新一代AI下的遥感专业课程教学方式变革探索★

张广运，张荣庭

(南京工业大学测绘科学与技术学院,江苏 南京 211816)

0 引言

遥感科学与技术作为现代地理学发展的重要组成部分,其专业具有很强的实践性和操作性。遥感技术目前已被广泛应用于农业、测绘、地学研究等各大领域,具有极高的实用价值。培养具有遥感专业知识、实践能力和团队合作意识的人才已成为遥感专业教育的重要目标之一。然而,由于硬件设备与实践成本的限制,当前遥感专业的教学方式主要以理论教学为主,遥感专业知识与遥感技术应用在专业培养中未形成良好体系,理论知识的学习与实践生产应用结合不够紧密,学生在实践中应用遥感技术解决问题的能力有待进一步提高。新一代人工智能技术的不断发展和跨领域应用推动了传统工业、农业生产方式的大变革,全人类的生活和发展需要与时俱进,适应未来人工智能和智慧地球的新环境。2022年国务院印发的《新一代人工智能发展规划》明确指出,要利用智能技术加快人才培养模式、教学方案改革,标志着我国将利用人工智能技术培养各界优秀人才上升为国家战略。遥感科学与技术是一门研究遥感技术、电子技术、计算机科学与技术等方面的综合信息类学科,以广大学生为中心,利用新一代人工智能技术思考改进遥感课程的教学方式、丰富学生对专业知识的学习内容并培养创新能力是当代教学改革的重要研究方向。因此,利用新一代人工智能技术赋能传统遥感课程教学的课前准备、课程教学和课程实习的各个环节,可以改变目前传统教学的教学内容单一、师生互动不足、实习条件受限的现状,使学生能够利用多媒体平台实现高效学习,以具备准确高效利用遥感技术解决传统遥感科学研究应用中的各类难题的能力,培养满足遥感专业人才培养计划的、具有尖端实践技能和创新性思维的高素质人才。

遥感科学与技术是3S空间信息技术中极具特色的一个分支,涉及的专业知识涵盖多个学科,研究内容抽象且内在逻辑紧密。当前,国内多所综合型高校均有开设遥感相关专业,培养方式主要包括课程理论教学与课程实践实习两大部分。然而,不同地区的高校人才培养侧重方向不同,专业开设时间及其发展状况参差不齐,师资力量与配套软硬件设备分布不均,难以实现学生对遥感专业系列课程理论体系的宏观构建和适应培养新时代的专业型技术人才。在新一代人工智能时代,遥感专业课程教学在教学资源、教学模式和教学内容方面面临着巨大挑战:1)教学资源方面:传统教学资源难以全面覆盖如此丰富的遥感专业背景知识和遥感系统实验的各个环节,自行搭建开发从平台到硬件再到软件的完整遥感系统的方案可行性不足。传统野外实习不仅受限于存在潜在危险的外界自然环境,也存在野外仪器价格昂贵等一系列问题;2)教学模式方面:目前地方高校多采用多媒体设备教学为主,有限范围内课程实践为辅的教学模式,较少涉及启发式与探究式的教学方法;3)教学内容方面:当前国内遥感课程的知识体系不尽完善,教学内容陈旧,没有与时俱进地与国际该领域最新动态发展现状看齐。

为此,本文利用新一代人工智能技术赋能传统遥感专业课程教学,提出了全新的遥感教学改革方式与实践框架。应用大数据智能技术完成课前教学准备工作,充实遥感课程教学内容;通过跨媒体智能技术和群体智能技术进行理论教学工作,实现多媒体式教学,使学生在交互式学习的过程中深刻理解理论知识;使用混合增强智能技术和自主智能系统新技术实现虚拟场景下的遥感实习,摆脱传统实习课程中人员、设备、环境等的诸多限制。通过五大技术将遥感系统理论知识与遥感工程实践流程深度融合于高等教育遥感专业课堂教学中,可极大地扩展学生的思路和对遥感学科的认识,提高学生对遥感知识的深刻理解,有效地实现良好的课堂教学成效。

