基于CDIO模式将GEE平台引入遥感实验的探讨

蒋艳玲，夏既胜

（1.云南大学地球科学学院，云南 昆明 650500）

遥感作为空间信息科学和动态监测的核心技术之一，其信息采集与更新的技术手段已被广泛应用于社会的各个领域[1-2]。高职院校测绘与地理信息相关专业开设遥感技术应用课程不仅能帮助学生掌握遥感基础理论与技术方法，也能训练学生实践操作的技能，学会分析和处理地学问题，以期为后续专业课的学习、实训课的开展服务。在遥感技术应用实验课程的整个教学过程中会运用到诸如地理、计算机、数学、物理等跨学科跨领域的知识，所涉及的技术范围较广泛。传统的遥感分析软件很难在短时间内完成大尺度、大数量的数据处理工作，软件崩溃、卡死等情况时有发生，与之相比GEE云计算平台可以有效解决这些问题，作为新兴的遥感数据处理平台，它为研究和解决地学问题注入了新力量[3]。

1 CDIO教学模式

CDIO教学模式由构思（conceive）、设计（design）、实现（implement）和运作（operate）4个部分组成，是二十一世纪初由麻省理工学院等多所高等学府组成的跨国研究组织探索出来的国际高等工程教育改革的最新成果[4-5]。该模式已成为高等工程教育模式之一，学生在该模式要求下进行跨学科跨领域实践，通过分工合作，进行有效沟通，运用跨学科的方法来解决实际问题，将科学探究与工程技术、数学艺术与遥感技术有效衔接、融合贯通，从中培养学生的创新思维、操作技能、团队协作意识和处理实际问题的能力，以提升其专业水平和综合素养，满足自身和社会的需求。

CDIO模式的思想是“做中学”和“学中做”，是基于项目的教学[6]，也是理论联系实际的典范。其中：构思（conceive）包括分析问题，归纳需求，在考虑现有的技术规范的基础上构思合适的解决方案；设计（design）是将构思方案具体化，设计和完善工程、图纸和计划等的各种细节；实现（implement）是将已有的构思和设计付诸实现的过程，包括产品的生产、测试和修正；运行（operate）即产品的使用、评估和反馈，通过对产品性能的评估来验证设计的有效性，并根据反馈结果对其进行修缮和淘汰[7-8]。

因此，本文在CDIO教学模式的指导下，以高职学校遥感技术应用课程中的实验——监督分类教学为例，在教学过程中引入GEE云计算平台作为遥感数据获取和处理平台，设计开展一堂以学生兴趣为驱动力的实践教学课程，并对实际教学效果进行分析和讨论，以期转换传统教学模式，培养学生的学习兴趣和地理分析能力，并为相关专业实验教学活动的开展提供一些思路。

2 GEE云计算平台

谷歌地球引擎（google earth engine，GEE)云计算平台拥有海量卫星遥感影像和多源地理空间数据集，可进行实时处理和多尺度分析。它拥有简单且功能强大的应用程序接口（application programming interface，API），支持Python和JavaScript编程语言，使用基于Web的代码编辑器，可以快速访问PB数量级别的数据，进行快速、交互式的开发[9-11]。此外，它还降低了用户的使用门槛，使得新型遥感平台更加广泛地应用于教学之中[12-13]。

本文选择GEE平台作为数据处理和分析平台，该平台免费服务大众，人机交互可视化效果良好，遥感数据等资源存储于云端数据库，用户不需在本地安装专业软件，直接访问GEE云计算平台即可获取所需数据，访问其API即可在线对数据进行处理和分析。这种“即取即用，按需服务”的方式使得教师能够实时获取和应用云端资源，结合实际问题进行相关的地理空间分析等操作，有效完成课程相关内容的教学[14]。

3 “监督分类”教学实践

本次实验为综合性实验，内容主要是基于GEE平台对云南省的遥感影像进行监督分类，涉及遥感影像的判读、地物的样本选择、算法代码的处理、分类结果的分析等专业知识，具有很强的理论性；对地物进行选择和分类需要结合实践经验，与日常生产生活进行联系，具有很强的实践性；学生需要进行代码处理，对于样本选择需适宜、数据分析要精确，具有很强的操作性。

由于学生此前未接触过或很少接触GEE云计算平台，因此需在课前自行查阅资料，对其有一定程度的了解。在实验课程正式开始之前，教师先利用1个课时进行课堂授课，向学生介绍GEE云计算平台的基础功能和工作原理，并进行相关操作的演示；再利用1个课时的时间引导学生系统地回顾和复习“监督分类”的相关理论知识和分类方法，在此过程中开展小组讨论和交流，分析和解决课堂问题。教师可在此过程中掌握学生的预习情况和知识储备程度。

