人工智能下的測繪工程教育改革
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摘要:人工智能技術(shù)發(fā)展至今，已掀起了第三次浪潮。人工智能時代的到來必將推動測繪工程教育的改革。本文從人工智能技術(shù)的發(fā)展歷程出發(fā)，闡述了人工智能在測繪行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，分析了人工智能對教育行業(yè)的影響，探討了人工智能與高等教育相結(jié)合的應(yīng)用前景。結(jié)合測繪工程高等教育的現(xiàn)狀，分別從培養(yǎng)理念、知識結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法和創(chuàng)新能力4個方面構(gòu)建了人工智能時代測繪工程專業(yè)的教育改革體系，為探索我國測繪工程高等教育同人工智能的深度融合提供理論參考和經(jīng)驗借鑒。
關(guān)鍵詞:人工智能;測繪工程;高等教育;教育改革;改革體系
“如果一臺機器能夠與人展開對話，對話者分辨不出對方是人或機器，那么這臺機器就具有智能”［1］，這是著名的“圖靈測試”對人工智能的經(jīng)典表述。人工智能(artificialintelligence，AI)是研究開發(fā)用于模擬、延伸和擴展的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)［2］。人工智能的發(fā)展從1956年達特茅斯會議開始，歷經(jīng)兩起兩落，自2013年起，以深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為代表的機器學(xué)習(xí)方法在大數(shù)據(jù)和GPU(graphicsprocessingunit)應(yīng)用發(fā)展的技術(shù)背景下，迎來了人工智能研究的第三次高潮，產(chǎn)生了智能城市、智能經(jīng)濟、智能制造、智能醫(yī)療、智能家居、智能駕駛等宏觀到微觀的智能化新需求，人類社會逐漸步入人工智能時代。人工智能的高速發(fā)展必將推動測繪高等教育進行改革，人工智能技術(shù)與學(xué)校教育融合是人工智能時代的必然要求，為個性化和個別化學(xué)習(xí)的實現(xiàn)提供技術(shù)保障，成為高等教育發(fā)展的重要推動力。如何抓住人工智能發(fā)展機遇促進測繪工程高等教育的創(chuàng)新和發(fā)展，是一個需要深入研究的問題。本文以人工智能技術(shù)為導(dǎo)向，闡述該技術(shù)的發(fā)展趨勢，分析人工智能與教育相結(jié)合的研究現(xiàn)狀，探討人工智能技術(shù)在測繪工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景。結(jié)合測繪工程專業(yè)的現(xiàn)狀，分析人工智能時代背景下測繪工程專業(yè)的發(fā)展特點，對探索人工智能與測繪工程高等教育的深入結(jié)合具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。
1人工智能的應(yīng)用與分析
1．1人工智能在測繪中的應(yīng)用
測繪科學(xué)技術(shù)歷經(jīng)傳統(tǒng)的模擬階段、解析階段，由光機電技術(shù)、空間技術(shù)、傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推動產(chǎn)生了數(shù)字測繪和信息測繪［3］。隨著測繪地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)測繪應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，如今已涉及陸、海、空、天乃至互聯(lián)物聯(lián)及人自身等泛測繪領(lǐng)域。個性化、智能化和一體化的測繪服務(wù)需求越來越廣泛。人工智能時代是大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)和測繪地理信息行業(yè)結(jié)合的時代，測繪與時空位置服務(wù)的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)形態(tài)和商業(yè)模式產(chǎn)生了重大機遇與挑戰(zhàn)［4］。