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>> 研究生人工智能系列課程教學改革 研究生人工智能課程教學探索 研究生“人工智能”課程教學改革探索 人工智能實驗課教學改革研究 人工智能課程全英文教學改革 創新型人工智能教學改革與實踐 《人工智能》碩士課程教學改革的研究與實踐 落實科學發展觀,深化“人工智能”課程的教學改革 面向人工智能的信息管理與信息系統專業教學改革 人工智能課程教學方法研究 人工智能的應用研究 日本巨資扶持人工智能研究 人工智能系列課程研究 高中人工智能教學初探 《人工智能》雙語教學初索 人工智能雙語教學建設 人工智能實驗教學探討 “人工智能”之父 人工智能 AI人工智能 常見問題解答 當前所在位置:l(美國人工智能協會)、caiac.ca/(加拿大人工智能協會)等,它們包括了學科前沿動態、討論交流及大量的代碼資源等。通過使用這些資源,學員可及時了解人工智能最新發展動態,進行人工智能程序設計的交流及對一些問題進行較為深入的探討。
2教學方法研究
研究生教學應更突出學生的主體地位,注重發揮其學習的主動性和自覺性,為此,課程組結合課程特點,在教學方法進行了如下探索。
2.1加強教學設計
教學設計就是對教學活動進行系統計劃的過程, 是教什么(課程內容)及怎么教(組織、方法、策略、手段及其他傳媒工具的使用等)的過程[2]。在教學過程中,每節課授課前,堅持集體備課的原則,由課程組集體討論選定授課內容,補充閱讀文獻,根據授課對象與課程內容特點,確定課堂組織方式,采用的授課方式以研討式教學為主,給合講授、實驗、自學等。
2.2抓好課堂教學環節
教學方法與教學手段是保證課堂教學效果的關鍵。本課程授課對象主要為碩士研究生,他們的接受能力較強,有一定的求知欲。由于學員人數較少,授課方式可靈活組織。教室有完備的多媒體設備,基本的軟件實驗環境,教學過程可采用靈活教學方法、多種教學手段,提高教學效率,保證授課質量。
1) 以研討式為主的教學方式。研究生教學應堅持學術研究為導向,發揮學員在學習過程中的主動性和自覺性。由于研究生學員有一定的學習基礎與自學能力,教員可以在課前給學員布置預習內容,學員通過查閱資料、分析整理進而形成自己的觀點,使在課堂教學中師生互動交流成為可能,改變傳統的教員講,學員聽的灌輸式教學方式。研討式教學也有力于培養學員積極思考、創新思維的習慣與能力。
2) 教學手段的信息化。人工智能原理教學一個突出矛盾是知識點多、內容抽象、理論性強,但學時較少,因此,必須發揮現代教學手段的作用,提高教學效率。為此,課程組對每節課都精心設計了教學課件,課堂教學中以課件為主,輔以板書,充分利用多媒體信息量大、直觀等優點,改善教學效果;引入教學聲像資料,便于學員課下學習;設計演示程序,使部分比較抽象、不易于理解的內容,如子句歸結、搜索策略更形象直觀,易于學習和掌握。
3注重培養學員學術研究能力
學術能力是指專門對某一學問進行系統的哲理或理論研究的能力,它不僅包括思辨的方面,還包括實踐及感性的敏感力等方面。研究生階段學習的一個突出特點是要求學習的主體――研究生必須具備研究的能力[3]。論文寫作是培養、鍛煉、提高研究生的學術能力的重要途徑,在教學實施過程中,要求每個專題學習結束后,都要提交一份格式符合期刊發表要求的總結報告,題目可自行選定,也可由教員指定;內容既可以是人工智能該專題某一算法的實現,也可以是對某一問題的進一步研究,或者是對該專題最新研究進展的綜述。教員重點在以下幾個方面予以指導。
1) 選題準確。要求選題不能過于宏大,應以小題目反映大問題,具有一定的可研究性為宜。
2) 研究內容。研究目標明確,方法恰當,能夠提出自己的見解,所提觀點正確。
3) 論文結構。結構清晰、完整,論述嚴謹,表達規范。
4) 占有文獻豐富。撰寫過程中要有意識培養學員查閱科技文獻的能力,要求查閱反映最新研究成果的權威文獻。
4加強實驗環節教學
人工智能教學在進行各種理論知識講授的同時,還應重視實踐教學,把抽象的知識轉化為形象、直觀的實驗,讓學員真正理解人工智能的概念、本質、研究目標,從而提高學員多角度思維的能力和邏輯推理能力,進一步了解信息技術、計算機技術發展的前沿,培養他們對人工智能研究的興趣,激發對人工智能技術未來的追求。為此,課程組借鑒國內外知名大學人工智能實驗教學經驗,編寫了《人工智能原理實驗指導書》,圍繞問題表示、經典邏輯推理、不確定推理、搜索策略及簡單專家系統實現等教學內容提供了7組實驗供學員選擇。
例如,在狀態空間搜索一節教學過程中,先完成理論部分的教學,使學員對狀態空間基本概念、問題表示及求解方法有一個準確的認識,然后進行實驗教學。由學員自主完成重排九宮問題求解的程序,初始狀態和目標狀態如圖1所示,調整的規則是,每次只能將與空格(左、上、下、右)相鄰的一個數字平移到空格中[4]。實驗過程重點指導學員掌握狀態空間進行問題求解的關鍵步驟:問題表示和搜索策略。問題表示就是要確定該問題的基本信息及程序實現的數據結構,基本信息有初始狀態集合、操作符集合、目標檢測及路徑費用函數,數據結構可采用向量、鏈表等形式;搜索策略可分為盲目式搜索和啟發式搜索,可按照先易后難的原則,先實現盲目搜索中的廣度優先及深度優先搜索,在此基礎上再定義估價函數實現啟發式搜索。而在啟發式搜索實現過程中,又可以通過定義不同的啟發函數:如某狀態格局與目標節點格局不相同的牌數、不在目標位置的牌距目標位置的距離之和等加以比較,準確理解啟發函數的意義。通過實驗,學員加深了對課堂講授的理論知識的理解,能夠熟練地將狀態空間法運用于實際問題的求解,提高了工程實踐能力。
實驗教學組織方式可根據具體的實驗內容特點,采用上機編程實驗、演示程序驗證、模擬平臺開發、分組討論等多種形式進行。
5適度開展雙語教學
研究生的英語基礎普遍較好,基本都通過了國家公共英語四級考試,部分學員通過了六級考試,加之在本科階段還開設了專業英語課程,因此,在培養研究生人工智能知識的同時,我們要提高學員閱讀原版英文資料、用英語進行簡單科技寫作及對外學術交流的能力,適度開展雙語教學,對此,我們可采取以下基本方式。
1) 專業術語全部用英語表示。
在教學過程中用英語表達人工智能原理中的專業術語和主要概念,如Knowledge Representation(知識表示)、Depth-First Search(深度優先搜索)、Breadth- First Search(廣度優先搜索)等。
2) 以英文原版教材為教學參考書。
選定機械工業出版社出版的《Artificial Intelligence Structures and Strategies for Complex Problem Solving》為參考書,該書“是人工智能課程的完美補充。它既能給讀者以歷史的觀點,又給出所有技術的實用指南[5]?!?/p>
3) 加強英文文獻的閱讀。
在課程論文撰寫時,要求閱讀一定數量的外文文獻;在討論課中,鼓勵學員使用英語進行討論。
經過課程學習,學員都能準確掌握人工智能學科專業詞匯,英文運用能力得到一定提高,能較自如地閱讀原版英文專業資料,為進一步用英文進行學術交流及學術論文寫作打下基礎。
6考試與成績評定改革
考核方式采用傳統的試卷與課程論文、實踐環節等三部分組成,全面考查學員對基礎理論知識掌握情況以及理論聯系實際的能力,其中試卷占70%,課程論文占10%,實踐環節占20%。課程論文題目不作限制,由學員在課程學習階段結合某一專題選定題目,課程論文以選題意義、研究內容、論文結構、參考文獻及撰寫規范等指標為評價依據;實驗成績采用實驗過程考查、實驗結果驗收和實驗報告評閱相結合的考核方法,綜合評定。這樣做不但考核了學員人工智能基本理論掌握情況,也反映了學員的學術研究能力和工程實踐能力。同時,考核結合實際教學進程,改變了單一課終總結性考核的弊端。
7結語
經過課程組近兩年的教學方法研究與教學實踐,研究生人工智能原理課程教學收到較好的效果,但仍存在一些問題,如在課堂討論環節,個別學員準備不充分、討論不夠深入;課程論文撰寫選題隨意,文獻綜述不夠全面、準確,論文格式不夠規范等。在今后的授課中,課程組將根據授課研究生人數較少的特點,采取明確每名學員預習重點、加強課程論文交流等方式予以改進,力求取得更好的教學效果。同時,進一步充分利用便利的校園網平臺,開展“人工智能原理”網絡課程建設,購買或自主開發網絡教學資源,引導學員利用網絡資源進行個性化自主學習,增強教學過程的信息化程度。
參考文獻:
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Reform on Postgradrates Artificial Intelligence Course Teaching
TAN Yuehui, QI Jianfeng, WANG Hongsheng, LI Xiongwei
(Department of Computer Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)
關鍵詞:人工智能;創新性教學;精品課程;課程建設;教學改革
人工智能課程是計算機類專業的核心課程之一,也是智能科學與技術、自動化和電子信息等專業的重要課程,其知識點具有不可替代的重要作用。該課程內容廣泛,具有很強的綜合性、應用性、創新性和挑戰性[1],其開設能夠更好地培養學生的創新思維和技術創新能力,為學生提供了一種新的思維方法和問題求解手段。同時,本課程能夠培養學生對計算機前沿技術的前瞻性,提高他們的科技素質和學術水平。通過課程的學習,學生對人工智能的定義和發展、基本原理和應用有一定的了解和掌握,啟發了對人工智能的學習興趣,培養創新能力。
中南大學人工智能課程開設于20世紀80年代中期。1983年,蔡自興作為訪問學者赴美國普度大學研修人工智能,并與美國國家工程科學院院士傅京孫(K. S. Fu)教授及清華大學徐光v教授合作研究人工智能。在傅京孫院士教授的指導下,蔡自興和徐光v教授執筆編著《人工智能及其應用》一書,并于1987年5月在清華大學出版社問世,成為國內率先出版的具有自主知識產權的人工智能教材。本教材不僅為我校人工智能課程提供了一部好教材,而且促進了國內高校普遍開設人工智能課程。此后,又陸續編著出版了《人工智能及其應用》第二版、第三版“本科生用書”和“研究生用書”、第四版等,修讀該課程的學生也與日俱增。該書第二版還獲得國家教育部科技進步一等獎。經過近20年建設,該我校人工智能課程于2003年評為國家精品課程,并在2008年評為國家雙語教學示范課程。這是至今國內唯一同時獲得國家級精品課程和雙語教學示范課程的人工智能課程。同時,我們還開發了人工智能網絡課程,具有網絡化、智能化和個性化等特色,被國家教育部評為優秀網絡課程,供兄弟院校人工智能教學參考使用,受到普遍歡迎[2]。
