“云+AI+5G”時代遙感實驗案例式教學探索＊

賀智

（中山大學地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275；南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519082）

人類正處于科技和產業蓬勃發展、日新月異的時代[1]，云計算、人工智能（Artificial Intelligence，AI）和5G 技術對全球各國社會、經濟和政治帶來了巨大沖擊和深刻影響[2-4]。云計算通過分布式計算和虛擬化等核心技術對軟、硬件和平臺資源實行按需靈活配置，極大地減低了成本、提高了資源利用率。AI 是引領新一輪科技和產業發展的戰略性技術，在云計算、大數據和5G 等新理論新技術的驅動下，呈現出深度學習、人機協同和自動操控等特征，是中國贏得全球科技競爭主動權的關鍵。5G 作為第五代移動互聯網通信技術，以其網絡實時傳播和超低延遲等優勢實現了信息極速傳達、萬物泛在互聯和人機深度交互。

“云+AI+5G”時代的到來激發了遙感技術的快速發展與創新，人類對地觀測進入了黃金時期。在云計算、AI 和5G 技術的幫助下，遙感數據獲取、傳輸、處理和應用等呈現出更精確、快速和廣泛等特點[5-8]。傳統的遙感實驗教學難以滿足“云+AI+5G”背景下高校本科教育的需求，將新技術滲透到高校教育是提高教學質量的必然趨勢，如何抓住“云+AI+5G”發展機遇促進高校遙感實驗教學的改革與創新，是高校教師應當深入研究的問題。筆者根據多年在遙感領域從事科研和教學的經驗，分析遙感實驗教學現狀，探索“云+AI+5G”與遙感實驗教學相結合的教學改革策略[9-12]，對培養適應新時代發展的遙感人才具有重要現實意義。

1 新時代背景下遙感實驗教學現狀

遙感始于20 世紀60年代初期，是基于電磁波信號進行遠距離、非接觸的探測技術。在“云+AI+5G”新時代背景下，中國高度重視遙感技術的發展，啟動實施了高分辨率對地觀測系統重大專項（以下簡稱“高分專項”），截至2020年，已成功發射了高分一號到十二號衛星，形成了全天候、全天時、全球覆蓋的對地觀測能力，在國土調查、礦產開發、交通規劃和城鄉監測等領域得到了廣泛應用[13-15]。同時，中國的載人航天和探月工程也取得了重大進展，從對地觀測延伸到對月球和火星等星體的深空探測，遙感技術的發展使社會對遙感人才的需求增加，多個高校開設了遙感相關本科專業，如北京大學、北京師范大學、武漢大學、華東師范大學等，中山大學地理科學與規劃學院地理信息科學專業也設置了遙感圖像處理等專業核心課程，雖然這些課程重視理論知識和實驗動手能力的培養，但在新時代背景下，遙感實驗教學過程中仍然凸顯出一些問題。

1.1 實驗教學內容滯后于時代發展

傳統遙感實驗教學安排與理論內容同步，主要用于鞏固和復習理論課所涉及的知識點。以筆者教授的“遙感圖像處理”課程為例，理論知識涵蓋遙感基本原理、遙感圖像增強、形態學圖像處理、遙感圖像分割和遙感圖像分類等內容，實驗教學的傳統做法是通過實驗軟件（如ENVI、MATLAB、Python 等）對課后習題進行簡單的編程實現。該做法的優點是實驗教學與理論知識緊密結合，便于學生加深對知識的理解，且課后小作業方便初學者入門；但不足之處在于各專題的習題較為分散、不同實驗之間缺乏聯系，不利于學生形成遙感圖像處理的整體認識。更重要的是，傳統遙感實驗教學更新速度慢，較少涉及“云+AI+5G”新時代背景下的新技術，且與企業實際需求聯系不夠緊密，容易滯后于時代的發展。

1.2 實驗教學方法單調

目前常用的實驗教學方法是針對特定的專題（如遙感圖像增強），教師用Landsat 遙感圖像以及ENVI、MATLAB 或Python 軟件給學生演示如何實現基于灰度變換和基于直方圖均衡的遙感圖像增強，然后給學生布置類似的課后習題，學生統一利用教師給定的Landsat 或MODIS 遙感數據，通過軟件對特定遙感圖像進行增強，并以實驗報告的形式上交。如此一來，學生僅用教師給定的小幅遙感圖像，完成一個個聯系松散的習題，缺乏對發現問題能力的鍛煉、無需主動獲取大量遙感數據、整個實驗過程難以調動主觀能動性，容易導致對算法的理解不夠深刻、實驗創新性較弱。因而，亟需教師精心設計實驗教學環節，充分調動學生學習的自主性并培養學生的創新能力。

1.3 實驗教學質量評價體系有待完善

實驗教學質量的評價體系包括對實驗教學目標、內容、方法、過程和效果等方面的評價。教學質量是高校教育的生命線和高校自身發展的必然要求。雖然目前采取了各種制度來構建教學質量評價體系，如隨堂評教、期末網上評教、教學督導機制和成績評定等，但遙感實驗教學質量評價體系仍然有待完善。主要表現在以下幾個方面：①實驗教學依然存在重理論輕實驗的思想，對培養實驗動手能力的重視程度需要加強；②實驗教學考核形式單一，僅對實驗結果進行評價，而對實驗過程中解決問題的能力和團隊協作能力的評價比例不足；③實驗成績評定主要以學生提交的實驗報告為依據，容易開展“唯報告論”的片面評價。

