地球大数据背景下“遥感地学分析”教学改革与实践

李海星

南京工业大学测绘科学与技术学院 江苏南京 211816

1 概述

近20年来,伴随着传感器技术与移动定位技术的飞速发展,人类对地表系统的刻画能力空前提升,地理学研究已经进入大数据时代[1]。“遥感地学分析”课程是遥感科学与技术、地理信息科学专业本科生的专业基础课之一,是一门涵盖地理科学、计算机技术与信息技术的交叉学科课程。目前,天、机地载移动等源、多角度、多分辨率的传感器构成了空天地一体化的对地观测网络,时刻获取对地观测数据,生成了海量地球科学数据集,极大地拓展了遥感地学分析与应用的数据源[2]。因此,基于传统遥感数据的“遥感地学分析”课程势必面临向基于地理大数据挖掘的改革与拓展[3]。

作为一门研究地球的学科,“遥感地学分析”课程涉及的范围很广,涵盖地质、海洋、气象、天文等诸多领域。在地球气候环境巨变的当下,地学问题愈加突出,如气候变化、自然灾害、资源短缺、生态退化等既是时下影响经济社会发展的重大问题,也是地球科学领域的热门话题[3]。“遥感地学分析”有理论性和应用性并重的特点,教学目标不仅是让学生掌握遥感基本原理、图像分析技术,并运用相应理论和技术,更需要面向并解决当下的热点地学问题,培养学生的全面专业素质,提高就业竞争力和引导继续学习的基础。

2 现状分析

完备的课程体系需要有系统、完整的教学内容,从不同角度组织教学内容,让学生容易理解、熟悉及掌握原理、方法和数据,从而显著提升教学效果。现有遥感地学分析课程存在的主要问题如下:

2.1 教学内容陈旧,教学模式单一化

目前多数高校本课程的课时设置为16～48学时,教学模式以授课型为主,教学内容涵盖了遥感信息分析的基本方法与在常规地学领域的应用。基本理论与方法仍停留在传统的数据分析和应用,和前期课程存在一定的重复,与当下应用的前沿理论和技术脱节,基于大数据的遥感分析与挖掘的算法及应用的介绍较少或缺失,对学生选课和听课的吸引能力也不足[4-5]。

2.2 学生前期基础课程掌握不牢固,知识的拓展与推广应用困难

本课程前期课程多为“遥感原理与方法”“数字遥感图像处理”,学生对前期课程的综合理解和联合运动能力尚缺乏,理解地学问题并实际应用的能力普遍不足,课程依旧沿袭理论考试或实践报告等考核评价方式[6-7]。学生在课程中的自主参与性和主导性偏弱,知识实际转化率较低。

3 课程改革设计方案

“遥感地学分析”涉及的概念和应用领域众多,地学分析对象的多样性及环境背景的复杂性,采用的方法不尽相同。结合上述课程特点以及目前广泛存在的问题,可以发现自下而上“先理论后应用”的传统教学模式对基础理论知识的介绍占用了大量理论课时,难以保证对前沿技术的应用进行充分介绍。这部分内容通常留给学生课后自习,但实际学习效果堪忧。同时,学生在课程中自主参与性较弱,习惯于被授课,资源搜索和团队合作能力有很大的提高空间。因此本文提出一种以前沿地球科学问题为导向自上而下授课的“遥感地学分析”教学改革与方法[4-5]。课程将从内容组织、教学方法设计和评价体系等方面进行教学改革与实践,主体设计思想如下:(1)内容组织:课程以热点科研课题入手,结合大数据处理等多学科理论知识,先进行应用案例的前沿技术理论介绍,由前沿技术辐射至经典的基础理论知识,而后从宏观和微观尺度分别选取实践应用案例实练。(2)教学方法设计:自上而下的教学方法需要学生有必要的学习基础,本课程充分融合“遥感原理与应用”“遥感数字图像处理”等课程基础,以思维导图的形式建立多领域前沿技术与已有理论知识的网络模型,便于学生理解与课后梳理。学生以分层阶梯式进行组队,进行资料收集、自主选题、方案探讨、课题实施与答辩。其中教师学生联合授课答辩共计32学时,学生自主实践12学时。(3)评价体系:采取开放式教学评价体系,减少背诵式考核,以课堂多组汇报和答辩为形式进行,并且以各组互评的模式增进学生在多领域知识的参与度。本课程的体系建设示意图如下图所示。

