雙創(chuàng)背景下融入人工智能的“自動(dòng)測試系統(tǒng)”課程教學(xué)方法探索

劉冰 付平 鳳雷 李君寶 鄭文斌

摘? 要：文章面向高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育需求，圍繞如何將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入現(xiàn)有高校人才培養(yǎng)方案這一熱點(diǎn)問題，以自動(dòng)測試系統(tǒng)課程和人工智能技術(shù)融合為例，探索了雙創(chuàng)背景下融入人工智能的自動(dòng)測試系統(tǒng)課程教學(xué)改革方法。論文從目前研究型高校的人才培養(yǎng)理念與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的實(shí)用教育理念不能直接匹配的情況作為切入點(diǎn)，從課程簡析、教學(xué)方法探索目標(biāo)、教學(xué)過程中遇到的問題及解決思路、教學(xué)探索的具體計(jì)劃及課程、實(shí)驗(yàn)案例等方面介紹了相關(guān)內(nèi)容。這種教學(xué)探索嘗試對于研究型高校在校生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技術(shù)能力培養(yǎng)具有較好的應(yīng)用前景及推廣性。

關(guān)鍵詞：人工智能技術(shù);自動(dòng)測試系統(tǒng);課程教學(xué);典型案例

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）05-0060-04

Abstract： Facing the demand of innovation and entrepreneurship education in colleges and universities， this paper focuses on the hot issue of how to integrate innovation and entrepreneurship education into the existing talent training program in colleges and universities. Taking the integration of automatic test system course and artificial intelligence technology as an example， this paper explores the teaching reform method of automatic test system course integrating artificial intelligence under the background of mass entrepreneurship and innovation. With that the concept of talent training and the innovation of the research universities entrepreneurship education in the concept of practical education cannot match directly as a breakthrough point， the paper introduces the related content， from the simple analysis of the course， some teaching methods to explore the target， the problems in the teaching process and solution， the specific plan to exploreteachingand courseexperimental cases， etc. This kind of teaching exploration attempt has a good application prospect and popularization for the cultivation of innovation and entrepreneurship technology ability of students in research universities.

Keywords： artificial intelligence technology; automatic test system; curriculum teaching; typical cases

一、概述

教育部在《關(guān)于大力推進(jìn)高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育和大學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)的意見》中指出：在高等學(xué)校開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，是教育系統(tǒng)開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的重要戰(zhàn)略舉措深入學(xué)習(xí)實(shí)踐科學(xué)發(fā)展觀，為建設(shè)創(chuàng)新型國家服務(wù)，是深化高等教育教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的重要途徑。因此，各級政府和企事業(yè)單位高度重視開展高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育活動(dòng)，營造良好的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育環(huán)境，大力建設(shè)全面創(chuàng)新、層次創(chuàng)新、系統(tǒng)創(chuàng)新高校創(chuàng)業(yè)教育體系。在上述背景下，在高等教育教學(xué)方法和人才培養(yǎng)研究探索中，圍繞創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系建設(shè)的需求，為了提高大學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力，具有重要意義，結(jié)合創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)教育的技能培訓(xùn)開展研究，探索課程改革背景下的創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神教育[1-3]。

為提高在校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，需要包括政府、高校、企業(yè)、家庭、個(gè)人等全方位、多層次的教育培養(yǎng)體系。在這個(gè)體系中，高校在學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技術(shù)能力培養(yǎng)方面起到至關(guān)重要的作用。雖然，像哈工大這類研究型高校的人才培養(yǎng)理念與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的實(shí)用教育理念不能直接匹配，但是，可以通過在目前人才培養(yǎng)方案中融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過程中需要的技術(shù)能力教育來解決該問題。人工智能領(lǐng)域在目前的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)浪潮中吸引了眾多的投資興趣，孕育了大量的初創(chuàng)公司，并且部分公司已經(jīng)成長為“獨(dú)角獸”企業(yè)。因此，可以結(jié)合現(xiàn)有培養(yǎng)方案中的培養(yǎng)要求，將人工智能相關(guān)知識針對性引入現(xiàn)有課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程過程中去理解人工智能應(yīng)用于本專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)內(nèi)涵，為今后的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過程積累技術(shù)能力，進(jìn)而提升初創(chuàng)企業(yè)競爭力。這種方法對于研究型高校在校生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技術(shù)能力培養(yǎng)具有較好的應(yīng)用前景及推廣性。因此，本文將以作者講授的自動(dòng)測試系統(tǒng)課程為例，闡述雙創(chuàng)背景下融入人工智能的“自動(dòng)測試系統(tǒng)”課程教學(xué)方法方面的探索。