智能化測繪裝備的需求在不斷增強，智能測量機器人、全組合智能導(dǎo)航系統(tǒng)、自組網(wǎng)對地感知認知系統(tǒng)等智能測繪硬件和產(chǎn)業(yè)的結(jié)合已然成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級的風(fēng)向標(biāo)［5］。人工智能與地理空間數(shù)據(jù)的結(jié)合越來越密切，利用人工智能的機器學(xué)習(xí)、模式識別技術(shù)對空間數(shù)據(jù)進行分類，對環(huán)境進行感知，對地理空間數(shù)據(jù)進行智能分析［6］。云端智能數(shù)據(jù)處理與多學(xué)科交叉融合應(yīng)用更加廣泛，大數(shù)據(jù)背景下的“云控制”攝影測量，海量點云數(shù)據(jù)的智能挖掘，數(shù)字影像的智能識別等不斷地突破著測繪新技術(shù)［7］。位置服務(wù)等新的學(xué)科內(nèi)涵依托人工智能技術(shù)拓展了測繪工作的內(nèi)容，無人駕駛、室內(nèi)測圖、智慧城市等新的領(lǐng)域提供廣泛的測繪需求［5］，新型人工智能企業(yè)涉入測繪行業(yè)，并進一步發(fā)展了如手機測繪、眾包測繪等新的測繪工作內(nèi)容與工作方式。人工智能技術(shù)提高了測量傳感設(shè)備的智能性、精確性、實時性和可靠性，傳統(tǒng)艱苦而危險的測繪外業(yè)工作，將逐步被智能遙感遙測設(shè)備取代。人工智能技術(shù)為測繪科學(xué)技術(shù)建立自動化、智能化、泛在化、實時化處理和應(yīng)用能力。
1．2人工智能對教育的影響
傳統(tǒng)觀念上，接受教育的主要模式是學(xué)生到學(xué)校學(xué)習(xí)教師傳授的知識和技能，但這種模式已越來越難以適應(yīng)人工智能時代對教育的需求。因為學(xué)生僅僅依靠在學(xué)校獲取的知識去解決未來問題的可能性已經(jīng)越來越小，這迫切地要求革新現(xiàn)代教育理念，以與社會需求相適應(yīng)。文獻［8］把人工智能概括為“深度學(xué)習(xí)+大數(shù)據(jù)=人工智能”。將人工智能解釋為通過算法把知識與意義、教育與人性轉(zhuǎn)化為0與1的二進制代碼，為人們提供學(xué)習(xí)方案?，F(xiàn)階段，深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)和云計算成就了人工智能，文字、語音和語義等識別技術(shù)的應(yīng)用，使得規(guī)?；淖詣优喓蛡€性化的教學(xué)反饋得以實現(xiàn);慕課、微課、翻轉(zhuǎn)課堂和個性化教學(xué)［9］的交互認知手段，隨時、隨地、隨需、隨變的知識傳播方式正在形成;依托碎片化的教學(xué)內(nèi)容和多媒體重構(gòu)技術(shù)，可隨時產(chǎn)生新的靈感和知識聚焦，擴展了教師的角色。人工智能時代的教與學(xué)正在發(fā)生著急劇的變化，在知識的集聚與傳授，教學(xué)內(nèi)容的更新與實踐，教學(xué)績效的評價與管理等方面都發(fā)生了變化［10］。人工智能必將改變現(xiàn)有的教育狀況，高等教育的辦學(xué)模式、專業(yè)的結(jié)構(gòu)體系、教師的職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及教學(xué)的內(nèi)容都將發(fā)生變化［11］。
2測繪工程專業(yè)教育改革
人工智能的發(fā)展推動測繪類高等教育進入了新階段，測繪學(xué)科的內(nèi)涵與外延得到了巨大的拓展，智能化學(xué)科內(nèi)容明顯增多。測繪工程教育將以測繪學(xué)、教育學(xué)和心理學(xué)為基礎(chǔ)，依托互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和腦科學(xué)等理論技術(shù)，展現(xiàn)出深度學(xué)習(xí)、人機協(xié)同、跨界融合、自主操作、群智開放的新特征［12］。在人工智能的大背景下，測繪工程專業(yè)的教育將面臨著大的變革。
