“人工智能+”背景下交通類實踐課程建設

高銳鋒，施 佺，周晨璨

（南通大學交通與土木工程學院 江蘇 南通 226019）

近年來，國家相繼提出了《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》《中國交通的可持續(xù)發(fā)展》等系列文件。其中，智能交通被認為是未來交通發(fā)展的重要方向之一[1]。作為跨學科的專業(yè)，智能交通類專業(yè)除了涵蓋傳統(tǒng)的交通工程等專業(yè)外，還與自動化、計算機等專業(yè)密切相關。構(gòu)建融合人工智能的交通類人才培養(yǎng)體系，培養(yǎng)具備人工智能知識儲備與技術能力的交通類人才，既是當今社會產(chǎn)業(yè)發(fā)展對人才的迫切需求，又是高校的人才培養(yǎng)使命[2]。本文以交通類專業(yè)的實踐課程為例，探討了在新工科背景下，“人工智能+”交通類專業(yè)的實踐課程優(yōu)化設計思路，提升課程的教學質(zhì)量，提高學生解決智能交通類復雜工程問題的能力，適應我國的交通強國戰(zhàn)略發(fā)展。

1 課程現(xiàn)狀分析

1.1 課程體系缺乏融合支撐

在當前交通類智能交通方向的課程內(nèi)容中，大多是在講解課程基礎內(nèi)容的同時，介紹結(jié)合人工智能的一些應用，但對如何結(jié)合人工智能進行學習并未展開討論。在相應的實踐環(huán)節(jié)，也未開展相關的訓練。結(jié)合人工智能，對整個交通系統(tǒng)進行分析，在交通系統(tǒng)設計的過程中融入人工智能技術更是少見。當下，隨著智能交通的快速發(fā)展，人工智能為交通系統(tǒng)的設計、管理、規(guī)劃帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)。如何面向智能交通，交叉融合人工智能領域的新技術、新方法到交通類課程的實踐環(huán)節(jié)中，是實現(xiàn)智能交通方向人才培養(yǎng)的關鍵問題，也是實現(xiàn)新工科教育人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

1.2 教學內(nèi)容脫離前沿技術

交通類專業(yè)傳統(tǒng)的教學內(nèi)容大多以教材為載體，主要還是圍繞交通理論、交通數(shù)據(jù)采集與處理等內(nèi)容開展。從教材的角度出發(fā)，目前學生普遍使用的教材在教學內(nèi)容上存在著滯后等問題。此外，由于教材本身注重知識系統(tǒng)的完整性與完備性，大量篇幅都是對傳統(tǒng)方法的介紹，缺乏智能交通前沿的新技術、新理念與新方法。在實踐類課程的訓練中，上述情況更加凸顯，實驗設備的開發(fā)，實踐教學內(nèi)容的安排，均需要針對前沿知識進行動態(tài)調(diào)整。在課程的教學內(nèi)容中，充分體現(xiàn)前沿知識，可以更好地促進學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.3 教學手段單一

傳統(tǒng)的教學大多采用“課堂講授”的形式開展，按照教學大綱的要求，理論知識為主，實踐訓練為輔。課程內(nèi)容的講解力求面面俱到，旨在幫助學生構(gòu)建較為完備的知識體系。然而，隨著技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的理論講授方式難以適用。傳統(tǒng)實驗實踐課程受限于課時的安排，對于需要學生去進一步學習吸收的人工智能類新技術、新方法難以充分開展，特別是融合了人工智能技術的智能交通系統(tǒng)設計的融合機理，傳統(tǒng)的教學手段難以滿足上述要求。

1.4 課程評價方式

在傳統(tǒng)的教學過程中，課程的評價方式采用“試卷+作業(yè)”的方式開展，注重于對學生知識掌握程度的考查，對學生學習能力、動手能力等非知識能力的考查偏弱。在實踐內(nèi)容上，以課程報告為主，重點考查學生的報告完成情況。作為多學科交叉融合的知識內(nèi)容，傳統(tǒng)的課程評價方式難以滿足智能交通行業(yè)對人才培養(yǎng)目標的要求。以案例、任務、項目等多種形式開展，重點考查學生的知識檢索、獲取以及學習動手能力是適應當前智能交通行業(yè)對人才培養(yǎng)目標的迫切要求，也是課程的評價中應當重點考慮的因素。

