雙創背景下融入人工智能的“自動測試系統”課程教學方法探索

劉冰 付平 鳳雷 李君寶 鄭文斌

摘? 要：文章面向高校創新創業教育需求，圍繞如何將創新創業教育融入現有高校人才培養方案這一熱點問題，以自動測試系統課程和人工智能技術融合為例，探索了雙創背景下融入人工智能的自動測試系統課程教學改革方法。論文從目前研究型高校的人才培養理念與創新創業教育中的實用教育理念不能直接匹配的情況作為切入點，從課程簡析、教學方法探索目標、教學過程中遇到的問題及解決思路、教學探索的具體計劃及課程、實驗案例等方面介紹了相關內容。這種教學探索嘗試對于研究型高校在校生的創新創業技術能力培養具有較好的應用前景及推廣性。

關鍵詞：人工智能技術;自動測試系統;課程教學;典型案例

中圖分類號：G642 文獻標志碼：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《關于大力推進高等學校創新創業教育和大學生自主創業的意見》中指出：在高等學校開展創新創業教育，是教育系統開展創新創業教育的重要戰略舉措深入學習實踐科學發展觀，為建設創新型國家服務，是深化高等教育教學改革，培養學生創新精神和實踐能力的重要途徑。因此，各級政府和企事業單位高度重視開展高校創新創業教育活動，營造良好的創新創業教育環境，大力建設全面創新、層次創新、系統創新高校創業教育體系。在上述背景下，在高等教育教學方法和人才培養研究探索中，圍繞創新創業教育體系建設的需求，為了提高大學生的創新和創業能力，具有重要意義，結合創新和創業教育的技能培訓開展研究，探索課程改革背景下的創新和創業精神教育[1-3]。

為提高在校大學生創新創業教育，需要包括政府、高校、企業、家庭、個人等全方位、多層次的教育培養體系。在這個體系中，高校在學生創新創業技術能力培養方面起到至關重要的作用。雖然，像哈工大這類研究型高校的人才培養理念與創新創業教育中的實用教育理念不能直接匹配，但是，可以通過在目前人才培養方案中融入創新創業過程中需要的技術能力教育來解決該問題。人工智能領域在目前的創新創業浪潮中吸引了眾多的投資興趣，孕育了大量的初創公司，并且部分公司已經成長為“獨角獸”企業。因此，可以結合現有培養方案中的培養要求，將人工智能相關知識針對性引入現有課程教學、實驗內容中，幫助學生在學習專業課程過程中去理解人工智能應用于本專業領域的技術內涵，為今后的創新創業過程積累技術能力，進而提升初創企業競爭力。這種方法對于研究型高校在校生的創新創業技術能力培養具有較好的應用前景及推廣性。因此，本文將以作者講授的自動測試系統課程為例，闡述雙創背景下融入人工智能的“自動測試系統”課程教學方法方面的探索。

二、案例課程簡析及教學方法探索目標

《自動測試系統》是測控技術與儀器電子測量專業的一門核心專業課程。本課程的主要教學內容是電子儀器的系統集成技術，包括GPIB總線技術、VXI總線技術和PXI總線技術等[4]。該系統的主要特點是能夠自動處理數據，并以適當的方式顯示或輸出結果，幾乎不需要人工參與，圖1是自動測試系統的典型示例。本課程的學習是高校測控技術專業的重要組成部分。本課程的目標是使學生了解自動測試總線接口的技術規范和虛擬儀器軟件技術的使用，可以面向工業領域（包括航空、航天、船舶等）的應用需求實現自動測試系統集成。