2．1培養(yǎng)理念的提升
2．1．1教學(xué)中心由教師轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生傳統(tǒng)測繪教育中，教師作為專業(yè)知識的主要承載者，占據(jù)著教學(xué)關(guān)系的主導(dǎo)地位，普遍形成了以課堂為理論知識傳播的載體，以實習(xí)基地為實踐教學(xué)的場所，把知識和技能灌輸給學(xué)生，因而難以把握每位學(xué)生的認知效果，更談不上創(chuàng)新思維的開發(fā)。人工智能時代，依托移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的實時教學(xué)平臺，學(xué)生可以隨時隨地、多種方式獲取知識和技能，學(xué)生真正成為整個教學(xué)關(guān)系的中心，而教師則圍繞學(xué)生進行教學(xué)和指導(dǎo)，起指揮和引導(dǎo)作用，從而增強學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和目標(biāo)性。
2．1．2整體培養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱咏虒W(xué)精準(zhǔn)培養(yǎng)改變傳統(tǒng)以專業(yè)、班級為單位的組織形式，借助智慧化的學(xué)習(xí)平臺，全面、精準(zhǔn)地記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和訓(xùn)練效果，快速、準(zhǔn)確地分析各個教學(xué)環(huán)節(jié)的得失，促進教師及時、有效地調(diào)整教學(xué)策略，以更好地識別和處理學(xué)生的個體化需求，實現(xiàn)分層教學(xué)和精準(zhǔn)培養(yǎng)。
2．1．3知識傳遞向文化傳承創(chuàng)新轉(zhuǎn)變隨時隨地獲取知識的能力、特定問題的決策能力和解決現(xiàn)實問題的創(chuàng)新能力是人工智能時代教育培養(yǎng)的本質(zhì)［13］。由于人工智能技術(shù)能夠勝任很多人類的體力勞動和部分腦力勞動，測繪工程專業(yè)教育的重心將從傳授理論知識和專業(yè)技能向挖掘人腦的存量知識和培養(yǎng)創(chuàng)新思維轉(zhuǎn)變，目的是培養(yǎng)學(xué)生不斷探索新領(lǐng)域和新知識的意識，推動教育目標(biāo)從知識傳遞向文化傳承與創(chuàng)新轉(zhuǎn)變。
2．2知識結(jié)構(gòu)的調(diào)整
2．2．1培養(yǎng)目標(biāo)的轉(zhuǎn)變?nèi)斯ぶ悄軙r代的測繪工程教育將把專業(yè)基礎(chǔ)教育同人工智能技術(shù)相結(jié)合形成新的培養(yǎng)目標(biāo)。人工智能時代對測繪專業(yè)人才的培養(yǎng)，側(cè)重既具有測繪地理信息專業(yè)基礎(chǔ)，又能夠綜合運用人工智能的理論和技術(shù)進行空間數(shù)據(jù)的采集、處理、分析和應(yīng)用。
2．2．2課程體系的重構(gòu)(1)增設(shè)智能課程，重構(gòu)課程類型。教學(xué)要緊跟時展，將人工智能類課程引入課堂，同傳統(tǒng)的基礎(chǔ)計算機類課程一樣，成為專業(yè)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。將傳統(tǒng)的基礎(chǔ)類、專業(yè)基礎(chǔ)類和專業(yè)核心類課程拓展為通識基礎(chǔ)類、智能基礎(chǔ)類、專業(yè)基礎(chǔ)類和專業(yè)核心類課程。(2)統(tǒng)籌教學(xué)內(nèi)容，做好層次設(shè)計。人工智能理論引領(lǐng)信息技術(shù)發(fā)展的前沿，人工智能研究帶來的理論成果和技術(shù)創(chuàng)新指引著測繪行業(yè)應(yīng)用的洞察力。突出測繪學(xué)科各學(xué)歷層次課程的重心和特點，做好本科、碩士和博士階段課程內(nèi)容的規(guī)劃，增強各階段教學(xué)內(nèi)容的進階性，避免重復(fù)。