1 人工智能技术赋能遥感专业教学过程的国内外研究现状

遥感科学与技术作为现代3S技术的重要分支,是在多学科基础上发展起来的新学科、新技术。作为引领新一轮科技革命和产业革命的重要推动力,人工智能技术为遥感课程教学教育的现代化提供了更多可能性[1]。随着国家新一代人工智能规划的发布,各行业都在开展新一代人工智能技术与行业的融合规划,教育行业也不例外。早在1970年,Carbonell就已提出智能型计算机辅助教学(ICAI)的构想,以期通过人工智能科学、认知科学和思维科学为理论基础,构建计算机辅助教学的应用模式。从历史发展变化进程来看,人工智能与教育在50年间相互促进、相互融合,呈现螺旋式上升发展态势[2]。

2017年,教育部发布了新一代人工智能在教育系统中应用的专项规划与智能教育战略研究。国家新一代人工智能规划中提出的主要技术方向包括大数据智能技术、跨媒体智能技术、群体智能技术、混合增强智能技术和自主智能系统五个方面。该规划的目标是:以推动人工智能技术持续创新和与经济社会深度融合为主线,按照并跑、领跑两步走战略,围绕五大方向持续攻关。从基础理论、支撑体系、关键技术、创新应用四个层面构筑知识群、技术群和产品群的生态环境,抢占人工智能技术制高点,妥善应对可能带来的新问题和新挑战,促进大众创业万众创新,使人工智能成为智能经济社会发展的强大引擎。如何应用这五个方面的技术来改进目前高等教育的遥感专业教学效果,目前基本尚处于探索的阶段。

具体到遥感专业课程教学改革方面,目前高校的教学模式基本沿用遥感专业教科书讲授加课程校内实习的传统模式[3],学生们只能了解到遥感平台(卫星、飞机等)、传感器和遥感地面数据接收系统等环节的文字描述信息与遥感数据处理的教学视频,课程实习也只能接触到极为有限的自然场景下的仪器操作和数据采集过程。因此,迫切需要开展如何应用新一代的五大智能技术和先进的教学平台互动系统来改造和扩展目前遥感专业课程教学流程,使得学生能够在专业学习的广度和深度上取得质的提升[4]。

2022年12月,由中华人民共和国教育部、中国联合国教科文组织全国委员会与联合国教科文组织共同主办了以“引导人工智能赋能教师,引领教学智能升级”为主题的国际人工智能与教育会议,指出要加强数字教育资源的建设分享,推进数字教育实践的交流借鉴,更好地适应数字时代教育发展新需求。为改变传统遥感教学中出现的应用与实践不足的问题,薛永安等提出采用视频讲授、在线测试、云端答疑等方式的线上教学辅助传统教学方式[5];李映红等结合大数据智能技术设计生物信息学的课程教学内容,以便学生在有限课时的讲授下掌握核心的理论知识[6]。在目前的遥感课程教学中,理论课主要讲解遥感原理、遥感数据处理、遥感应用等基础知识,强调概念的理解和认知,实验课则通过操作基础遥感软件,处理不同类型的遥感数据,完成实际应用小型案例等方式,让学生深入了解遥感技术的核心应用。但当前遥感专业的教学课程教材陈旧,无法囊括日新月异的遥感新知识新技术;受限于教师有限的精力和传统授课方式的局限性,学生难以在个人学习问题中得到及时有效的解答;课程野外实习成本高昂,有时难配备符合实验要求的外部条件,使得遥感实习教学实施困难重重。因此,应用五大智能技术赋能遥感教学的全过程,改变遥感教学存在的种种问题现状是新时代遥感教学改革的重要方向。

高校是科技第一生产力、人才第一资源、创新第一动力的结合点,利用五大人工智能技术协同各专业领域的教学改革和创新发展,培养大批专业型人才是高校教学改革的重要方向[7]。现今,新一代人工智能在全球蓬勃发展,利用五大智能技术打造高质量、个性化的互动性教育教学模式,使得学生不仅可以通过线下课堂教学获取知识,还可以通过学习平台在线上随时针对性学习,在与师生互动、人机互动中实现对专业知识与实践的全方位、系统化理解。人工智能技术赋能于遥感,不仅推动了遥感数据解译、处理、分析等遥感专业技术领域的大变革,还推动了教学方式的丰富与大改革,为我国高校培养一批优秀的遥感专业人才提供了强大支撑。遥感课程改革应紧紧抓住新一代人工智能发展的机遇,积极发掘五大智能技术的教学应用点并将其应用于遥感教学的全过程中,把握科学研究前沿方向的高质量遥感专业培养方式,在人工智能技术的支撑下提升教学效果和教学质量。