作為國內第一門人工智能精品課程,我們按照教育部精品課程標準建設《人工智能》課程,尤其是在教學內容、創新性教學方法和教學模式上進行不斷進行改革與探索,取得了很好的效果。本文即為我校人工智能精品課程建設與改革經驗的初步總結。
1教學內容優化
1.1課堂教學內容優化
教學內容的確定是課程的首要任務。如何選好教學內容,使學生既能了解本領域的概貌,又能適合學生的基礎,便于他們在有限的時間完成學習任務,是一件難事。教學內容除了包含基礎理論外,還應該反映人工智能領域的新發展和新動態,跟上學科發展的步伐。本課程最初設定的教學內容分基礎部分和擴展應用部分。基礎部分主要包括人工智能的定義和發展、知識的表示以及推理,而擴展應用部分主要包括專家系統、機器學習、機器規劃、機器視覺等。
近年來人工智能科學的快速發展,涌現出了大批新的方法和算法,研究熱點問題也從符號計算發展到智能計算和Agent等。
學內容,既能使學生了解本領域的概貌,又能適合學生的基礎,便于他們在有限的時間完成學習任務,是一件難事。教學內容除了包含基礎理論外,還應該反映人工智能領域的新發展和新動態,跟上學科發展的步伐。本人工智能課程最初設定的教學內容分基礎部分和擴展應用部分?;A部分主要包括人工智能的定義和發展、知識的表示以及推理,而擴展應用部分主要包括專家系統、機器學習、機器規劃、機器視覺等。
近年來人工智能科學的快速發展,涌現出了大批新的方法和算法,研究熱點問題也從符號計算發展到智能計算和Agent等。
隨著科學技術的不斷進步,在科學研究和工程實踐中遇到的問題變得越來越復雜,傳統的計算方法無法在一定時間內獲得精確的解。為了在求解時間和求解精度上取得平衡,很多具有啟發式特征的智能計算算法應運而生。這些算法通過模擬大自然和人類的智慧來實現對問題的優化求解。計算智能作為人工智能的一個新的分支是目前的研究熱點,它主要涉及神經計算、模糊計算、進化計算和人工生命等領域,在如模式識別、圖像處理、自動控制、通信網絡等很多領域都得到了成功應用。另一個近10年來人工智能的研究熱點是Agent和多Agent系統,其理論最早來自分布式人工智能,并隨著并行計算和分布式處理等技術的發展而逐漸成為熱點。
以上兩個內容都是人工智能的重要分支。因此,我們在《人工智能及其應用》第三第3版[3]和第四第4版教材[4]中已經順應形勢加入了這方面的內容,并將教學內容也進行了相應的擴展,加入了計算智能、分布式人工智能與Agent。由于不確定性推理和基于概率的推理方法應用也越來越廣泛,我們也將此類非經典推理方法單獨作為一章來進行教學。另外,還增加了一些新的內容,如本體論和非經典推理、粒群優化和蟻群計算、決策樹學習和增強學習、詞法分析和語料庫語言學,以及路徑規劃和基于Web的專家系統等。圖1給出本課程的教學內容大綱。
人工智能的教學內容涉及面廣且內容較多,要在有限課時內完成教學計劃并讓學生掌握,具有一定難度。因此需要根據教學對象的需求有所取舍。中南大度。因此需要根據教學對象的需求有所取舍。中南大學在智能科學與技術、計算機、自動化三3個專業中均開設了人工智能課程,根據相關專業課程教學對象,對學時和教學內容進行適當調整。對于智能科學與技術專業,人工智能課程為必修課,共48個學時含實驗8個學時。表1表示為相關專業的人工智能課程教學內容分配情況。對于計算機和自動化專業,人工智能課程為選修課,共32個學時含實驗8個學時。許多兄弟院校的計算機專業都把人工智能定為必修課,課程學時也在50學時左右。因此,我們一再強烈建議我校的計算機專業把人工智能列為必修課,并適當增加學時。由于智能科學與技術專業開設有專家系統和智能計算選修課程,因此在人工智能教學內容中只將這兩部分做簡要闡述,而將重點放在知識表示和推理以及擴展應用上。對于計算機專業學生來說,除基本的知識表示和推理外,計算智能和Agent技術也是他們在軟件開發和通訊技術理論學習中需掌握的重要概念。同時,計算智能、專家系統對自動控制和電氣工程也十分重要,對自動化專業則應掌握該方面的內容。
1.2實驗實踐教學創新
國內人工智能課程在開設之初大多沒有安排實驗內容,僅為理論基礎和概念講授。由于理論比較抽象,很難理解,學習效果不理想,學生們對于其應用實現也十分困惑。此后,各高校也逐步在該課程中分配了實驗學時,大多數采用prolog語言和專家系統作為實驗語言和對象[5]。為了改進該課程的教學,我們也從沒有實驗到將實驗學時從零調整為設置4個學時的實驗課時,然后到現在的8個學時的實驗課時。隨著課堂教學內容的改革,實驗內容也進行了優化和更新。
人工智能課程實驗的目的是幫助學生掌握基本理論,發揮主動性,研究探討人工智能算法和系統的運行和實現過程,提出思路并驗證自己探索的思路,從而更好的地掌握知識,培養研究能力和創新能力。因此,在實驗教學內容的設計上,實驗項目應具備研究性和綜合性。實驗項目目標明確,要求學生帶著問題和任務進行實驗,但實驗過程又要有一定的靈活性,學生可以根據自己的思考進行適當的調整。再者,充分采用虛擬實驗方式進行實驗,大大提高了學生的興趣,提供了分析和探討智能算法的很好平臺。同時,學生的實驗數據和實驗結果分析既有格式要求,又給學生報告自己的研究的過程和結果留有空間,并在評分時加以充分考慮。這些做法能夠鼓勵學生,特別是鼓勵優秀學生進行獨立性研究,滿足他們學習的需求。
1) 人工智能課程的實驗環節不足和課時分配問題。
中南大學的人工智能課程的實驗環節經歷了從精品課程建設前沒有到開設,一直到其內容和形式上的不斷改進過程。但目前實驗還主要處于演示性和編程的實驗階段,而非設計和訓練階段。此外,由于人工智能課程涵蓋范圍廣、內容多,而課程所設置的學時有限。,如何分配好課堂教學與實驗課時也是一個需要在今后課程建設中不斷探索的問題。
對于某些專業的人工智能課程,可以考慮單獨開設人工智能實驗課程或人工智能程序設計與實驗課程。
2) 人工智能技術發展迅速情況下如何保持該精品課程持續發展的問題。
人工智能作為一門高度融合的交叉科學,其發展速度迅速,不斷有新理論、新問題涌現出來。我們的
人工智能教學既要注重基礎理論知識,又要緊跟學科發展的步伐,勢必要求對課程內容進行不斷更新,這對我們的教學資源和教師素質都提出了更高的要求。
4結語
本文介紹了中南大學的精品課程――人工智能課程教學內容和創新性教學方法的一些探索,已在課堂教學內容的優化、實驗環節的改進、教學方法的創新的實施上取得了很好的效果,充分激勵了學生的學習積極性和主動性,多方位培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。我們的想法和做法可供兄弟院校同行參考。不過,仍然存在一些不足之處。隨著智能科學與技術的發展和更為廣泛的應用,人工智能課程的重要地位必將更加突顯,我們也需要繼續努力,與時俱進,不斷完善人工智能精品課程的建設。
注:本文受教育部質量工程國家級精品課程人工智能(2003)、全國雙語教學示范課程人工智能(2007)項目支持。
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Exploration of Innovative Teaching Mode of Artificial Intelligence Elabrate Course
――Construction and Reformation in Elaborate Course of Artificial Intelligence
CHEN Bai-fan, CAI Zi-xing, LIU Li-jue
(Institute of Information Science and Engineering, Centnal South University, Changsha 410083, China)
關鍵詞:人工智能;電氣信息類;教學應用
教師在電氣信息類專業教育教學中在運用人工智能技術進行教學時,要對人工智能技術的含義和特點進行深入的分析和研究,并且還要了解電氣信息類專業的育人目標和教學要求,將人工智能和電氣信息類專業教學進行有機的融合,為學生打造全新的教學課堂,從而使學生的專業素質和學習能力能夠在人工智能的運用下得到有效的提高,為學生后續的發展提供更多的可能性。
一、人工智能時代的概述
人工智能(ArtificialIntelligence,縮寫為AI)亦稱智械、機器智能,指由人制造出來的機器所表現出來的智能。通常人工智能是指通過普通計算機程序來呈現人類智能的技術。該詞也指出研究這樣的智能系統是否能夠實現,以及如何實現。人工智能于一般教材中的定義領域是“智能主體(intelligentagent)的研究與設計”,智能主體指一個可以觀察周遭環境并作出行動以達致目標的系統。約翰麥卡錫于1955年的定義是“制造智能機器的科學與工程”。安德里亞斯卡普蘭(AndreasKaplan)和邁克爾海恩萊因(MichaelHaenlein)將人工智能定義為“系統正確解釋外部數據,從這些數據中學習,并利用這些知識通過靈活適應實現特定目標和任務的能力”。人工智能的研究是高度技術性和專業的,各分支領域都是深入且各不相通的,因而涉及范圍極廣。人工智能是研究使用計算機來模擬人的某些思維過程和智能行為(如學習、推理、思考、規劃等)的學科,主要包括計算機實現智能的原理、制造類似于人腦智能的計算機,使計算機能實現更高層次的應用。人工智能是十分廣泛的科學,它由不同的領域組成,它是哲學、認知科學、數學、神經生理學、心理學、計算機科學、信息論、控制論、不定性論、仿生學等多種學科互相滲透而發展起來的一門綜合性學科。在人工智能時代下進行電氣信息類專業教育改革的過程中,需要對人工智能時代的含義和發展背景進行深入的分析和研究,這樣才可以給電氣信息類專業教育改革指明一個正確的方向,保證后續工作的科學性和有效性。在2016年的世界經濟報告中,人工智能被預測為第4次工業革命的主要技術代表,人工智能的發展將從宏觀到微觀的各個角度進行相互的滲透以及融合,從而符合各個領域對于智能化技術的新要求和新需求。在人工智能技術發展的過程中,產生了大量的新技術和新產品,也形成了新的產業核心的發展模式[1]。我國經濟結構在人工智能時代下發生了重大的變革,由于人工智能技術獨特的技術形式和技術模式,深刻地改變著人們的生活方式和生活模式。在一定程度上不僅可以推動我國社會生產力的提高,還有助于推動科學技術水平逐漸朝著智能化和數字化的方向而發展,從中可以看出人工智能技術的發展是時展的必然趨勢,并且發展前景是比較廣闊的。人工智能技術主要是指將多個學科技術進行有效的整合,其中涵蓋了計算機學科、語言學科和心理學科,智能化特征是比較明顯的。在實際應用的過程中,由于融合了各種尖端的技術,能夠將技術能力和技術思維進行有機的結合,模仿人的工作行為和思維,在當前時代下人工智能技術得到了蓬勃的發展,但是人工智能技術的發展也需要一定的時間和精力。首先,在實際用的過程中相關工作人員進行了機器人的研發,機器人可以在復雜的環境中對信息進行有效的替代和處理,模仿人類的思維進行日常的工作。在后續工作的過程中,相關工作人員進行了數據系統的開發,可以自動化和智能化的對計算機數據進行有效的處理以及分析,在較短時間內提取出有效的信息,完成整個工作流程[1]。隨著我國當前科學技術的不斷發展,一些工作人員紛紛加強了對人工智能技術的研發力度和開發力度,不僅可以提高計算機的使用效果,還可以及時的發現在計算機系統日常運行過程中所存在的故障。在當前時代下人工智能技術的使用范圍在不斷的擴展,并且人工智能技術的發展前景是非常廣闊的,在計算機網絡技術中發揮著獨特性的作用和決定性的重要影響的作用。
