摘要：本文針對大科學和大數(shù)據(jù)時代遙感技術(shù)發(fā)展的新趨勢進行了分析，新技術(shù)如人工智能的迅速發(fā)展推動了科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，引發(fā)了遙感與人工智能等多學科交叉融合，深刻改變了“遙感地學應(yīng)用”的教學內(nèi)容和教學模式。以“遙感地學分析”課程為例，本文探討了本科教學模式和教學策略的雙重探索。通過遙感學術(shù)前沿導向、跨學科整合和個性化實踐導向的教學模式，引導學生綜合運用多學科知識解決遙感應(yīng)用問題，緊跟遙感科學前沿探索“遙感地學分析”學科交叉的教學內(nèi)容與教學模式。

關(guān)鍵詞：遙感地學應(yīng)用；教學策略；學科交叉

衛(wèi)星遙感技術(shù)在中國經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已逐步走向成熟，主要體現(xiàn)在陸地、氣象和海洋三大遙感衛(wèi)星系統(tǒng)上。在大氣遙感、植被遙感、水環(huán)境遙感、土壤遙感、地質(zhì)遙感以及土地利用與全球變化等多學科交叉領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。陸地遙感衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展迅速，特別是商業(yè)小衛(wèi)星領(lǐng)域。目前，我國共發(fā)射了200多顆地球遙感衛(wèi)星，形成了資源、高分、環(huán)境和小衛(wèi)星4個對地遙感觀測衛(wèi)星系列。中國衛(wèi)星傳感器類型、空間分辨率和重訪周期處于國際先進水平，尤其GF5和ZY102D高光譜遙感衛(wèi)星技術(shù)等處于國際領(lǐng)先地位。經(jīng)過20年發(fā)展，國際上已發(fā)射近100顆民用陸地觀測衛(wèi)星，傳感器的時間、空間和光譜分辨率得到大幅提升。結(jié)合人工智能AI領(lǐng)域的深度學習大數(shù)據(jù)模型對知識的抽取方法，在高分衛(wèi)星和高光譜等多源遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動下發(fā)展了模型驅(qū)動的理論方法，遙感技術(shù)邁向了大科學時代的新階段，而學科交叉融合是大科學時代的前沿課題［1］。

氣象遙感衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展相對成熟，涵蓋極軌和靜止兩大系列衛(wèi)星，能夠探測大氣要素，但衛(wèi)星數(shù)量偏少，傳感器時空分辨率較低，缺乏關(guān)鍵要素如大氣風場的精細探測能力。氣象衛(wèi)星的應(yīng)用場景除了天氣預報，還應(yīng)用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測、大氣碳含量、防災減災和全球生態(tài)氣候領(lǐng)域等。

雖然我國海洋遙感衛(wèi)星系統(tǒng)起步較晚，但我國海洋衛(wèi)星體系已基本建成，星—地系統(tǒng)進入業(yè)務(wù)化運行階段，初步形成了海洋水色、海洋動力環(huán)境衛(wèi)星和海洋監(jiān)視監(jiān)測3大衛(wèi)星格局。面臨海洋衛(wèi)星數(shù)量較少、傳感器觀測要素有限且時空分辨率較低等問題。通過數(shù)據(jù)分析研究發(fā)現(xiàn)，很多海洋現(xiàn)象的變化過程與規(guī)律已經(jīng)在海洋環(huán)境與資源監(jiān)測、海洋災害監(jiān)測、海洋權(quán)益維護、海洋環(huán)境預報與南北極考察、安全保障以及全球氣候變化研究中發(fā)揮了重要作用。