2 遥感专业课程教学方式变革探讨

应用新一代人工智能技术改进高等教育中的各个环节是目前我国主推的方向。由于遥感专业培养方案注重学生理解和掌握多个学科的相关知识并具备工程实践能力,利用大数据智能技术、跨媒体智能技术、混合增强智能技术、自主智能系统新技术等在虚拟环境中复制和再现遥感系统,摆脱传统教学中存在的人员、经费等限制,拓展学生的知识广度和深度,辅助学生真正掌握从遥感平台、硬件、数据系统到应用的各个环节。在新一代人工智能技术的支撑下,本文提出了如图1所示的遥感专业课程教学过程改革框架。

为实现利用新一代人工智能技术改革高校遥感课程教学的目标,构建遥感专业培养的理论教学与实践教学的完整体系,本文将按照充实遥感课程教学内容、改进遥感课程理论教学、设计遥感课程虚拟野外实践三大模块,对遥感课程教学系统化。

1)充实遥感课程教学内容:遥感科学与技术融合了地球科学、物理学、光学、电子工程、计算机科学、地理信息系统等多个学科的理论和方法研究与应用遥感技术获取地球表面信息,是一门综合性很强的交叉学科。利用大数据智能技术改进教学内容、提升教学质量、制定教学计划,以期培养学生具备遥感科学与技术的理论知识和实践技能,是本教学改革框架的首要环节。

应用大数据智能技术改革遥感教学内容,可以为教师提供全面的教学计划和多样化的教学方式,借助教学平台,教师可随时更新前沿的教学资源、开展虚拟实践,能深入了解每个学生的学习特点、学习进度和困难点,帮助教师更好地了解学生的学习需求、准确和全面地构建学生画像,并针对性地对每个学生的学习情况进行分析,充实遥感课程教学内容的总体框架,具体内容如下:学生数据采集与分析→制定个性化教学计划→智能评估反馈与在线学习平台→课程教学内容优化。

在教学内容方面,应根据遥感专业培养方案收集各类教学资源,实现个性化、智能化和数据驱动的教学,提高学生学习的效率和满意度,同时帮助教师优化教学内容和教学方法,实现教学的不断优化和创新。应用大数据智能技术制定教学计划实现学习效果精准评估,从而提高课程教学效果和学生学习体验。首先采集学生学习数据,应用大数据分析技术对学生的学习情况和课程教学内容分析从而制定个性化教学计划,同时通过智能评估系统和在线学习平台为学生提供学习支持与评估反馈,支持个性化的学习记录、问题反馈和解决方案。在整个教学过程中,教师充当指导者和引导者的角色,引导学生理解遥感科学与技术的概念、原理和应用,并鼓励学生在掌握课程知识的基础上进行实践和创新。此外,根据规划好的教学方式和实习方案实施遥感课程教学,并在课程结束时及时收集专家评估和学生反馈,以便于充分了解改革后教学体系的教学效果以及学生对于专业课程的学习效果,以便进一步优化教学内容和方法。下面以《遥感数字图像处理》课程为例介绍大数据智能技术赋能教学准备的过程[8]。

《遥感数字图像处理》是遥感科学与技术专业的核心课程之一,主要涉及遥感图像获取、处理和分析的基本理论与方法。作为遥感专业最为重要的专业课程之一,涉及丰富的专有名词、图像解译和处理的多种手段,涵盖从遥感图像预处理、增强、分类、变换到特征提取和目标检测等方面的知识,课程学习难度偏大,学习要求较高。在制定该课程教学计划时,教师可预先收集往年学生在课程学习中的学习数据和反馈信息,包括学习行为、学习进度、作业成绩、在线测验结果等,以便教师根据章节内容重难点调整整体教学课时安排,了解学生学习薄弱点,如在学习数字图像增强、滤波和分类等处理技术时,学生往往难以深刻理解抽象的概念与相关实验操作原理,在教学中应予以侧重。通过大数据智能技术对已有的数字图像处理课程学习数据挖掘分析,根据该课程的学习特点和学生的学习兴趣、学习风格和知识掌握情况逐步完成教学计划。针对课程中庞大繁杂的知识内容,教师要发现学生的学习差异并提供不同的教学资源和学习路径,包括课程线上学习视频、在线问答社区等帮助学生更高效地学习遥感知识,为学生提供个性化指导。通过基于大数据智能的在线学习平台,为学生提供全天候的学习支持和资源,不仅可以提供学习材料和视频课程,还可以通过数据分析为学生推送相关遥感图像处理技术和方法,从而增强学生的学习兴趣和参与度。通过数据驱动的学习推荐系统,推送符合学生兴趣和学习进度的内容,增强学习动力。最后,教师可利用大数据分析结果智能评估系统,对学生的学习表现进行评估和反馈,并根据系统的反馈结果调整教学策略和资源,帮助学生克服学习难点。结合大数据智能的课程实时分析结果和遥感领域的最新进展,及时更新教学内容,保持教学内容的实用性,分析学生群体的学习特点和需求,为教师提供有针对性的教学建议和辅导,提高教学效果。