在上述課程教學內涵的基礎上，雙創背景下融入人工智能的“自動測試系統”課程教學方法方面的教學方法探索目標就是在面向“創新創業融入人才培養方案”和“基于創新創業教育下的教學和學籍管理制度改革”的研究需求，開展自動測試系統課程的針對性教學改革與探索，包括教學環節、實驗環節和課程設計環節。具體而言，是在滿足課程教學大綱及培養方案的前提下，通過教學改革與探索，將自動測試領域創新創業中所需要的人工智能相關知識針對性引入現有課程教學以及實驗內容中，進而豐富和完善研究型大學學生創新創業技術能力培養的教育體系，提高學生創新創業技術能力。隨著人工智能（Artificial Intelligence AI）技術的發展，自動測試系統的智能化已成為一個方向。小型化、輕量化、低功耗是自動測試系統向這個方向發展的重要表現。人工智能技術是實現自動測試系統智能化的重要技術手段。為了滿足上述要求，嵌入式人工智能技術已經成為構建先進的自動測試系統的技術基礎。在這樣的背景下，為了讓測控專業的學生盡快掌握人工智能技術的知識，并將技術與專業相結合，迫切需要基于嵌入式人工智能技術來體現自動測試系統應用能力的實驗課內容改革設計，在教學中進行了一些針對性的探索以適應新時代對人才的豐富需求，創新精神和實踐能力。

三、教學過程中面臨的問題及解決思路

在“創新創業”背景下，將人工智能技術融入自動測試系統現有的課程體系主要以下關鍵問題：

1. 現有課程培養體系約束下的創新創業教育融入方式

自動測試系統教學方法探索的立足點不是新建一門創新創業教育課，而是結合現有課程內容融合創新創業教育環節，因此，以何種方式融合是教學探索過程中的關鍵問題。

2. 校企協同育人模式的課程實驗方法研究與設計

在課程中融入創新創業教育的目標是提升學生的創新創業技能，因此實驗環節尤為重要，所以，如何基于校企協同育人模式設計課程實驗是關鍵問題。

針對上述問題，可以從以下四個方面考慮相應的解決方法：

1. 開展自動測試系統課程與創新創業教育間的融合教育機制研究，在分析現有自動測試系統課程教學大綱的基礎上，結合課程授課內容，研究如何將創新創業教育融入現有課程教學環節。

2. 開展面向自動測試領域創業技能需求的人工智能技術教育方法研究，在調研自動測試領域創業過程中技術能力需求的基礎上，研究開展人工智能技術的教育方法與教學方式。

3. 開展匹配課程內容和創業技能需求的人工智能技術教學案例研究與設計，結合具體的課程教學內容與創業技能需求，融合人工智能技術因素，研究并設計適合推廣應用、受眾面廣的教學案例。

4. 開展基于校企協同育人的自動測試系統課程實驗教學方法研究與內容設計，以自動測試領域初創企業的實際產品設計過程為參照，提煉與課程內容相關的實踐環節，并設計相關實驗內容，探索校企協同育人模式下實驗教學過程中的創新創業教育方法。

四、教學探索的實施計劃

本研究案例的實施計劃如圖2所示，以教學探索研究需求分析（創新創業融合人才培養方案和基于創新創業教育的教學改革）、研究型高校自動測試系統課程內容分析、自動測試領域初創公司人工智能技術因素分析為基礎，開展自動測試系統課程與創新創業教育融入機制、面向自動測試領域創業技能需求的人工智能教育方法、基于BOOPPS教學模型的教學案例設計、融合課程內容與創新需求的課程研討課教學設計等方面的教學改革研究，在開展項目各項研究內容的同時，在校企協同育人模式下，以自動測試系統中的目標檢測模塊設計為例，開展課程實驗教學方法改革研究與實驗案例設計。最后，通過指導學生參加哈工大“祖光杯”創新創業大賽、黑龍江省“挑戰杯”創新創業大賽對課程改革內容進行驗證及改進，不斷完善項目研究內容的可行性及有效性。

