智能化“仿真模型設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

朱智，李群，雷永林

（國(guó)防科技大學(xué) 系統(tǒng)工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

引言

為了提升高校人工智能領(lǐng)域科技創(chuàng)新、人才培養(yǎng)和服務(wù)國(guó)家發(fā)展的能力，國(guó)內(nèi)各高校不斷推動(dòng)人工智能與教育的深度融合，利用智能技術(shù)支撐人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新、教學(xué)方法改革、教育治理能力提升，為教育變革提供新方式，從而引領(lǐng)我國(guó)人工智能領(lǐng)域科技創(chuàng)新、人才培養(yǎng)和技術(shù)應(yīng)用。隨著人工智能在教育領(lǐng)域的不斷深入，相關(guān)課程知識(shí)體系呈現(xiàn)出基礎(chǔ)學(xué)科眾多、交叉融合性強(qiáng)、工程實(shí)踐要求高等特點(diǎn)，給當(dāng)前課程的智能化建設(shè)和教學(xué)模式帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)，構(gòu)建“人工智能+X”的交叉融合課程建設(shè)體系及與之相適應(yīng)的教學(xué)模式，已成為新一代人工智能時(shí)代背景下培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才的現(xiàn)實(shí)需求［1-2］。

傳統(tǒng)教學(xué)模式在教學(xué)理念方面缺乏明確的價(jià)值觀念引領(lǐng)，從根本上不利于高素質(zhì)復(fù)合型人才的培育［3］。在課程內(nèi)容建設(shè)和優(yōu)化方面，一是主要從人工智能技術(shù)的角度出發(fā)，在課程中尋找某些具體的問(wèn)題，不能對(duì)課程相關(guān)理論和技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，非問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的融合會(huì)在一定程度上忽略課程本身的知識(shí)講授；二是課程缺乏一體化的智能化系統(tǒng)平臺(tái)作為支撐，工程實(shí)踐案例比較少，與工業(yè)部門實(shí)際需求結(jié)合得不夠好，課程理論與科研實(shí)踐有一定脫節(jié)，不利于學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)［4］。在教學(xué)方法設(shè)計(jì)方面，教學(xué)手段和形式比較單一，還是以多媒體為主要手段進(jìn)行講授，教學(xué)形式以傳統(tǒng)的“老師講授、布置作業(yè)、學(xué)生練習(xí)”為主，師生之間、學(xué)生之間缺乏互動(dòng)，理解記憶式的知識(shí)學(xué)習(xí)無(wú)法讓學(xué)生真正掌握多學(xué)科交叉融合的復(fù)雜知識(shí)體系［5-6］。在學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)測(cè)方面，簡(jiǎn)單加權(quán)求和式的期末成績(jī)打分制已不能客觀正確地反映學(xué)生在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中的表現(xiàn)［7］。鑒于上述問(wèn)題，本文以“仿真模型設(shè)計(jì)”課程為載體，探討新一代人工智能浪潮下基于“人工智能+仿真”教學(xué)模式的課程建設(shè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，目的是改善當(dāng)前“仿真模型設(shè)計(jì)”課程知識(shí)體系及教學(xué)模式不能很好地適應(yīng)其智能化發(fā)展的諸多問(wèn)題，全面提高課程教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生應(yīng)對(duì)學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展前沿和解決復(fù)雜工程實(shí)踐問(wèn)題的綜合能力，落實(shí)新工科背景下人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃，為優(yōu)化人工智能領(lǐng)域科技創(chuàng)新體系、完善人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)、推動(dòng)人工智能領(lǐng)域科技成果轉(zhuǎn)化和示范性應(yīng)用提供支撐。

一、學(xué)情分析

“仿真模型設(shè)計(jì)”是國(guó)防科技大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)研究生的基礎(chǔ)理論課程，屬于本科仿真工程專業(yè)必修課“離散事件系統(tǒng)仿真”的高級(jí)進(jìn)階課程，其任務(wù)是使學(xué)生掌握仿真模型設(shè)計(jì)的基本方法和有關(guān)工具，培養(yǎng)學(xué)員應(yīng)用特定仿真模型設(shè)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)手段解決實(shí)際問(wèn)題的能力。該課程的知識(shí)內(nèi)容主要包括仿真概論、仿真技術(shù)基礎(chǔ)、概念模型設(shè)計(jì)、描述模型設(shè)計(jì)、功能模型設(shè)計(jì)、約束模型設(shè)計(jì)、空間模型設(shè)計(jì)、組合模型設(shè)計(jì)及相關(guān)拓展內(nèi)容，包括模型驅(qū)動(dòng)工程、典型仿真建模標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。該課程對(duì)很多領(lǐng)域和系統(tǒng)中的仿真建模方法和技術(shù)進(jìn)行了介紹和分析，主要關(guān)注模型的設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用，以及模型的串行運(yùn)行算法，理論知識(shí)較為抽象，工程實(shí)踐性較強(qiáng)，長(zhǎng)期以來(lái)采用的是傳統(tǒng)的“理論教學(xué)+工程實(shí)踐”教學(xué)模式。近兩年，“仿真模型設(shè)計(jì)”課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)加強(qiáng)了與其他課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的溝通交流，在原有知識(shí)建構(gòu)、翻轉(zhuǎn)課堂豐富教學(xué)形式、信息化手段優(yōu)化教學(xué)課程等方面都做了一些嘗試，“教學(xué)相長(zhǎng)、相得益彰”的師生共同體建設(shè)成效顯著，但對(duì)課程的整個(gè)教學(xué)活動(dòng)缺乏系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)和分析。

