“移動互聯(lián)網(wǎng)+人工智能”實踐教學(xué)考核系統(tǒng)研究

魏建宇 劉旭 馬文彬

陸軍軍事交通學(xué)院 天津 300161

引言

通過結(jié)合移動場景與智能化技術(shù)，可以承載更多的教學(xué)信息內(nèi)容。正是這種移動教育方式與教學(xué)數(shù)據(jù)相互映射，為構(gòu)建實踐教學(xué)平臺與教學(xué)考核改革創(chuàng)造了信息化的基礎(chǔ)，提供了更多的空間與創(chuàng)新點。積極對接移動互聯(lián)與人工智能技術(shù)，將大數(shù)據(jù)融入高等教育全過程，已經(jīng)成為我國打造現(xiàn)代化高教的重要手段，這種信息化融合的教學(xué)實踐是智能化學(xué)科教育與個性化教學(xué)方式統(tǒng)一結(jié)合的“試金石”[1]。

對于交通運輸專業(yè)而言，不但需要理論積淀厚實、基礎(chǔ)知識過硬，更需要有很好的實踐操作與認知水平，這也對實踐教學(xué)考核提出了更高要求。隨著高校教學(xué)計算機應(yīng)用規(guī)模的不斷擴展，教學(xué)數(shù)據(jù)涵蓋的方向呈發(fā)散態(tài)勢，為了更好地構(gòu)建與之匹配的時間教學(xué)考核系統(tǒng)，應(yīng)該積極根據(jù)國家法律法規(guī)的指導(dǎo)性，結(jié)合計算機科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用最先進的移動互聯(lián)手段，疊加人工智能技術(shù)應(yīng)用，為新時代現(xiàn)代高校教育背景下，建設(shè)完備的教學(xué)考核平臺創(chuàng)造條件，并實現(xiàn)全面、可靠，擴展性強的內(nèi)核管理，可操作性好的防護策略，確保核心數(shù)據(jù)安全，為高校教學(xué)發(fā)展創(chuàng)造條件。

作為交通運輸領(lǐng)域高等教育的重要一環(huán)，實踐教學(xué)是關(guān)系到課程教學(xué)效果和學(xué)生最終掌握程度的重要教學(xué)方式，作為工科院校，實踐教學(xué)是理論教學(xué)重要的“助推器”。實踐教學(xué)的效果直接關(guān)系著學(xué)生最終對于相關(guān)理論知識的掌握程度，從而為其后續(xù)進入工作崗位能力的發(fā)揮有著很大的影響。當(dāng)前，由于高校傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響，實踐教學(xué)的最終考核方式更多的還是一種應(yīng)試式的考查方式，屬于節(jié)點型考核，無法對教學(xué)的全域過程做到有效監(jiān)管，學(xué)生應(yīng)對實踐教學(xué)考核更多的還是“死記硬背”形成規(guī)范化的“實踐能力”，這種考核方式在很大程度上，無法反映學(xué)生真正的實踐能力，從某種意義上說，還是一種理論教學(xué)的評價。特別是對于交通領(lǐng)域的高等教育，由于現(xiàn)代化交通的發(fā)展日新月異，如果僅憑傳統(tǒng)的交通理論和基礎(chǔ)的實踐認知，很難成為適應(yīng)未來交通運輸建設(shè)的先進人才，所以為了扭轉(zhuǎn)這一教學(xué)考核局面，就應(yīng)該重視教學(xué)過程的實時檢查考核，即強調(diào)教師能力的動態(tài)提升，也約束學(xué)生學(xué)習(xí)效果的動態(tài)管控。利用信息化技術(shù)的優(yōu)勢，以教學(xué)數(shù)據(jù)管理、分析、研究、機器學(xué)習(xí)為技術(shù)支撐，建設(shè)符合教學(xué)特點和考核重點的智能化、信息化、移動化的考核系統(tǒng)，做到全流程、多角度、寬領(lǐng)域的實踐教學(xué)評價體系構(gòu)型，在教學(xué)的全過程滲透，充分的檢驗出學(xué)生真正的學(xué)習(xí)效果，特別是對于實操的掌握情況，同時根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的變化、教師授課情況的擴展以及學(xué)生差異化的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，形成個性化的教學(xué)評估“診斷”，促進每一名學(xué)生的“因材施教”，實現(xiàn)實踐教學(xué)水平的穩(wěn)步提升。