遥感地学分析课程体系建设图

4 基于地球大数据的科研混合型教学模式的实施

4.1 前期准备

由于教学内容涉及面宽广,学生们专业背景和学习基础的差异较大,因此课前学习内容的安排是保障教学效果的前提。具体而言,教师提前1～2周线上发布热点地学问题及对应的综合应用案例,标注教学目标、授课重点与难点。要求学生准备阅后问题,留课前提问。

在理论授课部分,以学生的提问为切入点,由点及面拓展前沿知识点的介绍。例如,在讲授时空数据挖掘时,可以选择土地利用分类、全球气候变化监控(碳中和、碳达峰话题所涉及的碳循环问题;厄尔尼诺现象等热点)。此部分内容需要大量数据库系统概论、机器学习基础教程,以及深度学习、大数据挖掘等内容。因此,考虑到前期课程的不足,本课程需要适度引入云计算、深度学习等前沿技术的介绍,这也是对学生学习热情和兴趣的激发。

4.2 以大数据为导向的科研实例导读

以最新的研究实例为切入点,融入遥感前沿技术。如遥感处理及计算方法要涉及深度学习、卷积神经网络等内容,利于引导学生开阔视野,激发科学兴趣,也有助于为深造搭建良好的科研平台。在选择最新科研动态资料的时候,以各领域学术领军人物的综述性文章为佳。课题选题方向建议区分专题,如在全球气候变化监测与预测专题方面,选择Remotesensingoftheterrestrialcarboncycle:Areviewofadvancesover50years,此论文总结了近50年来利用遥感技术获取陆地碳源碳汇的历史和进展,归纳了多遥感平台、传感器、大数据处理、结论以及挑战;针对基于卫星植被指数的碳汇估计算法,利用陆面生态模型定量估计碳汇模型等,可以与统计模式识别等内容结合。又如在时空数据挖掘方面选择了预测时空模型、大数据融合的论文案例,对于知识规则、空间分析、大数据挖掘等内容进行扩展性介绍。

4.3 问题启发式的自主选题与汇报

基于理论知识的线上下学习与教师引导的科研实例讲解,学生可以自主开展研究实例的运用。由于学生对遥感地学分析的基本原理已有一定的理解基础,但对前沿知识仍停留在概况了解,此阶段推荐学生开展问题启发式自主学习的同时,教师依旧需要从原理、数据、处理过程、结果讨论思路出发制定框架。学生在此范畴内,可自主选择热点问题,选取国内外研究实例阅读与剖析,并进行PPT汇报。汇报结束后要求开展点评与互评。在该环节中要求学生以小组为单位合理分工,将一个完整的项目知识点拆分,做到在课堂汇报的时候可以举一反三,触类旁通。同时,组外成员也可以借此机会,快速掌握多专题的背景知识和内容,实现头脑风暴。

4.4 多层次阶梯组队的实践学习

遥感课程的实践性特征非常强,在课程的第四阶段设置专题研究。该阶段的目标是使学生初步了解科研过程,培养训练学生的实践能力。通过对实践教学方式的意愿统计,发现45%的学生希望老师边讲边演示,形成教师讲解和参考实习指导书并行的互助学习方式(师生互助型);30%的学生愿意老师先讲授,学生根据讲解参考指导书再独立完成实验(自主实践型);25%的学生仍习惯于“老师边讲边演示,自己跟着逐步操作”(跟随学习型)。学生虽然有一定的自主学习性,但大多存在实践惰性。实习方式上高达80%的学生愿意分组实习,同学间合作完成实习内容,这代表学生具有较强的合作意识和团队合作意向,但也说明了部分学生的依赖性较强,希望借助团队力量为自己减负。

因此本课程建立了一套多层次阶梯式的实践教学模式,所谓“多层次”是指面向不同实践学习方式诉求的学生,分别从师生互助型、自主实习型和跟随操作型的学生中,重组选择成员完成课程的实践教学。所谓阶梯式,是指每个小组的组长实行轮流制,一方面可以实现多层次同学的互帮互带,也积极锻炼了部分依赖性较强的学生。