2)改进遥感课程理论教学:跨媒体技术是指利用多种媒体形式(如文字、图像、音频、视频等)对教学内容进行信息呈现和传播的技术,它强调通过不同的媒体形式将内容进行跨越式的拓展和延伸,以丰富学生的体验和参与度。通过跨媒体技术将遥感教学内容进行多媒体化展示,将抽象的遥感概念和原理呈现出来,使学生更易于理解和掌握。跨媒体技术可以增强学生的学习兴趣,提高学习的互动性和趣味性,从而增强学生的学习动力。而群体智能技术通过对群体中个体的协同和互动进行分析和优化,从而实现更智能、高效的决策和问题解决的技术。群体智能技术可以根据学生的学习数据和行为,对学生的学习特点和需求进行分析和挖掘。基于学习数据的分析结果,可以为教师提供个性化的教学建议和辅导并针对学生的学习差异制定不同的教学策略。利用平台推送符合学生兴趣和学习进度的内容,可以帮助学生更有针对性地学习遥感知识。这两大技术可在遥感教学中提供多媒体呈现、交互式学习、个性化学习、协同学习、社交学习和反馈等功能,提升遥感课程的理论教学效果和学生的学习体验。

如图2所示,本文搭建师生平台互动框架以实施具体理论教学。教师以教学平台为媒介为学生线上授课并实时分享多媒体教学资源,帮助学生全面学习最新专业课程知识;平台在教学开展过程中会根据每位学生的学习表现自动生成学生画像,便于教师随时了解学生情况,在平台辅助下根据学生的实时问题反馈提供个性化学习指导;在理论课程教学结束后,学生可在学习评价模块根据自身的学习体验给出评价和建议,帮助教师及时记录整体教学环节中的优点和不足,以便于反馈改进专业课程的整体教学计划。通过理论课堂教学新模式,学生能更好地理解和应用遥感理论知识,同时促进学生的主动参与和深入思考,提高教学效果和学习成果。例如在开展《遥感数字图像处理》理论教学的过程中,教师利用前期制定的教学内容和计划,在课程开始前利用平台动态构建课程整体框架,应用课程PPT、在线学习视频以及相关实践应用案例对各章节内容进行信息呈现,采用线下教学与线上多媒体学习资料并行的模式进行授课,帮助学生更加深刻地理解课程最新知识。创建交互式在线学习社区对学生的学习问题和学习情况进行实时监控,保存每位学生的学习记录与问题反馈,随时针对学生提出的图像增强处理方式、上机实验代码编写等个性化问题予以在线互动指导支持,并根据学生的个体学习特点构建学生画像,及时提供学习建议和相关学习资料个性化推送。

3)遥感课程虚拟野外实践:随着混合增强智能技术与自主智能系统的飞速发展,利用计算机平台的三维建模技术和混合增强现实技术可创造出逼真的野外环境,采取遥感课程教学与虚拟野外实习相结合的教学模式是高校实践教学改革的新方向。实践课在遥感专业教学中起着举足轻重的作用,利用混合增强三维场景平台开展一系列的教学实习任务,加强实践互动、拓展学生视野、培养学生兴趣,可巩固课堂理论学习的内容,加深学生对于专业课程的理解与思考。

与传统实习相比,通过在线学习平台进行虚拟实践无需应对复杂的外部环境条件,能够在混合增强环境中进行不同实习内容要求下的实践应用,减少了实地实习所需的经济成本。在实验中,平台支持不受时间限制多次重复实验操作,为学生提供了更加友好的实习体验,使学生能深度体会遥感实验的技术流程。实习任务完成后,学生还可以自主利用虚拟实习平台对采集的数据进行质量评估,分析数据的准确性和一致性,并由平台给出相应的评估结果和建议,帮助提高实习质量。通过混合增强现实,学生可在虚拟环境中根据教学需求自定义实验设置和场景更改,调整环境参数和条件,观察不同影响因素下对实验的多种结果。这种线上互动的实习模式既摆脱了传统遥感实习的资源环境限制,又可帮助学生随时与任课教师互动反馈、提高学生对专业知识的学习兴趣,从而加深学生对遥感知识的理解和掌握,达到良好的学习效果。