其次,隨著人工智能技術的不斷發展,人工智能技術和各行各業進行了相互的滲透以及融合。在當前電氣信息專業領域中人工智能技術得到了廣泛的應用,并在實際工作的過程中對原有的工作模式進行了有效的改進和創新。一些工作人員在實際工作的過程中構建了自動化的工作模式和工作平臺,將人工智能技術完美的融入電氣信息領域中,不僅為我國電氣信息領域指明了一個正確的方向,也在一定程度上提高了人工智能技術的水平。最后,人工智能技術的發展,在電氣信息領域中的影響是迅速擴大的,人工智能的使用會對電氣信息行業的各個環節產生深刻的影響,甚至是革命性的變化。人工智能的應用不僅僅停留于行業的技術層面,更加重要的是在人工智能時代下一些新的工作思維和發展理念。作為電氣信息類專業的工作人員在人工智能的時代下要提高自身的專業素質和專業水平,根據人工智能時代的特點以及發展方向,對原有的工作模式和工作理念進行深入的改革以及創新,并且還要掌握有關人工智能方面的新技能,從而使得電氣信息類專業影響力能夠得到有效的提高。但是從側面來看人工智能技術的發展對于電氣信息類專業2本刊特稿科學咨詢/教育科研2021年第24期(總第745期)來說是把雙刃劍,給實際工作帶來了新的挑戰,一些工作人員不得不提高自身的專業素養和專業素質,掌握更多的人工智能技術。在當前時代下這種影響和變革已經被普遍認可,因此使我國電氣信息類專業行業能夠得到良好的發展。高校要對電氣信息類專業教育進行適當的改革以及創新,根據當前人工智能時代的發展方向和對人才的要求,對學生的綜合素質和創新能力進行良好的培育,從而使學生能夠充分的發揮人工智能技術的優勢,提高電氣信息類專業的水平和質量,再一次加深人工智能和電氣信息行業的融合力度。相關負責教師要加強對這一問題的理解,對原有人才培養模式和課程教育重點進行適當的改革和創新,根據人工智能時代和電氣信息領域融合的背景,提高課堂教學的科學性和針對性,從而使學生在畢業之后能夠獲得良好的發展。
二、人工智能對電氣信息類專業人才需求的影響分析
人工智能主要是利用計算機對人腦功能進行模擬,具備一定程度的人類認知和分析問題的能力,人工智能是人類所制造的智能化技術,也是機器智能化發展的主要載體。在人工智能發展的過程中,由于是計算機科學領域的一個分支,所以在人工智能研究的過程中,涉及有關語言識別和圖像識別方面的功能。在當前時代下,人工智能所形成的熱點效應是比較廣闊的,人工智能技術的應用,使得各行各業朝著智能化的方向而發展,對于電氣信息類專業人才需求來說,也逐漸朝著智能化的方向而發展。電氣信息類的教學,主要是為了讓學生能夠在班級學習的過程中,將理論和實踐進行有機的結合,提高學生的實踐能力和操作能力,實踐性是比較強的。在電氣信息類專業發展的過程中各種新興的技術被應用其中,擴展了電氣信息類專業的發展實力,并且人工智能和電氣信息類專業進行了有機的融合和滲透。人們在互聯網思維的影響下已經形成了互聯網思維的發展理念,隨著人工智能技術的廣泛運用再加上云技術和算法技術的普遍化,這又給電氣信息類專業的發展提供了重要的支撐。在相互融合的技術背景下,電氣信息類專業也即將進入到人工智能發展的領域中[2]。因此對于電氣信息類專業行業的工作人員來說,要了解人工智能時代下先進的信息技術,并且還要結合電氣信息類專業在人工智能背景下的新特點,樹立新的工作模式和工作理念,從而使得電氣信息類專業能夠在人工智能技術背景下得到廣泛的發展。對于人才需求方面,要求高校要對原有課堂教學模式和課程教學重點進行深入的改革和創新,融入人工智能方面的內容,對學生的綜合素質和專業能力進行良好的培育,高校要正確地理解人工智能對電氣信息類專業教學的影響,從而使得電氣信息類專業能夠朝著生態化和持續性的方向而發展。
三、人工智能給電氣信息類專業提供的機遇
在人工智能技術中,所涵蓋的技術內容相對來說是較為豐富的,這在一定程度上有助于提高電氣信息類專業的教學水平和教學質量。從中可以看出在當前時代下的電氣信息類專業教育教學中,教師要充分地把握人工智能技術所帶來的機遇,從而提高課堂教學的效果和質量。在人工智能技術中包含著語言識別技術和圖像辨認技術,也可以對一些語言進行有效的處理和研究。在課堂教學的過程中,教師要充分的發揮人工智能技術的優勢,讓學生了解當前電氣信息領域的發展方向和主要的發展特點[3]。由于電氣信息類專業所涵蓋的內容是相對來說較為復雜的,學生在日常學習的過程中,需要進行多個學科知識內容的學習,這給學生日常學習和教師的課堂教學帶來了諸多的挑戰,教師要結合課程教學的內容,對課堂教學模式和流程進行精心的安排。在實際工作過程中,要以計算機作為主要的輔助手段兼容,并且充分利用其他專業領域的技術來開展日常的教學。在課堂教學過程中,教師要充分的利用人工智能技術,對原有課堂教學模式進行深入的改革以及研究,并且結合新一代人工智能發展規劃的這一大背景,對原有課程教育模式進行創新和調整,從而給學生提供更加廣闊的發展空間。首先,在實際工作的過程中,人工智能技術重新構造了電氣信息專業的課程,由于電氣信息類的實用性是比較強的,在人工智能的技術下能夠取得不一樣的教學效果。將語言識別技術和圖像辨認技術進行了有機的結合,教師可以充分發揮這些專業技術的優勢,提高課堂教學的效果。另外在課堂教學情景中,教師可以利用人工智能技術來實現網絡化的教學,并且為學生打造智能化的工廠開展虛擬實驗室,從而對學生的專業能力和操作水平進行良好的培育。其次,在電氣信息類專業教學中人工智能技術的應用能夠對傳統課程教育模式進行有效的轉型和升級。在以往課程教學中,由于電氣信息類專業所涉及的知識學科是相對來說較為豐富的,這給教師的日常教學帶來了諸多的問題。比如在實際教學的過程中很難實現課程的有效統一,也無法為學生打造標準化的課程教育體系,在進行個性化和獨特性課程教學方面的力度還是不足的,甚至也沒有完善的教育體系進行主要的支撐,這給實際的教學工作帶來了諸多的問題。隨著人工智能技術的應用,在課程教育的過程中,教師可以充分的發揮人工智能技術的優勢,對相關信息進行有效的總結和收集。從而為學生打造個性化的教學課堂,并且運用人工智能技術,還可以對不同學生的學習需求進行分析和研究,提高課堂教學的針對性,從而使學生可以更加積極地進行知識內容的學習,實現快樂學習的效果[4]。在專業教育中教師要充分的發揮人工智能技術的優勢,提高人工智能技術的應用性效果,對學生的知識需求進行深入的挖掘以及研究,從而使學生的學習質量能夠得到有效的提高。與此同時,在課程教育的過程中,教師還可以進行課堂情景的構建,通過網絡化的教學為學生再現一些生活中的真實案例,為學生全面素質的提高奠定堅實的基礎。
四、人工智能技術在電氣信息類專業教育教學中的應用路徑
(一)轉變人才培養目標在人工智能時代下的電氣信息類專業教育中,由于原有的教育重點和人才培養模式已經無法順應人工智能時代的發展特點和對人才的需求了,所以在實際工作的過程中,要對電氣信息類專業教育進行有效的改革,幫助學生在畢業之后能夠獲得穩定的發展。首先,在對電氣信息類專業教育進行改革時,要轉變人才培養的目標,這主要是由于人工智能技術在電氣信息類專業行業中的運用對各個環節都產生了非常深刻的影響,并且電氣信息類專業對于人才的需求發生了很大的變化。比如,對人才的知識結構和專業技能方面都和傳統發現模式有所不同,在電氣信息處理的過程中提出了諸多的要求。相關電氣信息類專業從業者不僅要具備完善的理論知識,還要具備創新性的思維能力,能夠面對當前變化多端的人工智能時代,具備新的技術和新的思維,靈活地運用在實際工作中所存在的問題。因此對于電氣信息類專業教育來說,要對人才培養目標精準定位,實現良好的變革。其次,電氣信息類專業要著眼于當前國際發展方向和新業務的特征,了解有關業態產品和專業能力方面的內容。從這些問題入手提出正確的人才培養目標,并且對原有課程教學進行改革和創新,從而促進學生能夠在課堂學習的過程中加深對人工智能技術的了解,提高學生的專業素質和創新能力。
(二)升級人才培養模式在人工智能背景下對電氣信息類專業教育進行改革時,要在原有育人模式的基礎上實現有效的升級,改變傳統的課程教學設置。當前大部分電氣信息類專業院校還是采用之前偏理論的課程來對學生進行知識內容的講授,雖然這些理論知識是學生在學校學習期間必須要掌握的內容,但是假如仍然向學生講述這些課程的話,也沒有將理論和實踐進行相互的結合,使得學生無法在人工智能時代下得到良好的發展,因此相關負責教師在實際教育工作中要對原有人才培養模式進行轉型和升級。電氣信息類專業教師要根據當前電氣信息行業的發展和對人才的要求,對課程教育內容進行重新的調整。首先,在實際教育的過程中要向學生全面地展示先進的人工智能技術,技術是推進電氣信息專業前進的動力之一。但是在原有的電氣信息類專業教育中,教育技術的實施和教學并沒有受到相關負責教師的重視,教師在班級教學的過程中,也沒有為學生融入當前先進的人工智能技術和運用案例,提高學生的專業素質。在人工智能時代下,人機協作是當前主要的工作模式和發展模式,因此對于電氣信息類專業教育來說,要對人才培養課程結構和課程重點進行有效的調整和創新。教師在教學中不僅要加入有關以往課程的教育內容,還要對課程進行有效的擴展,融入新媒體和人工智能技術應用相關的課程。比如教師可以立足于教材中的內容,為學生創設多樣化的實訓活動和實踐操作平臺,在學生實踐的過程中要融入先進的人工智能技術,這些教學模式的運用不僅可以讓學生了解人工智能技術的實際應用情況,還可以多方位的鍛煉學生的創新能力和實踐應用能力。所以相關高校要適當的借鑒這一教學經驗,提高課程教學的針對性。其次,在育人模式中還要加強對學生創新思維和操作能力的培養,在人工智能背景下,電氣信息的發展模式和主要的發展方向都發生了一定的改變。在當前電氣信息領域發展的過程中,為了使自身能夠在人工智能背景下得到有效的發展需要創新和創意的人才,并且要求這部分人才能夠掌握先進的人工智能技術,根據電氣信息發展的實際需求和人們對電氣信息的要求,從而生產出個性化和特色化的產品。在育人模式升級中,教師要將專業和特色進行有機的融合,構建新的教育思路,過硬的專業素質才是人才升級的重要基礎。在人工智能時代下,信息的來源和途徑逐漸朝著多樣化的方向發展,在這些繁雜的信息中既有重要的信息也有多余的信息,所以要使學生能夠對這些信息進行有效的辨別。高校在制定人才培養模式中,要專業性的鍛煉學生的工作能力和專業素質,從而使學生能夠在這些大量的信息中提取有用的信息,提高電氣信息類專業的有效性。
