張廣運(yùn),張榮庭
(南京工業(yè)大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 211816)
遙感科學(xué)與技術(shù)作為現(xiàn)代地理學(xué)發(fā)展的重要組成部分,其專業(yè)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和操作性。遙感技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、測(cè)繪、地學(xué)研究等各大領(lǐng)域,具有極高的實(shí)用價(jià)值。培養(yǎng)具有遙感專業(yè)知識(shí)、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)的人才已成為遙感專業(yè)教育的重要目標(biāo)之一。然而,由于硬件設(shè)備與實(shí)踐成本的限制,當(dāng)前遙感專業(yè)的教學(xué)方式主要以理論教學(xué)為主,遙感專業(yè)知識(shí)與遙感技術(shù)應(yīng)用在專業(yè)培養(yǎng)中未形成良好體系,理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)合不夠緊密,學(xué)生在實(shí)踐中應(yīng)用遙感技術(shù)解決問題的能力有待進(jìn)一步提高。新一代人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和跨領(lǐng)域應(yīng)用推動(dòng)了傳統(tǒng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的大變革,全人類的生活和發(fā)展需要與時(shí)俱進(jìn),適應(yīng)未來人工智能和智慧地球的新環(huán)境。2022年國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出,要利用智能技術(shù)加快人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方案改革,標(biāo)志著我國將利用人工智能技術(shù)培養(yǎng)各界優(yōu)秀人才上升為國家戰(zhàn)略。遙感科學(xué)與技術(shù)是一門研究遙感技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等方面的綜合信息類學(xué)科,以廣大學(xué)生為中心,利用新一代人工智能技術(shù)思考改進(jìn)遙感課程的教學(xué)方式、豐富學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)內(nèi)容并培養(yǎng)創(chuàng)新能力是當(dāng)代教學(xué)改革的重要研究方向。因此,利用新一代人工智能技術(shù)賦能傳統(tǒng)遙感課程教學(xué)的課前準(zhǔn)備、課程教學(xué)和課程實(shí)習(xí)的各個(gè)環(huán)節(jié),可以改變目前傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容單一、師生互動(dòng)不足、實(shí)習(xí)條件受限的現(xiàn)狀,使學(xué)生能夠利用多媒體平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高效學(xué)習(xí),以具備準(zhǔn)確高效利用遙感技術(shù)解決傳統(tǒng)遙感科學(xué)研究應(yīng)用中的各類難題的能力,培養(yǎng)滿足遙感專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃的、具有尖端實(shí)踐技能和創(chuàng)新性思維的高素質(zhì)人才。
遙感科學(xué)與技術(shù)是3S空間信息技術(shù)中極具特色的一個(gè)分支,涉及的專業(yè)知識(shí)涵蓋多個(gè)學(xué)科,研究內(nèi)容抽象且內(nèi)在邏輯緊密。當(dāng)前,國內(nèi)多所綜合型高校均有開設(shè)遙感相關(guān)專業(yè),培養(yǎng)方式主要包括課程理論教學(xué)與課程實(shí)踐實(shí)習(xí)兩大部分。然而,不同地區(qū)的高校人才培養(yǎng)側(cè)重方向不同,專業(yè)開設(shè)時(shí)間及其發(fā)展?fàn)顩r參差不齊,師資力量與配套軟硬件設(shè)備分布不均,難以實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)遙感專業(yè)系列課程理論體系的宏觀構(gòu)建和適應(yīng)培養(yǎng)新時(shí)代的專業(yè)型技術(shù)人才。在新一代人工智能時(shí)代,遙感專業(yè)課程教學(xué)在教學(xué)資源、教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容方面面臨著巨大挑戰(zhàn):1)教學(xué)資源方面:傳統(tǒng)教學(xué)資源難以全面覆蓋如此豐富的遙感專業(yè)背景知識(shí)和遙感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié),自行搭建開發(fā)從平臺(tái)到硬件再到軟件的完整遙感系統(tǒng)的方案可行性不足。傳統(tǒng)野外實(shí)習(xí)不僅受限于存在潛在危險(xiǎn)的外界自然環(huán)境,也存在野外儀器價(jià)格昂貴等一系列問題;2)教學(xué)模式方面:目前地方高校多采用多媒體設(shè)備教學(xué)為主,有限范圍內(nèi)課程實(shí)踐為輔的教學(xué)模式,較少涉及啟發(fā)式與探究式的教學(xué)方法;3)教學(xué)內(nèi)容方面:當(dāng)前國內(nèi)遙感課程的知識(shí)體系不盡完善,教學(xué)內(nèi)容陳舊,沒有與時(shí)俱進(jìn)地與國際該領(lǐng)域最新動(dòng)態(tài)發(fā)展現(xiàn)狀看齊。
