人工智能在新工科“傳感器與檢測技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用

姚克明 俞洋 羅印升 潘玲佼

摘要：隨著以人工智能技術(shù)為代表的新技術(shù)正推動(dòng)全球科技產(chǎn)業(yè)革命，人工智能技術(shù)也正與新工科人才教育培養(yǎng)深度融合。該研究將人工智能技術(shù)應(yīng)用于新工科“傳感器與檢測技術(shù)”教學(xué)中。通過將人工智能強(qiáng)大的認(rèn)知推理和數(shù)據(jù)再生產(chǎn)能力力應(yīng)用于教學(xué)過程數(shù)據(jù)分析處理、智能虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、教學(xué)過程智慧管理、學(xué)生注意力和精神狀態(tài)識(shí)別、教與學(xué)立體評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)中，大幅提升課程的教學(xué)實(shí)踐效果，滿足新工科背景下創(chuàng)新工程實(shí)踐人才的培養(yǎng)要求。

關(guān)鍵詞：人工智能?認(rèn)知推理?新工科?教學(xué)應(yīng)用?技術(shù)融合

中圖分類號(hào)：G712????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Application?of?Artificial?Intelligence?in?the?Teaching?of?"Sensor?and?Detection?Technology"?in?New?Engineering

YAO?Keming??YU?Yang??LUO?Yinsheng??PAN?Lingjiao

（?School?of?Electrical&Information?Engineering，?Jiangsu?University?of?Technology，?Changzhou，?Jiangsu?Province?，213001?China）

Abstract：?As?new?technologies?represented?by?artificial?intelligence?technology?are?driving?the?global?sci-tech?industry?revolution，?artificial?intelligence?technology?is?also?deeply?integrated?with?the?education?and?cultivation?of?new?engineering?talents.?This study?applies?artificial?intelligence?technology?to?the?teaching?of?"Sensor?and?Detection?Technology"?in?new?engineering.?By?applying?the?powerful?cognitive?reasoning?and?data?reproduction?capabilities?of?artificial?intelligence?to?the?data?analysis?and?processing?of?the?teaching?process，?the?intelligent?virtual?experimental?platform，?the?intelligent?management?of?the?teaching?process，?the?recognition?of?students’?attention?and?mental?state，?and?the?three-dimensional?evaluation?of?teaching?and?learning，?the?teaching?practice?effect?of?the?course?is?significantly?improved，?and?the?training?requirements?for?innovative?engineering?practice?talents?in?the?context?of?new?engineering?are?met.

Key?Words：?Artificial?intelligence;?Cognitive?reasoning;?New?engineering;?Teaching?application;?Technology?convergence

當(dāng)今世界，正經(jīng)歷百年未有之大變局。隨著微電子、新材料、人工智能、新一代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，第四工業(yè)革命已經(jīng)引領(lǐng)全球工業(yè)、產(chǎn)業(yè)以及人才創(chuàng)新的革命[1-4]，以人工智能技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及5G通信技術(shù)等一系列等技術(shù)也正在推動(dòng)全球的科技革命。全球各行各業(yè)都在發(fā)生翻天覆地的變化。社會(huì)各行業(yè)對(duì)人才的素質(zhì)也提出了更高的要求。近年來，國際工程教育改革的方向一直在朝著提升工程實(shí)際技術(shù)創(chuàng)新能力為目標(biāo)的方向前進(jìn)。美國斯坦福大學(xué)提出了“開環(huán)大學(xué)”[5-6]，采取自定義學(xué)習(xí)節(jié)奏、目標(biāo)性學(xué)習(xí)以及軸翻轉(zhuǎn)等手段來提升能力培養(yǎng)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)導(dǎo)向?qū)W習(xí)。?此外，歐洲主要國家、韓國和日本都在積極探索適應(yīng)工業(yè)與科技變革需求的面向未來的工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)方法。國內(nèi)自2017首次提出新工科建設(shè)以來，?雖然精確覆蓋其全部內(nèi)涵的定義仍然比較苦難[6-7]，但是，新工科建設(shè)是國家高等工程教育為了培養(yǎng)能夠滿足新一輪?科技產(chǎn)業(yè)革命的工程創(chuàng)新人才而采取的有力措施。新工科面向的是以新為核心要素的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)以及模式的工程教育改革[8]。新工科將面臨全新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能+應(yīng)用場景已經(jīng)賦能許多行業(yè)，并大幅推動(dòng)各行業(yè)的飛速提升。同樣，人工智能也可以為新工科教學(xué)賦予“新能量”，人工智能能夠使得跨專業(yè)/跨學(xué)科的知識(shí)深度融合，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)的智能化。同時(shí)相較于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，人工智能技術(shù)的應(yīng)用使教學(xué)活動(dòng)完全突破時(shí)間和空間的限制，使資源和內(nèi)容更加豐富，互動(dòng)信息更加智能以及教學(xué)方法更加靈活。人工智能技術(shù)的智能性、交互性、虛擬性和實(shí)踐性，使其能夠?yàn)榫呱砘虒W(xué)提供所需的認(rèn)知、交互和環(huán)境支持[9]，從而更好地實(shí)現(xiàn)工程實(shí)踐人才的創(chuàng)新培養(yǎng)。

