地球大數據背景下“遙感地學分析”教學改革與實踐

李海星

南京工業大學測繪科學與技術學院 江蘇南京 211816

1 概述

近20年來,伴隨著傳感器技術與移動定位技術的飛速發展,人類對地表系統的刻畫能力空前提升,地理學研究已經進入大數據時代[1]。“遙感地學分析”課程是遙感科學與技術、地理信息科學專業本科生的專業基礎課之一,是一門涵蓋地理科學、計算機技術與信息技術的交叉學科課程。目前,天、機地載移動等源、多角度、多分辨率的傳感器構成了空天地一體化的對地觀測網絡,時刻獲取對地觀測數據,生成了海量地球科學數據集,極大地拓展了遙感地學分析與應用的數據源[2]。因此,基于傳統遙感數據的“遙感地學分析”課程勢必面臨向基于地理大數據挖掘的改革與拓展[3]。

作為一門研究地球的學科,“遙感地學分析”課程涉及的范圍很廣,涵蓋地質、海洋、氣象、天文等諸多領域。在地球氣候環境巨變的當下,地學問題愈加突出,如氣候變化、自然災害、資源短缺、生態退化等既是時下影響經濟社會發展的重大問題,也是地球科學領域的熱門話題[3]?！斑b感地學分析”有理論性和應用性并重的特點,教學目標不僅是讓學生掌握遙感基本原理、圖像分析技術,并運用相應理論和技術,更需要面向并解決當下的熱點地學問題,培養學生的全面專業素質,提高就業競爭力和引導繼續學習的基礎。

2 現狀分析

完備的課程體系需要有系統、完整的教學內容,從不同角度組織教學內容,讓學生容易理解、熟悉及掌握原理、方法和數據,從而顯著提升教學效果?，F有遙感地學分析課程存在的主要問題如下:

2.1 教學內容陳舊,教學模式單一化

目前多數高校本課程的課時設置為16～48學時,教學模式以授課型為主,教學內容涵蓋了遙感信息分析的基本方法與在常規地學領域的應用。基本理論與方法仍停留在傳統的數據分析和應用,和前期課程存在一定的重復,與當下應用的前沿理論和技術脫節,基于大數據的遙感分析與挖掘的算法及應用的介紹較少或缺失,對學生選課和聽課的吸引能力也不足[4-5]。

2.2 學生前期基礎課程掌握不牢固,知識的拓展與推廣應用困難

本課程前期課程多為“遙感原理與方法”“數字遙感圖像處理”,學生對前期課程的綜合理解和聯合運動能力尚缺乏,理解地學問題并實際應用的能力普遍不足,課程依舊沿襲理論考試或實踐報告等考核評價方式[6-7]。學生在課程中的自主參與性和主導性偏弱,知識實際轉化率較低。

3 課程改革設計方案

“遙感地學分析”涉及的概念和應用領域眾多,地學分析對象的多樣性及環境背景的復雜性,采用的方法不盡相同。結合上述課程特點以及目前廣泛存在的問題,可以發現自下而上“先理論后應用”的傳統教學模式對基礎理論知識的介紹占用了大量理論課時,難以保證對前沿技術的應用進行充分介紹。這部分內容通常留給學生課后自習,但實際學習效果堪憂。同時,學生在課程中自主參與性較弱,習慣于被授課,資源搜索和團隊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問題為導向自上而下授課的“遙感地學分析”教學改革與方法[4-5]。課程將從內容組織、教學方法設計和評價體系等方面進行教學改革與實踐,主體設計思想如下:(1)內容組織:課程以熱點科研課題入手,結合大數據處理等多學科理論知識,先進行應用案例的前沿技術理論介紹,由前沿技術輻射至經典的基礎理論知識,而后從宏觀和微觀尺度分別選取實踐應用案例實練。(2)教學方法設計:自上而下的教學方法需要學生有必要的學習基礎,本課程充分融合“遙感原理與應用”“遙感數字圖像處理”等課程基礎,以思維導圖的形式建立多領域前沿技術與已有理論知識的網絡模型,便于學生理解與課后梳理。學生以分層階梯式進行組隊,進行資料收集、自主選題、方案探討、課題實施與答辯。其中教師學生聯合授課答辯共計32學時,學生自主實踐12學時。(3)評價體系:采取開放式教學評價體系,減少背誦式考核,以課堂多組匯報和答辯為形式進行,并且以各組互評的模式增進學生在多領域知識的參與度。本課程的體系建設示意圖如下圖所示。

遙感地學分析課程體系建設圖

4 基于地球大數據的科研混合型教學模式的實施

4.1 前期準備

由于教學內容涉及面寬廣,學生們專業背景和學習基礎的差異較大,因此課前學習內容的安排是保障教學效果的前提。具體而言,教師提前1～2周線上發布熱點地學問題及對應的綜合應用案例,標注教學目標、授課重點與難點。要求學生準備閱后問題,留課前提問。

在理論授課部分,以學生的提問為切入點,由點及面拓展前沿知識點的介紹。例如,在講授時空數據挖掘時,可以選擇土地利用分類、全球氣候變化監控(碳中和、碳達峰話題所涉及的碳循環問題;厄爾尼諾現象等熱點)。此部分內容需要大量數據庫系統概論、機器學習基礎教程,以及深度學習、大數據挖掘等內容。因此,考慮到前期課程的不足,本課程需要適度引入云計算、深度學習等前沿技術的介紹,這也是對學生學習熱情和興趣的激發。

4.2 以大數據為導向的科研實例導讀

以最新的研究實例為切入點,融入遙感前沿技術。如遙感處理及計算方法要涉及深度學習、卷積神經網絡等內容,利于引導學生開闊視野,激發科學興趣,也有助于為深造搭建良好的科研平臺。在選擇最新科研動態資料的時候,以各領域學術領軍人物的綜述性文章為佳。課題選題方向建議區分專題,如在全球氣候變化監測與預測專題方面,選擇Remotesensingoftheterrestrialcarboncycle:Areviewofadvancesover50years,此論文總結了近50年來利用遙感技術獲取陸地碳源碳匯的歷史和進展,歸納了多遙感平臺、傳感器、大數據處理、結論以及挑戰;針對基于衛星植被指數的碳匯估計算法,利用陸面生態模型定量估計碳匯模型等,可以與統計模式識別等內容結合。又如在時空數據挖掘方面選擇了預測時空模型、大數據融合的論文案例,對于知識規則、空間分析、大數據挖掘等內容進行擴展性介紹。

4.3 問題啟發式的自主選題與匯報

基于理論知識的線上下學習與教師引導的科研實例講解,學生可以自主開展研究實例的運用。由于學生對遙感地學分析的基本原理已有一定的理解基礎,但對前沿知識仍停留在概況了解,此階段推薦學生開展問題啟發式自主學習的同時,教師依舊需要從原理、數據、處理過程、結果討論思路出發制定框架。學生在此范疇內,可自主選擇熱點問題,選取國內外研究實例閱讀與剖析,并進行PPT匯報。匯報結束后要求開展點評與互評。在該環節中要求學生以小組為單位合理分工,將一個完整的項目知識點拆分,做到在課堂匯報的時候可以舉一反三,觸類旁通。同時,組外成員也可以借此機會,快速掌握多專題的背景知識和內容,實現頭腦風暴。

4.4 多層次階梯組隊的實踐學習

遙感課程的實踐性特征非常強,在課程的第四階段設置專題研究。該階段的目標是使學生初步了解科研過程,培養訓練學生的實踐能力。通過對實踐教學方式的意愿統計,發現45%的學生希望老師邊講邊演示,形成教師講解和參考實習指導書并行的互助學習方式(師生互助型);30%的學生愿意老師先講授,學生根據講解參考指導書再獨立完成實驗(自主實踐型);25%的學生仍習慣于“老師邊講邊演示,自己跟著逐步操作”(跟隨學習型)。學生雖然有一定的自主學習性,但大多存在實踐惰性。實習方式上高達80%的學生愿意分組實習,同學間合作完成實習內容,這代表學生具有較強的合作意識和團隊合作意向,但也說明了部分學生的依賴性較強,希望借助團隊力量為自己減負。

因此本課程建立了一套多層次階梯式的實踐教學模式,所謂“多層次”是指面向不同實踐學習方式訴求的學生,分別從師生互助型、自主實習型和跟隨操作型的學生中,重組選擇成員完成課程的實踐教學。所謂階梯式,是指每個小組的組長實行輪流制,一方面可以實現多層次同學的互幫互帶,也積極鍛煉了部分依賴性較強的學生。