2 實踐課程優(yōu)化設計

2.1 “雙融合”的教學理念

在新工科建設和工程教育背景下，多學科交叉融合和校企合作產(chǎn)教融合是當前新工科專業(yè)在人才培養(yǎng)方案、課程大綱以及教學過程中需要遵循的基本要求。對于當前的交通類專業(yè)發(fā)展而言，智能交通已經(jīng)成為未來交通行業(yè)/專業(yè)發(fā)展的趨勢。因此，在人工智能+智能交通的理念下，對交通與人工智能進行交叉融合，同時在教學體系中充分體現(xiàn)校企合作產(chǎn)教融合是培養(yǎng)能夠面向交通行業(yè)且適應社會發(fā)展的高素質(zhì)工程技術人才的根本途徑[3]。

2.1.1 學科交叉融合

在智能交通方向的專業(yè)學習中，學生不僅需要傳統(tǒng)基礎的專業(yè)理論知識，同時還需要人工智能、計算機、自動控制、電子信息等多學科的交叉融合，特別是在實踐課程中熟練掌握運用人工智能技術去解決交通復雜工程問題，如區(qū)域的綠波協(xié)調(diào)控制、交通流量的預測等。在此基礎上，學生在學習交通類課程中，也需要充分融入多學科交叉融合的理念，樹立大工程觀。教師在實踐課程的教學過程中，教學內(nèi)容、實驗實踐項目需要結(jié)合人工智能技術，從“為什么需要人工智能”“人工智能能夠帶來什么”以及“如何應用人工智能到智能交通系統(tǒng)中”等多個維度出發(fā)，幫助學生全方位理解多學科交叉融合的過程，促進知識的融會貫通。

2.1.2 校企產(chǎn)教融合

在面向智能交通行業(yè)的復雜工程問題時，教師需要進一步優(yōu)化實踐教學內(nèi)容與課程目標，可以從自身的實踐校企合作項目出發(fā)，在實踐教學環(huán)節(jié)中，將實際工程問題提煉為教學案例。進一步，以項目式的方式作為實踐教學的內(nèi)容，加強學生對知識的獲取、理解、應用全過程能力的培養(yǎng)。學生在實踐過程中，樹立正確的學科交叉融合以及校企產(chǎn)教融合的理念，有助于培養(yǎng)系統(tǒng)觀，激發(fā)學習興趣，從而達到提高學習主動性、積極性，鍛煉解決復雜工程問題能力的目的。

2.2 教學內(nèi)容

在實踐課程的教學內(nèi)容中，結(jié)合智能交通產(chǎn)業(yè)的前沿進展，基于多學科交叉融合以及校企產(chǎn)教融合的教學理念，將產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、企業(yè)的需求凝練為教學內(nèi)容。如在交通設備與控制工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中，融入人工智能，將教學內(nèi)容分為智能交通系統(tǒng)管理技術、智能交通信息處理技術、智能交通信息感知技術三個部分，其中智能交通系統(tǒng)管理為宏觀、系統(tǒng)上對交通的管控，包括交通工程學、交通設計以及交通管控。智能交通信息處理技術則對應的是智能交通系統(tǒng)中涉及的海量交通數(shù)據(jù)處理方法，包括交通大數(shù)據(jù)原理及應用、交通系統(tǒng)分析、數(shù)據(jù)庫技術等。智能交通信息感知技術主要面向智能交通系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集感知部分，包括交通數(shù)據(jù)采集、智能交通雷達技術、交通圖像處理技術等。每個模塊都配備有相應的綜合實訓課程。通過三個模塊的學習以及實踐訓練，旨在讓學生能夠在學習的過程中充分理解掌握融入人工智能的智能交通基本概念、關鍵技術以及應用場景，提升對整個智能交通行業(yè)前沿技術的感知與認知能力。

2.3 教學模式

2.3.1 混合式教學模式

系統(tǒng)架構(gòu)、知識應用是實踐課程教學重要的教學目標。采用混合式教學模式，讓學生主動參與到教學過程中。具體來講，系統(tǒng)架構(gòu)是指在教學過程中，通過教師講授的方式，向?qū)W生講解多個典型的智能交通系統(tǒng)案例，幫助學生了解智能交通系統(tǒng)設計的思路。再通過翻轉(zhuǎn)課堂的方式，要求學生匯報實踐內(nèi)容的知識組成，幫助學生加深對智能交通系統(tǒng)案例架構(gòu)的理解，并能夠探究人工智能、交通、電子信息各類學科在智能交通系統(tǒng)中的作用。再通過小組合作的方式開展實踐項目，啟發(fā)學生動手動腦，完成實踐內(nèi)容。最后，通過小組匯報方式鍛煉學生的表達能力，提升綜合素質(zhì)。