(三)引入任務驅動的實驗模式在人工智能背景下對院校電氣信息類專業進行教學時,教師要在保留原有學習項目的同時,立足于學生當前的理解能力,開發新的教學內容。在教學中教師要求學生進行獨立性的思考,并且教師還要對學生的學習思路進行適當的引導以及啟發,使學生可以運用課堂中所學到的知識內容靈活的解決實際實驗過程中所存在的問題。教師要引導學生運用不同的方法進行學習,鼓勵學生進行大膽的設計以及驗證。教師在班級教學的過程中,可以為學生引入任務驅動式的教學模式任務,驅動式的教學模式主要是以學生為中心,教師要立足于教材中的內容和課堂教學的目標為學生布置相關的學習任務,實現綜合性的學習效果。在為學生布置學習任務時,要融入當前先進的人工智能技術,讓學生充分的發揮人工智能技術的優勢來完成教師所布置的任務。教師要在任務驅動式的教學模式中增加一些設計型和創新型的學習活動,讓學生直接深入到實踐學習中進行方案的設定以及驗證,并且對最終的實驗結果進行多方位的分析以及討論。在班級教學的過程中,教師要讓學生圍繞著一個教學目標來開展日常的學習,并且學生在學習和驗證的過程中,教師還要加強和學生之間的互動和交流,從而對學生的實驗方向和實驗思路進行有效的引導,使學生可以在強烈的學習興趣和學習動力的驅動下進行自主性的探索以及學習,并且也可以在班級中形成良好的互動。
(四)利用人工智能技術進行輔的教學在電氣信息類專業教學課堂中,教師在利用人工智能技術進行教學時,要在原有課程的基礎上充分地發揮人工智能技術的優勢,從而對實際教學起到一個良好的輔助作用。比如,在實際教學的過程中,教師需要將理論知識和學生的實踐學習進行相互的結合,提高課堂教學的真實性和有效性,在課程內容中要圍繞著各種企業的實際項目來讓學生進行知識內容的學習,教師要利用人工智能技術的優勢為學生展現真實的一線工作現場,讓學生全面的感受工作的環境,不僅有助于提高課堂教學的效果,還可以讓一些抽象的理論知識變得生動和直觀,促進學生學習效率的提高。
(五)在電氣設備故障診斷中的應用在電氣設備故障診斷中,人工智能技術中的模糊理論、人工神經網絡和專家系統的應用比較廣泛。以前我們常常面臨的問題是,當電氣設備出現問題或故障時,總是表現出比較復雜的癥狀,采用傳統處理手法難以對問題做出準確判斷和查找,人工智能技術則很好地解決了上述問題。比如發電機的設備故障具有非線性、不確定和復雜性的特征,傳統論斷方法準確率非常低,而通過人工智能技術中模糊理論和專家系統的綜合應用,能大大提高故障論斷的準確率。
在大數據的“滋養”下,AI在越來越多的領域更懂人,讓擁有深度學習能力、不斷進化的AI幫助人類探索學習規律、開拓認知潛能,已成為人不被機器淘汰的必要之舉,根據教育部的規定,2018年秋季開學后,高中生們將要開設一門新課程:《人工智能》。
互聯網教育尤其是線上K12培優項目一直是投資熱門,直播1對1模式風口過后,教育圈內最火的應該是AI項目了。據億歐智庫的報告顯示,2017年人工智能教育融資額度達42.17億元,其中超80%屬于早期投資項目,這個賽道有望誕生多個獨角獸公司。
筆者發現,當前布局人工智能的在線教育大體分為三派:
教學或題庫測評類工具產品,比如作業盒子等;
培訓機構應用AI技術,比如好未來等;
人工智能教育引擎及平臺提供商,比如高木學習等。
現在擺在AI教育創投從業者面前的問題是:到底以技術實力論英雄的AI教育的泡沫有多大?真金不怕火煉的AI教育項目的核心能力在哪里?如何才能落地? 本文試做解讀。
一、為什么“自適應”其實并非真正的AI?一位投資人朋友曾向我這樣說道:“既懂互聯網行業又完全懂本行業的業務的管理型人才不超過十個,這是在‘互聯網+’雙創浪潮中每個垂直行業頭部項目就幾家能玩轉的原因。”而認知和技術門檻更高的“AI+”情況恐怕會更加不妙,甚至很多人把“自適應”與“AI教育”劃等號。
自適應學習(Adaptive Learning)的鼻祖是美國的Knewton公司,它通過評估不同學生對知識材料掌握度進行個性化推薦,有點類似于今日頭條的興趣引擎。 Knewton在國內的門徒眾多,目前大概有40多家項目宣布發力做“自適應”,比如“乂學教育”(學練測自適應)、“學吧課堂”(題庫自適應)、“英語 流利說”(英語口語糾正)、“一起作業”(家長、老師在線監控)等等。
嘉御基金創始人衛哲說過,“90%的人工智能項目都是偽AI”,鑒別的依據是看項目“算法速度”,如果是代數級而不是幾何級計算那就不是“真AI”,以此來考驗自適應項目,得到的結論未免讓人失望。
初級的自適應項目是人工預設指令或編程規則推薦,高級的自適應是基于知識圖譜推薦,即使是高級的自適應項目由于沒有按照既定的教學大綱和教學目標有 邏輯地展開,在具體知識學習之中并不系統。關鍵是很多自適應項目采集的是各科最優秀特級教師的能力,導致其算法本身是線性的、模擬人學習而已。
自適應的技術原理就好比AlphaGo是應用了人類最優秀圍棋大師的能力而非是完全迥異機器深度學習和自演化模型;自動駕駛AI應用了某個人類零誤 差老司機的感知能力而非是基于全網海量交通大數據做運算和決策;人工智能醫生是應用了看X片最快最準的醫生的經驗而非是海量數據庫訓練;顯然按這樣的路徑 訓練出的機器并非是真正的AI。
“真正擁有充分教學大數據及算法速度的‘AI教師’是能輕松超越擁有30年教齡特級教師的,并且可以突破人類的知識局限,對算法模型進行自動演化,找到人類從未嘗試過的策略?!备吣緦W習創始人劉瞻這樣描述AI教師。
劉瞻是帝國理工學院科班出身,早在2015年開啟AI教育創業,他認為判斷真偽AI教育項目具體有三個考察維度:
(1)自適應是基于模擬優秀老師的知識圖譜推薦知識,而真正的AI教育機器人則是泡在“教學實踐大數據”中做深度學習。
(2)自適應主要用作知識盲點的統計,但無法分析出知識體系之間的本質聯系,用AI更重要的任務是找到行為背后的原因,比如某學生表面上二次函數是 薄弱環節,既有可能是其對二次函數的各細分知識點掌握不牢,也有可能是前置知識點一次函數、函數的思想理解不透徹,還有可能是方程求解的問題;甚至有可能 是抽象思維或計算能力的問題,AI會根據該學生數據和“知識路徑矩陣”,找到問題背后的原因從而匹配出最優學習路徑。
(3)人類教師的情感因素能左右學生的學習效果,AI教師也應綜合考慮學生的自信心與成就感的培育與激發,從而確保學生學習過程“知”、“情”、“意”的一體化。
二、AI教育的核心:幫助每個學生找到“元認知能力”AI教育并不會改變“老師-學生”的二元結構,甚至人工智能教育還要在師生兩端徹底解決互聯網教育未完成的兩大難題:
如何幫助學生找到學習方法、提升學習效率?在中國一個普通中學生80%的學習時間是低效的。
如何幫助老師對學生更高效的“因材施教”?目前在我國師資資源依然整體短缺并且分布不均,1對1培優成本高、小班普及率低等問題依然突出。
AI教育的優勢在于通過數據化形式分析學生自己都不清楚的“癥結”,即所謂的“懂我更懂教好我”,同時AI還能幫助老師實現教學效果的穩定化和可控化。AI在充分收集和處理教與學兩端的大數據后,還得在具體教學場景之中個性化建模,最終實現“讓學生更會學,讓老師更會教”,這是人工智能教育的目的。
陶行知先生說過,“教是為了不教”,教育本質不是灌輸知識,而是要啟發學生思考并讓學生掌握自主學習的能力。目前很多偽AI學習神器只能“授人以 魚”但并不能“授人以漁”,我國基礎教育歷來缺乏方法論課程,只有極少數有天賦的學生能自主制定適合自己的學習方案,而絕大多數天資處于平均線的學生在混 沌中摸索。如果從AI的視角來看,所謂“天賦”不過是少數幸運兒自覺不自覺的分享了“元認知能力”。
當人主動設定學習計劃、自我反饋、動態調整學習策略時,就接近了“元認知”,在大數據時代,這種元認知能力是能被定量化分析的,AI 教育可以為學習者提供關于反復激活元認知能力的“訓練法”。根據劉瞻的解讀,AI教育的“訓練法”就好比給蹣跚學步的嬰兒安上矯正走姿的“學步車”,具體 應用什么樣“訓練模型”則是由AI根據大數據進行場景化定制的,有可能是通向學習目標所需要的“云梯”,有可能是“舟楫”,或者是“拐杖”等等,這些模型 能不斷調取和強化人的“元認知能力”。
盡管市面上90%項目都是著眼于知識點和解題訓練的自適應,真正AI教育項目比如高木學習的AI不僅包含自適應的知識圖譜大數據,而且還能不斷從學 生的行為數據中演化“知識路徑矩陣”即AI可根據學生對知識和能力體系的理解定制出個性化學習路徑。與此同時,AI讓學生在對知識的理解與記憶過程中不僅 訓練知識掌握度,還不自覺地訓練了元認知能力,這套“個性化學習引擎”其實是在培養學生“忘掉所有知識后”剩下的元認知能力,具有普適化的特點。
實際上,AI教育并不需要局限在某一學習階段、某一學科的知識體系,完全可以打造一個跨學科、跨門類、跨階段使用的“通用知識學習引擎”,也就是說,除了應用在K12領域外,AI教育還可以應用在高等教育階段,甚至在輔導大學生時比中小學生會更為輕松,無須綜合考慮學生的學習動力因素等。
反過來講,如果市面上的人工智能教育項目只能用于某一單科或只能教K12,就不是基于大數據獲取和智能化引擎的“全才”和“通才”,基本可視為基于特定領域專家總結的經驗規則的“偽AI”。
三、為什么AI教育項目落地,to B模式比to C模式更容易跑通?當前AI教育項目的商業化進程走向大體分為兩大派:
一派是自建場景的顛覆派,試圖開發新的測試軟件以抓取學生的數據,甚至引入一些把AR(增強現實)、MR(混合現實)等黑科技,其目標是以“AI教師”完全取代真人老師教學,屬于“人機對抗”模式,較為典型的是乂學教育的松鼠AI。
另一派是升級現行教育體系、不另創場景的改良派,屬于“人機共教”模式,較為典型的是高木學習的AI Tutor。
一般走人機對抗模式最終走的是to C模式;而“人機共教”走的是to B模式。鑒于我國當前AI教育的應用場景主要為教學機構包括全日制學校與培訓機構,而非一個個分散的學生;只有讓AI去輔助老師備課、上課,嵌入到學生作 業和訓練,幫助學生提分和學校提升升學率,才能幫助AI更快落地并且找到盈利模式。
從“全日制學?!睉肁I的實踐上看, AI能讓老師“心中有數(據)”,提升教學的針對性,AI教師實際上相當于真人老師的“智能助教”,可以減輕老師50%的工作負荷量,比如AI幫老師批改 作業,把數據分析的可視化呈現出來幫助老師定制教研方案。因此,在市場推廣過程中,AI教育項目不需要擔心基層老師的接受阻力,能讓老師擺脫“汗水老師” 的局面也是基礎教育機構所希望看到的。
由于全日制學校獲取的大數據比培訓機構更加海量、持續、高頻,因此高木學習更看重AI在全國全日制學校場景中的數據價值,積極在全國推行城市合伙人制度,并計劃與地方教育主管部門合作推出全國教師AI應用能力培訓公益活動。
To B模式中另一大企業客戶就是體制外的培訓機構,他們所面對的學生付費意愿強、購買力相對旺盛,是AI教育項目獲得穩健現金流的必爭之地,那么當前培訓機構應用AI教育項目開展“人工智能雙師班”的效果如何呢?