1 實踐教學(xué)考核系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)研究

根據(jù)現(xiàn)階段高校實踐教學(xué)要求，應(yīng)該關(guān)注實踐教學(xué)的全過程監(jiān)管，確保以移動互聯(lián)網(wǎng)為載體，貫穿教學(xué)全過程的考核，賦能高校人才培養(yǎng)工作中，創(chuàng)新新型實踐教學(xué)考核模式。信息化實踐教學(xué)考核系統(tǒng)的構(gòu)建，是高等教育過程中重要的評價與檢測環(huán)節(jié)，在這個過程中如果采用傳統(tǒng)的考核模式，需要耗費大量的人力物力和教學(xué)資源，往往其評價的準確度和可信度還不夠高。通過融合移動互聯(lián)與人工智能的考核模式，可以充分利用教學(xué)資源優(yōu)勢，并且實現(xiàn)更好的課程效果跟蹤，保證課程的獨立性與考核的完備性[2]。交通運輸各專業(yè)其課程設(shè)置更偏重于實踐應(yīng)用，因此必須根據(jù)實踐課程要求，精準的定位考核內(nèi)容，特別是對于《車輛構(gòu)造與理論》、《車輛電氣與智能控制》、《無人裝備技術(shù)使用》等偏重于實踐的課程，應(yīng)該從課程教學(xué)內(nèi)容延伸等方面，結(jié)合移動互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，通過構(gòu)建易用、可用的App，通過安全網(wǎng)關(guān)接入校園網(wǎng)絡(luò)，訪問教學(xué)服務(wù)器，客戶端采用Apache技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)通信，Web服務(wù)采用動態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)型，確保大流量、高并發(fā)的考核訪問。作為安全、可靠、穩(wěn)定性、擴展性較為優(yōu)秀的時間教學(xué)考核系統(tǒng)，出來具備移動互聯(lián)的基礎(chǔ)訪問能力，還應(yīng)采用動態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)確保人工智能技術(shù)得以高效應(yīng)用，即利用Web前端構(gòu)建基礎(chǔ)服務(wù)平臺，采用負載均衡、數(shù)據(jù)庫集群、動態(tài)緩沖、分布式存儲，確保考核數(shù)據(jù)分發(fā)及采集的準確；同時用SQL訪問后臺數(shù)據(jù)庫，結(jié)合各種算例，形成有效的個性化節(jié)點實踐教學(xué)考核與終期實踐教學(xué)考核的匹配。基礎(chǔ)架構(gòu)如圖1所示。