(3)注重實踐教學(xué)，拓展實踐形式。實踐教學(xué)是提高人才素質(zhì)與能力的重要途徑，研究生教育比本科教育更應(yīng)重視實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。研究生教育的實踐為更廣義的實踐，包括項目研究、學(xué)術(shù)論壇、高水平研討、實驗測試等多種形式，在實踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。(4)突出智能特色，重建教學(xué)大綱。針對不同階段的人才培養(yǎng)要求編寫合理的教學(xué)大綱。根據(jù)工程技術(shù)應(yīng)用、科學(xué)理論研究等不同出口方向，考慮本、碩、博不同學(xué)歷層次人才的需求，結(jié)合國家和院校自身在教學(xué)、科研和工程應(yīng)用方面的定位，制定具有學(xué)科特色的分階段教學(xué)大綱。(5)改革課程考核，重視能力評價。課程考核是目前了解和評價學(xué)生課程學(xué)習(xí)效果的一種有效方法，應(yīng)注重對學(xué)生分析問題和解決問題能力的評價。本科注重基本技能和專業(yè)基礎(chǔ)的考查，研究生課程考核關(guān)鍵在于對實踐能力和創(chuàng)新思維的考查。對于碩士研究生，多以項目設(shè)計的形式，重點考查解決復(fù)雜科學(xué)和工程問題的能力;對于博士研究生，多以科研學(xué)術(shù)報告為載體，考查學(xué)生對人工智能泛測繪領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和前沿問題的掌握情況和獨立觀點，并鼓勵其物化成果進行學(xué)術(shù)發(fā)表。
2．3教學(xué)方法的改革
人工智能以其個性化、游戲化和沉浸式的在線互動教學(xué)模式?jīng)_擊著傳統(tǒng)的學(xué)校課堂，必將迫使教師改進教學(xué)模式［14］。以教材、板書和多媒體課件為核心的傳統(tǒng)教學(xué)媒介將走下講臺成為輔助教學(xué)工具，移動互聯(lián)網(wǎng)、線上課堂和虛擬現(xiàn)實等智慧教學(xué)平臺將逐步成為主流。
2．3．1課程教學(xué)個性化以現(xiàn)階段的慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等作為智能化教學(xué)的初級階段，將逐步發(fā)展形成智能化的教學(xué)載體能為每名學(xué)生量身打造個性化的學(xué)習(xí)平臺。由學(xué)生的個人信息、認知特征、學(xué)習(xí)記錄、位置信息和媒體社交等信息構(gòu)成數(shù)據(jù)庫，通過人工智能技術(shù)不斷調(diào)整優(yōu)化模型參數(shù)構(gòu)建學(xué)生模型。針對學(xué)生的個性化需求，實現(xiàn)個性化的學(xué)習(xí)資源、路徑和服務(wù)的推送。課程教學(xué)個性化主要服務(wù)于課下自主學(xué)習(xí)、課后作業(yè)訓(xùn)練及師生個體探討等環(huán)節(jié)。
2．3．2自主在線學(xué)習(xí)規(guī)范化借助計算機和互聯(lián)網(wǎng)，開發(fā)智慧教學(xué)平臺。依據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)、聽課和作業(yè)情況對課堂學(xué)習(xí)效果進行評價，預(yù)測未來的學(xué)習(xí)表現(xiàn)。對于學(xué)習(xí)高風(fēng)險的學(xué)生給出預(yù)警，并根據(jù)評價結(jié)果推薦個性化的學(xué)習(xí)內(nèi)容和方法，提升學(xué)習(xí)效率。在教學(xué)活動結(jié)束時提供教學(xué)反饋，將個性化、自主化學(xué)習(xí)規(guī)范到日常教學(xué)管理工作中，一方面減輕教師的測評負擔(dān)，另一方面為教學(xué)決策和教學(xué)改革提供可靠的依據(jù)。
