“人工智能+”背景下交通類實踐課程建設(shè)

高銳鋒，施 佺，周晨璨

（南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)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(xué)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(guān)。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(shù)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(shè)計思路，提升課程的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生解決智能交通類復(fù)雜工程問題的能力，適應(yīng)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(chǔ)內(nèi)容的同時，介紹結(jié)合人工智能的一些應(yīng)用，但對如何結(jié)合人工智能進行學(xué)習(xí)并未展開討論。在相應(yīng)的實踐環(huán)節(jié)，也未開展相關(guān)的訓(xùn)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(shè)計的過程中融入人工智能技術(shù)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(shè)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(lǐng)域的新技術(shù)、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(guān)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(xué)內(nèi)容脫離前沿技術(shù)

交通類專業(yè)傳統(tǒng)的教學(xué)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(xué)生普遍使用的教材在教學(xué)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(shù)、新理念與新方法。在實踐類課程的訓(xùn)練中，上述情況更加凸顯，實驗設(shè)備的開發(fā)，實踐教學(xué)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(xué)內(nèi)容中，充分體現(xiàn)前沿知識，可以更好地促進學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.3 教學(xué)手段單一

傳統(tǒng)的教學(xué)大多采用“課堂講授”的形式開展，按照教學(xué)大綱的要求，理論知識為主，實踐訓(xùn)練為輔。課程內(nèi)容的講解力求面面俱到，旨在幫助學(xué)生構(gòu)建較為完備的知識體系。然而，隨著技術(shù)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(xué)生去進一步學(xué)習(xí)吸收的人工智能類新技術(shù)、新方法難以充分開展，特別是融合了人工智能技術(shù)的智能交通系統(tǒng)設(shè)計的融合機理，傳統(tǒng)的教學(xué)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(xué)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(xué)生知識掌握程度的考查，對學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)生的報告完成情況。作為多學(xué)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(wù)、項目等多種形式開展，重點考查學(xué)生的知識檢索、獲取以及學(xué)習(xí)動手能力是適應(yīng)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(yīng)當重點考慮的因素。

2 實踐課程優(yōu)化設(shè)計

2.1 “雙融合”的教學(xué)理念

在新工科建設(shè)和工程教育背景下，多學(xué)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(xué)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(xué)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(yīng)社會發(fā)展的高素質(zhì)工程技術(shù)人才的根本途徑[3]。

2.1.1 學(xué)科交叉融合

在智能交通方向的專業(yè)學(xué)習(xí)中，學(xué)生不僅需要傳統(tǒng)基礎(chǔ)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(xué)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(shù)去解決交通復(fù)雜工程問題，如區(qū)域的綠波協(xié)調(diào)控制、交通流量的預(yù)測等。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生在學(xué)習(xí)交通類課程中，也需要充分融入多學(xué)科交叉融合的理念，樹立大工程觀。教師在實踐課程的教學(xué)過程中，教學(xué)內(nèi)容、實驗實踐項目需要結(jié)合人工智能技術(shù)，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(yīng)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(xué)生全方位理解多學(xué)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(fù)雜工程問題時，教師需要進一步優(yōu)化實踐教學(xué)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(xué)環(huán)節(jié)中，將實際工程問題提煉為教學(xué)案例。進一步，以項目式的方式作為實踐教學(xué)的內(nèi)容，加強學(xué)生對知識的獲取、理解、應(yīng)用全過程能力的培養(yǎng)。學(xué)生在實踐過程中，樹立正確的學(xué)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(xué)習(xí)興趣，從而達到提高學(xué)習(xí)主動性、積極性，鍛煉解決復(fù)雜工程問題能力的目的。