為此,本文利用新一代人工智能技術(shù)賦能傳統(tǒng)遙感專業(yè)課程教學(xué),提出了全新的遙感教學(xué)改革方式與實(shí)踐框架。應(yīng)用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)完成課前教學(xué)準(zhǔn)備工作,充實(shí)遙感課程教學(xué)內(nèi)容;通過跨媒體智能技術(shù)和群體智能技術(shù)進(jìn)行理論教學(xué)工作,實(shí)現(xiàn)多媒體式教學(xué),使學(xué)生在交互式學(xué)習(xí)的過程中深刻理解理論知識(shí);使用混合增強(qiáng)智能技術(shù)和自主智能系統(tǒng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景下的遙感實(shí)習(xí),擺脫傳統(tǒng)實(shí)習(xí)課程中人員、設(shè)備、環(huán)境等的諸多限制。通過五大技術(shù)將遙感系統(tǒng)理論知識(shí)與遙感工程實(shí)踐流程深度融合于高等教育遙感專業(yè)課堂教學(xué)中,可極大地?cái)U(kuò)展學(xué)生的思路和對(duì)遙感學(xué)科的認(rèn)識(shí),提高學(xué)生對(duì)遙感知識(shí)的深刻理解,有效地實(shí)現(xiàn)良好的課堂教學(xué)成效。
遙感科學(xué)與技術(shù)作為現(xiàn)代3S技術(shù)的重要分支,是在多學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新學(xué)科、新技術(shù)。作為引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要推動(dòng)力,人工智能技術(shù)為遙感課程教學(xué)教育的現(xiàn)代化提供了更多可能性[1]。隨著國家新一代人工智能規(guī)劃的發(fā)布,各行業(yè)都在開展新一代人工智能技術(shù)與行業(yè)的融合規(guī)劃,教育行業(yè)也不例外。早在1970年,Carbonell就已提出智能型計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(ICAI)的構(gòu)想,以期通過人工智能科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和思維科學(xué)為理論基礎(chǔ),構(gòu)建計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的應(yīng)用模式。從歷史發(fā)展變化進(jìn)程來看,人工智能與教育在50年間相互促進(jìn)、相互融合,呈現(xiàn)螺旋式上升發(fā)展態(tài)勢(shì)[2]。
2017年,教育部發(fā)布了新一代人工智能在教育系統(tǒng)中應(yīng)用的專項(xiàng)規(guī)劃與智能教育戰(zhàn)略研究。國家新一代人工智能規(guī)劃中提出的主要技術(shù)方向包括大數(shù)據(jù)智能技術(shù)、跨媒體智能技術(shù)、群體智能技術(shù)、混合增強(qiáng)智能技術(shù)和自主智能系統(tǒng)五個(gè)方面。該規(guī)劃的目標(biāo)是:以推動(dòng)人工智能技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新和與經(jīng)濟(jì)社會(huì)深度融合為主線,按照并跑、領(lǐng)跑兩步走戰(zhàn)略,圍繞五大方向持續(xù)攻關(guān)。從基礎(chǔ)理論、支撐體系、關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新應(yīng)用四個(gè)層面構(gòu)筑知識(shí)群、技術(shù)群和產(chǎn)品群的生態(tài)環(huán)境,搶占人工智能技術(shù)制高點(diǎn),妥善應(yīng)對(duì)可能帶來的新問題和新挑戰(zhàn),促進(jìn)大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新,使人工智能成為智能經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的強(qiáng)大引擎。如何應(yīng)用這五個(gè)方面的技術(shù)來改進(jìn)目前高等教育的遙感專業(yè)教學(xué)效果,目前基本尚處于探索的階段。
具體到遙感專業(yè)課程教學(xué)改革方面,目前高校的教學(xué)模式基本沿用遙感專業(yè)教科書講授加課程校內(nèi)實(shí)習(xí)的傳統(tǒng)模式[3],學(xué)生們只能了解到遙感平臺(tái)(衛(wèi)星、飛機(jī)等)、傳感器和遙感地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的文字描述信息與遙感數(shù)據(jù)處理的教學(xué)視頻,課程實(shí)習(xí)也只能接觸到極為有限的自然場(chǎng)景下的儀器操作和數(shù)據(jù)采集過程。因此,迫切需要開展如何應(yīng)用新一代的五大智能技術(shù)和先進(jìn)的教學(xué)平臺(tái)互動(dòng)系統(tǒng)來改造和擴(kuò)展目前遙感專業(yè)課程教學(xué)流程,使得學(xué)生能夠在專業(yè)學(xué)習(xí)的廣度和深度上取得質(zhì)的提升[4]。