2．3．3虛擬場景實踐教學(xué)常態(tài)化傳統(tǒng)的測繪實踐教學(xué)往往由于時間、空間、儀器設(shè)備和學(xué)生安全等因素的限制，導(dǎo)致教學(xué)實踐項目與教學(xué)內(nèi)容符合程度低，與生產(chǎn)工作需求相脫節(jié)。依托于人工智能技術(shù)構(gòu)建的虛擬仿真實踐基地，允許學(xué)生靈活安排實踐時間和實踐內(nèi)容，提供個性化的實踐訓(xùn)練需求，大大提高學(xué)生的實踐參與度和完成度，更加貼合生產(chǎn)一線的實踐內(nèi)容，克服現(xiàn)實中因?qū)嵙?xí)基地的局限性而影響實習(xí)效果的弊端。指導(dǎo)教師運用虛擬實踐教學(xué)場景實時地獲取、跟蹤學(xué)生的實踐訓(xùn)練情況，及時制定反饋信息，提高指導(dǎo)效果，保證實踐教學(xué)質(zhì)量，形成虛實結(jié)合、優(yōu)勢互補的實踐教學(xué)模式，同時降低實踐教學(xué)的經(jīng)濟成本和安全成本，有利于提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。
2．4創(chuàng)新能力的培養(yǎng)
人工智能將成為教與學(xué)的關(guān)系主要因素之一，教與學(xué)的關(guān)系發(fā)展為人工智能與教師、學(xué)生三者之間的關(guān)系，教師要借助人工智能與學(xué)生一起學(xué)習(xí)，人工智能通過教師與學(xué)生之間的交流反饋，進行信息加工分析，為教師獻出教改策略，向?qū)W生提供學(xué)習(xí)建議。在以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)模式下，學(xué)生對教師和人工智能提出問題，實現(xiàn)綜合知識和創(chuàng)新能力的提高。
2．4．1教師創(chuàng)新能力提升人工智能時代，教師的一些日常性、重復(fù)性、規(guī)則性和單調(diào)性工作，將由人工智能技術(shù)代替。通過自動命題和自動批閱作業(yè)發(fā)現(xiàn)教學(xué)問題，針對學(xué)生個體的知識薄弱點提供有效教學(xué)資源，達到真正意義上的因材施教。同時，促使教師提高創(chuàng)新能力，改進傳統(tǒng)教學(xué)方法，把教學(xué)過程中以知識傳授的重心向情感和人格方面轉(zhuǎn)移，把傳統(tǒng)的“教書”為主轉(zhuǎn)向新型的“育人”為主，增強教師角色本身的不可替代性。
2．4．2學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)創(chuàng)新能力決定了人與學(xué)科的生命力。學(xué)生天賦的發(fā)掘、興趣的激發(fā)和創(chuàng)造力的激活在人工智能時代更具一般性。人工智能可以通過構(gòu)建知識圖譜結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，引導(dǎo)學(xué)生找準(zhǔn)學(xué)習(xí)定位，發(fā)現(xiàn)自身天賦和興趣，以便在擅長的領(lǐng)域發(fā)力，進而在最大程度上發(fā)散思維，不斷培養(yǎng)創(chuàng)新意識，逐步產(chǎn)生創(chuàng)新思維，最終形成創(chuàng)新能力，從而真正意義上實現(xiàn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。
3總結(jié)
人工智能時代的到來給測繪行業(yè)帶來了前所未有的沖擊和機遇，也必將對測繪高等教育帶來革命性的影響?，F(xiàn)代測繪學(xué)科已經(jīng)融入了更多學(xué)科的交叉，人工智能技術(shù)的應(yīng)用為測繪工程教育帶了很多創(chuàng)新型的改變，促進了測繪工程教育在培養(yǎng)理念、知識結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法和創(chuàng)新能力多方面的變革。作為測繪教育工作者應(yīng)緊跟時代需求，做好充分準(zhǔn)備，抓住時代機遇，穩(wěn)步推動測繪工程教育改革，為我國的高等教育改革與發(fā)展作出貢獻。
作者：岳建平 叢康林 單位：河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院