項目實施過程中的相關要素包括以下幾個方面：

1. 授課學生：依托《自動測試系統課程》，以大三學生為主，部分選修該課程的研究生為輔。

2. 協同育人企業：澎峰（北京）科技有限公司

3. 參與的創新創業大賽：哈工大“祖光杯”、黑龍江省“互聯網+”、“挑戰杯”創新創業大賽。

五、典型教學案例設計

在教學過程中，采用BOPPPS教學模型，BOPPPS是6個英文短語Bridge in、Objective、Pre-assessment、Participatory learning、Post-assessment、Summary的首字母組合，對應表達的中文含義分別是導言、學習目標、前測、參與式學習、后測、總結，這也是BOPPPS教學模式的六個要素， 及其序列結構如圖3所示。該模式是國外高校普遍采用的一種教學互動模式。其主要特點是強調學生有機會參與課程教學，幫助學生將課程知識應用到實際工程項目中，通過師生之間的互動反饋，提高學生的學習興趣和學習效果。在50分鐘的課程中，最集中的時間是前15分鐘左右，所以有必要在這段時間引導學生進入課程。在這個過程中，緒論起到了構建學生知識鏈的作用。通過這個環節，讓學生們知道這節課程的重要性，并將學生以后的知識和要學習的知識進行串接，在該環節需要向學生介紹創新創業的重要性，以及目前創新創業過程中的技能需求。然后進入學習目標環節，讓學生通過本次課堂學習知道，最終的學習目標是什么，可以獲得什么樣的知識信息在該環節，需要將人工智能技術與自動測試系統的結合點講解清楚，例如在目標檢測過程中，如何使用智能算法完成檢測任務。在此基礎上，進入前測環節， 主要是通過交流和討論了解學生對這些知識的初步基礎，為后續課程設計提供依據。在這個環節中，學生需要梳理自己現有的知識體系結構，教師需要通過交流了解學生的知識儲備。在此基礎上，我們將進入學習參與的過程，通過學生熟悉的話題或者應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智能應用，采用討論、搶答等方式進行講解。最好一個環節是后測環節，通過提問、答題等方式了解學生對創新創業和自動測試系統在人工智能領域結合點方面的掌握情況，驗證學習結果是否與課程目標一致。最后一部分是總結部分，主要針對學生在后測部分的學習情況，幫助他們梳理本課的知識，安排相關的課后學習任務，預測下一節課的學習內容[5-9]。

在實驗室環節，首先需要給同學們介紹在自動測試系統領域常見的用于實現嵌入式人工智能技術的平臺，如圖4所示，它包括單片機平臺、DSP平臺、ARM平臺、FPGA平臺、嵌入式GPU平臺等。同時需要介紹這些平臺的各自特點。具體來說，單片機平臺的成本低，但是計算能力有限;DSP平臺具有優良的計算能力，但功能可擴展性不強; ARM平臺具有可接受的計算能力和成本，功耗稍高;FPGA平臺可以重構，計算能力強，功耗低，但開發難度大;嵌入式GPU平臺具有良好的計算能力，但成本和功耗較高。因此，從培訓的角度來看，雙一流的大學生能力和技術水平，在實驗課程設計自動測試系統，我們首先介紹每個嵌入式平臺的特點和優缺點，然后選擇FPGA平臺的實現平臺嵌入人工智能技術，并向學生解釋為什么基于這個平臺設計實驗[10-11]。

在具體的設計中，直接使用鵬豐（北京）科技有限公司Perf-FPGA平臺作為嵌入式平臺，并以該平臺為基礎部署以卷積神經網絡為基礎的目標檢測網絡。Perf-FPGA是鵬豐科技研發面向FPGA的人工智能方案，具有高性能，低功耗，環境適應性強等特點?？梢赃M行人臉，行人，車輛等多種目標和物體檢測與追蹤，支持無人機、安防、教育科研等應用領域。Perf-FPGA涵蓋了深度神經網絡算法壓縮，定點量化以及根據FPGA部署平臺的生成加速器。壓縮與量化工具DL-Quants可以導入多種主流深度學習模型， DL-Compiler可以快速生成DL加速器和運行代碼。DL-Accelerator采用RTL實現，底層針對不同平臺做了適配和優化，使資源占用和性能達到極致。該平臺的示意圖如圖5所示。

六、結束語

相比于國外的創新創業技術能力教育，我國研究型高校目前的教育方法還存在一定差距，亟需嘗試將創新創業技術能力培養環節融入專業課程教學的改革研究與探索。本文以哈工大測控專業自動測試系統課程為例，探索了雙創背景下融入人工智能的自動測試系統教學方法，并給出了具體教學案例，這種嘗試對于研究型高校在校生的創新創業技術能力培養具有較好的應用前景及推廣性。

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