隨著對地觀測系統(tǒng)的日益完善，面向大氣、海洋、陸地、生態(tài)等要素的多尺度、多角度、多光譜、多時相遙感數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長的態(tài)勢，傳統(tǒng)遙感技術(shù)手段遠不能滿足大數(shù)據(jù)應(yīng)用場景的需求。隨著新一代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，云計算、大數(shù)據(jù)、高性能計算等前沿技術(shù)被引入衛(wèi)星遙感領(lǐng)域，使海量遙感信息的高效存儲、準確處理、實時共享成為可能，奠定了遙感商業(yè)化發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。人工智能技術(shù)被引入衛(wèi)星遙感影像處理領(lǐng)域，有效地解決了激增的遙感數(shù)據(jù)、日益增加的應(yīng)用需求以及傳統(tǒng)技術(shù)手段的瓶頸三者之間的矛盾，全方面提升遙感數(shù)據(jù)的自動化處理、分析能力，相關(guān)的技術(shù)已應(yīng)用在包括目標檢測、變化檢測、路網(wǎng)提取、云雪檢測、水體提取、土地利用類型分類、建筑物提取等多個遙感應(yīng)用場景，大幅縮短了遙感影響處理周期，提高圖像處理精度。因此，在學科深度交叉融合的大數(shù)據(jù)時代如何完善“遙感地學分析”的課程的教學內(nèi)容是重要的教學研究課題，對指導高校相關(guān)課程的教學改革實踐具有重要的參考和借鑒意義。

1大數(shù)據(jù)和大科學時代遙感學科發(fā)展的新趨勢

大數(shù)據(jù)技術(shù)的崛起使遙感科學逐漸轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動的科學研究，強調(diào)數(shù)據(jù)處理、分析和挖掘，促進環(huán)境、氣候、資源管理等領(lǐng)域的新科學發(fā)現(xiàn)和合理的解決方案。而大科學時代在智能化深度學習驅(qū)動下，從傳統(tǒng)的手工特征提取走向智能化的深度特征表達，從不完備的樣本信息利用走向更為精準的樣本學習與反饋，從簡單遙感分類任務(wù)走向更為復雜的多源、多類、多場景、多時序應(yīng)用任務(wù)。雖然遙感技術(shù)邁向了數(shù)據(jù)—模型—知識耦合的新階段，但遙感技術(shù)仍然面臨來自數(shù)據(jù)、模型和應(yīng)用層面的挑戰(zhàn)。關(guān)鍵問題包括模型的可解釋性、泛化及遷移能力、跨數(shù)據(jù)—跨場景—跨模態(tài)應(yīng)用水平等。多模態(tài)遙感融合、有效樣本學習策略與模型耦合、非監(jiān)督與監(jiān)督模型組合、高可信和智能化變化檢測服務(wù)、云平臺變化檢測應(yīng)用等將是今后可關(guān)注的重要發(fā)展趨勢。不同平臺和來源的遙感數(shù)據(jù)融合應(yīng)用，提供了更全面、多樣化的信息支持，同時，地球大數(shù)據(jù)背景下的遙感技術(shù)的應(yīng)用逐漸向服務(wù)化轉(zhuǎn)變，因此在“遙感地學分析”教學改革與實踐中需要更多關(guān)注遙感學科的前沿問題［2］。隨著對地觀測系統(tǒng)的不斷完善，大氣、海洋、陸地和生態(tài)等多個要素的遙感數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長的趨勢。圍繞社會發(fā)展需求和新興技術(shù)，“遙感地學分析”授課內(nèi)容應(yīng)該把握住這種趨勢，傳統(tǒng)的遙感技術(shù)已無法滿足如此龐大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用需求，但新一代信息技術(shù)的發(fā)展為遙感商業(yè)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，包括云計算、大數(shù)據(jù)和高性能計算等。先進技術(shù)的引入使海量遙感數(shù)據(jù)的高效存儲、準確處理和實時共享成為可能，人工智能技術(shù)的應(yīng)用進一步提升了遙感數(shù)據(jù)的自動化處理和分析能力，使得學科之間得到深度交叉融合，對遙感專業(yè)學生的培養(yǎng)需要兼顧多學科知識和綜合能力［3］。大數(shù)據(jù)和大科學的發(fā)展催生了數(shù)字化思維、分布式認知、虛擬空間知識傳播方式和人際交往方式，將導致人才培養(yǎng)理念、方式和治理體系的系統(tǒng)性變革，高等教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型勢在必行。

2學科交叉深刻改變了“遙感地學分析”的授課內(nèi)容

遙感科學與技術(shù)專業(yè)是空間科學、地球科學、測繪科學、計算機科學、信息科學等學科交叉融合的新型專業(yè)，學科交叉深刻改變了遙感教學的范式，注重培養(yǎng)學生前沿工程實踐能力，要求學生了解社會上正在開展的遙感重大專項和前沿的遙感專業(yè)知識［4］。地球科學的核心任務(wù)是理解和揭示地球的基本規(guī)律，而遙感地學應(yīng)用通過運用遙感技術(shù)，為我們深入探索地球資源的可持續(xù)利用、災害管理和環(huán)境保護提供了理論基礎(chǔ)、前沿認知和科學依據(jù)。遙感技術(shù)作為一門綜合性的對地觀測技術(shù)，在我國迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。“遙感地學分析”課程設(shè)置為理論部分和上機實驗兩大模塊。在理論部分，學生將通過學習植被遙感和土壤遙感等內(nèi)容，掌握幾個經(jīng)典的植被指數(shù)，以便快速上手，并對遙感地學分析有一個直觀的了解。同時，在大氣遙感部分，理論與實踐相結(jié)合，學生將培養(yǎng)動手實測和目視解譯等綜合能力。在上機實驗中，學生將進行“水色遙感”“城市遙感”和“地質(zhì)遙感”等課程，重點培養(yǎng)團隊協(xié)作能力。這樣的課程設(shè)計旨在確保學生對地學分析對象的特征、典型分析方法有全面理解。他們將能夠深入理解遙感正反演模型、定量遙感的概念關(guān)鍵問題，并通過運用遙感軟件實現(xiàn)對地學前沿應(yīng)用案例的基本流程化操作，初步具備遙感地學分析能力。然而，傳統(tǒng)的教學模式往往過于側(cè)重基礎(chǔ)理論知識，導致前沿技術(shù)介紹不足。因此，我們提出了一種以前沿地球科學問題為導向的“遙感地學分析”教學改革方法。我們將引入前沿的遙感地學應(yīng)用的實踐案例，幫助學生深入理解地球科學的基本規(guī)律，通過虛擬現(xiàn)實和人工智能等技術(shù)加深學生對遙感技術(shù)在資源利用、災害管理和環(huán)境保護等方面的認識。通過學習遙感地學分析的方法和技術(shù)，學生不僅可以掌握地學數(shù)據(jù)處理和分析的基本工具，還能夠培養(yǎng)科學思維和創(chuàng)新能力。同時，他們了解到地球資源可持續(xù)利用和環(huán)境保護的重要性，培養(yǎng)面向未來的創(chuàng)新能力，為學生的未來研究和職業(yè)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。在課程設(shè)計中，我們將結(jié)合實踐案例和教學資源，引導學生進行遙感數(shù)據(jù)處理和分析的實際操作，提高他們的實踐能力和綜合素質(zhì)，在新的教育生態(tài)系統(tǒng)中，建設(shè)終身學習型理念。

3遙感基礎(chǔ)理論與學科交叉在“遙感地學分析”課程實踐中的探索

遙感地學是一門交叉學科，結(jié)合了遙感技術(shù)和地學知識，旨在利用遙感數(shù)據(jù)來研究地球表面的各種現(xiàn)象和過程。遙感技術(shù)提供了獲取地球表面信息的手段，而地學知識則幫助解釋和分析這些信息［5］。在地理科學學科中，我們運用數(shù)學、物理、化學、生物和信息科學等理論、方法和技術(shù)，致力于研究地表過程。作為重要的交叉學科，應(yīng)聚焦于國家重大需求，如“生態(tài)文明建設(shè)”“一帶一路”“鄉(xiāng)村振興”和“國土空間規(guī)劃”，展開前沿交叉研究。通過遙感地學，我們能夠更好地了解地球表面的動態(tài)變化、自然資源的分布和利用，以及環(huán)境變化的影響。我們的研究對于環(huán)境保護、資源管理和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，為相關(guān)領(lǐng)域提供科學依據(jù)和決策支持。

遙感技術(shù)也是地球科學與其他學科間交叉和滲透融合的重要的環(huán)節(jié)，例如，遙感技術(shù)與計算機學科的交叉應(yīng)用是一種有趣且有前景的領(lǐng)域。遙感技術(shù)產(chǎn)生了大量的遙感數(shù)據(jù)，而計算機學科可以提供強大的工具和方法來處理和分析這些數(shù)據(jù)。在遙感與計算機學科的交叉應(yīng)用中，計算機科學的算法和技術(shù)可以用于遙感數(shù)據(jù)的處理和解析。例如，圖像處理算法可以用于預處理遙感圖像，提取特征和分類地物；機器學習和人工智能技術(shù)可以用于遙感數(shù)據(jù)的自動分類和識別，以及地物變化的監(jiān)測和預測。此外，計算機圖形學和可視化技術(shù)可以用于將遙感數(shù)據(jù)可視化為地圖或三維GIS模型，從而更直觀地理解地球表面的特征和變化。另外，計算機學科的發(fā)展也為遙感技術(shù)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)［6］。例如，云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)可以用于存儲和處理海量的遙感數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)分析和共享，物聯(lián)網(wǎng)和無人機技術(shù)的發(fā)展也為遙感數(shù)據(jù)的采集和實時監(jiān)測提供了新的途徑。通過遙感與計算機學科的交叉應(yīng)用，我們可以更有效地處理和分析遙感數(shù)據(jù)，從而提取有用的地理信息和知識。

在本科生教學中，探索遙感與計算機科學交叉學科是一種拓寬知識領(lǐng)域、提升綜合能力的重要方式。授課內(nèi)容設(shè)計方面涵蓋了測繪、遙感、地理信息、地質(zhì)、環(huán)境、生態(tài)、計算機、空間信息等相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域。了解學科基礎(chǔ)知識、尋找學科聯(lián)系、選修相關(guān)課程、尋求導師指導、參加學術(shù)活動都是探索交叉學科的有效途徑。通過積極探索，能夠培養(yǎng)具有綜合能力和創(chuàng)新思維的大學生，為未來的學習和職業(yè)發(fā)展打開更廣闊的機遇。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的高等教育階段，貫穿遙感地學分析的教學內(nèi)容，將碎片化的知識借助互聯(lián)網(wǎng)AI助教系統(tǒng)與教師協(xié)同教學，形成課程、學科、專業(yè)知識圖譜，優(yōu)化知識表達，讓學生真正聽得懂。同時在時空場景融入虛擬空間的混合教學模式，打破傳統(tǒng)的線下教學受到地點的限制。

這門課程旨在為學生提供一個跨學科的學習平臺，通過課程學習，學生將能夠拓展他們的學科視野，深入了解專業(yè)人才培養(yǎng)的特點，并掌握現(xiàn)代信息技術(shù)在地球資源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用及面臨的挑戰(zhàn)。圍繞以下課程目標培養(yǎng)學生：深入了解地學分析對象的特點及綜合分析的典型方法，以全面把握地球資源與環(huán)境領(lǐng)域的復雜性。理解遙感正演、反演模型以及定量遙感的概念與關(guān)鍵問題，為應(yīng)對地學數(shù)據(jù)的處理與解釋提供堅實基礎(chǔ)。通過遙感軟件的實際操作，學習地學前沿應(yīng)用案例的基本流程，初步具備遙感地學分析能力，為未來的研究與實踐奠定基礎(chǔ)。本課程采用綜合運用課堂講授、專題討論和實驗相結(jié)合的教學方式，注重啟發(fā)式和互動式教學方法。通過豐富的實際案例進行案例教學，使學生能夠更深入地理解理論知識，并將其應(yīng)用于實際情境中同時更專注于學生的學習體驗和技能培養(yǎng)，更能明確地表達遙感地學分析該門課程的目標和意義。

4如何應(yīng)對大科學時代挑戰(zhàn)：遙感前沿與遙感地學應(yīng)用課程教學創(chuàng)新

專家王家耀指出，在當前大科學時代，交叉學科的迅速發(fā)展對教師的能力提出了更高的要求。為了培養(yǎng)適應(yīng)這一時代需求的人才，我們必須具備前瞻性的思維，這意味著教師需要擁有高度的創(chuàng)新思維能力以及積極的主動性、創(chuàng)造性和自主學習能力［7］。他強調(diào)，要解決人才培養(yǎng)問題，教師首先需要進行自我“鍍”，才能夠從根本和基礎(chǔ)層面著手。在這種背景下，遙感技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為重要和廣泛。遙感影像如同地球照片，真實地展現(xiàn)了地球表面物體的形狀、大小、紋理與光譜等差異。通過信息處理與挖掘，不同的信息差異可以展現(xiàn)出與地球表面各類自然現(xiàn)象及人類活動等息息相關(guān)的深層次內(nèi)容。

因此，為了更好地應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，教師需要進行學情分析，解決教學痛點問題，設(shè)定清晰的教與學目標。同時，加強各學科之間的融合，深入理解學科知識的陳述與理解，注重實際工程問題的解決，并強調(diào)課程考核評價的重要性。教師還需要深入了解學生的心理特點、掌握程度、個性差異和學習方法，以及可能遇到的問題，從而做出更加全面的分析。

在教育理念上，我們需要拓展視野，強化學科交叉融合，形成理論與實踐、課內(nèi)與課外、線上與線下、專業(yè)與前沿的四維深度融合課堂。在課程設(shè)計中，目標是讓所有學生都能參與其中。例如，在“遙感地學分析”的授課中，可以先進行思維導圖知識框架的構(gòu)建，使課堂具有科學性；通過問題導入模式激發(fā)學生的興趣，并與學生互動以提高他們的參與度；在課外，注重理念與理論方法的合理創(chuàng)新，以強化學生的創(chuàng)新能力。

結(jié)語

“遙感地學分析”授課內(nèi)容在遙感科學前沿指引下，可以相應(yīng)地引入遙感地學應(yīng)用的最新案例和工程實踐，以幫助學生深入理解地球科學的基本規(guī)律，掌握大科學時代發(fā)展所需的大數(shù)據(jù)處理的知識和技術(shù)。通過學習前沿的遙感地學分析的方法和技術(shù)，學生不僅能夠培養(yǎng)科學思維和創(chuàng)新能力，還可以掌握今后工作中所需的地學數(shù)據(jù)處理和分析的基本工具，為未來的研究和職業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。因此，在課程設(shè)計中，我們可以結(jié)合實踐案例和教學資源，引導學生進行遙感數(shù)據(jù)處理和分析的實際操作，以提高他們的實踐能力和綜合素質(zhì)。同時，我們也應(yīng)注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和團隊合作精神，鼓勵他們在遙感地學應(yīng)用領(lǐng)域進行創(chuàng)新研究。

參考文獻：

［1］《學術(shù)前沿》編者.學科交叉融合：大科學時代的前沿課題［J］.人民論壇·學術(shù)前沿，2023（21）：4.

［2］李海星.地球大數(shù)據(jù)背景下“遙感地學分析”教學改革與實踐［J］.科技風，2023（31）：101103.

［3］盧賓賓，張鵬林，李建松，等.學科交叉背景下地理國情監(jiān)測專業(yè)學生綜合能力培養(yǎng)與提升［J］.測繪地理信息，2022，47（S1）：1113.

［4］張利平，張玉娟，劉江.新工科背景下遙感綜合應(yīng)用實習課程改革［J］.測繪與空間地理信息，2023，46（09）：2830.

［5］李小文.遙感科學與定量遙感［J］.地理教育，2010（Z2）：1.

［6］賴積保，康旭東，魯續(xù)坤，等.新一代人工智能驅(qū)動的陸地觀測衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)綜述［J］.遙感學報，2022，26（08）：15301546.

［7］關(guān)曉晴.人工智能開啟地圖學新時代——王家耀院士談地圖制圖與地理信息技術(shù)發(fā)展［J］.中國測繪，2023（11）：3639.

基金項目：江蘇省高等教育教學改革研究課題（編號：2023JSJG413）；南京工業(yè)大學高等教育教學改革研究課題（編號：20230007）

作者簡介：朱婷婷（1988—），女，漢族，江蘇連云港人，博士，講師，主要研究方向為遙感地學應(yīng)用。