2022年12月,由中華人民共和國教育部、中國聯(lián)合國教科文組織全國委員會(huì)與聯(lián)合國教科文組織共同主辦了以“引導(dǎo)人工智能賦能教師,引領(lǐng)教學(xué)智能升級(jí)”為主題的國際人工智能與教育會(huì)議,指出要加強(qiáng)數(shù)字教育資源的建設(shè)分享,推進(jìn)數(shù)字教育實(shí)踐的交流借鑒,更好地適應(yīng)數(shù)字時(shí)代教育發(fā)展新需求。為改變傳統(tǒng)遙感教學(xué)中出現(xiàn)的應(yīng)用與實(shí)踐不足的問題,薛永安等提出采用視頻講授、在線測(cè)試、云端答疑等方式的線上教學(xué)輔助傳統(tǒng)教學(xué)方式[5];李映紅等結(jié)合大數(shù)據(jù)智能技術(shù)設(shè)計(jì)生物信息學(xué)的課程教學(xué)內(nèi)容,以便學(xué)生在有限課時(shí)的講授下掌握核心的理論知識(shí)[6]。在目前的遙感課程教學(xué)中,理論課主要講解遙感原理、遙感數(shù)據(jù)處理、遙感應(yīng)用等基礎(chǔ)知識(shí),強(qiáng)調(diào)概念的理解和認(rèn)知,實(shí)驗(yàn)課則通過操作基礎(chǔ)遙感軟件,處理不同類型的遙感數(shù)據(jù),完成實(shí)際應(yīng)用小型案例等方式,讓學(xué)生深入了解遙感技術(shù)的核心應(yīng)用。但當(dāng)前遙感專業(yè)的教學(xué)課程教材陳舊,無法囊括日新月異的遙感新知識(shí)新技術(shù);受限于教師有限的精力和傳統(tǒng)授課方式的局限性,學(xué)生難以在個(gè)人學(xué)習(xí)問題中得到及時(shí)有效的解答;課程野外實(shí)習(xí)成本高昂,有時(shí)難配備符合實(shí)驗(yàn)要求的外部條件,使得遙感實(shí)習(xí)教學(xué)實(shí)施困難重重。因此,應(yīng)用五大智能技術(shù)賦能遙感教學(xué)的全過程,改變遙感教學(xué)存在的種種問題現(xiàn)狀是新時(shí)代遙感教學(xué)改革的重要方向。
高校是科技第一生產(chǎn)力、人才第一資源、創(chuàng)新第一動(dòng)力的結(jié)合點(diǎn),利用五大人工智能技術(shù)協(xié)同各專業(yè)領(lǐng)域的教學(xué)改革和創(chuàng)新發(fā)展,培養(yǎng)大批專業(yè)型人才是高校教學(xué)改革的重要方向[7]?,F(xiàn)今,新一代人工智能在全球蓬勃發(fā)展,利用五大智能技術(shù)打造高質(zhì)量、個(gè)性化的互動(dòng)性教育教學(xué)模式,使得學(xué)生不僅可以通過線下課堂教學(xué)獲取知識(shí),還可以通過學(xué)習(xí)平臺(tái)在線上隨時(shí)針對(duì)性學(xué)習(xí),在與師生互動(dòng)、人機(jī)互動(dòng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)專業(yè)知識(shí)與實(shí)踐的全方位、系統(tǒng)化理解。人工智能技術(shù)賦能于遙感,不僅推動(dòng)了遙感數(shù)據(jù)解譯、處理、分析等遙感專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的大變革,還推動(dòng)了教學(xué)方式的豐富與大改革,為我國高校培養(yǎng)一批優(yōu)秀的遙感專業(yè)人才提供了強(qiáng)大支撐。遙感課程改革應(yīng)緊緊抓住新一代人工智能發(fā)展的機(jī)遇,積極發(fā)掘五大智能技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用點(diǎn)并將其應(yīng)用于遙感教學(xué)的全過程中,把握科學(xué)研究前沿方向的高質(zhì)量遙感專業(yè)培養(yǎng)方式,在人工智能技術(shù)的支撐下提升教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。
應(yīng)用新一代人工智能技術(shù)改進(jìn)高等教育中的各個(gè)環(huán)節(jié)是目前我國主推的方向。由于遙感專業(yè)培養(yǎng)方案注重學(xué)生理解和掌握多個(gè)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)并具備工程實(shí)踐能力,利用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)、跨媒體智能技術(shù)、混合增強(qiáng)智能技術(shù)、自主智能系統(tǒng)新技術(shù)等在虛擬環(huán)境中復(fù)制和再現(xiàn)遙感系統(tǒng),擺脫傳統(tǒng)教學(xué)中存在的人員、經(jīng)費(fèi)等限制,拓展學(xué)生的知識(shí)廣度和深度,輔助學(xué)生真正掌握從遙感平臺(tái)、硬件、數(shù)據(jù)系統(tǒng)到應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)。在新一代人工智能技術(shù)的支撐下,本文提出了如圖1所示的遙感專業(yè)課程教學(xué)過程改革框架。
