人工智能背景下創(chuàng)新教育人才培養(yǎng)的建模研究

張雅靜，張景輝

（煙臺(tái)大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，煙臺(tái) 山東 264005）

1 創(chuàng)新教育

1.1 研究背景

人工智能和知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的當(dāng)下，創(chuàng)新決定著大到整個(gè)國(guó)家和民族、小到個(gè)人的綜合競(jìng)爭(zhēng)能力[1]。創(chuàng)新教育不僅僅是大學(xué)生的教育，更應(yīng)該從小抓起。然而目前對(duì)創(chuàng)新教育缺乏系統(tǒng)的總結(jié)與理論研究[2]。本文以人工智能專(zhuān)業(yè)的背景和工科思維的邏輯來(lái)分析創(chuàng)新教育體系，用系統(tǒng)思維對(duì)創(chuàng)新教育的工作進(jìn)行建模研究，對(duì)創(chuàng)新教育的發(fā)展具有非同尋常的意義。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在創(chuàng)新教育領(lǐng)域，比較成熟的創(chuàng)新教育理念有STEAM，創(chuàng)新教育實(shí)踐有創(chuàng)客教育，創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系有歐林工學(xué)院的歐林體系[3]。

STEAM教育理念是美國(guó)最先提出的一種教育理念，它的目的就是培養(yǎng)孩子的綜合實(shí)踐能力。STEAM教育的核心是培養(yǎng)一種幫助孩子發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的思維方法。創(chuàng)客教育是STEAM教育的理論實(shí)踐部分。

歐林體系起源于美國(guó)歐林工學(xué)院。該體系將融合了多門(mén)學(xué)科，注重培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神，專(zhuān)注于訓(xùn)練創(chuàng)新思維，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新工程，將思維與工程結(jié)合起來(lái)，主要特點(diǎn)就是動(dòng)手實(shí)踐和啟發(fā)式教學(xué)，以提升學(xué)生全面綜合素養(yǎng)為最終目的。

1.3 創(chuàng)新教育現(xiàn)狀

創(chuàng)新教育本著從小培養(yǎng)的理念，其目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力，以適應(yīng)人工智能時(shí)代的需要。創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力的發(fā)展包括對(duì)各學(xué)科學(xué)習(xí)能力、思辨能力、邏輯思維與實(shí)踐能力的培養(yǎng)。目前國(guó)內(nèi)外以實(shí)踐和定性研究為主，尚未有關(guān)于學(xué)生創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力的定量研究。

2 創(chuàng)新教育影響因素

影響創(chuàng)新教育發(fā)展有多種因素。本文選取最主要的四個(gè)因素來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)建與分析，分別為課程體系、教學(xué)規(guī)模、學(xué)生能力以及教資水平。

（1）課程體系。課程體系是指在一定的教育價(jià)值理念指導(dǎo)下，將課程的各個(gè)構(gòu)成要素加以排列組合，使各個(gè)課程要素在動(dòng)態(tài)過(guò)程中統(tǒng)一指向課程體系目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。創(chuàng)新課程體系的調(diào)整制約著學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展方向。

（2）教學(xué)規(guī)?！，F(xiàn)實(shí)情況下，教學(xué)規(guī)模不止包含了學(xué)生數(shù)量，還有教育經(jīng)費(fèi)、教學(xué)器材數(shù)量及規(guī)模等因素。教學(xué)規(guī)模的大小影響了創(chuàng)新教育的規(guī)模。

（3）學(xué)生能力。學(xué)生本身的綜合能力也影響著青少年創(chuàng)新教育的進(jìn)一步發(fā)展。有能力基礎(chǔ)和毫無(wú)課程經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，其課堂表現(xiàn)和創(chuàng)新能力提高的程度有差異。

（4）教資水平。教資水平的高低直接影響了青少年創(chuàng)新教育的發(fā)展程度。好的師資善于引導(dǎo)學(xué)生的興趣，甚至在沒(méi)有教學(xué)條件的情況下創(chuàng)造出超常的教學(xué)效果。相反，水平較低的師資也有可能會(huì)泯滅學(xué)生的興趣，阻礙學(xué)生的發(fā)展。

3 控制方案的設(shè)計(jì)

3.1 建模思路

在整個(gè)教育系統(tǒng)中，學(xué)生需要通過(guò)一定時(shí)間的學(xué)習(xí)才能到達(dá)穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)中的任何一個(gè)輸入量、干擾量都可以對(duì)控制對(duì)象的創(chuàng)新能力發(fā)展產(chǎn)生影響，每個(gè)變量對(duì)其影響都符合泊松分布。系統(tǒng)建模目標(biāo)是：系統(tǒng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展促進(jìn)效果越大越好，但是由于多種因素（人文、課程、政策、心態(tài)、本身能力等）的不確定性，因此，本章采用隨機(jī)模擬的方法來(lái)建立系統(tǒng)。