此次实验选择在GEE云计算平台上采用支持向量机方法（SVM）进行监督分类，过程完整、内容新颖、步骤清晰。整个实验分为4个阶段，包括项目构思阶段、项目设计阶段、项目实现阶段和项目运作阶段。

3.1 项目构思阶段

项目构思阶段分为理论教学内容构思和实验教学内容构思，理论教学是构思阶段的理论基础，实验教学是构思阶段的实践基础[15]。在此阶段，教师需根据实验课程的需求和学生的学情特点，在组织学生讨论并结合学生反馈的基础上完成项目的构思，主要包括实验课的总体安排、学生所要完成的任务、课时计划等内容[16]。理论教学的主要内容见表1，共计2个课时；实验教学的主要内容见表2，共计4个课时。

表1 理论教学主要内容

表2 实验教学主要内容

3.2 项目设计阶段

项目设计阶段包括实验所需的数据、资源和技术方法的准备，教师对实验原理、方法和过程的讲解，GEE云计算平台的展示与说明，同时引导学生进行项目方案设计。

教师提前布置学习任务，预留思考题，例如：监督分类有何优缺点、怎样提高本实验中监督分类的精度、GEE云计算平台还有哪些用途以及实验操作的注意事项等。学生在教师的指导下，认真阅读实验指导书，自行查阅相关资料和文献，撰写实验报告。指导老师在实验过程中随机检查和记录学生实验完成情况。学生进行分组合作，开展自主训练，学习使用GEE云计算平台，同时在训练中调整改进设计方案，以加强学生自主学习能力、创新能力，提升团队工作效率。

3.3 项目实现阶段

教师课前合理组织学生进行分组并分配任务，以便后期开展自主训练、合作学习。分组安排4人为一个小组（根据实际情况进行调整），其中1人为组长。4名小组成员均需独立完成整个实验，遇到问题时记录并汇总至组长。组长负责总体安排，维持小组纪律，记录实验数据，汇总实验过程中出现的问题，并组织小组成员进行讨论和交流。

在实验正式开始前，教师现场演示一遍实验流程和操作步骤，让学生产生较为直观和感性的认识。教师全程参与学生的整个实验过程，适时鼓励和引导学生并评价打分。

3.4 项目运作阶段

项目运作阶段是检验学生实验完成情况和教师教学实施效果好坏的关键阶段。在此阶段，学生需要在项目构思、设计、实施阶段的基础上，循序渐进，严格按照实验要求，完成监督分类，对比验证分类精度，制作和输出分类成果图。

3.4.1 成果展示与评价

各组利用共计4个课时的时间在实验室完成云南省土地利用监督分类实验，实验结束后各小组展示最终成果，由各组组长组成评审组，对每个学生的成果进行点赞和评分，评价内容包括分类类型是否合理、样本点选取是否准确、分类精度是否理想、成果图是否美观等。

教师点评各小组的实验过程，包括纪律问题，合作情况，操作是否规范、有序等。师生共同讨论交流，比如实验过程中遇到的问题，实验的重点、难点，学生的所获所感等。

3.4.2 总结与反思

各组组长将组员的成果与实验报告一起交由教师进行最终评定。评定结束后，由教师总结此次实验的总体情况和存在问题。师生共同讨论，对实验内容、结果和问题进行分析和反思。

4 结论与讨论

GEE云计算平台作为高效的遥感数据处理平台，为遥感教学提供了新手段，学生在CDIO工程教育模式的指导下有序完成4个阶段的实践任务。实践证明，基于GEE云计算平台和CDIO模式的遥感实验教学在一定程度上巩固和提高了学生处理实际遥感问题的能力，为后续相关课程的开展和学习起到了良好的指引作用。

此次综合性实验课遵循了以“教师为主导，学生为主体”的原则，“师生互动、生生互动”的教学方式使课堂氛围变得轻松且有趣，能够极大地调动学生的学习兴趣和积极性，实践过程中所获得的直观体验和输出成果提高了学生的自我效能感。在充分利用所学知识解决实际问题的同时，锻炼了学生的创新能力、合作探究能力和跨学科跨领域的综合实践能力，切实地提高了实践教学层次、教学质量和人才培养水平。

精英型人才的培养是当代高等教育的主要任务和当前遥感应用和研究领域的迫切需求[17]。引入GEE云计算平台并基于CDIO教学模式的遥感实验课程教学设计，采用先进的教学方法和手段，强调基于项目的教学，践行“学做合一”的教育理念。学生在GEE云计算平台上不仅能完成遥感数据处理、图像分类、成果展示与分析等实践教学内容，而且可将理论教学内容和实际情景问题相结合，解决实际问题，促进知识与技能的有效衔接，同时还能积累经验，提高专业素养，强化专业技能，以期成为真正的遥感技术人才。