遥感实习改革方案具体的虚拟实验流程如图3所示。混合增强实践平台为各类遥感实习提供相关场景与环境支持,可根据实践需求设置相关环境参数和虚拟场景;平台在模拟野外实践操作中为学生提供详细指导,教师实时解决学生的个性化问题,引领学生成果完成野外实习任务;实习作业完成后,平台对实习数据结果进行分析与评价,将评估结果输出并针对实验流程中存在的问题给予问题解决方案,便于指导学生及时发现并改正错误,成功完成实践;实习结束后,平台提供虚拟实习评价与反馈模块,邀请师生互动双评,将评价结果总结输出,以期为教师设置后续实习工作提供可行性指导。例如在遥感测量的实习任务中,学生首先进入指定混合增强技术支持的实践平台即可置身于野外环境中,沉浸式体验真实场景。根据平台提示,学生将实习主题、地点定位、测量仪器安置等输入映射至混合增强环境中,并依据测量范围和精度要求切换场景区域,根据平台提供的实习仪器选择建议和介绍选择测量工具,仔细阅读对应仪器的操作使用说明和规范。测量时在虚拟环境中操作仪器读取测量数据,由平台实时监控测量步骤以及仪器操作的规范性,通过显示屏和语音播报及时对实习过程中的问题与操作建议予以反馈,帮助学生掌握完整的测量仪器操作流程。读取仪器数据之后,学生在记录页面根据平台提供的数据记录表格实时记录测量数据,同时平台提供数据计算、记录的相关错误提示,帮助学生迅速按要求完成测量数据记录。切换测量控制点时,平台的智能导航和路径规划功能可帮助学生在混合增强野外环境中进行导航和定位,从而避免因测量路线错误造成的实习返工。测量结束时,学生在实验结果精度检验页面输入测量限差计算公式对实验数据进行检查,看其是否满足精度要求,随后保存实习过程视频和实验结果提交于平台用于记录实验成果。通过单次实验操作,学生可能未对实验流程和仪器操作完全记忆和掌握,平台开放多次实验,帮助学生加深实习印象。通过混合增强智能技术和自主智能技术支持的在线虚拟实习平台,学生可以根据系统提供的实时提示和错误反馈进行规范化实验,深刻领悟各个实验流程,正确快速地完成课程实践。对于学生实习中出现的个性化问题,平台可不断更新存储问题反馈的数据库,便于为学生提供更加智能化、个性化的解决方案。

本文所提出的遥感课程教学设计方案在不同阶段借助新一代人工智能技术中的五大内容,实现遥感课程教学方式的大变革,实现新模式下遥感课程学习的目标。通过将本设计方案融入到高校遥感专业的课程安排中,有助于提高学生对遥感系统和野外实验的了解与掌握,以达到将遥感系统过程和野外多场景实验融入课堂教学的目的,促进高校遥感科学与技术方向人才的科学培养[9]。

3 结论

本文通过应用大数据智能技术、跨媒体智能技术、群体智能技术、混合增强智能技术、自主智能系统等技术赋能遥感专业课程教学,提出了一种全新的遥感专业课程教学改革框架,详述了教学前期准备、开展理论教学、完成实践教学的具体实现流程,实现了新一代人工智能技术与遥感课程教学改革的有机结合,打破了遥感课堂教学的壁垒。同时,通过教学平台实现学生学习情况监督、增强师生互动、支持学习成果评价反馈,改变了传统遥感授课形式单一、教学互动不足的现状,实现了精准到各位学生的个性化学习监督与指导。在未来开展具体的遥感课程教学中,还应实时结合当下遥感领域的发展趋势和需求,及时修订遥感专业课程设置和维护虚拟遥感课程学习平台,不断强化与人工智能技术的关联从而丰富实践环节,使学生所学的知识与技能可以更好满足市场需求和产业发展。各地高校也应不断探索创新遥感专业课程教学的新方式,为推动人才培养计划和遥感技术持续发展和壮大做出更加积极的贡献。