為實(shí)現(xiàn)利用新一代人工智能技術(shù)改革高校遙感課程教學(xué)的目標(biāo),構(gòu)建遙感專業(yè)培養(yǎng)的理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的完整體系,本文將按照充實(shí)遙感課程教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)遙感課程理論教學(xué)、設(shè)計(jì)遙感課程虛擬野外實(shí)踐三大模塊,對(duì)遙感課程教學(xué)系統(tǒng)化。
1)充實(shí)遙感課程教學(xué)內(nèi)容:遙感科學(xué)與技術(shù)融合了地球科學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理信息系統(tǒng)等多個(gè)學(xué)科的理論和方法研究與應(yīng)用遙感技術(shù)獲取地球表面信息,是一門綜合性很強(qiáng)的交叉學(xué)科。利用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、提升教學(xué)質(zhì)量、制定教學(xué)計(jì)劃,以期培養(yǎng)學(xué)生具備遙感科學(xué)與技術(shù)的理論知識(shí)和實(shí)踐技能,是本教學(xué)改革框架的首要環(huán)節(jié)。
應(yīng)用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)改革遙感教學(xué)內(nèi)容,可以為教師提供全面的教學(xué)計(jì)劃和多樣化的教學(xué)方式,借助教學(xué)平臺(tái),教師可隨時(shí)更新前沿的教學(xué)資源、開展虛擬實(shí)踐,能深入了解每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)、學(xué)習(xí)進(jìn)度和困難點(diǎn),幫助教師更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求、準(zhǔn)確和全面地構(gòu)建學(xué)生畫像,并針對(duì)性地對(duì)每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析,充實(shí)遙感課程教學(xué)內(nèi)容的總體框架,具體內(nèi)容如下:學(xué)生數(shù)據(jù)采集與分析→制定個(gè)性化教學(xué)計(jì)劃→智能評(píng)估反饋與在線學(xué)習(xí)平臺(tái)→課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化。
在教學(xué)內(nèi)容方面,應(yīng)根據(jù)遙感專業(yè)培養(yǎng)方案收集各類教學(xué)資源,實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、智能化和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué),提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率和滿意度,同時(shí)幫助教師優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)教學(xué)的不斷優(yōu)化和創(chuàng)新。應(yīng)用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)制定教學(xué)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)效果精準(zhǔn)評(píng)估,從而提高課程教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)。首先采集學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù),應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和課程教學(xué)內(nèi)容分析從而制定個(gè)性化教學(xué)計(jì)劃,同時(shí)通過智能評(píng)估系統(tǒng)和在線學(xué)習(xí)平臺(tái)為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支持與評(píng)估反饋,支持個(gè)性化的學(xué)習(xí)記錄、問題反饋和解決方案。在整個(gè)教學(xué)過程中,教師充當(dāng)指導(dǎo)者和引導(dǎo)者的角色,引導(dǎo)學(xué)生理解遙感科學(xué)與技術(shù)的概念、原理和應(yīng)用,并鼓勵(lì)學(xué)生在掌握課程知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)踐和創(chuàng)新。此外,根據(jù)規(guī)劃好的教學(xué)方式和實(shí)習(xí)方案實(shí)施遙感課程教學(xué),并在課程結(jié)束時(shí)及時(shí)收集專家評(píng)估和學(xué)生反饋,以便于充分了解改革后教學(xué)體系的教學(xué)效果以及學(xué)生對(duì)于專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果,以便進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方法。下面以《遙感數(shù)字圖像處理》課程為例介紹大數(shù)據(jù)智能技術(shù)賦能教學(xué)準(zhǔn)備的過程[8]。