2??人工智能在教學(xué)中的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是研究開發(fā)用于模擬、延伸和拓展人的智能的理論、方法、技術(shù)以及應(yīng)用系統(tǒng)的一門技術(shù)科學(xué)。人工智能是一門綜合性的學(xué)科，融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、心理學(xué)、語言學(xué)等多個(gè)學(xué)科[10]。人工智能的本質(zhì)是通過數(shù)學(xué)的方法來模擬人類相對(duì)低級(jí)的認(rèn)知行為，往往通過大量的計(jì)算得到一定約束條件下的統(tǒng)計(jì)學(xué)上的最優(yōu)解，從而做出判斷或結(jié)論。國外將人工智能應(yīng)用于教育領(lǐng)域的研究開始較早。楊珩[11]在“人工智能+教育”背景下市場營銷專業(yè)混合式教學(xué)模式的構(gòu)建與應(yīng)用研究中便說明SUSANNE?P?L?和?MARTIAL?V在2000年指出人工智能具有為學(xué)生提供開放學(xué)習(xí)環(huán)境、探索和協(xié)作的新機(jī)會(huì)。Popenici，?Stefan?A.?D.?和?Kerr，?Sharon?于2017年通過研究新興技術(shù)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的影響，為高等教育中開展人工智能教學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。國家教育部于2018年提出了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》。中共中央、國務(wù)院2020年印發(fā)的《深化新時(shí)代教育評(píng)價(jià)改革總體方案》明確提出：“創(chuàng)新評(píng)價(jià)工具，利用人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，探索開展學(xué)生各年級(jí)學(xué)習(xí)情況全過程縱向評(píng)價(jià)、德智體美勞全要素橫向評(píng)價(jià)”。國內(nèi)不少學(xué)者對(duì)人工智能在高等工程教育中的應(yīng)用作了研究和探討。比如：劉影將人工智能技術(shù)應(yīng)用Android應(yīng)用開發(fā)課程的教學(xué)中，取得一定的效果[12]。孫明思[13]對(duì)將人工智能技術(shù)應(yīng)用于線上平臺(tái)教學(xué)的中，取得一定的效果。鄭曉俊、吳靜雨[9]將人工智能應(yīng)用于具身認(rèn)知的現(xiàn)狀和推進(jìn)策略分析，提出將學(xué)生置于在環(huán)境、內(nèi)容、?身體互相契合的學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)中，學(xué)生將能獲得更加?立體、深刻的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。彭燁研究了“傳感器與檢測技術(shù)”課程教學(xué)改革以適應(yīng)人工智能人才的培養(yǎng)[14]。任佑平對(duì)于人工智能背景下的傳感器技術(shù)的教學(xué)做了初步的探討，但總體比較籠統(tǒng)，沒有具體環(huán)節(jié)和措施，也沒有結(jié)合新工科的人才培養(yǎng)需求[15]。車玲，王滟利用人工智能技術(shù)對(duì)傳感器與檢測技術(shù)教學(xué)課后理論作業(yè)方面做了一些探討[16]。總之，目前人工智能技術(shù)在“傳感器與檢測技術(shù)”教學(xué)應(yīng)用研究還比較少，特別是在結(jié)合新工科背景下的教學(xué)應(yīng)用更少。