二、案例課程簡析及教學(xué)方法探索目標(biāo)

《自動(dòng)測試系統(tǒng)》是測控技術(shù)與儀器電子測量專業(yè)的一門核心專業(yè)課程。本課程的主要教學(xué)內(nèi)容是電子儀器的系統(tǒng)集成技術(shù)，包括GPIB總線技術(shù)、VXI總線技術(shù)和PXI總線技術(shù)等[4]。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能夠自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，并以適當(dāng)?shù)姆绞斤@示或輸出結(jié)果，幾乎不需要人工參與，圖1是自動(dòng)測試系統(tǒng)的典型示例。本課程的學(xué)習(xí)是高校測控技術(shù)專業(yè)的重要組成部分。本課程的目標(biāo)是使學(xué)生了解自動(dòng)測試總線接口的技術(shù)規(guī)范和虛擬儀器軟件技術(shù)的使用，可以面向工業(yè)領(lǐng)域（包括航空、航天、船舶等）的應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試系統(tǒng)集成。

在上述課程教學(xué)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，雙創(chuàng)背景下融入人工智能的“自動(dòng)測試系統(tǒng)”課程教學(xué)方法方面的教學(xué)方法探索目標(biāo)就是在面向“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)融入人才培養(yǎng)方案”和“基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育下的教學(xué)和學(xué)籍管理制度改革”的研究需求，開展自動(dòng)測試系統(tǒng)課程的針對性教學(xué)改革與探索，包括教學(xué)環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。具體而言，是在滿足課程教學(xué)大綱及培養(yǎng)方案的前提下，通過教學(xué)改革與探索，將自動(dòng)測試領(lǐng)域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中所需要的人工智能相關(guān)知識針對性引入現(xiàn)有課程教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，進(jìn)而豐富和完善研究型大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技術(shù)能力培養(yǎng)的教育體系，提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技術(shù)能力。隨著人工智能（Artificial Intelligence AI）技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)測試系統(tǒng)的智能化已成為一個(gè)方向。小型化、輕量化、低功耗是自動(dòng)測試系統(tǒng)向這個(gè)方向發(fā)展的重要表現(xiàn)。人工智能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試系統(tǒng)智能化的重要技術(shù)手段。為了滿足上述要求，嵌入式人工智能技術(shù)已經(jīng)成為構(gòu)建先進(jìn)的自動(dòng)測試系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。在這樣的背景下，為了讓測控專業(yè)的學(xué)生盡快掌握人工智能技術(shù)的知識，并將技術(shù)與專業(yè)相結(jié)合，迫切需要基于嵌入式人工智能技術(shù)來體現(xiàn)自動(dòng)測試系統(tǒng)應(yīng)用能力的實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容改革設(shè)計(jì)，在教學(xué)中進(jìn)行了一些針對性的探索以適應(yīng)新時(shí)代對人才的豐富需求，創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

三、教學(xué)過程中面臨的問題及解決思路

在“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”背景下，將人工智能技術(shù)融入自動(dòng)測試系統(tǒng)現(xiàn)有的課程體系主要以下關(guān)鍵問題：

1. 現(xiàn)有課程培養(yǎng)體系約束下的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入方式

自動(dòng)測試系統(tǒng)教學(xué)方法探索的立足點(diǎn)不是新建一門創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課，而是結(jié)合現(xiàn)有課程內(nèi)容融合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育環(huán)節(jié)，因此，以何種方式融合是教學(xué)探索過程中的關(guān)鍵問題。

2. 校企協(xié)同育人模式的課程實(shí)驗(yàn)方法研究與設(shè)計(jì)

在課程中融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的目標(biāo)是提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技能，因此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)尤為重要，所以，如何基于校企協(xié)同育人模式設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)是關(guān)鍵問題。

針對上述問題，可以從以下四個(gè)方面考慮相應(yīng)的解決方法：

1. 開展自動(dòng)測試系統(tǒng)課程與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育間的融合教育機(jī)制研究，在分析現(xiàn)有自動(dòng)測試系統(tǒng)課程教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上，結(jié)合課程授課內(nèi)容，研究如何將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入現(xiàn)有課程教學(xué)環(huán)節(jié)。

2. 開展面向自動(dòng)測試領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)技能需求的人工智能技術(shù)教育方法研究，在調(diào)研自動(dòng)測試領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)過程中技術(shù)能力需求的基礎(chǔ)上，研究開展人工智能技術(shù)的教育方法與教學(xué)方式。