实践教学的内容上主要开展例如植被、土壤、水体、海岸等资源环境的卫星遥感影像分析、解译、分类、判读等数据处理,使学生具备利用主流遥感软件及编程语言开展防灾减灾、环境监测、资源开发等领域实际项目相关的分析能力。课程增加了我国高分系列卫星数据以及合成孔径雷达的应用实践,高分辨率对地观测系统重大专项工程启动以来,已具备了厘米级地面空间分辨率、纳米级光谱分辨率,正由试验应用型向专业服务型发生转变。SAR遥感技术具有全天时、全天候以及对某些地物的穿透能力,上述遥感数据产品已经广泛应用在全球变化、环境监测、资源勘查等领域,这部分内容的融入也有利于增强课程思政教育。

4.5 延续性的课后总结与互动

学生自主选题的内容并不因为课程的终止而结束,课程针对科研专题给学生延续学习的机会。如课程中介绍了高分辨率卫星数据的技术方法,学生自主选题时选择了城市地表温度反演专题进行介绍。此后以国产高分辨率卫星数据入手,选择了精细化城市地表温度进行特征挖掘的毕业设计内容。学生顺利架构了论文的研究思路和技术路线,并融入了城市微环境的科研热点,不仅顺利完成毕业设计,获得校和省级优秀毕业论文,也将此方向延续至研究生阶段的科研工作,继续进行城市遥感方向的探索。

5 考核方式与学生反馈

成绩的最终评定除了期末笔试之外,加入了课堂互动、实例展示和研究报告:(1)课堂互动考查学生在课堂互动讨论中的参与度和对问题的思考能力,根据讲课内容设置一定的问题在课堂上进行讨论,鼓励学生提问辩论;(2)实例展示考查学生对研究实例的理解、相关内容的查阅和剖析、展示效果和回应问题的能力;(3)研究报告要求学生按照科研论文的范式完成一份特定主题的研究报告,从研究目标的解析、方案设定,到遥感数据的处理及结果讨论,均由学生独立完成。

课程充分考虑到了理论知识和综合实践能力评估的平衡性,将考核形式分为了理论内容考核和综合实践能力考核。其中,理论知识重点考核学生对遥感地学分析中涉及的地学评价标准、技术发展脉络、常用的分析方法、不同分辨率数据图像处理技术,以及不同应用场景的典型算法的原理性掌握。实践能力综合考核中,一部分是实践操作能力的考核,以学生上机实践结果为考核对象;另一部分是学生的小组汇报内容,由教师和学生互评共同打分。理论笔试成绩只占30%,其他环节共占70%,成绩的评定贯穿整个课程的始终,不会出现“平时松,期末紧”的情况。

综合学生的反馈可知,通过在前期教学中引入前沿和热点,并且将理论基础内容整理给学生,对于增强学生主动探索,搜索中英文文献,掌握研读方法,提高归纳和解决问题的能力起到了很好的效果。虽然阅读整理专题相关的文献的时候占用了不少的时间,但是这种方式为学生后期的大作业和毕业设计拓展了深度,大多数学生表示欢迎。实践课程中通过层次梯队组队,带动了不同学习背景的学生,并调动大家融入实践课题的积极性,普遍反映这样的实践方式参与度较好,学习回报性较高,自我参与的体验度明显提升。这也充分验证了学生往往是学习的道路上遇到一些障碍,需要教师和团队帮助解决,并不是学生自我的惰性而引发的。本课程的改革方法促进了学生获得更深度的实践体验度和专题参与度,对于教育质量提升,学生后续发展均有显著的增强作用。

结语

“遥感地学分析”课程对于培养遥感、GIS专业学生的全面技能,激发自主学习、技术创新、科研思维,提高学生的就业竞争力具有重要意义。纵观当下地球科学问题日益严重、地球科学数据大爆炸的现状,更有必要着眼于科学问题与技术瓶颈,进行课程的教学改革。本文通过总结遥感地学资源类相近课程,引入科学观视野和前沿科学技术,建立了一套以地球科学大数据为背景的,融合数据挖掘等前沿技术的遥感地学分析课程的改革方案,取得了较为显著的教学改革效果,值得进行进一步推广与应用。