在教學(xué)方式方法上，嘗試引入了BOPPPS模型進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生反響熱烈，“善學(xué)、樂(lè)學(xué)、活學(xué)”的學(xué)習(xí)態(tài)度明顯，取得了一定的教學(xué)效果。BOPPPS模型包括熱身暖場(chǎng)、學(xué)習(xí)目標(biāo)/結(jié)果、前測(cè)、參與式學(xué)習(xí)、后測(cè)、總結(jié)六個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，因其簡(jiǎn)潔明了、可操作性強(qiáng)，因而在許多國(guó)家的各級(jí)各類學(xué)校教師技能培訓(xùn)中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是教授一線教師教學(xué)設(shè)計(jì)核心技能方面。

在成績(jī)考評(píng)方面，考評(píng)方式還比較單一，多年來(lái)一直沿用“40%平時(shí)成績(jī)+60%大作業(yè)成績(jī)”的百分制期末考評(píng)，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。其中，平時(shí)成績(jī)由上課表現(xiàn)、課程作業(yè)和課后作業(yè)組成，大作業(yè)成績(jī)由學(xué)生最終提交的課程報(bào)告和匯報(bào)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后加權(quán)求和。近兩年，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的興起及其在仿真領(lǐng)域的加速應(yīng)用，嘗試引入經(jīng)典、前沿性學(xué)術(shù)論文中期匯報(bào)，成績(jī)考評(píng)機(jī)制適當(dāng)調(diào)整為“10%平時(shí)成績(jī)+30%中期成績(jī)+60%期末大作業(yè)成績(jī)”，增加了研究生對(duì)前沿學(xué)術(shù)論文學(xué)習(xí)和交流能力評(píng)價(jià)的比重，但計(jì)算方法還是簡(jiǎn)單的加權(quán)求和方式，教學(xué)活動(dòng)過(guò)程性評(píng)價(jià)不充分，不能準(zhǔn)確反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

綜上所述，當(dāng)前“仿真模型設(shè)計(jì)”課程雖然在新的教學(xué)形式下結(jié)合課程特點(diǎn)做了嘗試和改進(jìn)，取得了一定的教學(xué)效果，但是沒(méi)有進(jìn)行整體和系統(tǒng)的分析。新的教學(xué)設(shè)計(jì)及其實(shí)踐為教師積累了大量的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，能夠?qū)處煹慕虒W(xué)能力起到很好的促進(jìn)作用，同時(shí)開展系統(tǒng)的教學(xué)模式研究，規(guī)范教學(xué)活動(dòng)，活躍教學(xué)氣氛，提高教學(xué)水平，提升教學(xué)質(zhì)量。

二、“人工智能+仿真”教學(xué)模式

以“仿真模型設(shè)計(jì)”課程為載體，從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)評(píng)估四個(gè)角度進(jìn)行思考，探索“人工智能+仿真”新型教學(xué)模式，落實(shí)新工科背景下新一代人工智能驅(qū)動(dòng)的課程智能化建設(shè)與優(yōu)化，以期全面提升課程教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生應(yīng)對(duì)未來(lái)建模仿真智能化拓展演變的綜合素質(zhì)。

（一）教學(xué)理念

在教學(xué)理念上，挖掘仿真模型設(shè)計(jì)課程元素。仿真作為繼理論分析、科學(xué)實(shí)驗(yàn)之后的認(rèn)識(shí)和改造世界的第三種手段，在軍用復(fù)雜系統(tǒng)工程領(lǐng)域的應(yīng)用由來(lái)已久，并在新一代人工智能的推動(dòng)下已成為各國(guó)軍隊(duì)發(fā)展未來(lái)智能武器裝備的重要手段。提煉課程中蘊(yùn)含的軍事文化基因和價(jià)值范式，將課程轉(zhuǎn)化為當(dāng)代軍人社會(huì)主義核心價(jià)值觀具體化、生動(dòng)化的有效教學(xué)載體，在潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的知識(shí)學(xué)習(xí)中融入理想信念層面的精神指引，提高學(xué)生的仿真工程專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)認(rèn)同感。