實踐教學的內容上主要開展例如植被、土壤、水體、海岸等資源環境的衛星遙感影像分析、解譯、分類、判讀等數據處理,使學生具備利用主流遙感軟件及編程語言開展防災減災、環境監測、資源開發等領域實際項目相關的分析能力。課程增加了我國高分系列衛星數據以及合成孔徑雷達的應用實踐,高分辨率對地觀測系統重大專項工程啟動以來,已具備了厘米級地面空間分辨率、納米級光譜分辨率,正由試驗應用型向專業服務型發生轉變。SAR遙感技術具有全天時、全天候以及對某些地物的穿透能力,上述遙感數據產品已經廣泛應用在全球變化、環境監測、資源勘查等領域,這部分內容的融入也有利于增強課程思政教育。

4.5 延續性的課后總結與互動

學生自主選題的內容并不因為課程的終止而結束,課程針對科研專題給學生延續學習的機會。如課程中介紹了高分辨率衛星數據的技術方法,學生自主選題時選擇了城市地表溫度反演專題進行介紹。此后以國產高分辨率衛星數據入手,選擇了精細化城市地表溫度進行特征挖掘的畢業設計內容。學生順利架構了論文的研究思路和技術路線,并融入了城市微環境的科研熱點,不僅順利完成畢業設計,獲得校和省級優秀畢業論文,也將此方向延續至研究生階段的科研工作,繼續進行城市遙感方向的探索。

5 考核方式與學生反饋

成績的最終評定除了期末筆試之外,加入了課堂互動、實例展示和研究報告:(1)課堂互動考查學生在課堂互動討論中的參與度和對問題的思考能力,根據講課內容設置一定的問題在課堂上進行討論,鼓勵學生提問辯論;(2)實例展示考查學生對研究實例的理解、相關內容的查閱和剖析、展示效果和回應問題的能力;(3)研究報告要求學生按照科研論文的范式完成一份特定主題的研究報告,從研究目標的解析、方案設定,到遙感數據的處理及結果討論,均由學生獨立完成。

課程充分考慮到了理論知識和綜合實踐能力評估的平衡性,將考核形式分為了理論內容考核和綜合實踐能力考核。其中,理論知識重點考核學生對遙感地學分析中涉及的地學評價標準、技術發展脈絡、常用的分析方法、不同分辨率數據圖像處理技術,以及不同應用場景的典型算法的原理性掌握。實踐能力綜合考核中,一部分是實踐操作能力的考核,以學生上機實踐結果為考核對象;另一部分是學生的小組匯報內容,由教師和學生互評共同打分。理論筆試成績只占30%,其他環節共占70%,成績的評定貫穿整個課程的始終,不會出現“平時松,期末緊”的情況。

綜合學生的反饋可知,通過在前期教學中引入前沿和熱點,并且將理論基礎內容整理給學生,對于增強學生主動探索,搜索中英文文獻,掌握研讀方法,提高歸納和解決問題的能力起到了很好的效果。雖然閱讀整理專題相關的文獻的時候占用了不少的時間,但是這種方式為學生后期的大作業和畢業設計拓展了深度,大多數學生表示歡迎。實踐課程中通過層次梯隊組隊,帶動了不同學習背景的學生,并調動大家融入實踐課題的積極性,普遍反映這樣的實踐方式參與度較好,學習回報性較高,自我參與的體驗度明顯提升。這也充分驗證了學生往往是學習的道路上遇到一些障礙,需要教師和團隊幫助解決,并不是學生自我的惰性而引發的。本課程的改革方法促進了學生獲得更深度的實踐體驗度和專題參與度,對于教育質量提升,學生后續發展均有顯著的增強作用。

結語

“遙感地學分析”課程對于培養遙感、GIS專業學生的全面技能,激發自主學習、技術創新、科研思維,提高學生的就業競爭力具有重要意義?？v觀當下地球科學問題日益嚴重、地球科學數據大爆炸的現狀,更有必要著眼于科學問題與技術瓶頸,進行課程的教學改革。本文通過總結遙感地學資源類相近課程,引入科學觀視野和前沿科學技術,建立了一套以地球科學大數據為背景的,融合數據挖掘等前沿技術的遙感地學分析課程的改革方案,取得了較為顯著的教學改革效果,值得進行進一步推廣與應用。