2.3.2 案例教學

采用“講解—討論—演示—實踐”四階段法融理論于實踐。從科研項目、校企合作項目中凝練合適的實際案例，并對案例進行分解。將案例所涉及的知識分解到不同的課程中，如智能交通系統(tǒng)管理、智能交通大數(shù)據(jù)技術、智能交通信息感知相應的課程。按照各課程之間的先修后修關系，確定各課程的實踐教學大綱以及實踐內(nèi)容。在具體課程實踐中，學生通過小組討論的方式，了解本實踐內(nèi)容在整個系統(tǒng)中所占的位置，以及應用了哪些關鍵技術。由教師對具體的實際案例進行細致的講解，包括項目背景、項目難點、項目關鍵點、人工智能的作用等，幫助學生充分理解案例。進一步，授課教師結(jié)合實際操作，示范實踐過程與步驟。最后，學生在教師提供的實踐平臺上完成實踐能力的鍛煉。通過上述方式，在實踐教學過程中充分融入了實際工程案例，模擬實際解決問題的場景，充分激發(fā)學生的學習興趣，提升學生學習知識的獲得感。

2.4 教學評價方法

在新工科與工程教育認證的背景下，學生的能力培養(yǎng)與評價是檢驗實踐教學目標達成情況的關鍵指標。在傳統(tǒng)的實踐教學內(nèi)容中，以課程報告為主，重點考查學生的報告完成情況，對學生非知識能力的考查偏弱。作為多學科交叉融合的知識內(nèi)容，傳統(tǒng)的課程評價方式難以滿足智能交通對人才培養(yǎng)目標的要求。為了改進傳統(tǒng)的實踐教學方式，應結(jié)合“階段化過程評價、多元化綜合能力評價”的方式，對實踐教學的全過程進行監(jiān)督。階段化是指將整個實踐過程分為討論、總結(jié)、動手以及匯報四個部分，每個部分單獨打分，分別占最終成績的20%、20%、40%、20%，最后通過對所有成績進行加權求和，即可得實踐成績。多元化是指在實踐過程中，討論、總結(jié)、動手以及匯報四個部分的評價方式各不相同，討論主要按照課堂表現(xiàn)給分，總結(jié)是通過課堂測驗的形式開展，動手主要檢驗實踐內(nèi)容完成的情況，而匯報是由最終得分組匯報給出。通過采用這種以過程評價為主的教學評價方式，更有利于綜合、全面地評價學生的實踐能力與學習效果，也更符合新工科與工程教育認證對人才培養(yǎng)的要求。

3 教學實踐效果

以智能交通方向?qū)I(yè)的“交通信息網(wǎng)絡與通信”為例。在網(wǎng)絡通信中，如何評估系統(tǒng)的傳輸時延是該課程的核心內(nèi)容之一。對時延的準確評估，對實現(xiàn)智能交通中的車聯(lián)網(wǎng)低時延通信具有重要意義。課程教學過程中，引入人工智能技術，對移動通信網(wǎng)絡的時延進行了深入的分析與實踐，突出時延分析對于智能交通系統(tǒng)的重要性，以及傳統(tǒng)方法分析時延的適用范圍。在此基礎上，突出結(jié)合人工智能技術符合當今網(wǎng)絡通信智能化發(fā)展的需求。在教學內(nèi)容上，以當前車聯(lián)網(wǎng)中移動邊緣技術為切入點，構(gòu)建在移動邊緣計算場景中，通信資源與通信時延之間的計算實際案例，設計實踐項目。在教學模式上，講解案例項目的應用場景，將學生分組，通過小組討論，了解本實踐內(nèi)容在整個系統(tǒng)中所占的位置，以及應用到了哪些關鍵技術。然后，基于實例，搭建基于強化學習的演示系統(tǒng)，幫助學生了解人工智能技術在該案例中如何應用。進一步，學生通過實際操作，動手編程與調(diào)試，分組匯報答辯，完成實踐項目。該實踐教學已在我校成功推廣，覆蓋了交通類專業(yè)全體學生，累計達200余人，通過問卷調(diào)查，學生總體滿意度達98%，普遍表示實踐能力得到提高。通過對已畢業(yè)學生的就業(yè)單位調(diào)查，用人單位普遍反映學生在就業(yè)時已具備一定的分析問題、解決問題的能力，學習成長較快，總體符合新工科背景下解決復雜工程問題能力的智能交通高素質(zhì)工程人才的培養(yǎng)。

4 結(jié)語

“人工智能+”背景對交通類實踐課程改革提出了新的要求。本文分別從教學體系、教學內(nèi)容、教學模式以及教學評價等多個維度出發(fā)，要求實踐教學內(nèi)容應注重多學科交叉融合能力的培養(yǎng)，以及實踐教學內(nèi)容應當源自學科前沿與行業(yè)實際案例。實踐結(jié)果表明，本文所提教學改革方法可進一步提升課程教學質(zhì)量，滿足新工科對復合創(chuàng)新型人才的發(fā)展需求。