3. 開展匹配課程內(nèi)容和創(chuàng)業(yè)技能需求的人工智能技術(shù)教學(xué)案例研究與設(shè)計(jì)，結(jié)合具體的課程教學(xué)內(nèi)容與創(chuàng)業(yè)技能需求，融合人工智能技術(shù)因素，研究并設(shè)計(jì)適合推廣應(yīng)用、受眾面廣的教學(xué)案例。

4. 開展基于校企協(xié)同育人的自動(dòng)測試系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究與內(nèi)容設(shè)計(jì)，以自動(dòng)測試領(lǐng)域初創(chuàng)企業(yè)的實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程為參照，提煉與課程內(nèi)容相關(guān)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，并設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，探索校企協(xié)同育人模式下實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育方法。

四、教學(xué)探索的實(shí)施計(jì)劃

本研究案例的實(shí)施計(jì)劃如圖2所示，以教學(xué)探索研究需求分析（創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)融合人才培養(yǎng)方案和基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的教學(xué)改革）、研究型高校自動(dòng)測試系統(tǒng)課程內(nèi)容分析、自動(dòng)測試領(lǐng)域初創(chuàng)公司人工智能技術(shù)因素分析為基礎(chǔ)，開展自動(dòng)測試系統(tǒng)課程與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入機(jī)制、面向自動(dòng)測試領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)技能需求的人工智能教育方法、基于BOOPPS教學(xué)模型的教學(xué)案例設(shè)計(jì)、融合課程內(nèi)容與創(chuàng)新需求的課程研討課教學(xué)設(shè)計(jì)等方面的教學(xué)改革研究，在開展項(xiàng)目各項(xiàng)研究內(nèi)容的同時(shí)，在校企協(xié)同育人模式下，以自動(dòng)測試系統(tǒng)中的目標(biāo)檢測模塊設(shè)計(jì)為例，開展課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革研究與實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)。最后，通過指導(dǎo)學(xué)生參加哈工大“祖光杯”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、黑龍江省“挑戰(zhàn)杯”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽對課程改革內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證及改進(jìn)，不斷完善項(xiàng)目研究內(nèi)容的可行性及有效性。

項(xiàng)目實(shí)施過程中的相關(guān)要素包括以下幾個(gè)方面：

1. 授課學(xué)生：依托《自動(dòng)測試系統(tǒng)課程》，以大三學(xué)生為主，部分選修該課程的研究生為輔。

2. 協(xié)同育人企業(yè)：澎峰（北京）科技有限公司

3. 參與的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽：哈工大“祖光杯”、黑龍江省“互聯(lián)網(wǎng)+”、“挑戰(zhàn)杯”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽。

五、典型教學(xué)案例設(shè)計(jì)

