利用平臺動態構建課程整體框架,應用課程PPT、在線學習視頻以及相關實踐應用案例對各章節內容進行信息呈現,采用線下教學與線上多媒體學習資料并行的模式進行授課,幫助學生更加深刻地理解課程最新知識。創建交互式在線學習社區對學生的學習問題和學習情況進行實時監控,保存每位學生的學習記錄與問題反饋,隨時針對學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支持,并根據學生的個體學習特點構建學生畫像,及時提供學習建議和相關學習資料個性化推送。

3)遙感課程虛擬野外實踐:隨著混合增強智能技術與自主智能系統的飛速發展,利用計算機平臺的三維建模技術和混合增強現實技術可創造出逼真的野外環境,采取遙感課程教學與虛擬野外實習相結合的教學模式是高校實踐教學改革的新方向。實踐課在遙感專業教學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實習任務,加強實踐互動、拓展學生視野、培養學生興趣,可鞏固課堂理論學習的內容,加深學生對于專業課程的理解與思考。

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

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

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

3 結論

本文通過應用大數據智能技術、跨媒體智能技術、群體智能技術、混合增強智能技術、自主智能系統等技術賦能遙感專業課程教學,提出了一種全新的遙感專業課程教學改革框架,詳述了教學前期準備、開展理論教學、完成實踐教學的具體實現流程,實現了新一代人工智能技術與遙感課程教學改革的有機結合,打破了遙感課堂教學的壁壘。同時,通過教學平臺實現學生學習情況監督、增強師生互動、支持學習成果評價反饋,改變了傳統遙感授課形式單一、教學互動不足的現狀,實現了精準到各位學生的個性化學習監督與指導。在未來開展具體的遙感課程教學中,還應實時結合當下遙感領域的發展趨勢和需求,及時修訂遙感專業課程設置和維護虛擬遙感課程學習平臺,不斷強化與人工智能技術的關聯從而豐富實踐環節,使學生所學的知識與技能可以更好滿足市場需求和產業發展。各地高校也應不斷探索創新遙感專業課程教學的新方式,為推動人才培養計劃和遙感技術持續發展和壯大做出更加積極的貢獻。