為了確保考核系統(tǒng)的實用性與科學(xué)性，系統(tǒng)應(yīng)在基礎(chǔ)網(wǎng) 絡(luò)服務(wù)框架下，實現(xiàn)如下基本教學(xué)考核功能：①針對交通專業(yè)各個實踐教學(xué)課程內(nèi)容，通過人工智能算法實現(xiàn)智能化課程管理，重點功能為實踐課程的設(shè)計部署，學(xué)生教學(xué)分組，課程教學(xué)過程管控，實踐課題立項與開發(fā)過程管理，課題項目實踐效果節(jié)點評判，進度有效性管控，各類實踐教學(xué)資料匯集及初步預(yù)審核，實踐考核與課題驗收評價。②實踐課程考核、考試的智能化評級，主要通過智能化測算，對實踐教學(xué)的內(nèi)容、學(xué)生的過程操作及最終結(jié)果進行評價，同時結(jié)合課程教學(xué)大綱的考核標準，匹配課程全過程的實操與理論考試考核，形成較為客觀的時間教學(xué)評分。③根據(jù)教學(xué)重點與學(xué)生學(xué)習(xí)進度形成差異化實踐教學(xué)內(nèi)容，主要在選課初期對每個學(xué)生的理解能力、知識水平進行測試，形成個性化實踐教學(xué)內(nèi)容；在教學(xué)過程中，通過智能化方式，以移動互聯(lián)網(wǎng)推送課后及階段性考核、測試，對學(xué)生學(xué)習(xí)狀況進行動態(tài)跟蹤，設(shè)置各類學(xué)習(xí)評價閾值，并根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)進度和知識掌握程度形成報告及預(yù)警。④將實踐教學(xué)的各類教學(xué)成果進行動態(tài)展現(xiàn)，主要通過采集實踐教學(xué)過程中的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)及學(xué)生在課前、課后自我考核及階段性測試數(shù)據(jù)，用表格、圖表或其他直觀的圖形化方式，形成教學(xué)成果報表，從宏觀、微觀等角度，對實踐教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生接收程度、實操情況進行對比與分析，為教研組、教師和學(xué)生提供有效的評判及改進依據(jù)。⑤完成實踐教學(xué)考核數(shù)據(jù)分析與研究，主要通過結(jié)合教學(xué)大綱重點內(nèi)容及實踐教學(xué)延展知識點，進行階段性考核、考試的個性化實現(xiàn)，并對考核內(nèi)容進行自動閱卷與分析，對主觀實操或論文報告進行查重和學(xué)術(shù)風(fēng)險智能化評測，最終形成較為精準的客觀評價。⑥通過全流程實踐教學(xué)考核管理對指導(dǎo)教師形成科學(xué)評價；通過整個課程流程的精準管理和差異化考核，形成較為準確的學(xué)生學(xué)習(xí)情況評價，根據(jù)高校教學(xué)要求和課程大綱指導(dǎo)，給指導(dǎo)教師以及時的教學(xué)反饋，確保其可以動態(tài)的調(diào)整實踐教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)效果[3]。

3 移動互聯(lián)網(wǎng)與人工智能算法在實踐教學(xué)考核系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

移動互聯(lián)不受時間、空間的限制，是現(xiàn)代高校教學(xué)較為有效的實踐教學(xué)方式，可以通過移動終端構(gòu)建實踐課程，學(xué)生可以通過線下線上兩種模式，用更加靈活的方式接入實踐課程學(xué)習(xí)，在移動端學(xué)習(xí)過程中可以用浸入式的方式，進行專業(yè)知識學(xué)習(xí)，并且用虛擬的演示與參與形成與相關(guān)實踐課程有關(guān)的實操訓(xùn)練與實驗，從而檢測學(xué)以致用的能力，達到積極的學(xué)習(xí)效果。在移動端的實踐教學(xué)App或Web頁面中，可以通過多媒體方式，將實踐課程的內(nèi)容進行多角度的知識展示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時在階段性考核中，可以應(yīng)用虛擬技術(shù)，將實踐課程內(nèi)容進行虛擬重構(gòu)，讓學(xué)生通過模擬實操的情境，對所學(xué)知識進行有效檢測，查漏補缺。由于移動互聯(lián)網(wǎng)的開放性，保護學(xué)生隱私與敏感教學(xué)內(nèi)容的安全，也是移動互聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)考核的重要一環(huán)，可以通過數(shù)字身份認證技術(shù)進行安全保護。作為實踐教學(xué)信息數(shù)據(jù)臨時存儲與傳輸環(huán)節(jié)，核心是信息采集與分發(fā)，因此，在對信息網(wǎng)絡(luò)大量接入節(jié)點的情況下，確保網(wǎng)連接的安全與數(shù)據(jù)隱私非常重要。通過網(wǎng)絡(luò)身份驗證和授權(quán)系統(tǒng)可以做到這一點。通過數(shù)字身份認證方式進行安全防范，必須充分考慮復(fù)雜性和效率的綜合匹配，可以通過密碼運算方式，以身份認證對標準協(xié)議進行節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)可靠性互認。并適時對根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點信息特性、數(shù)據(jù)完整性方式和傳輸效率更新相關(guān)認證機制，確保其升級的可靠性和實現(xiàn)性。