《遙感數(shù)字圖像處理》是遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程之一,主要涉及遙感圖像獲取、處理和分析的基本理論與方法。作為遙感專業(yè)最為重要的專業(yè)課程之一,涉及豐富的專有名詞、圖像解譯和處理的多種手段,涵蓋從遙感圖像預(yù)處理、增強(qiáng)、分類、變換到特征提取和目標(biāo)檢測(cè)等方面的知識(shí),課程學(xué)習(xí)難度偏大,學(xué)習(xí)要求較高。在制定該課程教學(xué)計(jì)劃時(shí),教師可預(yù)先收集往年學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和反饋信息,包括學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)進(jìn)度、作業(yè)成績、在線測(cè)驗(yàn)結(jié)果等,以便教師根據(jù)章節(jié)內(nèi)容重難點(diǎn)調(diào)整整體教學(xué)課時(shí)安排,了解學(xué)生學(xué)習(xí)薄弱點(diǎn),如在學(xué)習(xí)數(shù)字圖像增強(qiáng)、濾波和分類等處理技術(shù)時(shí),學(xué)生往往難以深刻理解抽象的概念與相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作原理,在教學(xué)中應(yīng)予以側(cè)重。通過大數(shù)據(jù)智能技術(shù)對(duì)已有的數(shù)字圖像處理課程學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)挖掘分析,根據(jù)該課程的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)風(fēng)格和知識(shí)掌握情況逐步完成教學(xué)計(jì)劃。針對(duì)課程中龐大繁雜的知識(shí)內(nèi)容,教師要發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)差異并提供不同的教學(xué)資源和學(xué)習(xí)路徑,包括課程線上學(xué)習(xí)視頻、在線問答社區(qū)等幫助學(xué)生更高效地學(xué)習(xí)遙感知識(shí),為學(xué)生提供個(gè)性化指導(dǎo)。通過基于大數(shù)據(jù)智能的在線學(xué)習(xí)平臺(tái),為學(xué)生提供全天候的學(xué)習(xí)支持和資源,不僅可以提供學(xué)習(xí)材料和視頻課程,還可以通過數(shù)據(jù)分析為學(xué)生推送相關(guān)遙感圖像處理技術(shù)和方法,從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)推薦系統(tǒng),推送符合學(xué)生興趣和學(xué)習(xí)進(jìn)度的內(nèi)容,增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力。最后,教師可利用大數(shù)據(jù)分析結(jié)果智能評(píng)估系統(tǒng),對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估和反饋,并根據(jù)系統(tǒng)的反饋結(jié)果調(diào)整教學(xué)策略和資源,幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)難點(diǎn)。結(jié)合大數(shù)據(jù)智能的課程實(shí)時(shí)分析結(jié)果和遙感領(lǐng)域的最新進(jìn)展,及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容,保持教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性,分析學(xué)生群體的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和需求,為教師提供有針對(duì)性的教學(xué)建議和輔導(dǎo),提高教學(xué)效果。
2)改進(jìn)遙感課程理論教學(xué):跨媒體技術(shù)是指利用多種媒體形式(如文字、圖像、音頻、視頻等)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行信息呈現(xiàn)和傳播的技術(shù),它強(qiáng)調(diào)通過不同的媒體形式將內(nèi)容進(jìn)行跨越式的拓展和延伸,以豐富學(xué)生的體驗(yàn)和參與度。通過跨媒體技術(shù)將遙感教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行多媒體化展示,將抽象的遙感概念和原理呈現(xiàn)出來,使學(xué)生更易于理解和掌握??缑襟w技術(shù)可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)的互動(dòng)性和趣味性,從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。