2.2 教學(xué)內(nèi)容

在實踐課程的教學(xué)內(nèi)容中，結(jié)合智能交通產(chǎn)業(yè)的前沿進展，基于多學(xué)科交叉融合以及校企產(chǎn)教融合的教學(xué)理念，將產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、企業(yè)的需求凝練為教學(xué)內(nèi)容。如在交通設(shè)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(xué)內(nèi)容分為智能交通系統(tǒng)管理技術(shù)、智能交通信息處理技術(shù)、智能交通信息感知技術(shù)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(xué)、交通設(shè)計以及交通管控。智能交通信息處理技術(shù)則對應(yīng)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(yīng)用、交通系統(tǒng)分析、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。智能交通信息感知技術(shù)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(shù)、交通圖像處理技術(shù)等。每個模塊都配備有相應(yīng)的綜合實訓(xùn)課程。通過三個模塊的學(xué)習(xí)以及實踐訓(xùn)練，旨在讓學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)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(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)用場景，提升對整個智能交通行業(yè)前沿技術(shù)的感知與認知能力。

2.3 教學(xué)模式

2.3.1 混合式教學(xué)模式

系統(tǒng)架構(gòu)、知識應(yīng)用是實踐課程教學(xué)重要的教學(xué)目標。采用混合式教學(xué)模式，讓學(xué)生主動參與到教學(xué)過程中。具體來講，系統(tǒng)架構(gòu)是指在教學(xué)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(xué)生了解智能交通系統(tǒng)設(shè)計的思路。再通過翻轉(zhuǎn)課堂的方式，要求學(xué)生匯報實踐內(nèi)容的知識組成，幫助學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)生的表達能力，提升綜合素質(zhì)。

2.3.2 案例教學(xué)

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(shù)、智能交通信息感知相應(yīng)的課程。按照各課程之間的先修后修關(guān)系，確定各課程的實踐教學(xué)大綱以及實踐內(nèi)容。在具體課程實踐中，學(xué)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(yīng)用了哪些關(guān)鍵技術(shù)。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(guān)鍵點、人工智能的作用等，幫助學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生學(xué)習(xí)知識的獲得感。

2.4 教學(xué)評價方法

在新工科與工程教育認證的背景下，學(xué)生的能力培養(yǎng)與評價是檢驗實踐教學(xué)目標達成情況的關(guān)鍵指標。在傳統(tǒng)的實踐教學(xué)內(nèi)容中，以課程報告為主，重點考查學(xué)生的報告完成情況，對學(xué)生非知識能力的考查偏弱。作為多學(xué)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(xué)方式，應(yīng)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(xué)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(quán)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(xué)評價方式，更有利于綜合、全面地評價學(xué)生的實踐能力與學(xué)習(xí)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(xué)實踐效果

以智能交通方向?qū)I(yè)的“交通信息網(wǎng)絡(luò)與通信”為例。在網(wǎng)絡(luò)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(xué)過程中，引入人工智能技術(shù)，對移動通信網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)上，突出結(jié)合人工智能技術(shù)符合當今網(wǎng)絡(luò)通信智能化發(fā)展的需求。在教學(xué)內(nèi)容上，以當前車聯(lián)網(wǎng)中移動邊緣技術(shù)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(shè)計實踐項目。在教學(xué)模式上，講解案例項目的應(yīng)用場景，將學(xué)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(yīng)用到了哪些關(guān)鍵技術(shù)。然后，基于實例，搭建基于強化學(xué)習(xí)的演示系統(tǒng)，幫助學(xué)生了解人工智能技術(shù)在該案例中如何應(yīng)用。進一步，學(xué)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(xué)已在我校成功推廣，覆蓋了交通類專業(yè)全體學(xué)生，累計達200余人，通過問卷調(diào)查，學(xué)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(xué)生的就業(yè)單位調(diào)查，用人單位普遍反映學(xué)生在就業(yè)時已具備一定的分析問題、解決問題的能力，學(xué)習(xí)成長較快，總體符合新工科背景下解決復(fù)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(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及教學(xué)評價等多個維度出發(fā)，要求實踐教學(xué)內(nèi)容應(yīng)注重多學(xué)科交叉融合能力的培養(yǎng)，以及實踐教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當源自學(xué)科前沿與行業(yè)實際案例。實踐結(jié)果表明，本文所提教學(xué)改革方法可進一步提升課程教學(xué)質(zhì)量，滿足新工科對復(fù)合創(chuàng)新型人才的發(fā)展需求。