3.2 人工智能考核評測算法的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)交通運輸專業(yè)實踐教學(xué)考核的最優(yōu)化評測，采用人工智能算法中常用的對齊卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，這種算法效率較高，可以應(yīng)對大量的數(shù)據(jù)并發(fā)與綜合計算。這種卷積算法容易進行先驗訓(xùn)練，參數(shù)較多但是比全連接網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化較多。其具體結(jié)構(gòu)為很多個卷積層、附加可選的（一層或N層）下采樣層、全連接層構(gòu)成。卷積層的輸入為 m1×m2×r 的圖像，其中m1為高度，m2為寬度，r是圖像的通道數(shù)量。其過濾器增加了局部連接結(jié)構(gòu)，卷積規(guī)模達到m-n+1的X個二維特征圖，其中 m-n+1 為物理尺寸。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，算法結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 算法結(jié)構(gòu)

通過將交通運輸各專業(yè)實踐教學(xué)大數(shù)據(jù)進行分析，輔助人工智能神經(jīng)元深度學(xué)習(xí)實現(xiàn)對移動端傳輸來的實踐操作實現(xiàn)智能化評分。該過程，一般將一個實踐操作過程劃分為多個步驟，以適應(yīng)卷積網(wǎng)絡(luò)運算的需要。對實踐操作結(jié)果的截圖作為一組，其中還包含若干張多角度的實踐截圖。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)算法模型，分析移動互聯(lián)網(wǎng)端傳輸而來的實踐截圖的分組概率，并通過卷積機器學(xué)習(xí)及運算，判斷最終實踐操作與正確操作的匹配程度，從而給出相關(guān)評測分數(shù)，同時還可以將實踐過程中的熟練程度和過程做統(tǒng)一的歸一化運算權(quán)值，并據(jù)此給出修正實踐操作的建議，供學(xué)生參考。

3.3 考核組織、查重算法及場景實操實現(xiàn)

按照各個專業(yè)實踐教學(xué)的需求，將課程重點和課堂難點進行歸一化計算，并將課前評測和課后考核進行人工智能統(tǒng)籌出題，完成相關(guān)實操研判后，統(tǒng)一形成課程考核結(jié)論。對于實踐教學(xué)中課題報告或論文撰寫這類主觀的課程考核環(huán)節(jié)，可以根據(jù)報告或論文相關(guān)編撰內(nèi)容情況，采用人工智能概率運算進行符合度復(fù)驗和內(nèi)容匹配查重，特別是對于計算機學(xué)科類中的代碼內(nèi)容進行抽檢和查驗，確保其原創(chuàng)性和正確性。在針對交通實踐教學(xué)中如道路管理、車輛設(shè)計等專業(yè)等級較強的實踐內(nèi)容，可以引入人工智能的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以VR/AR為抓手，構(gòu)建沉浸式的實踐教學(xué)、考核內(nèi)容，通過實景教學(xué)考試，達到更好的學(xué)習(xí)考核效果。

4 結(jié)束語

基于“移動互聯(lián)網(wǎng)+人工智能”的實踐教學(xué)考核系統(tǒng)，是現(xiàn)代交通專業(yè)高等教育創(chuàng)新的教學(xué)考核模式，它的科學(xué)構(gòu)建不但能夠?qū)⒔膛c學(xué)通過現(xiàn)代信息化技術(shù)有機地結(jié)合起來，還能將學(xué)習(xí)與考核融合，形成學(xué)習(xí)過程中的全流程管理，通過科學(xué)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，改變了教學(xué)時空的限制，為更為公平、公正的實踐教學(xué)考核創(chuàng)造了條件，也為掌握學(xué)生學(xué)習(xí)進度，優(yōu)化實踐教學(xué)內(nèi)容提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐。