“云+AI+5G”时代遥感实验案例式教学探索＊

贺智

（中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 510275；南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东 珠海 519082）

人类正处于科技和产业蓬勃发展、日新月异的时代[1]，云计算、人工智能（Artificial Intelligence，AI）和5G 技术对全球各国社会、经济和政治带来了巨大冲击和深刻影响[2-4]。云计算通过分布式计算和虚拟化等核心技术对软、硬件和平台资源实行按需灵活配置，极大地减低了成本、提高了资源利用率。AI 是引领新一轮科技和产业发展的战略性技术，在云计算、大数据和5G 等新理论新技术的驱动下，呈现出深度学习、人机协同和自动操控等特征，是中国赢得全球科技竞争主动权的关键。5G 作为第五代移动互联网通信技术，以其网络实时传播和超低延迟等优势实现了信息极速传达、万物泛在互联和人机深度交互。

“云+AI+5G”时代的到来激发了遥感技术的快速发展与创新，人类对地观测进入了黄金时期。在云计算、AI 和5G 技术的帮助下，遥感数据获取、传输、处理和应用等呈现出更精确、快速和广泛等特点[5-8]。传统的遥感实验教学难以满足“云+AI+5G”背景下高校本科教育的需求，将新技术渗透到高校教育是提高教学质量的必然趋势，如何抓住“云+AI+5G”发展机遇促进高校遥感实验教学的改革与创新，是高校教师应当深入研究的问题。笔者根据多年在遥感领域从事科研和教学的经验，分析遥感实验教学现状，探索“云+AI+5G”与遥感实验教学相结合的教学改革策略[9-12]，对培养适应新时代发展的遥感人才具有重要现实意义。

1 新时代背景下遥感实验教学现状

遥感始于20 世纪60年代初期，是基于电磁波信号进行远距离、非接触的探测技术。在“云+AI+5G”新时代背景下，中国高度重视遥感技术的发展，启动实施了高分辨率对地观测系统重大专项（以下简称“高分专项”），截至2020年，已成功发射了高分一号到十二号卫星，形成了全天候、全天时、全球覆盖的对地观测能力，在国土调查、矿产开发、交通规划和城乡监测等领域得到了广泛应用[13-15]。同时，中国的载人航天和探月工程也取得了重大进展，从对地观测延伸到对月球和火星等星体的深空探测，遥感技术的发展使社会对遥感人才的需求增加，多个高校开设了遥感相关本科专业，如北京大学、北京师范大学、武汉大学、华东师范大学等，中山大学地理科学与规划学院地理信息科学专业也设置了遥感图像处理等专业核心课程，虽然这些课程重视理论知识和实验动手能力的培养，但在新时代背景下，遥感实验教学过程中仍然凸显出一些问题。

1.1 实验教学内容滞后于时代发展

传统遥感实验教学安排与理论内容同步，主要用于巩固和复习理论课所涉及的知识点。以笔者教授的“遥感图像处理”课程为例，理论知识涵盖遥感基本原理、遥感图像增强、形态学图像处理、遥感图像分割和遥感图像分类等内容，实验教学的传统做法是通过实验软件（如ENVI、MATLAB、Python 等）对课后习题进行简单的编程实现。该做法的优点是实验教学与理论知识紧密结合，便于学生加深对知识的理解，且课后小作业方便初学者入门；但不足之处在于各专题的习题较为分散、不同实验之间缺乏联系，不利于学生形成遥感图像处理的整体认识。更重要的是，传统遥感实验教学更新速度慢，较少涉及“云+AI+5G”新时代背景下的新技术，且与企业实际需求联系不够紧密，容易滞后于时代的发展。

1.2 实验教学方法单调

目前常用的实验教学方法是针对特定的专题（如遥感图像增强），教师用Landsat 遥感图像以及ENVI、MATLAB 或Python 软件给学生演示如何实现基于灰度变换和基于直方图均衡的遥感图像增强，然后给学生布置类似的课后习题，学生统一利用教师给定的Landsat 或MODIS 遥感数据，通过软件对特定遥感图像进行增强，并以实验报告的形式上交。如此一来，学生仅用教师给定的小幅遥感图像，完成一个个联系松散的习题，缺乏对发现问题能力的锻炼、无需主动获取大量遥感数据、整个实验过程难以调动主观能动性，容易导致对算法的理解不够深刻、实验创新性较弱。因而，亟需教师精心设计实验教学环节，充分调动学生学习的自主性并培养学生的创新能力。

1.3 实验教学质量评价体系有待完善

实验教学质量的评价体系包括对实验教学目标、内容、方法、过程和效果等方面的评价。教学质量是高校教育的生命线和高校自身发展的必然要求。虽然目前采取了各种制度来构建教学质量评价体系，如随堂评教、期末网上评教、教学督导机制和成绩评定等，但遥感实验教学质量评价体系仍然有待完善。主要表现在以下几个方面：①实验教学依然存在重理论轻实验的思想，对培养实验动手能力的重视程度需要加强；②实验教学考核形式单一，仅对实验结果进行评价，而对实验过程中解决问题的能力和团队协作能力的评价比例不足；③实验成绩评定主要以学生提交的实验报告为依据，容易开展“唯报告论”的片面评价。

2 遥感实验案例式教学改革探索

针对“云+AI+5G”新时代背景下遥感实验教学存在的不足，提出案例式教学改革方案，从课程体系、教学模式和评估制度等方面对现有遥感实验教学进行改进。

2.1 构建紧扣新时代发展的遥感实验课程体系

为了保持遥感实验教学紧扣时代发展，综合国内外最新研究现状定期更新实验课程体系，内容设计源于理论教学但高于理论知识。遥感实验数据不仅局限于Landsat、MODIS 等，还可以鼓励学生采用Sentinel-2、高分系列数据（如高分一号、高分二号等）、珠海一号、吉林一号等较新的高分辨率遥感数据及温度、降水量、人口、日照时数、温室气体排放量和国内生产总值（Gross Domestic Product，GDP）等非遥感数据，如图1所示。遥感实验平台不仅局限于ENVI、MATLAB 或Python，为了解决遥感数据量大、不同源数据格式不统一和数据使用成本高等问题，在课堂向学生介绍并使用谷歌地球引擎平台（Google Earth Engine，GEE）获取和处理数据。此外，通过天河二号超级计算机或云计算（如AWS、阿里云、Azure、Google Cloud、华为云、腾讯云等）进一步提高对遥感数据的存储和计算能力，如图2所示。

图1 遥感实验教学数据

图2 遥感实验教学平台

2.2 设计以案例教学为主的多模态实验教学模式

遥感实验是启发学生了解课程用途的有效途径，教师需要传授给学生发现问题、分析问题和解决问题的方法。为了提升学习兴趣和改善教学效果，本文提出以案例教学为主的多模态实验教学模式。案例式教学以实际问题为驱动，将问题进行合理分解，得到若干模块，每个模块将涵盖理论教学的各章节内容，最终将多个模块串成一个完整案例。实际问题的发现与选取不仅停留在课后习题上，而是要求学生充分调研走访企业、社会和政府的实际需求，如国土资源调查中违章建筑自动标注（如图3所示）、城中村房屋识别、海上油轮监测和台风灾害损失评估等。多模态的教学模式是指除了案例式教学，还借助多种资源和工具（如网络资源、音视频、电子课件、思维导图和微信/QQ等）将课前、课堂和课后联动，引导学生提出和解决问题。此外，鼓励学生形成3～4 人的研究团队，通过团队协作完成实验案例。

图3 案例式实验教学设计（以违章建筑监测为例）

2.3 健全实验教学效果评估制度

为了更全面、更客观地评价遥感实验教学效果，采用层次化评估制度从多个角度评价学生的学习效果。遥感实验总成绩由平时成绩（20%）、实验报告成绩（30%）和实验案例展示成绩（50%）这3 部分组成，如图4所示。其中，平时成绩重点考察学生课前预习、回答课堂提问和课堂考勤等方面，体现了学生在日常学习中是否活跃、是否善于思考问题；实验报告重点考察学生是否能正确、规范地书写实验代码，是否能清晰地展示实验过程和实验结果，体现了学生的写作能力和分析问题的能力；实验案例展示重点考察学生在实际案例中的要解决的问题是否有实际意义、分工是否明确、团队合作是否流畅以及演讲过程是否清晰等。总之，通过构建更健全的实验教学评估制度有助于激发学生的积极性和创新性，发现并解决实际问题，将课堂所学理论知识应用于实际。

图4 遥感实验教学效果评估方式

3 教学改革效果

遥感实验教学改革效果主要从学生对课程的整体评价、学生对知识的掌握程度、学生科研水平提升效果和深造率等方面进行分析。

首先，通过教学改革，学生对该课程的整体评价从原来的91.125 分上升到94.729 分。学生对课程的评价包括教师态度（如备课是否充分、能否耐心解答学生疑问等）、教学内容（如讲课深度、是否注重最新动态等）和教学方法（如是否联系实际、教学是否有启发性等）等方面，学生对课程评价的提升反映了学生对改革后的遥感实验教学更满意。

其次，通过结合实际的案例式教学，学生对知识的掌握程度也有所提高，知识面更广，动手能力、创新能力和表达能力等也有改善，最终成绩从平均83.94分提高到平均88.38 分。

再次，学生的科研水平也得到了锻炼，在各项学科竞赛中表现突出，从2015年至今，笔者所在院校代表队在中国高校地理科学展示大赛均取得了全国二等奖以上的成绩，大学生创新创业训练项目立项数保持在30 项以上，在全国GIS 技能应用大赛和“欧比特杯”高光谱遥感影像智能处理行业应用大赛等比赛中也有不错的表现，这些与科研水平的提高有密切关系。

最后，笔者所在学院的本科深造率（包括读研和出国等）也有较大提升，从2015年的49.20%增长到了2020年的72.00%，说明国内外同行充分肯定学生的综合实力。教学改革效果如表1所示。

表1 教学改革效果

4 结语

“云+AI+5G”时代的到来给遥感行业带来了新的机遇与挑战，也给遥感实验教学改革带来了新的契机。本文在“云+AI+5G”新时代背景下探索遥感实验教学改革方法，针对现有课程存在的问题，提出案例式实验教学改革方法，探讨了如何使遥感实验课程紧扣时代发展、如何设计以案例教学为主的多模态教学模式和如何健全教学效果评估制度。从实际教学效果来看，本文提出的教学改革方法能使课堂教学与时代发展结合更紧密，通过实验操作能加深对国内外前沿的理解，以实际调研为前提选定的遥感实验案例更贴合实际需求，更能激发学生学习的主观能动性。然而，科技和产业仍处在快速发展中，后续需要不断优化和更新教学内容，培养出适应时代发展的新型遥感人才。