地球大数据背景下“遥感地学分析”教学改革与实践.pdf

:./.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 摘 要:本文介绍了面向遥感科学与技术专业开设的“遥感地学分析”课程的教学改革的特色工作及相应的实践课程建设与成效 课程从地球科学前沿问题入手特色化融合了传统遥感地学分析理论知识与大数据技术 以自然环境、人类发展、全球变化等地球科学问题热点领域为专题导向建立科研导向型、启发式的自主专题汇报、多层次阶梯组队实践学习等方式充分培养了学生的科学思维、自主探索能力实现了对学生的理论知识与综合实践能力的训练 实践表明此改革模式有利于相关专业本科生在大数据领域的就业同时又为未来读研深造铺垫了科研之路具有相当的推广应用可行性关键词:遥感地学分析地球大数据科研导向多层次阶梯组队教学改革 概述近 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“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 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“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 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:.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 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.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 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 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 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:()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()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 科技风 年 月创新教学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 学时学生自主实践 学时()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 基于地球大数据的科研混合型教学模式的实施.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 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.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 :此论文总结了近 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.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 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.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)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)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创新教学科技风 年 月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 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.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 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:()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()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()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 其他环节共占 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、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参考文献:段炼韦英岸陆汝成等.测绘地理信息专业背景下的时空数据挖掘课程设计.南宁师范大学学报:自然科学版():.杨海平沈占峰骆剑承等.海量遥感数据的高性能地学计算应用与发展分析.地球信息科学学报():.刘美玲吴伶.遥感地学应用课程混合式教学模式初探.地理空间信息():.章桂芳杨小强王正海.研究型教学在高年级遥感课程中的实践探索.高等理科教育():.邵振峰李德仁胡滨等.遥感前沿科研反哺本科课程教学改革模式探讨.测绘地理信息():.刘汉湖杨武年.高校地学专业遥感地质学精品课程教学改革.测绘科学():.刘汉湖杨武年郝丽娜等.地学院校遥感科学与技术综合生产实习设计.北京测绘():.基金项目:()国家自然科学基金项目(.)()国家冰川冻土沙漠科学数据中心开放基金项目()()南京工业大学校级教改项目“地球大数据背景下的遥感地学分析课程教学改革与探索”作者简介:李海星()女汉族江苏南京人理学博士讲师研究方向:资源环境遥感积雪遥感、时空变化过程遥感定量模拟 科技风 年 月创新教学