在教學(xué)過程中，采用BOPPPS教學(xué)模型，BOPPPS是6個(gè)英文短語Bridge in、Objective、Pre-assessment、Participatory learning、Post-assessment、Summary的首字母組合，對應(yīng)表達(dá)的中文含義分別是導(dǎo)言、學(xué)習(xí)目標(biāo)、前測、參與式學(xué)習(xí)、后測、總結(jié)，這也是BOPPPS教學(xué)模式的六個(gè)要素， 及其序列結(jié)構(gòu)如圖3所示。該模式是國外高校普遍采用的一種教學(xué)互動(dòng)模式。其主要特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)學(xué)生有機(jī)會(huì)參與課程教學(xué)，幫助學(xué)生將課程知識應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中，通過師生之間的互動(dòng)反饋，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。在50分鐘的課程中，最集中的時(shí)間是前15分鐘左右，所以有必要在這段時(shí)間引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入課程。在這個(gè)過程中，緒論起到了構(gòu)建學(xué)生知識鏈的作用。通過這個(gè)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生們知道這節(jié)課程的重要性，并將學(xué)生以后的知識和要學(xué)習(xí)的知識進(jìn)行串接，在該環(huán)節(jié)需要向?qū)W生介紹創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的重要性，以及目前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過程中的技能需求。然后進(jìn)入學(xué)習(xí)目標(biāo)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生通過本次課堂學(xué)習(xí)知道，最終的學(xué)習(xí)目標(biāo)是什么，可以獲得什么樣的知識信息在該環(huán)節(jié)，需要將人工智能技術(shù)與自動(dòng)測試系統(tǒng)的結(jié)合點(diǎn)講解清楚，例如在目標(biāo)檢測過程中，如何使用智能算法完成檢測任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)入前測環(huán)節(jié)， 主要是通過交流和討論了解學(xué)生對這些知識的初步基礎(chǔ)，為后續(xù)課程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要梳理自己現(xiàn)有的知識體系結(jié)構(gòu)，教師需要通過交流了解學(xué)生的知識儲(chǔ)備。在此基礎(chǔ)上，我們將進(jìn)入學(xué)習(xí)參與的過程，通過學(xué)生熟悉的話題或者應(yīng)用背景開展課程討論與講解，例如通過日常生活中使用的手機(jī)智能應(yīng)用，采用討論、搶答等方式進(jìn)行講解。最好一個(gè)環(huán)節(jié)是后測環(huán)節(jié)，通過提問、答題等方式了解學(xué)生對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和自動(dòng)測試系統(tǒng)在人工智能領(lǐng)域結(jié)合點(diǎn)方面的掌握情況，驗(yàn)證學(xué)習(xí)結(jié)果是否與課程目標(biāo)一致。最后一部分是總結(jié)部分，主要針對學(xué)生在后測部分的學(xué)習(xí)情況，幫助他們梳理本課的知識，安排相關(guān)的課后學(xué)習(xí)任務(wù)，預(yù)測下一節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容[5-9]。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)節(jié)，首先需要給同學(xué)們介紹在自動(dòng)測試系統(tǒng)領(lǐng)域常見的用于實(shí)現(xiàn)嵌入式人工智能技術(shù)的平臺(tái)，如圖4所示，它包括單片機(jī)平臺(tái)、DSP平臺(tái)、ARM平臺(tái)、FPGA平臺(tái)、嵌入式GPU平臺(tái)等。同時(shí)需要介紹這些平臺(tái)的各自特點(diǎn)。具體來說，單片機(jī)平臺(tái)的成本低，但是計(jì)算能力有限;DSP平臺(tái)具有優(yōu)良的計(jì)算能力，但功能可擴(kuò)展性不強(qiáng); ARM平臺(tái)具有可接受的計(jì)算能力和成本，功耗稍高;FPGA平臺(tái)可以重構(gòu)，計(jì)算能力強(qiáng)，功耗低，但開發(fā)難度大;嵌入式GPU平臺(tái)具有良好的計(jì)算能力，但成本和功耗較高。因此，從培訓(xùn)的角度來看，雙一流的大學(xué)生能力和技術(shù)水平，在實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)自動(dòng)測試系統(tǒng)，我們首先介紹每個(gè)嵌入式平臺(tái)的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，然后選擇FPGA平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)嵌入人工智能技術(shù)，并向?qū)W生解釋為什么基于這個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[10-11]。

在具體的設(shè)計(jì)中，直接使用鵬豐（北京）科技有限公司Perf-FPGA平臺(tái)作為嵌入式平臺(tái)，并以該平臺(tái)為基礎(chǔ)部署以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)。Perf-FPGA是鵬豐科技研發(fā)面向FPGA的人工智能方案，具有高性能，低功耗，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)?？梢赃M(jìn)行人臉，行人，車輛等多種目標(biāo)和物體檢測與追蹤，支持無人機(jī)、安防、教育科研等應(yīng)用領(lǐng)域。Perf-FPGA涵蓋了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法壓縮，定點(diǎn)量化以及根據(jù)FPGA部署平臺(tái)的生成加速器。壓縮與量化工具DL-Quants可以導(dǎo)入多種主流深度學(xué)習(xí)模型， DL-Compiler可以快速生成DL加速器和運(yùn)行代碼。DL-Accelerator采用RTL實(shí)現(xiàn)，底層針對不同平臺(tái)做了適配和優(yōu)化，使資源占用和性能達(dá)到極致。該平臺(tái)的示意圖如圖5所示。

六、結(jié)束語

相比于國外的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技術(shù)能力教育，我國研究型高校目前的教育方法還存在一定差距，亟需嘗試將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技術(shù)能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)融入專業(yè)課程教學(xué)的改革研究與探索。本文以哈工大測控專業(yè)自動(dòng)測試系統(tǒng)課程為例，探索了雙創(chuàng)背景下融入人工智能的自動(dòng)測試系統(tǒng)教學(xué)方法，并給出了具體教學(xué)案例，這種嘗試對于研究型高校在校生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技術(shù)能力培養(yǎng)具有較好的應(yīng)用前景及推廣性。

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