首先,AI教練能保持教學效果穩定化輸出,解決原本老師教學效果不確定的弊端。
其次,AI 提升了老師的工作效率,突破了培訓機構因為名師稀缺且流動性大限制培訓機構的規?;l展的瓶頸。
再次,比如高木學習的AI幫助學生發掘了“元認知能力”增強學習信心、提分效果明顯,幫助合作培訓機構提升了續費率,為招生帶來便捷。
摘要:本文主要根據獨立學院的學生實際學習狀況以及日益嚴酷的就業市場前景,試圖以計算機網絡課程教學中已初步進行的一些課程教學模式的改革為基礎,提出設立實訓與畢業設計輔助教學系統,加強學生實踐能力和創新培養,以進行獨立學院“計算機網絡”課程教學模式的改革和探索。
關鍵詞:獨立學院;課程教學模式改革;計算機網絡
中圖分類號:G642
文獻標識碼:B
1“計算機網絡”課程教學模式改革的目的和要求
近幾年計算機網絡人才崗位需求調查顯示,網絡工程師已經成為當前最緊缺的人才之一,計算機網絡工程師被譽為新黃金職業,薪水起點高,隨著工作經歷的豐富而節節攀升。
但同時,大學應屆本科畢業生卻在就業市場上不受歡迎,普遍需要在企業工作1~2年后才能進入工作狀態,所以企業招聘員工時紛紛將“必須具備實踐經驗”作為基本條件,從而也提高了畢業生的就業門檻。改革課程的教學模式,適應學生就業市場的需求已成為迫在眉睫的主要問題。
為了培養具有實踐經驗、專業技能的實用化計算機人才,我系決定開展計算機網絡設計實訓教學,目前已開始進行的實訓對象為計算機系04級學生。目前已基本完成第一個批次100名學生的網絡工程設計實訓工作。
本次實訓以城市學院北郊新校區計算機網絡工程為實訓模擬項目,以校園網的網絡設計和實際應用為中心,以規范化招投標流程和正規招投標文件的技術要求為模擬場景指導,項目經理由有實際經驗的任課教師擔當,學生每5人分為一個項目小組,并推舉一名項目組長,按各自的興趣選取不同的項目方向,使用角色模擬的方式開展整個實訓項目。本次實訓的目的是:
(1) 理論和實踐結合,理論教學穿插在項目實踐過程中,強化學生對知識的理解,培養學生知識的應用能力和實際動手能力。
(2) 讓學生了解和遵循規范化的工程設計流程,掌握一般計算機網絡系統設計和系統集成的方法,學習和理解規范化設計的意義,樹立網絡設計過程中的工程化思想。
(3) 通過模擬企業實際工作場景和工作流程,親身體驗企業網絡工程師崗位的職責要求、技能要求,培養學生的工作能力和職業責任感。
(4) 讓學生參與實際設計項目的訓練,使學生積累真實的項目經驗,熟悉項目設計過程中的規范、技術、流程、團隊協作、溝通等,培養學生從事網絡工程師崗位所需要的職業技能和素質。
(5) 通過理論教學和項目實踐,讓學生了解計算機網絡設計的概念,理解工程設計的意義,學習網絡設計的一般方法。
(6) 通過實踐項目的工作,掌握實際客戶需求調查、總體技術方案設計、信息流量和信息點分布詳細設計、設備選型、綜合布線、項目預算與工程報價方法。
(7) 熟悉網絡工程從招投標文件準備、標書格式書寫、技術解決方案設計、項目工程實施方案、投標演示報告、標書評估等完整的實際工作流程;熟悉根據規范化模版要求編寫和提交文檔;
學習計算機網絡工程項目開發過程中的招投標策略及流程,設計團隊管理,掌握基本的工程軟件設計工具;了解常用的信息查詢工具與資料收集方法。
在實訓中嚴格按企業化模式進行管理,學生作為模擬企業的員工,必須完成以下要求:
(1) 遵守實習規章制度和實習時間,接受指導教師的工作安排和指導,根據工作任務安排按時提交階段工作成果,必要時由項目組長組織加班。不能按時完成的要提交解釋報告。
(2) 小組每階段提交工作計劃和上階段工作計劃執行情況,項目組長直接對指導教師負責,每小組成員每階段提交個人工作計劃和上階段工作執行情況,成員對所在項目組組長負責。
(3) 學員有問題先在小組內討論解決,不能解決的由項目組長向指導教師請示,由指導教師處理和解答。
(4) 認真記錄理論教學內容,并記錄每天所經歷的問題及處理過程。每天完成個人總結。
(5) 學員在實習過程中注意安全,遵守紀律,不得隨意外出和缺勤。要接受指導教師、輔導老師、實習管理老師、網管老師的管理。
2實習的內容、方式和時間
(1) 實習方式
學員被劃分為幾個小組,每組推舉一名項目組長,在指導教師的指導下,按照網絡設計工作流程,綜合運用課程教學中所學到的計算機網絡技術和設計方法等知識,分階段完成設計任務。
根據文檔模板撰寫網絡設計文檔,包括項目立項報告、全套招標文件、全套投標文件(包括概要設計、草圖、設備清單、信息點統計表、技術方案詳細設計與技術方案圖紙、設備報價清單、投標技術方案、投標評審會演示PPT文檔等文檔),并最后參加模擬投標會議和方案優選匯報會。
(2) 實習內容
本次實訓共分為六個階段,分別為準備階段、編制計劃和學習階段、總體設計階段、詳細設計階段、形成文檔階段、評估和總結階段。
l 準備階段(需要1天):為學員講授網絡設計的基本知識,介紹實訓項目的基本情況,學員分組,開始熟悉項目。
l 編制計劃和學習階段(需要2天):學員分組撰寫設計計劃,明確人員任務劃分情況,準備工程數據等。
l 總體設計階段(需要3天):學員靈活運用課程中所學習的各種網絡設計方法,為不同的設計目標進行總體設計。
l 詳細設計階段(需要5天):分模塊進行詳細設計。
l 形成文檔階段(需要2天):學員分組整理設計文檔,形成技術方案和正式招投標文件。
l 評估和總結階段(需要2天):學員總結和討論,指導老師參與,舉行模擬投標會議和方案優選匯報會,進行實訓總結,使得學員切實獲得網絡設計工作的經驗。
(3) 實訓任務
見下表。
3計算機網絡輔助教學系統的研究方法與措施
在本次教學改革中使用了“計算機網絡”輔助教學系統和實訓文本資料數據庫主要包括:
(1) 實訓計劃
(2) 招投標概念
(3) 招標文件范本
(4) 投標文件范本(工程實例方案)
(5) 技術方案數據庫
(6) 設備產品數據庫
(7) 工程預算范本
(8)PPT演示文檔數據庫
(9) 日報-周報范本
在技術應用上采取的技術結構是:
(1) 使用Web數據庫、中間件和網站設計工具等構造三層架構的網絡應用系統。
(2) 使用先進的搜索引擎和信息獲取技術取得大量實訓與畢業設計所需要的基礎資料。
(3) 使用人工智能海量信息分析及提取技術進行個性化搜索及計算機輔助設計。
(4) 在網絡化的基礎上提供人工智能實訓與畢業設計工具和個性化智能數據庫查詢。
4教學效果及學生培養的相關收獲
已參加實訓的二個班級100多名同學共組成18個團隊小組,分別模擬了18個公司,參與了城市學院校園局域網方案、校園無線局域網、校園網通信平臺、行政樓網絡集成、圖書館管理系統、辦公自動化網絡、數字校園智能監控網絡、內網安全解決方案、學院數據中心、大學視訊系統等項目的計算機網絡工程設計。所有團隊均按預定教學計劃在規定時間內完成了所有項目報告,并最后參加模擬投標會議和方案優選匯報會。
通過研究,我們認為學生在如下幾方面受益:
(1) 學生可以在學院內完成高水平的項目實訓和畢業設計。
(2) 學生可了解和親手實踐國際最新的計算機網絡技術和產品知識。
(3) 學生可在建成的輔助教學系統平臺上完成全部系統設計,為考取國際認可的思科網絡工程師認證打下堅實基礎,促進學生就業。
5實訓與畢業設計輔助教學系統的意義
(1) 計算機網絡課程是計算機專業、信息管理專業、電信專業的骨干專業課程,建設實訓與畢業設計輔助教學系統對促進教學和學科建設有重要意義。
(2) 可在學生進行課程實訓和畢業設計時提供人工智能設計工具和個性化智能數據庫查詢,以便學生完成高質量的畢業設計。同時通過課程實訓完成貼近實際應用的工程化網絡系統設計,取得實踐經驗,為就業作好充分準備。
關鍵詞:智能信息處理;多學科交叉;教學模式
0引言
智能信息處理是模擬人或者自然界其他生物處理信息的行為,建立處理復雜系統信息的理論、算法和系統的方法和技術,主要面對的是將不完全、不可靠、不精確、不一致和不確定的知識和信息逐步轉變為完全、可靠、精確、一致和確定的知識和信息的問題。智能信息處理是當前科學技術發展中的前沿學科,同時也是新思想、新觀念、新理論和新技術不斷出現并迅速發展的新興學科,涉及信息科學的多個領域,是現代信號處理、人工神經網絡、機器學習、人工智能等理論和方法的綜合應用,在復雜系統建模、機器學習、醫學影像處理、系統優化和設計等領域具有廣闊的應用前景。
目前,智能信息處理研究生課程相關的教材和課件大多以高雋老師的《智能信息處理方法導論》為基礎開展相關介紹。該書體系嚴謹,理論推導細致,但在多學科交叉應用尤其是面向認知神經科學、智能信息科學等領域的應用方面介紹不足,缺乏必要的多學科交叉案例及相對完整的設計過程,導致來自不同學科的研究生在對理論知識的理解、不同工程應用實踐經驗的積累等方面存在一定脫節的情況。針對智能信息處理課程教學的實際情況,我們從計算神經科學、信息學科與智能信息交叉的多學科角度出發,系統介紹智能信息處理的基礎理論及各種新興處理技術,主要介紹智能信息技術的基本概念、原理和分析方法以及智能系統的知識處理和模型的建立,提供人工智能技術、神經網絡技術在神經科學交叉等領域的應用算例,涉及目前國內外智能信息處理的最新研究成果以及學術研究前沿進展情況;同時,在教學實踐中,對課程的教學模式進行探索和思考,強調多學科交叉及學生主體的重要性,注重教學方式的多樣化及課內外教學相輔相成。該課程的教學實踐能夠使研究生對智能信息處理技術的發展及交叉學科應用有全面的了解,為神經科學、信息學科與智能信息交叉學科課程實施研究型教學開辟新的途徑,對提高課程教學效果,培養學生的主動探究能力具有非常重要的指導意義。
1主要解決的教學及管理問題
1.1多學科交叉的智能信息處理
智能信息處理是一門以應用為導向的綜合性學科,涉及腦與認知科學、智能科學、信息科學、現代科學方法等多學科的交叉與綜合。由于智能信息處理涵蓋內容廣泛,面向研究對象眾多,因此在較短學時的課程教學中,教師需要權衡把握好宏觀內容的介紹和相關內容的縱深講解,讓學生既能從整體上了解智能信息處理學科的基本概念、學術思想、知識體系和學術特色,又能在具體應用方面了解其基本問題、基本模型和科學研究方法。在教學實踐中,把握好多學科交叉的智能信息處理課程的整體與局部、廣度與深度問題,是教師應首要考慮的問題之一。
1.2積極引導學生參加多學科研討活動及課外實踐活動
實踐出真知,理論知識只有在實踐中才能更好地被理解和掌握,體現和發揮其價值,然而,傳統的課程教學模式側重于課堂上教師“口授筆書”的知識傳授,在引導學生研討和踐行方面存在很大不足,造成學生不能很好地理解和應用課上所學,不能有效培養和促進學生在實踐中發現問題和解決問題的能力。筆者結合多年留學經驗及國際教學實踐,對如何引導學生積極參加多學科研討活動及課外實踐活動,進行反思、探索和嘗試。
2教學實踐主要內容
2.1結合工程及應用背景的教學模式
智能信息處理作為一門以應用為導向的綜合叉學科,很多問題和模型既來源于又服務于實際應用,與實際問題緊密相關,然而,現有的課程教材鮮有既能系統全面介紹智能信息處理的基礎理論、基本概念和分析方法,又能結合實際應用及工程背景給出例證詳解的。分析教材縱深發展過程不難發現,理論與實際的結合不夠是主要原因,因此在實際教學實踐中,教師不能單純依據教材內容照本宣科,需要結合實際應用背景就地取材并靈活講解。
在智能信息處理教學實踐中,針對該學科多學科交叉的特點,可以采取點面結合的教學方式。在宏觀層面上,綜合介紹智能信息科學技術領域的相關內容,包括基本概念、學術思想、知識體系和學術特色,讓不同專業背景的學生能在較短時間內對智能信息處理學科從比較陌生的狀態過渡到對其基本模型和基本問題有初步、宏觀、科學和準確的認識;在微觀點處,以具體的經典工程應用范例及模式輔助宏觀介紹,達到宏觀而又不失具體、既有廣度又兼具深度的效果。這種精而不范的具體案例有利于短學時課程的安排,如介紹智能信息處理與信號處理的交叉時,筆者以參與的發動機故障診斷為例進行講解;介紹智能信息處理與系統辨識的關系時,筆者以曾研究的磁氣圈和太陽風預測為具象進行詳細說明。