3???人工智能技術(shù)在傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

3.1實(shí)踐與理論并重，加強(qiáng)數(shù)據(jù)獲取、分析與挖掘能力

以江蘇理工學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)課程為例，該課程共40學(xué)時(shí)，其中理論學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)。受到傳統(tǒng)教學(xué)思維的影響，教師在往往教學(xué)過程中，師生活動(dòng)往往受制于傳統(tǒng)的教學(xué)方法和技術(shù)，缺乏有效的課程內(nèi)容和中間數(shù)據(jù)信息的獲取、分析和挖掘能力[17]，同時(shí)還容易不由自主的重理論教學(xué)而輕實(shí)踐教學(xué)。傳感器與檢測技術(shù)是實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，必須轉(zhuǎn)變教學(xué)思維，將實(shí)踐和理論并重。基于人工智能技術(shù)，將課程理論和所有實(shí)踐內(nèi)容（包括課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)實(shí)踐案例等）的收集到人工智能處理系統(tǒng)，同時(shí)將師生教學(xué)過程中以及課后交互產(chǎn)生的高價(jià)值數(shù)據(jù)及時(shí)獲取收集到系統(tǒng)。隨著數(shù)據(jù)量的增大，特別是中間師生交互信息的大量增加系統(tǒng)就會(huì)變得越來越“聰明”。這樣人工智能系統(tǒng)就可以在相當(dāng)程度上了替代老師與學(xué)生在課后進(jìn)行互動(dòng)，并能有效識(shí)別學(xué)生的學(xué)習(xí)情況與存在的問題。比如：在樣本的計(jì)算中，需要至少做2次粗大誤差判別，最終計(jì)算的結(jié)果的概率有沒有和所選判別標(biāo)準(zhǔn)的概率保持相適應(yīng)，人工智能系統(tǒng)不僅能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問題，還能準(zhǔn)確知道學(xué)生為何會(huì)出現(xiàn)這樣的錯(cuò)誤。除實(shí)驗(yàn)課外，在理論課時(shí)中，強(qiáng)化實(shí)際工程案例分析，實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)技能的培養(yǎng)。例如：在講解應(yīng)變式傳感器章節(jié)時(shí)，可以和學(xué)生一起分享專業(yè)體育運(yùn)動(dòng)員過程訓(xùn)練用的儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)案例。這些所有的課程內(nèi)容與實(shí)際工程案列不斷迭代形成的數(shù)據(jù)以及師生互動(dòng)常年累月形成的中間數(shù)據(jù)是十分寶貴的財(cái)富，人工智能技術(shù)的應(yīng)用可以讓這一數(shù)據(jù)大放異彩，讓新工科背景下的“傳感器與檢測技術(shù)”課程教學(xué)效果實(shí)現(xiàn)新的質(zhì)的提升。