3.2 建模方法

3.2.1 被控對(duì)象的選擇

表1 被控對(duì)象與操縱方式

3.2.2 創(chuàng)新教育系統(tǒng)的總控制方框圖

圖1 創(chuàng)新教育系統(tǒng)的控制方框圖

在本設(shè)計(jì)建立的系統(tǒng)方框圖中，被控對(duì)象即已提到的影響青少年創(chuàng)新教育體系的若干主要因素：課程體系、教學(xué)規(guī)模、學(xué)生、教師等。所謂的控制器其實(shí)就是實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)整，而“反饋測(cè)量變送器”就是根據(jù)出勤率、課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、答疑情況等綜合起來(lái)的學(xué)生表現(xiàn)而設(shè)立一種實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，經(jīng)過(guò)課程前后學(xué)生的創(chuàng)新能力發(fā)展情況的對(duì)比，如果沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，則通過(guò)人為控制調(diào)整各方面因素，直至達(dá)到預(yù)期并且學(xué)生的進(jìn)步保持穩(wěn)態(tài)。

4 創(chuàng)新教育模型分析與建立

4.1 系統(tǒng)建模

假設(shè)：①設(shè)初階學(xué)生處于中小學(xué)階段，高階學(xué)生處于大學(xué)階段。②模型分析時(shí)只以客觀因素為依據(jù)，不考慮師生心理等相關(guān)因素。③各因素之間除特殊說(shuō)明外，相互之間沒(méi)有交互作用及耦合關(guān)系。

本設(shè)計(jì)主要客觀因素包括課程體系、教學(xué)規(guī)模、學(xué)生、教師、教資水平等。由于不同學(xué)校對(duì)于創(chuàng)新教育投入資源不同，分配資源較多的學(xué)校的各方面數(shù)據(jù)普遍高于其他學(xué)校，創(chuàng)新教育結(jié)果值就會(huì)偏高。為調(diào)整這方面帶來(lái)的偏差，引入資源修正的概念。

圖2為創(chuàng)新人才培養(yǎng)模型框圖。由圖2可見(jiàn)，學(xué)生經(jīng)過(guò)創(chuàng)新課程體系的建立，在校內(nèi)和校外課程的共同學(xué)習(xí)下，經(jīng)過(guò)等級(jí)考試、創(chuàng)新競(jìng)賽等檢驗(yàn)，成長(zhǎng)為創(chuàng)新性人才，并通過(guò)項(xiàng)目探究等科學(xué)實(shí)踐反饋到輸入端，成為閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中，教學(xué)規(guī)模和教資水平為重要的干擾因素。為建模需要，將相關(guān)變量命名如表2所示。

圖2 創(chuàng)新人才培養(yǎng)系統(tǒng)模型框圖

表2 變量符號(hào)列表

則由上述模型簡(jiǎn)化，分解為校內(nèi)與校外兩組傳遞函數(shù)G1（S）和G2（S）。

求解模型傳遞函數(shù)：

由于各參數(shù)中，校內(nèi)課程及其課程體系相對(duì)穩(wěn)定，設(shè)為定常系數(shù)。校外課程、校內(nèi)教資水平與校外教資水平均屬于為時(shí)間的函數(shù)，經(jīng)拉普拉斯變換，取為一階慣性環(huán)節(jié)。故根據(jù)相關(guān)因素關(guān)系簡(jiǎn)化總的傳遞函數(shù)為：

其中，

則，經(jīng)過(guò)計(jì)算，傳遞函數(shù)可近似為：

4.2 系統(tǒng)仿真及穩(wěn)定性分析

本文作者經(jīng)過(guò)從小學(xué)、中心到大學(xué)近兩年的教學(xué)實(shí)踐采集了大量的數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)模型，輸入所采集數(shù)據(jù)，用MATLAB做了系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)模型仿真圖

由仿真圖可知該數(shù)學(xué)模型符合單位脈沖響應(yīng)；并且可得到系統(tǒng)超調(diào)量σ%=4.28%，調(diào)節(jié)時(shí)間ts=1.47（Δ=2%）。

通過(guò)Matlab仿真，可以得出本文建立的數(shù)學(xué)模型是穩(wěn)定的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合人工智能相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和教育學(xué)理論，通過(guò)分析課程體系和教學(xué)規(guī)模等相關(guān)因素影響下創(chuàng)新教育系統(tǒng)的特點(diǎn)，用自動(dòng)控制系統(tǒng)理論對(duì)創(chuàng)新教育體系進(jìn)行了建模。以MATLAB為工具進(jìn)行仿真并且驗(yàn)證了其穩(wěn)定性。未來(lái)的教育，不再是關(guān)在教室里面的教育，應(yīng)該是走出課堂，重于實(shí)踐和創(chuàng)新思維發(fā)展的教育。未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)是創(chuàng)新能力的競(jìng)爭(zhēng)，有創(chuàng)新思維和能力的人才在競(jìng)爭(zhēng)中才會(huì)獲得優(yōu)勢(shì)。