2.2多學科交叉綜合的教學模式
一方面,智能信息處理涉及多學科交叉綜合,而傳統的教學模式往往側重于單獨介紹各學科的科學體系及應用,對于學科交叉綜合方面的探討則有限,如在機器學習方面,以往的教學傾向于各種算法的數學推導和理論證明,但在實際應用中,機器學習往往需要與其他學科如信號處理、模式識別等交叉互融,才能解決實際問題;另一方面,智能信息處理作為一門充滿活力的新學科,不斷有新技術和新方法隨著前沿問題的發現而被提出和應用。教師可以采取多學科交叉綜合的方式,嘗試將國際前沿的科研成果引入智能信息處理的教學實踐中,這樣既能以此引導學生了解多學科交叉融合的方法和思路,又能展現國內外智能信息處理的研究新成果和發展新動態,激發學生的學習興趣。
2.3增加互動環節的教學模式
傳統的教學模式往往側重于知識的灌輸,忽視方法的傳授。在教學實踐中,教師在“授之以魚”的同時,更要注重“授之以漁”,引入國外智能信息處理的前沿科研方法,培養學生良好的科學思維和科研素養。此外,智能信息處理的課堂教學不同于以往最基礎的授課,而是以教師講授為主,更多的是在課上由教師提出問題,引導學生討論互動,讓學生產生代人感轉而主動學習和理解。作為課內的外延和補充,我們還在課外不定時、不定期組織學生參加科研沙龍,進一步激發和培養學生的興趣,加強鞏固所學知識和方法。實踐證明,互動授課方式及多活動的課外擴展,對于提高學生的學習熱情、培養學習興趣、促進知識理解具有重要作用。
2.4多樣化的課程考核模式
一方面,傳統的單純以期末考試成績作為唯一考量標準的考核方式過于片面;另一方面,這種考核方式也容易束縛學生的思維,使學生產生學習只是為了最后一紙成績的誤解。綜合考慮智能信息處理的課程特點及研究生培養目標,我們建議可以采取更為靈活的考評方式如采用PPT報告總結的方式,一方面考評學生平時表現,包括課堂出勤、課堂表現等,另一方面以學生學期末PPT報告總結成績為主。每名學生依據自己的興趣愛好,選擇一個與智能信息處理相關的研究方向進行調研―參閱書籍―查找資料―深入探討,最后以PPT的形式向教師及全體學生總結匯報并互相交流。這種考評方式以書本為平臺,不僅能培養學生的系統掌握新知識及新技能的學習能力、實踐操作能力和表達能力,還可調動學生查閱資料和自主思考問題的積極性,擴展知識面。
3教學方法及路線
3.1多媒體利用最大化的教學方式
在教學手段和方式上,現在多媒體技術進入課堂已經非常普遍,但對豐富電子資源的利用程度并沒有實現最大化。當前的教學方式大多以講解PPT為主,缺乏多樣化的展現方式,容易使學生產生疲勞感。結合教學實踐,我們發現通過將PPT、視頻、動畫、錄像等多種形式的多媒體結合,以更加生動形象的方式展現教學內容,在吸引學生興趣和提高學習效率方面效果顯著;此外,還可以借助多媒體,通過軟件演示的方式讓學生親身感受實際工程應用的操作過程,建立智能信息處理科學技術的直觀形象和感性認識。
3.2開展科研教學沙龍活動,引導互動交流
智能科學技術處在創新發展時期,特別需要培養具有創新精神的人才。創新精神的產生伴隨著各種不同思想的匯聚、交流和碰撞,為了鼓勵和培養學生的創新思維,教師可以組織各種科研教學沙龍活動,基于學生興趣,將不同專業背景的學生組織在一起,從不同專業視角自由探討某一研究方向,碰撞出思想的火花;同時,可以引入國際前沿熱點問題的創新結果的介紹,剖析前沿創新點和創新過程,開闊學生視野,培養和提高學生的創新能力。
3.3利用互聯網,構建課外科研實踐互動平臺
正所謂“眾人拾柴火焰高”,課堂中,學生可以隨時向老師提出疑問,老師帶動學生一起討論;對于課外學習研究中出現的問題,教師可以通過QQ群、微信群、公郵等在線互動平臺與學生交流溝通。一方面,眾智眾力促進問題的解決;另一方面,平臺互動的方式能充分調動集體的學習研究熱情。
4教學模式的應用效果
4.1國際學術
正如“實踐是檢驗真理的唯一標準”,課內學習到的知識只有被運用在科學實踐中才能證明和體現其價值。在教學實踐中,我們著重培養學生將所學知識與其專業背景相結合、將所學轉化為科研成果的能力,取得了較滿意的教學效果,如部分學生將所學信號處理中的時頻分析方法應用到故障的檢測中并將此公開發表在國際學術期刊上,獲得了令人滿意的研究成果。
4.2選課情況逐年遞增
圖1(a)匯總了2013―2015年我們開設的智能信息處理課程各院系學生選課情況。從圖1(b)中可以看出,研究生選課人數逐年遞增,開始該門課程的研究生選課人數由最初的13人增加至54人,增加3.15倍;圖1(c)表明,課程的覆蓋院系由最初的3個院系(0系表示研究生院)增加到2015年的11個院系,覆蓋面增加2.66倍。此外,選課學生中既有碩士,又有不少博士,甚至有來自其他高校的老師和工程研究所的碩士、博士。從智能信息處理課程近3年的選課總體情況來看,課程已經引起不同專業學生和教師的廣泛關注和參與興趣。
4.3學生的綜合評價正面積極
在智能信息處理課程教學實踐中,我們發現不僅選課人數逐年增加,而且學生對課程的綜合評價也一直非常好。學生一致認為當前的授課方式豐富而有趣,結合工程實際背景的教學具體而形象,互動形式的課堂方式能很好地促進交流表達,課外的沙龍活動為他們解決科研和學習中遇到的問題提供很大的幫助。
5結語
關鍵詞:機器人競賽;創新實踐;項目教學法
作者簡介:毛麗民(1981-),男,江蘇常熟人,常熟理工學院電氣與自動化工程學院,講師;劉叔軍(1962-),男,黑龍江寶清人,常熟理工學院電氣與自動化工程學院,教授。(江蘇 常熟 215500)
基金項目:本文系國家自然科學基金(項目編號:61273312)、江蘇省自然科學基金(項目編號:BK2010261)的研究成果。
中圖分類號:G642.423 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2013)01-0148-03
在國外院校,學生本科階段就開設了機器人啟蒙課程,使學生對機器人能夠有普遍地了解,研究生階段開設關于機器人的更深層次的課程,而國內高校本科階段開設機器人課程的相對較少。
機器人教學與其他學科教學的最大不同之處在于,機器人教學在學習上充分滲透了研究性學習的思想,而且機器人教學實踐性非常強。實踐教學是培養學生實踐能力,培養創新創業人才的重要教學環節。高校要把實踐教學和理論教學擺在同等重要的位置,要不斷改革實踐教學內容,改進實踐教學方法。以機器人競賽、創新實踐為導向的項目教學法研究,對大學生創新素質教育具有重要的現實意義。
一、項目教學方法
“給你55分鐘,你可以造一座橋嗎?”這是德國教育專家弗雷德·海因里希教授在“德國及歐美國家素質教育報告演示會”上介紹“項目教學法”的一個實例。首先由學生或教師在現實中選取一個“造一座橋”的項目,學生分組對項目進行討論,并寫出各自的計劃書;接著正式實施項目——利用一種被稱為“造就一代工程師偉業”的“慧魚”模型拼裝橋梁;然后演示項目結果,由學生闡述設計思想和構造機理;最后由教師對學生的作品進行評估。通過以上步驟,可以充分發掘學生的創造潛能,培養和提高他們的動手能力、實踐能力、分析能力和綜合能力。
以機器人競賽、創新實踐為導向的項目教學法研究,就是要將項目教學法應用到機器人的創新實踐中,把各項理論知識和實踐技能有機地結合,將機器人的項目分解成多個明確的目標任務,讓學生在規定的時間里獨立完成相應的任務,其目的在于充分發掘學生的創造潛能,提高學生解決實際問題的綜合能力。通過實踐探索出一種能提高學生創新和實踐能力,全方位調動學生學習的積極性的機器人教學模式。在實施“機器人競賽、創新實踐為導向的項目教學法”時,重視機器人項目的選擇、機器人具體成果展示、教師的評估與總結、充分利用創新實驗室的現有資源并使之與現代化教學相結合,這是搞好“項目教學法”的關鍵。
二、機器人競賽
機器人競賽是一項很好的科技創新活動,形式繁多,內容豐富。設計方案的開放性,也為學生的創新奠定了基礎。參賽者可以用不同的方法實現同一個項目,通過比賽,激發其對機器人的學習興趣,引導他們積極探索機器人新科技,為其自主創新能力的培養提供良好的平臺。
中國機器人大賽暨RoboCup 公開賽:1999年,在RoboCup 國際委員的支持和授權下,首屆中國機器人大賽暨RoboCup 公開賽在中國重慶舉辦,目前是中國機器人最具影響力的賽事,比賽共設立12類65項賽事。機器人競賽種類多、規模大、水平高,為大學生進行創新實踐活動提供了很好的平臺。
“未來伙伴”杯中國智能機器人大賽(暨國際機器人滅火比賽中國賽區選拔賽),是中國人工智能機器人專業委員會等多個單位主辦的一項全國性賽事。大賽包含機器人救火大賽、機器人足球比賽、機器人創新大賽、機器人搜救大賽、機器人擂臺賽和機器人舞蹈戲劇大賽等6個主題項目。其中機器人救火大賽是國際賽制機器人滅火比賽(暨國際機器人滅火比賽中國賽區選拔賽)。
“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽,由教育部委托高等學校自動化專業教學指導分委員會主辦。競賽分競速賽與創意賽兩類比賽。自2006年首次舉辦以來,“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽已經成功舉辦了6屆。
三、機器人實踐教學的具體實施
機器人競賽、創新實踐是一項很好的科技創新活動,機器人的趣味性易于激發學生學習和研究的興趣,同時將創新實踐、競賽引入教學過程,使學生變被動學習為主動學習和研究。
“機器人項目教學法”的一般教學結構如圖1所示:
“項目教學法”最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”,改變了以往“教師講,學生聽”被動的教學模式,創造了學生主動參與、自主協作、探索創新的新型教學模式。
本文以參加2012年中國機器人大賽暨RoboCup 公開賽的醫療與服務機器人組的項目為例,在比賽初期確定人員,將不同專業和不同年級的學生組成一個競賽小組,研究競賽規則、制定項目方案、機器人結構設計、電路設計、程序調試,學生分工合作,過程中集思廣益、取長補短、團結協作。這種在探索中學習的過程是其他教學環節無法實現的,對于培養學生的實踐創新能力非常重要。本文以一種醫療與服務機器人設計為導向的項目教學法,按照以下六個教學步驟進行:
1.項目的申請
根據學院參加機器人競賽的實際情況,中國機器人大賽暨RoboCup公開賽,作為全國最具影響力的機器人比賽。本學院主要參加了醫療服務機器人、機器人游中國、擂臺等機器人項目,學生可以針對感興趣的比賽項目,或者根據江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃,申報項目,填寫申請書。教師針對學生申報的項目,分析學生的實際情況,建議選擇項目規模和難度適中的項目。
中國已經進入了老齡化社會,而且在今后幾年內老齡人口數量將會呈上升趨勢,老齡化將更加嚴重。老齡化使社會的勞動力減少,一些老年人不僅不能參加勞動,而且有的甚至失去了自理能力,需要人照顧,這就增加了他們的子女以及社會的負擔。年輕人為了工作日益繁忙,在目前服務行業工作者稀缺的背景下,在醫院時不時會有行動不便的病人需要護士和家人的攙扶。而在沒有人幫助的情況下,行動不便的病人寸步難行,稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學生選擇參加醫療與服務機器人創新設計與制作賽項,設計一種醫療服務機器人更好的服務病人。