3.2?基于人工智能的智能虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)際創(chuàng)新能力起著非常重要的作用，物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)往往只能在課內(nèi)時(shí)間使用，課外使用有諸多不便，比如管理和安全問題等。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)往往只有單純的數(shù)據(jù)存放功能，缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的分析、挖掘能力。將人工智能技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合建立傳感器與檢測技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并與是實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)融為一體，虛實(shí)相結(jié)合，有效地解決了培養(yǎng)創(chuàng)新型工程實(shí)踐人過程中面臨的實(shí)踐鍛煉平臺(tái)之間的無縫銜接問題。利用人工智能的認(rèn)知、學(xué)習(xí)和推理模型，將獲取的理論與實(shí)踐數(shù)據(jù)、校內(nèi)與校外實(shí)踐數(shù)據(jù)、工程實(shí)際案例數(shù)據(jù)以及當(dāng)年橫向數(shù)據(jù)與歷年縱向數(shù)據(jù)經(jīng)過大量訓(xùn)練，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠依舊每個(gè)學(xué)生自身特點(diǎn)，推薦針對(duì)的實(shí)踐項(xiàng)目，實(shí)踐過程中可以與學(xué)生智能交互，能夠有效識(shí)別學(xué)生的文字表述和實(shí)踐情況，客觀準(zhǔn)確地給出回答或建議。學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)不僅不再受時(shí)間和空間的限制。人工智能強(qiáng)大的認(rèn)知推理學(xué)習(xí)能力還讓虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成為學(xué)生的“知心”朋友，讓學(xué)生課后在趣味中，鍛煉自身的工程實(shí)際創(chuàng)新能力。

3.3?基于人工智能的過程智慧管理、學(xué)習(xí)主動(dòng)性與注意力分析

人工智能強(qiáng)大的認(rèn)知、學(xué)習(xí)與推理能力，通過大量教學(xué)的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，能夠輸出大量精準(zhǔn)化管理數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)教師實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的知道學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，及時(shí)采取針對(duì)性的教學(xué)措施。將人工智能深度學(xué)習(xí)技術(shù)與機(jī)器視覺技術(shù)相結(jié)合，通過相機(jī)拍攝學(xué)生的面部圖像，通過表情識(shí)別算法判別學(xué)生此時(shí)的注意力以及精神狀態(tài)。具體識(shí)別過程如圖1所示。

筆者所帶領(lǐng)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)表情識(shí)別算法展開了多年的研究，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)應(yīng)用場景下多個(gè)表情狀態(tài)的準(zhǔn)確識(shí)別。將人工智能技術(shù)應(yīng)用識(shí)別學(xué)生的注意力和精神狀態(tài)，可以有效即時(shí)干預(yù)，從而提高學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的效果。

3.4?基于人工智能的教與學(xué)立體評(píng)價(jià)體系

以往我們對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)過于簡單，主要依據(jù)是考試、平時(shí)作業(yè)以及課堂的提問。這樣的評(píng)價(jià)方式名曰過程考核，實(shí)際依舊呆板，依舊還是各環(huán)節(jié)的結(jié)果定論，并且缺乏科學(xué)維度。利用人工智能技術(shù)的強(qiáng)大認(rèn)知、學(xué)習(xí)、推理能力，特別是數(shù)據(jù)再生產(chǎn)能力[9]，從而可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行真正意義上的立體式全過程評(píng)價(jià)，建立學(xué)生立體評(píng)價(jià)模型。該模型的輸入?yún)?shù)包括平時(shí)和期末的各項(xiàng)成績，每次作業(yè)的評(píng)價(jià)、每次理論和實(shí)踐課的效果、每次課中的注意力與精神狀態(tài)情況、課后參與實(shí)踐和互動(dòng)情況等。通過人工智能深度學(xué)習(xí)技術(shù)和大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練出來的評(píng)價(jià)模型，能夠在全方位輸入?yún)?shù)的支持下，準(zhǔn)確立體評(píng)價(jià)每個(gè)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)情況和課程的教學(xué)成效，更能動(dòng)態(tài)即時(shí)完善人才培養(yǎng)措施。

4?結(jié)語

人工智能技術(shù)強(qiáng)大的自我學(xué)習(xí)和認(rèn)知推理能力，能夠有效地賦能傳感器與檢測技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐，更能實(shí)現(xiàn)新工科的創(chuàng)新人才培養(yǎng)。將人工智能技術(shù)應(yīng)用于新工科的專業(yè)課程教學(xué)，不僅能夠提升人才對(duì)專業(yè)課程和人工智能技術(shù)的理解，更能培養(yǎng)滿足以人工智能技術(shù)為代表的新技術(shù)引起的科技產(chǎn)業(yè)革命所需的高層次工程實(shí)踐創(chuàng)新人才的需要。

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