而群體智能技術(shù)通過對(duì)群體中個(gè)體的協(xié)同和互動(dòng)進(jìn)行分析和優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)更智能、高效的決策和問題解決的技術(shù)。群體智能技術(shù)可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和行為,對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和需求進(jìn)行分析和挖掘?;趯W(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,可以為教師提供個(gè)性化的教學(xué)建議和輔導(dǎo)并針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)差異制定不同的教學(xué)策略。利用平臺(tái)推送符合學(xué)生興趣和學(xué)習(xí)進(jìn)度的內(nèi)容,可以幫助學(xué)生更有針對(duì)性地學(xué)習(xí)遙感知識(shí)。這兩大技術(shù)可在遙感教學(xué)中提供多媒體呈現(xiàn)、交互式學(xué)習(xí)、個(gè)性化學(xué)習(xí)、協(xié)同學(xué)習(xí)、社交學(xué)習(xí)和反饋等功能,提升遙感課程的理論教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。
如圖2所示,本文搭建師生平臺(tái)互動(dòng)框架以實(shí)施具體理論教學(xué)。教師以教學(xué)平臺(tái)為媒介為學(xué)生線上授課并實(shí)時(shí)分享多媒體教學(xué)資源,幫助學(xué)生全面學(xué)習(xí)最新專業(yè)課程知識(shí);平臺(tái)在教學(xué)開展過程中會(huì)根據(jù)每位學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)自動(dòng)生成學(xué)生畫像,便于教師隨時(shí)了解學(xué)生情況,在平臺(tái)輔助下根據(jù)學(xué)生的實(shí)時(shí)問題反饋提供個(gè)性化學(xué)習(xí)指導(dǎo);在理論課程教學(xué)結(jié)束后,學(xué)生可在學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)模塊根據(jù)自身的學(xué)習(xí)體驗(yàn)給出評(píng)價(jià)和建議,幫助教師及時(shí)記錄整體教學(xué)環(huán)節(jié)中的優(yōu)點(diǎn)和不足,以便于反饋改進(jìn)專業(yè)課程的整體教學(xué)計(jì)劃。通過理論課堂教學(xué)新模式,學(xué)生能更好地理解和應(yīng)用遙感理論知識(shí),同時(shí)促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)參與和深入思考,提高教學(xué)效果和學(xué)習(xí)成果。例如在開展《遙感數(shù)字圖像處理》理論教學(xué)的過程中,教師利用前期制定的教學(xué)內(nèi)容和計(jì)劃,在課程開始前利用平臺(tái)動(dòng)態(tài)構(gòu)建課程整體框架,應(yīng)用課程PPT、在線學(xué)習(xí)視頻以及相關(guān)實(shí)踐應(yīng)用案例對(duì)各章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行信息呈現(xiàn),采用線下教學(xué)與線上多媒體學(xué)習(xí)資料并行的模式進(jìn)行授課,幫助學(xué)生更加深刻地理解課程最新知識(shí)。創(chuàng)建交互式在線學(xué)習(xí)社區(qū)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)問題和學(xué)習(xí)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,保存每位學(xué)生的學(xué)習(xí)記錄與問題反饋,隨時(shí)針對(duì)學(xué)生提出的圖像增強(qiáng)處理方式、上機(jī)實(shí)驗(yàn)代碼編寫等個(gè)性化問題予以在線互動(dòng)指導(dǎo)支持,并根據(jù)學(xué)生的個(gè)體學(xué)習(xí)特點(diǎn)構(gòu)建學(xué)生畫像,及時(shí)提供學(xué)習(xí)建議和相關(guān)學(xué)習(xí)資料個(gè)性化推送。
3)遙感課程虛擬野外實(shí)踐:隨著混合增強(qiáng)智能技術(shù)與自主智能系統(tǒng)的飛速發(fā)展,利用計(jì)算機(jī)平臺(tái)的三維建模技術(shù)和混合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可創(chuàng)造出逼真的野外環(huán)境,采取遙感課程教學(xué)與虛擬野外實(shí)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)模式是高校實(shí)踐教學(xué)改革的新方向。實(shí)踐課在遙感專業(yè)教學(xué)中起著舉足輕重的作用,利用混合增強(qiáng)三維場(chǎng)景平臺(tái)開展一系列的教學(xué)實(shí)習(xí)任務(wù),加強(qiáng)實(shí)踐互動(dòng)、拓展學(xué)生視野、培養(yǎng)學(xué)生興趣,可鞏固課堂理論學(xué)習(xí)的內(nèi)容,加深學(xué)生對(duì)于專業(yè)課程的理解與思考。
與傳統(tǒng)實(shí)習(xí)相比,通過在線學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行虛擬實(shí)踐無需應(yīng)對(duì)復(fù)雜的外部環(huán)境條件,能夠在混合增強(qiáng)環(huán)境中進(jìn)行不同實(shí)習(xí)內(nèi)容要求下的實(shí)踐應(yīng)用,減少了實(shí)地實(shí)習(xí)所需的經(jīng)濟(jì)成本。在實(shí)驗(yàn)中,平臺(tái)支持不受時(shí)間限制多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作,為學(xué)生提供了更加友好的實(shí)習(xí)體驗(yàn),使學(xué)生能深度體會(huì)遙感實(shí)驗(yàn)的技術(shù)流程。實(shí)習(xí)任務(wù)完成后,學(xué)生還可以自主利用虛擬實(shí)習(xí)平臺(tái)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估,分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性,并由平臺(tái)給出相應(yīng)的評(píng)估結(jié)果和建議,幫助提高實(shí)習(xí)質(zhì)量。通過混合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí),學(xué)生可在虛擬環(huán)境中根據(jù)教學(xué)需求自定義實(shí)驗(yàn)設(shè)置和場(chǎng)景更改,調(diào)整環(huán)境參數(shù)和條件,觀察不同影響因素下對(duì)實(shí)驗(yàn)的多種結(jié)果。這種線上互動(dòng)的實(shí)習(xí)模式既擺脫了傳統(tǒng)遙感實(shí)習(xí)的資源環(huán)境限制,又可幫助學(xué)生隨時(shí)與任課教師互動(dòng)反饋、提高學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣,從而加深學(xué)生對(duì)遙感知識(shí)的理解和掌握,達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果。
遙感實(shí)習(xí)改革方案具體的虛擬實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示?;旌显鰪?qiáng)實(shí)踐平臺(tái)為各類遙感實(shí)習(xí)提供相關(guān)場(chǎng)景與環(huán)境支持,可根據(jù)實(shí)踐需求設(shè)置相關(guān)環(huán)境參數(shù)和虛擬場(chǎng)景;平臺(tái)在模擬野外實(shí)踐操作中為學(xué)生提供詳細(xì)指導(dǎo),教師實(shí)時(shí)解決學(xué)生的個(gè)性化問題,引領(lǐng)學(xué)生成果完成野外實(shí)習(xí)任務(wù);實(shí)習(xí)作業(yè)完成后,平臺(tái)對(duì)實(shí)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),將評(píng)估結(jié)果輸出并針對(duì)實(shí)驗(yàn)流程中存在的問題給予問題解決方案,便于指導(dǎo)學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改正錯(cuò)誤,成功完成實(shí)踐;實(shí)習(xí)結(jié)束后,平臺(tái)提供虛擬實(shí)習(xí)評(píng)價(jià)與反饋模塊,邀請(qǐng)師生互動(dòng)雙評(píng),將評(píng)價(jià)結(jié)果總結(jié)輸出,以期為教師設(shè)置后續(xù)實(shí)習(xí)工作提供可行性指導(dǎo)。例如在遙感測(cè)量的實(shí)習(xí)任務(wù)中,學(xué)生首先進(jìn)入指定混合增強(qiáng)技術(shù)支持的實(shí)踐平臺(tái)即可置身于野外環(huán)境中,沉浸式體驗(yàn)真實(shí)場(chǎng)景。根據(jù)平臺(tái)提示,學(xué)生將實(shí)習(xí)主題、地點(diǎn)定位、測(cè)量儀器安置等輸入映射至混合增強(qiáng)環(huán)境中,并依據(jù)測(cè)量范圍和精度要求切換場(chǎng)景區(qū)域,根據(jù)平臺(tái)提供的實(shí)習(xí)儀器選擇建議和介紹選擇測(cè)量工具,仔細(xì)閱讀對(duì)應(yīng)儀器的操作使用說明和規(guī)范。測(cè)量時(shí)在虛擬環(huán)境中操作儀器讀取測(cè)量數(shù)據(jù),由平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量步驟以及儀器操作的規(guī)范性,通過顯示屏和語音播報(bào)及時(shí)對(duì)實(shí)習(xí)過程中的問題與操作建議予以反饋,幫助學(xué)生掌握完整的測(cè)量儀器操作流程。讀取儀器數(shù)據(jù)之后,學(xué)生在記錄頁面根據(jù)平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)記錄表格實(shí)時(shí)記錄測(cè)量數(shù)據(jù),同時(shí)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)計(jì)算、記錄的相關(guān)錯(cuò)誤提示,幫助學(xué)生迅速按要求完成測(cè)量數(shù)據(jù)記錄。切換測(cè)量控制點(diǎn)時(shí),平臺(tái)的智能導(dǎo)航和路徑規(guī)劃功能可幫助學(xué)生在混合增強(qiáng)野外環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航和定位,從而避免因測(cè)量路線錯(cuò)誤造成的實(shí)習(xí)返工。測(cè)量結(jié)束時(shí),學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度檢驗(yàn)頁面輸入測(cè)量限差計(jì)算公式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查,看其是否滿足精度要求,隨后保存實(shí)習(xí)過程視頻和實(shí)驗(yàn)結(jié)果提交于平臺(tái)用于記錄實(shí)驗(yàn)成果。通過單次實(shí)驗(yàn)操作,學(xué)生可能未對(duì)實(shí)驗(yàn)流程和儀器操作完全記憶和掌握,平臺(tái)開放多次實(shí)驗(yàn),幫助學(xué)生加深實(shí)習(xí)印象。通過混合增強(qiáng)智能技術(shù)和自主智能技術(shù)支持的在線虛擬實(shí)習(xí)平臺(tái),學(xué)生可以根據(jù)系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)提示和錯(cuò)誤反饋進(jìn)行規(guī)范化實(shí)驗(yàn),深刻領(lǐng)悟各個(gè)實(shí)驗(yàn)流程,正確快速地完成課程實(shí)踐。對(duì)于學(xué)生實(shí)習(xí)中出現(xiàn)的個(gè)性化問題,平臺(tái)可不斷更新存儲(chǔ)問題反饋的數(shù)據(jù)庫,便于為學(xué)生提供更加智能化、個(gè)性化的解決方案。
本文所提出的遙感課程教學(xué)設(shè)計(jì)方案在不同階段借助新一代人工智能技術(shù)中的五大內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)遙感課程教學(xué)方式的大變革,實(shí)現(xiàn)新模式下遙感課程學(xué)習(xí)的目標(biāo)。通過將本設(shè)計(jì)方案融入到高校遙感專業(yè)的課程安排中,有助于提高學(xué)生對(duì)遙感系統(tǒng)和野外實(shí)驗(yàn)的了解與掌握,以達(dá)到將遙感系統(tǒng)過程和野外多場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)融入課堂教學(xué)的目的,促進(jìn)高校遙感科學(xué)與技術(shù)方向人才的科學(xué)培養(yǎng)[9]。
本文通過應(yīng)用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)、跨媒體智能技術(shù)、群體智能技術(shù)、混合增強(qiáng)智能技術(shù)、自主智能系統(tǒng)等技術(shù)賦能遙感專業(yè)課程教學(xué),提出了一種全新的遙感專業(yè)課程教學(xué)改革框架,詳述了教學(xué)前期準(zhǔn)備、開展理論教學(xué)、完成實(shí)踐教學(xué)的具體實(shí)現(xiàn)流程,實(shí)現(xiàn)了新一代人工智能技術(shù)與遙感課程教學(xué)改革的有機(jī)結(jié)合,打破了遙感課堂教學(xué)的壁壘。同時(shí),通過教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)情況監(jiān)督、增強(qiáng)師生互動(dòng)、支持學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)反饋,改變了傳統(tǒng)遙感授課形式單一、教學(xué)互動(dòng)不足的現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)到各位學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)監(jiān)督與指導(dǎo)。在未來開展具體的遙感課程教學(xué)中,還應(yīng)實(shí)時(shí)結(jié)合當(dāng)下遙感領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和需求,及時(shí)修訂遙感專業(yè)課程設(shè)置和維護(hù)虛擬遙感課程學(xué)習(xí)平臺(tái),不斷強(qiáng)化與人工智能技術(shù)的關(guān)聯(lián)從而豐富實(shí)踐環(huán)節(jié),使學(xué)生所學(xué)的知識(shí)與技能可以更好滿足市場(chǎng)需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。各地高校也應(yīng)不斷探索創(chuàng)新遙感專業(yè)課程教學(xué)的新方式,為推動(dòng)人才培養(yǎng)計(jì)劃和遙感技術(shù)持續(xù)發(fā)展和壯大做出更加積極的貢獻(xiàn)。