（二）教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)內(nèi)容上，構(gòu)建經(jīng)典、前沿學(xué)術(shù)論文庫(kù)及工程實(shí)踐案例庫(kù)。一方面，跟蹤仿真建模前沿研究，精選與課程教學(xué)內(nèi)容緊密相關(guān)的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，建立仿真模型設(shè)計(jì)經(jīng)典、前沿學(xué)術(shù)論文庫(kù)并逐步更新，豐富課程教學(xué)內(nèi)容，啟發(fā)學(xué)生的學(xué)術(shù)創(chuàng)新思維；另一方面，結(jié)合課程文獻(xiàn)庫(kù)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)專業(yè)和學(xué)習(xí)興趣挑選論文進(jìn)行中期匯報(bào)并互評(píng)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.緊跟學(xué)科發(fā)展新動(dòng)向。加強(qiáng)期刊論文和會(huì)議論文構(gòu)建，并不斷更新學(xué)術(shù)論文庫(kù)，在保證課程知識(shí)完整性的基礎(chǔ)上體現(xiàn)一定的學(xué)科領(lǐng)域最新研究進(jìn)展，使學(xué)生對(duì)領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)著名期刊和會(huì)議有一定的了解，啟發(fā)學(xué)生對(duì)新概念、新理論、新技術(shù)的探索和見解。對(duì)于學(xué)術(shù)論文庫(kù)的閱讀，提前做好教學(xué)計(jì)劃，讓學(xué)生自由在論文庫(kù)中選取一篇自己最感興趣的論文，安排學(xué)術(shù)文獻(xiàn)精讀、匯報(bào)與互評(píng)，初步鍛煉學(xué)生學(xué)術(shù)文獻(xiàn)閱讀、匯報(bào)和點(diǎn)評(píng)能力。在學(xué)生匯報(bào)過(guò)程中，其他學(xué)生需要根據(jù)匯報(bào)的情況做好記錄，互評(píng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，整理后再反饋給每位學(xué)生。

2.結(jié)合工業(yè)部門實(shí)際需求。借助仿真系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建智能化工程實(shí)踐案例庫(kù)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用人工智能和仿真相關(guān)技術(shù)解決復(fù)雜系統(tǒng)工程問(wèn)題的能力。在教學(xué)過(guò)程中，首先，從仿真建模人員的視角介紹智能化工程仿真系統(tǒng)的使用，講解從工業(yè)部門實(shí)際需求出發(fā)，到概念建模，再到仿真實(shí)現(xiàn)的仿真建模過(guò)程；其次，從仿真應(yīng)用人員的視角講解想定編輯、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、決策建模、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、綜合分析等的仿真應(yīng)用過(guò)程。

（三）教學(xué)方法

在教學(xué)方法上，采用“教師主導(dǎo)、學(xué)生主體、師生互動(dòng)”的混合式教學(xué)策略。教師主導(dǎo)方面，采用案例分析、啟發(fā)式引導(dǎo)、角色扮演相結(jié)合的混合式教學(xué)方法；學(xué)生主體方面，采用分組討論、課后作業(yè)、項(xiàng)目實(shí)踐相結(jié)合的混合式教學(xué)方法；師生互動(dòng)方面，采用翻轉(zhuǎn)課堂、小組合作、課堂討論相結(jié)合的混合式教學(xué)方法。

“仿真模型設(shè)計(jì)”課程智能化拓展比較注重兩類教學(xué)方法：（1）角色扮演。對(duì)于描述建模中學(xué)生理解起來(lái)相對(duì)困難的事件調(diào)度、三段掃描、進(jìn)程交互等仿真策略，結(jié)合典型案例采用角色扮演的方法讓學(xué)生體會(huì)各種策略下仿真是怎么運(yùn)行的，在此基礎(chǔ)上掌握各個(gè)策略的聯(lián)系與區(qū)別。（2）項(xiàng)目實(shí)踐。通過(guò)設(shè)置一些實(shí)踐問(wèn)題，要求學(xué)員運(yùn)用所學(xué)的仿真建模方法進(jìn)行綜合求解，引導(dǎo)學(xué)員以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)為核心，實(shí)踐選擇問(wèn)題、組建團(tuán)隊(duì)、開題答辯、實(shí)驗(yàn)分析、撰寫報(bào)告、成果匯報(bào)等環(huán)節(jié)，鍛煉學(xué)員自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)合作及解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題等能力。

（四）教學(xué)評(píng)估

在教學(xué)評(píng)估上，建立基于模糊決策樹的綜合素質(zhì)能力評(píng)估模型。決策樹是人工智能經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)方法之一，運(yùn)用隸屬度函數(shù)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理，能以更加符合人的思維的模式得到可理解性更高的預(yù)測(cè)評(píng)估模型。基于模糊決策樹對(duì)期末成績(jī)進(jìn)行評(píng)估的關(guān)鍵是如何結(jié)合“仿真模型設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)特點(diǎn)，合理提煉出影響學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)的指標(biāo)，并對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行模糊化處理。如圖1所示，對(duì)“到課率”采用三角函數(shù)進(jìn)行模糊化處理，可以得到該屬性分別處于高（H）、中（M）、低（L）的隸屬度函數(shù)圖。根據(jù)建立的隸屬度函數(shù)，輸入實(shí)際數(shù)據(jù)建立模糊判斷矩陣，再通過(guò)計(jì)算各屬性的信息熵和信息增益，從而得到真正能反映學(xué)生期末成績(jī)的模糊決策分析模型。

圖1 “到課率”隸屬度函數(shù)

三、課程教學(xué)實(shí)踐

以“仿真模型設(shè)計(jì)”課程中功能建模為例，基于武器裝備作戰(zhàn)效能仿真系統(tǒng)平臺(tái)，從上述教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和成績(jī)?cè)u(píng)估四個(gè)方面開展基于功能決策樹的空戰(zhàn)行為建模案例教學(xué)實(shí)踐，對(duì)“人工智能+仿真”教學(xué)模式進(jìn)行驗(yàn)證并分析教學(xué)效果。

選擇2016年美國(guó)辛辛那提大學(xué)官網(wǎng)報(bào)道，由該校與美國(guó)空軍聯(lián)合研發(fā)的空戰(zhàn)人工智能系統(tǒng)阿爾法（Alpha AI）在模擬空戰(zhàn)中擊敗了美國(guó)空軍退役上校的事件，以此激發(fā)學(xué)生對(duì)新一代人工智能技術(shù)的興趣，增強(qiáng)仿真工程專業(yè)人才對(duì)人工智能與軍事仿真交叉融合研究的使命感和緊迫感；在教學(xué)內(nèi)容上，通過(guò)阿爾法核心引擎遺傳模糊樹，跟蹤Nicholas Ernest博士所在團(tuán)隊(duì)近年來(lái)的研究成果，篩選出較為全面的研究論文并追加進(jìn)課程論文庫(kù)，在此基礎(chǔ)上借助武器裝備作戰(zhàn)效能仿真系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建仿真案例庫(kù)；在教學(xué)方法上，根據(jù)學(xué)生人數(shù)將學(xué)生進(jìn)行分組，分別設(shè)計(jì)飛機(jī)行為腳本在給定的相同仿真案例下進(jìn)行對(duì)戰(zhàn)，并展開討論；在成績(jī)?cè)u(píng)測(cè)上，通過(guò)收集學(xué)生腳本完成程度、討論參與度、案例匯報(bào)情況等指標(biāo)數(shù)據(jù)，建立模糊決策分析模型，得到每組最終綜合評(píng)價(jià)。

通過(guò)以上教學(xué)實(shí)踐，在課程思政方面，課程的智能化建設(shè)主要依托自主研制的“武器裝備作戰(zhàn)效能仿真系統(tǒng)”，軍事背景濃厚，以案例為依托，以知識(shí)為背景，融合傳授，在潛移默化中增強(qiáng)了學(xué)生的愛國(guó)情懷；在知識(shí)與技能方面，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)和求解新問(wèn)題的能力，并提高了應(yīng)用與人工智能、仿真領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)知識(shí)的能力；在教學(xué)過(guò)程與方法目標(biāo)方面，采用“教師主導(dǎo)、學(xué)生主體、師生互動(dòng)”的混合式教學(xué)策略，營(yíng)造寬松活躍的氛圍，培養(yǎng)了學(xué)生“善學(xué)、樂(lè)學(xué)、活學(xué)”的學(xué)習(xí)態(tài)度；在評(píng)測(cè)方面，采集教學(xué)活動(dòng)中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，運(yùn)用人工智能領(lǐng)域算法，真實(shí)準(zhǔn)確地反映了學(xué)生的能力水平。

針對(duì)當(dāng)前新一代人工智能背景下“仿真模型設(shè)計(jì)”課程智能化建設(shè)需求，系統(tǒng)分析了新的課程知識(shí)體系結(jié)構(gòu)下傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的不足，從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)評(píng)估四個(gè)方面詳細(xì)梳理了當(dāng)前教學(xué)活動(dòng)所存在的問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題開展了新的教學(xué)模式研究，有助于改善課堂教學(xué)質(zhì)量，提高課堂教學(xué)效果。另外，該教學(xué)改革與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?zāi)苡行?yīng)用于其他仿真學(xué)科領(lǐng)域系列課程，乃至其他類似“人工智能+X”交叉融合學(xué)科系列課程，可作為新一代人工智能時(shí)代背景下相關(guān)課程智能化建設(shè)的重要參考。