2.項目團隊的建立
建立學生團隊,營造互相競爭、互相幫助的學習氛圍,學生在做項目過程中攜手合作,彌補相互間的不足,遇到問題大家一起討論解決,這讓學生體會到團隊的重要性,做到共同進步。同時,團隊的學生分工明確,每人負責項目的某一部分,使學生真正參與到項目中,整個項目的完成,離不開每一個學生,學生為使項目不會因為自己負責的部分沒有完成而主動學習,主動查資料,可以培養和提高學生的自主學習能力。學生團隊的建立,應考慮學生的專業,年紀,特長等因素。教師確定一名隊長,根據項目的特點,隊長可以自己招學生,實現學生管理學生。
參加醫療與服務機器人創新設計與制作賽項,筆者選擇了5名學生,隊長由09級的一名學生擔任,該生組織能力比較強,專業能力也比較脫出,由他負責整個項目的進展,匯報工作。其他學生分別是1名2009級的,2名2010級的,1名2011級的,專業分別是自動化、測控、電氣。
3.項目任務、計劃的制定
團隊負責人制定機器人項目工作計劃,確定工作步驟。機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的智能儀器。本次設計的醫療服務機器人由小組討論決定,醫療服務機器人外形像輪椅,病人能夠獨自駕駛去化驗室拿取報告,去門診找醫生復診,降低護士工作量及病人家屬的負擔。為使醫療服務機器人更好的服務病人,該團隊為機器人設置了兩種模式:座椅模式和病床模式,免去了病人就診、休息時需要被移動到病床上的麻煩。機器人將現場鍵盤控制和遠程控制相結合,實現護士對病人的遠程監護,機器人在前進過程中,檢測到前方有障礙物時就會立刻停下,減少不必要的事故。同時機器人配備了機械手,可以幫助病人取物品,最大程度幫助病人。
根據團隊中學生的專業、特長等分配任務,負責機器人機械結構設計的學生需要畫圖紙、電焊等來完成機器人結構的設計、機械手的設計;電路設計的學生制作包括單片機電路、電源穩壓電路、電機驅動電路、紅外避障電路、鍵盤輸入電路;測控專業的學生負責電路的測試、場地的制作等工作;程序編寫的學生,完成程序的設計、調試;控制界面的設計由另外一個學生負責,主要是VB編寫上位機、WIFI攝像頭的調試、藍牙通信的調試。
根據機器人項目的特點,學生在制作過程中可適當地作一些調整。根據項目完成的時間確定工作步驟,進行時間分配。最終得到教師的認可才能執行。
4.項目制作
學生自己確定各自在小組中的分工,然后按照已確立的工作步驟和程序工作。基于機器人項目的作品成果形式多種多樣,可以是調查報告、實物模型、演講稿、論文等。通過展示作品成果,可反映學生在項目完成過程中所掌握的技能。本次設計的醫療服務機器人成果包括機器人模型一個、機器人設計與使用說明書一份、演講稿一份。在本項目比賽結束后,指導學生按照他們設計的醫療服務機器人撰寫論文、申請專利。
5.項目檢查評估
整個項目檢查評估采用答辯的形式向教師匯報,首先由隊長對整個項目進行匯報總結,再由隊員對自己負責的工作進行匯報和自我評估,并且對設計的醫療服務機器人進行展示,教師根據團隊成員的表現、研究成果表述和作品的展示進行檢查,為到現場比賽作準備。
針對項目中出現的問題,師生共同討論,教師引導學生獨立思考問題,解決問題。學生通過對比師生評價結果,找出造成結果差異的原因
6.項目資料歸檔或應用
為使學生養成良好的習慣,項目結束后,教師監督學生將項目工作資料整理歸檔,材料包括項目申報書、進度表、機器人機械結構圖、程序設計流程、機器人控制程序、項目結項書、項目報告講義等。
四、機器人項目教學的成果
機器人創新實踐是一個綜合性、高難度的科技制作過程,有利于提高學生的動手能力和創新能力。在教師指導下,學生通過自己查閱資料、提出有創意的設計方案,選擇合適的元件,設計、焊接電路,編程、測試程序等,充分調動了學生的積極性,發揮學生的創造力,使學生在實踐中進一步提高自己的綜合能力。有助于將學生的興趣應用到教師的科研中,使學生們熱愛科技,投身科技,在學校形成良好的科技學術氣氛。
本校參加機器人競賽源于2010年,當時參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽、中國機器人大賽暨RoboCup公開賽、江蘇省機器人大賽、“未來伙伴”杯機器人競賽,并因此開設了機器人技術、機器人創新實踐與競賽等公共選修課;制定了《大學生創新實驗室項目負責制實施辦法》,針對項目采取一系列措施,保證學生能在項目的過程中鍛煉自己的能力,同時能保證創新實驗室項目的創新性。實踐教學效果顯著,本校代表隊在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區比賽中,獲得攝像頭組第一名,晉級參加全國決賽的隊伍,獲得全國攝像頭組特等獎。2012年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽獲得3項季軍,2010年“未來伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍,受邀參加在美國舉辦的國際機器人滅火比賽。
五、結論
實踐教學的目標是培養學生通過實踐發現、分析和解決問題的能力,培養創新精神和初步的科學研究能力。機器人創新實踐活動以其高度的實踐性被越來越多的高校引入實踐教學。本校自動化學院機器人實踐教學的具體實施,促進了學院各學科綜合發展,提高了教師的理論、實踐教學水平和科研水平,使學生對機器人相關課程融會貫通,提高了學生自主學習、創新和團隊合作等綜合能力,推動了學院實踐教學體系的發展和完善。
參考文獻:
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關鍵詞:智能儀器;現狀分析;教學改革
智能儀器是測控技術與電子信息工程及相關專業的一門重要基礎課程,具有較強的實踐性,是一門涉及傳感技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信號分析與處理技術、數據通信技術、模式識別技術、可靠抗干擾技術、人工智能及智能控制等多門學科的綜合課程[1]。該課程知識面廣,綜合性強,學習難度大,因此如何通過理論與實踐相結合的方式促進學生掌握智能儀器的理論知識,通過合理的教學實踐內容增強學生的工程實踐意識,培養學生的整機系統分析與設計能力[2],就成為任課教師研究的重要內容。筆者對該課程在我院的教學現狀進行了剖析,并結合教學實踐,對教學工作提出了幾點建議。
1教學現狀分析
自從1995年相關院士提出振興中國儀器儀表工業的建設,各大高校也加大了對智能儀器課程的建設。如吉林大學早在2002年就申請了國家級精品課程,建立了優秀的教師團隊,并培養了大批動手和實踐能力較強的學生,同時與公司建立了良好的合作伙伴關系,加快了知識向產業的轉化。隨著現代儀器向智能化方向發展,各大高校紛紛加大了本課程的建設力度,打造精品課程,建立優秀教師團隊。
智能儀器是我院測控專業和電子信息專業的重要課程之一,屬于本科生高年級課程。受各種因素影響,師生的心中仍認為該課程僅僅是單片機的延伸,教與學仍以傳統教學模式為主,主要表現在以下方面:
1.1課程設置不合理
本課程的目標是使學生在學習電子技術、信號處理、計算機軟硬件等技術和技術前導課程的基礎上建立儀器整機系統的概念,掌握智能儀器軟硬件相結合的基本工作原理、主要技術和設計方法,結合實際儀器項目開展系統設計,提高運用所學知識與技術開展綜合設計和創新實踐的能力。
本課程以整個智能儀器信息流向組織教學,要求學生主要掌握以下幾方面的理論內容:1)掌握微機內嵌式智能儀器和個人計算機儀器的基本結構及工作原理。2)全面掌握多種類型信號的數據采集方法和數據處理算法。3)掌握智能儀器外設接口與通信技術的集成化應用。4)全面了解軟硬件設計方法,學習并掌握典型智能儀器模塊化軟件設計方法。5)建立儀器可靠性的概念,掌握智能儀器基本的抗干擾軟硬件技術。6)了解軟測量技術及其模型建立方法。7)對儀器的高級智能化、自動化、網絡化、虛擬化等新發展有一定了解。
由上可見,該課程涵蓋的內容很多,而目前的課時只有32,其中包含8課時的實驗課時。另外除去考試或考查2課時,實際理論課時只有22。要使學生在這么短的時間內掌握這門綜合課程的理論,非常困難;老師的教學也顯得非常吃力,有時為了趕課時,只能講一些最基本內容,無法展開深入討論與研究。而8課時的實驗教學往往使學生只能完成2~3個最基本的驗證性實驗,根本沒時間進行智能儀器的自行開發與設計。
另一方面,要掌握這門綜合性課程,學生須具有現代檢測技術與單片機技術等專業理論知識。但是,現代檢測技術課程與該課程開設在同一學期,部分學生甚至沒有學過單片機,筆者上課時發現這部分學生根本聽不懂相關章節,大大削弱了學習積極性。
1.2實驗內容太少
智能儀器是一門實踐性較強的課程,必須在熟練掌握基本原理和設計方法的基礎上加強動手能力的培養。應該盡量給學生思考的時間和空間,保證學生能夠獨立、順利地完成實驗的設計與調試工作。
目前,該課程的原理性、驗證性實驗多,設計性、應用性實驗少;內容單一的實驗多,綜合性實驗少。由于實驗經費十分有限,課程實驗內容根據專業有所不同。測控專業的實驗內容側重硬件設計,但是大部分硬件電路實驗仍然是驗證性或基于單片機的小系統設計。而電子信息專業側重于基Labview 的虛擬儀器開發和設計,采用軟件設計儀器,可大大減少硬件耗材的投入。但是完全依賴軟件設計儀器不足以鍛煉學生的實際操作能力,傳統的硬件電路從搭建到整機調試更具有真實性,更直觀,更有利于培養學生的學習興趣。另一方面,Labview采用圖像化程序設計語言,在僅有的8學時里掌握它并自主開發一套虛擬儀器很難,所以教師只好讓學生課后自學語言,但即使這樣,大部分學生最后也只能做一些如智能溫度計、簡易示波器和信號發生器等示例儀器的重現與驗證實驗,根本沒有時間進行智能儀器等綜合性實驗的設計與開發。
1.3教學方法單一
目前,教師主要使用多媒體進行理論授課,節省了大量時間,增加了課堂教學信息量,使課堂形象化、生動化,但這種“你授他聽”的單一模式不足以激發高年級學生的學習興趣。由于課程內容多,僅采用課堂教學手段也無法使大部分學生在短時間內完成學習。
教學是一個互動過程,只有教與學有機結合,才能達到最好的教學效果。除了加強課堂教學外,課后的師生溝通也尤為重要。目前,高等教育里的師生溝通非常少,顯然不是理想的課堂。高年級學生面臨找工作與升學等各方面的問題,迫切需要專業老師給予非常中肯的建議,因此,建立良好的師生關系更有利于學生學習。
2教學改革建議
要辦好一個專業,首先要抓好重點課程建設,打造精品,才能培養優秀的專業人才。為了順應時代的發展,作為電子信息專業本科與碩士研究生的重要課程,智能儀器的教學改革勢在必行。筆者根據多年的教學體會,結合自身的教學實踐,對該課程的課程設置、實驗內容與教學方法提出幾點建議。
2.1課程設置
智能儀器是一門理論性與實踐性都很強的課程,為了使學生能更好地掌握該課程的基本知識和技術,筆者對其課程設置的建議如下:
1) 增加課時,理論課時增加到26,實驗課時為20,總共48課時,其中包括2個機動課時。
2) 增加學分,由現有的2個學分增加到3學分,使學生意識到本課程的重要性。
3) 將現代檢測技術課程提前安排到大學的第6個學期,第7學期開設智能儀器課程。
課程設置是課程建設中的重要內容,只有合理的課程設置才能使學生更好地掌握課程內容。此外,教學內容和教學大綱也要與時俱進,隨著儀器的智能化程度越來越高,教師應在課程中加重智能內容的比例,包括專家系統等相關人工智能方面知識。
2.2實驗教學內容設計