2 遙感實驗案例式教學改革探索

針對“云+AI+5G”新時代背景下遙感實驗教學存在的不足，提出案例式教學改革方案，從課程體系、教學模式和評估制度等方面對現有遙感實驗教學進行改進。

2.1 構建緊扣新時代發展的遙感實驗課程體系

為了保持遙感實驗教學緊扣時代發展，綜合國內外最新研究現狀定期更新實驗課程體系，內容設計源于理論教學但高于理論知識。遙感實驗數據不僅局限于Landsat、MODIS 等，還可以鼓勵學生采用Sentinel-2、高分系列數據（如高分一號、高分二號等）、珠海一號、吉林一號等較新的高分辨率遙感數據及溫度、降水量、人口、日照時數、溫室氣體排放量和國內生產總值（Gross Domestic Product，GDP）等非遙感數據，如圖1所示。遙感實驗平臺不僅局限于ENVI、MATLAB 或Python，為了解決遙感數據量大、不同源數據格式不統一和數據使用成本高等問題，在課堂向學生介紹并使用谷歌地球引擎平臺（Google Earth Engine，GEE）獲取和處理數據。此外，通過天河二號超級計算機或云計算（如AWS、阿里云、Azure、Google Cloud、華為云、騰訊云等）進一步提高對遙感數據的存儲和計算能力，如圖2所示。

圖1 遙感實驗教學數據

圖2 遙感實驗教學平臺

2.2 設計以案例教學為主的多模態實驗教學模式

遙感實驗是啟發學生了解課程用途的有效途徑，教師需要傳授給學生發現問題、分析問題和解決問題的方法。為了提升學習興趣和改善教學效果，本文提出以案例教學為主的多模態實驗教學模式。案例式教學以實際問題為驅動，將問題進行合理分解，得到若干模塊，每個模塊將涵蓋理論教學的各章節內容，最終將多個模塊串成一個完整案例。實際問題的發現與選取不僅停留在課后習題上，而是要求學生充分調研走訪企業、社會和政府的實際需求，如國土資源調查中違章建筑自動標注（如圖3所示）、城中村房屋識別、海上油輪監測和臺風災害損失評估等。多模態的教學模式是指除了案例式教學，還借助多種資源和工具（如網絡資源、音視頻、電子課件、思維導圖和微信/QQ等）將課前、課堂和課后聯動，引導學生提出和解決問題。此外，鼓勵學生形成3～4 人的研究團隊，通過團隊協作完成實驗案例。

圖3 案例式實驗教學設計（以違章建筑監測為例）

2.3 健全實驗教學效果評估制度

為了更全面、更客觀地評價遙感實驗教學效果，采用層次化評估制度從多個角度評價學生的學習效果。遙感實驗總成績由平時成績（20%）、實驗報告成績（30%）和實驗案例展示成績（50%）這3 部分組成，如圖4所示。其中，平時成績重點考察學生課前預習、回答課堂提問和課堂考勤等方面，體現了學生在日常學習中是否活躍、是否善于思考問題；實驗報告重點考察學生是否能正確、規范地書寫實驗代碼，是否能清晰地展示實驗過程和實驗結果，體現了學生的寫作能力和分析問題的能力；實驗案例展示重點考察學生在實際案例中的要解決的問題是否有實際意義、分工是否明確、團隊合作是否流暢以及演講過程是否清晰等。總之，通過構建更健全的實驗教學評估制度有助于激發學生的積極性和創新性，發現并解決實際問題，將課堂所學理論知識應用于實際。

圖4 遙感實驗教學效果評估方式

3 教學改革效果

遙感實驗教學改革效果主要從學生對課程的整體評價、學生對知識的掌握程度、學生科研水平提升效果和深造率等方面進行分析。

首先，通過教學改革，學生對該課程的整體評價從原來的91.125 分上升到94.729 分。學生對課程的評價包括教師態度（如備課是否充分、能否耐心解答學生疑問等）、教學內容（如講課深度、是否注重最新動態等）和教學方法（如是否聯系實際、教學是否有啟發性等）等方面，學生對課程評價的提升反映了學生對改革后的遙感實驗教學更滿意。

其次，通過結合實際的案例式教學，學生對知識的掌握程度也有所提高，知識面更廣，動手能力、創新能力和表達能力等也有改善，最終成績從平均83.94分提高到平均88.38 分。

再次，學生的科研水平也得到了鍛煉，在各項學科競賽中表現突出，從2015年至今，筆者所在院校代表隊在中國高校地理科學展示大賽均取得了全國二等獎以上的成績，大學生創新創業訓練項目立項數保持在30 項以上，在全國GIS 技能應用大賽和“歐比特杯”高光譜遙感影像智能處理行業應用大賽等比賽中也有不錯的表現，這些與科研水平的提高有密切關系。

最后，筆者所在學院的本科深造率（包括讀研和出國等）也有較大提升，從2015年的49.20%增長到了2020年的72.00%，說明國內外同行充分肯定學生的綜合實力。教學改革效果如表1所示。

表1 教學改革效果

4 結語

“云+AI+5G”時代的到來給遙感行業帶來了新的機遇與挑戰，也給遙感實驗教學改革帶來了新的契機。本文在“云+AI+5G”新時代背景下探索遙感實驗教學改革方法，針對現有課程存在的問題，提出案例式實驗教學改革方法，探討了如何使遙感實驗課程緊扣時代發展、如何設計以案例教學為主的多模態教學模式和如何健全教學效果評估制度。從實際教學效果來看，本文提出的教學改革方法能使課堂教學與時代發展結合更緊密，通過實驗操作能加深對國內外前沿的理解，以實際調研為前提選定的遙感實驗案例更貼合實際需求，更能激發學生學習的主觀能動性。然而，科技和產業仍處在快速發展中，后續需要不斷優化和更新教學內容，培養出適應時代發展的新型遙感人才。