智能儀器的教學目標是培養學生的智能儀器軟硬件設計能力,實踐教學在整個教學過程中尤其重要[3]。除了增加實驗課時,還應加大以下3個方面的改革:
1) 實驗選題要合理。
智能儀器課程可開設的實驗內容非常多,如有源濾波器的設計、A/D與D/A轉換器實驗、鍵盤等外設與微處理器接口實驗、雙機通信等實驗等,可多達20個,但因為教學時間和實驗條件所限,不可能每個都開,所以有必要對實驗內容進行合理篩選。
按照教學要求,實驗內容必須建立在教學大綱的基礎上,盡量接近工程應用實踐,結合理論課程的教學,不僅應包含部分功能的實現,更要注重包括軟件和硬件的完整智能儀器系統設計。在時間和實驗條件可行的前提下,選題要突出課程的重點內容,難度適中,如對有源濾波的設計不能只局限于一階,而要根據具體的應用背景和相關參數要求設計高階性能穩定的濾波器。教師要了解學生的基礎,不再重復單片機課程中的實驗,實驗難度要適當拓寬,結合具體實訓進行實驗設計。
一般來說,這部分實驗選題帶有基礎性,所以教師應給出實驗目的、實驗內容、實驗步驟等。學生做完實驗后,以實驗報告的形式提交實驗結果。
2) 鼓勵學生自主實踐。
智能儀器實驗屬于高年級學生必修課實驗,學生已具備自主完成實驗的能力。對于系統設計,教師只給出課題,提供基本的設計思想和方法,不提供具體詳細的電路與程序。學生通過查閱有關資料自定設計方案,自行安排、調試電路及相應的軟件。這不僅使學生更好地鞏固課堂內容,還能充分調動學習積極性,發揮主觀能動性,有利于提高創新能力。實驗課結束后,師生應及時總結,對存在的問題進行深一步講解,對有創意的設計進行推廣。現在的本科生已經實行導師負責制,因此可以鼓勵參與項目設計開發的學生開展自主實踐。筆者一般會為這些學生留出課堂時間,以報告的形式講解自己的開發設計過程,或現場展示自己的產品。無論是報告者還是在下聽的學生,都非常認真,課堂氣氛非常活躍。
3) 設計綜合性實踐項目。
給定的實驗選題帶有驗證性,僅完成這些項目是遠遠不夠的。智能儀器注重儀器整機系統的設計,因此設計內容應涵蓋從系統頂層到系統穩定可靠運行的各個環節。對于有些實踐性項目,鼓勵學生首先用Labview進行虛擬儀器的開發設計,為完成較好的學生提供硬件實驗平臺。筆者一般會在智能儀器設計部分課程結束后介紹此軟件,讓學生自學,同時給出相應的實踐項目,由學生自行完成設計與仿真,最后以課程設計的形式提交實踐結果。
2.3教學方法改革
2.3.1充分利用網絡教學手段
我們制作了與教材配套的課件,并依據智能儀器的最新發展擴充了配套課件。由于課程知識點較多,學生很難在短時間內消化所學內容,課后無從復習,所以我們建議采用網絡教學手段,建立教學網站,教師將課件和相關資料上傳到網站,方便學生學習與復習。同時,網站還提供了互動平臺,師生在網上討論、交流、答疑,尤其針對課堂上沒來得及討論的問題,既節省了時間,又實現了師生之間的互動交流。
2.3.2采用靈活多樣的教學方法
對高年級學生來說,還應在教學方法上多樣化。筆者曾嘗試讓學生自學某些課程內容,并給出相應的實踐項目,項目完成優勝者上講臺講述自行設計過程。一學期2~3次的教學安排大大激發了所有學生的興趣,即使沒有做出的學生聽其他人講述時也非常認真。
教師還應運用啟發式和互動式等多種教學方法,將課堂講述與設計實例緊密結合、課上引導與課外自學相結合、學生設計報告與教師點評相結合,保證有效完成教學任務,實現總體目標。教師應鼓勵學生利用豐富的網絡資源,檢索與本課程相關的資源,可以獲得很好的學習效果。
除此之外,加強與學生的溝通,鼓勵學生多問問題,引導學生思考,為學生留出思考空間等,也是教師應該重視的內容。通過溝通,教師可以了解學生的基礎知識,因材施教,作到已學過不重復,能自學的只引導,重點難點問題精講精解。
3結語
智能儀器的發展已經向虛擬儀器、網絡化儀器和基于知識的高級智能儀器方向發展,因此智能儀器的教學改革勢在必行。希望本文分析的教學現狀和據此提出的改革建議能夠對讀者有所啟示和幫助。
注:本研究獲得國家級項目“智能科學基礎系列課程教學團隊”(2008年)支持。
參考文獻:
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Exploration of Intelligent Instrument Course Teaching
LIU Xian-ru
(Institute of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
機器人競賽是一項很好的科技創新活動,形式繁多,內容豐富。設計方案的開放性,也為學生的創新奠定了基礎。參賽者可以用不同的方法實現同一個項目,通過比賽,激發其對機器人的學習興趣,引導他們積極探索機器人新科技,為其自主創新能力的培養提供良好的平臺。中國機器人大賽暨RoboCup公開賽:1999年,在RoboCup國際委員的支持和授權下,首屆中國機器人大賽暨RoboCup公開賽在中國重慶舉辦,目前是中國機器人最具影響力的賽事,比賽共設立12類65項賽事。機器人競賽種類多、規模大、水平高,為大學生進行創新實踐活動提供了很好的平臺。“未來伙伴”杯中國智能機器人大賽(暨國際機器人滅火比賽中國賽區選拔賽),是中國人工智能機器人專業委員會等多個單位主辦的一項全國性賽事。大賽包含機器人救火大賽、機器人足球比賽、機器人創新大賽、機器人搜救大賽、機器人擂臺賽和機器人舞蹈戲劇大賽等6個主題項目。其中機器人救火大賽是國際賽制機器人滅火比賽(暨國際機器人滅火比賽中國賽區選拔賽)?!帮w思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽,由教育部委托高等學校自動化專業教學指導分委員會主辦。競賽分競速賽與創意賽兩類比賽。自2006年首次舉辦以來,“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽已經成功舉辦了6屆。
機器人實踐教學的具體實施
機器人競賽、創新實踐是一項很好的科技創新活動,機器人的趣味性易于激發學生學習和研究的興趣,同時將創新實踐、競賽引入教學過程,使學生變被動學習為主動學習和研究?!皺C器人項目教學法”的一般教學結構如圖1所示:“項目教學法”最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”,改變了以往“教師講,學生聽”被動的教學模式,創造了學生主動參與、自主協作、探索創新的新型教學模式。本文以參加2012年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽的醫療與服務機器人組的項目為例,在比賽初期確定人員,將不同專業和不同年級的學生組成一個競賽小組,研究競賽規則、制定項目方案、機器人結構設計、電路設計、程序調試,學生分工合作,過程中集思廣益、取長補短、團結協作。這種在探索中學習的過程是其他教學環節無法實現的,對于培養學生的實踐創新能力非常重要。本文以一種醫療與服務機器人設計為導向的項目教學法,按照以下六個教學步驟進行:1.項目的申請根據學院參加機器人競賽的實際情況,中國機器人大賽暨RoboCup公開賽,作為全國最具影響力的機器人比賽。本學院主要參加了醫療服務機器人、機器人游中國、擂臺等機器人項目,學生可以針對感興趣的比賽項目,或者根據江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃,申報項目,填寫申請書。教師針對學生申報的項目,分析學生的實際情況,建議選擇項目規模和難度適中的項目。中國已經進入了老齡化社會,而且在今后幾年內老齡人口數量將會呈上升趨勢,老齡化將更加嚴重。老齡化使社會的勞動力減少,一些老年人不僅不能參加勞動,而且有的甚至失去了自理能力,需要人照顧,這就增加了他們的子女以及社會的負擔。年輕人為了工作日益繁忙,在目前服務行業工作者稀缺的背景下,在醫院時不時會有行動不便的病人需要護士和家人的攙扶。而在沒有人幫助的情況下,行動不便的病人寸步難行,稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學生選擇參加醫療與服務機器人創新設計與制作賽項,設計一種醫療服務機器人更好的服務病人。2.項目團隊的建立建立學生團隊,營造互相競爭、互相幫助的學習氛圍,學生在做項目過程中攜手合作,彌補相互間的不足,遇到問題大家一起討論解決,這讓學生體會到團隊的重要性,做到共同進步。同時,團隊的學生分工明確,每人負責項目的某一部分,使學生真正參與到項目中,整個項目的完成,離不開每一個學生,學生為使項目不會因為自己負責的部分沒有完成而主動學習,主動查資料,可以培養和提高學生的自主學習能力。學生團隊的建立,應考慮學生的專業,年紀,特長等因素。教師確定一名隊長,根據項目的特點,隊長可以自己招學生,實現學生管理學生。參加醫療與服務機器人創新設計與制作賽項,筆者選擇了5名學生,隊長由09級的一名學生擔任,該生組織能力比較強,專業能力也比較脫出,由他負責整個項目的進展,匯報工作。其他學生分別是1名2009級的,2名2010級的,1名2011級的,專業分別是自動化、測控、電氣。3.項目任務、計劃的制定團隊負責人制定機器人項目工作計劃,確定工作步驟。機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的智能儀器。本次設計的醫療服務機器人由小組討論決定,醫療服務機器人外形像輪椅,病人能夠獨自駕駛去化驗室拿取報告,去門診找醫生復診,降低護士工作量及病人家屬的負擔。為使醫療服務機器人更好的服務病人,該團隊為機器人設置了兩種模式:座椅模式和病床模式,免去了病人就診、休息時需要被移動到病床上的麻煩。機器人將現場鍵盤控制和遠程控制相結合,實現護士對病人的遠程監護,機器人在前進過程中,檢測到前方有障礙物時就會立刻停下,減少不必要的事故。同時機器人配備了機械手,可以幫助病人取物品,最大程度幫助病人。根據團隊中學生的專業、特長等分配任務,負責機器人機械結構設計的學生需要畫圖紙、電焊等來完成機器人結構的設計、機械手的設計;電路設計的學生制作包括單片機電路、電源穩壓電路、電機驅動電路、紅外避障電路、鍵盤輸入電路;測控專業的學生負責電路的測試、場地的制作等工作;程序編寫的學生,完成程序的設計、調試;控制界面的設計由另外一個學生負責,主要是VB編寫上位機、WIFI攝像頭的調試、藍牙通信的調試。根據機器人項目的特點,學生在制作過程中可適當地作一些調整。根據項目完成的時間確定工作步驟,進行時間分配。最終得到教師的認可才能執行。4.項目制作學生自己確定各自在小組中的分工,然后按照已確立的工作步驟和程序工作。基于機器人項目的作品成果形式多種多樣,可以是調查報告、實物模型、演講稿、論文等。通過展示作品成果,可反映學生在項目完成過程中所掌握的技能。本次設計的醫療服務機器人成果包括機器人模型一個、機器人設計與使用說明書一份、演講稿一份。在本項目比賽結束后,指導學生按照他們設計的醫療服務機器人撰寫論文、申請專利。5.項目檢查評估整個項目檢查評估采用答辯的形式向教師匯報,首先由隊長對整個項目進行匯報總結,再由隊員對自己負責的工作進行匯報和自我評估,并且對設計的醫療服務機器人進行展示,教師根據團隊成員的表現、研究成果表述和作品的展示進行檢查,為到現場比賽作準備。針對項目中出現的問題,師生共同討論,教師引導學生獨立思考問題,解決問題。學生通過對比師生評價結果,找出造成結果差異的原因6.項目資料歸檔或應用為使學生養成良好的習慣,項目結束后,教師監督學生將項目工作資料整理歸檔,材料包括項目申報書、進度表、機器人機械結構圖、程序設計流程、機器人控制程序、項目結項書、項目報告講義等。
機器人項目教學的成果