AI技术在高校工科专业在线课堂建设中的应用探索
王超，庄洁，崔孟荣，刘兆惠
（山东科技大学，山东 青岛）
摘 要： 本文以国家大力推进新工科建设为背景，介绍了在线课堂的教学模式和目前应用存在的不足，并探究了人工智能（AI，Artificial Intelligence）技术对于在线课堂发展的推动作用。最后总结了AI技术和在线课堂发展的不足，也对二者结合在高校教学中的发展做出了展望。
关键字： AI；在线课堂；新工科；高校教学
一 引言
2017年2月，教育部积极推进新工科的建设，颁布了《关于开展新工科研究与实践的通知》。面对新形势、新经济、新技术的飞速发展，各高校针对工科教育如何转型展开了积极的探索。随着互联网对当今世界的影响越来越深，网络上的学习资源不断增多，不少高校将在线课堂引入课堂教学，探索将在线课堂与传统课堂融合的混合教学模式，并取得了一定的成效。
[3]Beijing-Washington cooperation on the Belt and Road initiative is highly likely to be the most significant basis for global peace in the 21st century.
随着在线课堂在高校教学中的优势不断凸显，人们又考虑将人工智能(AI)应用于在线课堂。经过60多年的演进，如今的人工智能已经到了新的发展阶段，成为了国际竞争的新焦点。李克强总理在2017年政府工作报告，首次将人工智能写入政府工作报告，7月20日国务院印发的关于新一代人工智能发展规划的通知，大力提倡发展发展人工智能（AI）。[1]2018年3月，李克强总理作政府工作报告，提出将人工智能应用在文化、医疗、体育、教育等诸多领域，这表明人工智能进入一个新的发展时代，达到国家战略高度。AI技术与在线课堂的双重结合，也为高校教育带来新的可能性和挑战性。
二 在线课堂在高校工科中的应用
2016年，教育部办公厅印发的《2016年教育信息化工作要点》，要求加强高等教育优质数字教育资源开发与应用，继续建设800门左右优质在线开放课程，继续建设100个左右的国家级虚拟仿真实验教学中心。[2]2018年，教育部办公厅印发的《2018年教育信息化工作重点》，拓展网络学习空间应用广度与深度，推动大数据、虚拟现实、人工智能等新技术在教育中的深入应用。[3]对于山东科技大学来说，工科，不仅是学校的建校基础，也一直是学校的重点学科。随着青岛基础设施的大规模建设，轨道交通、高铁的迅速发展，以及城市交通状况的急剧恶化，交通工程和交通运输专业的关注度持续上涨。在国家大力推进新工科建设的背景下，交通学院要打破学科专业壁垒，跨学科、跨专业、跨学院联合开设本科交叉课程。同时，交通工程专业是一个实践性，综合性很强的工程类专业，与基础理论学科不同，交通工程专业更加重视实践能力、团队合作能力和创新能力，因此可以引入SPOC进行教学，线上教学和线下教学结合同步进行，使时间效用最大化。SPOC (Small Private Online Course) 是一种小规模限制性在线课程，其模式如图1所示。
罐区紧急切断阀与SIS的设置相辅相成，通过设置紧急切断阀构建安全联锁保护系统，可实现紧急停车功能，有效维护罐区安全。
目前人们普遍将人工智能分为两个阶段：类人的强人工智能阶段和弱人工智能阶段，目前人们的研究重心集中在弱人工智能上，而且在这一研究领域已经取得了比较可观的成就，智能搜索引擎、图像识别、指纹识别、车牌识别等技术已经应用于社会生活的方方面面。随着人工智能的研究不断深入，人工智能与教育的结合也会更加紧密，必然给教育带来颠覆性的突破。
在线课堂的应用存在两个弊端。其一是重视碎片化学习，忽略了整个知识面的系统性和知识点的关联性。其二是大部分高校引入在线课堂只追求了外在形式，而没有把握内在实质。而且在目前的高校工科专业的混合教学模式中，仍然侧重与利用在线资源在封闭的环境中进行教学，并没有有效的提高学生的动手实践能力。
关键问题是通过高质量在线课程的供给和教研机制的建立，让教师学会用新的教材来教学。高校工科专业相对于其他专业来说，更加需要校外的资源，在线教育的开放性即全社会性，这意味着上课不仅是高校里的学生，还有社会工作者，他们丰富的工作经验，让他们对行业最新动态有着敏锐的直觉，通过与他们的交谈，加深对自己所学专业的认知，更好地把握学习方向，提升自身业务水平。面对急速变化的社会环境，工科的培养目标也应随之发生着变化，更应适应经济社会发展，充分运用在线课程，改变传统的教学方式，激发学生的学习兴趣，提高学生计算思维能力，逻辑思维能力，解决实际问题的能力，培养具有创新意识的复合型人才。
想起大学隔壁宿舍的一个女孩毛毛，上了大学之后，她就争分夺秒，学好专业，搞好社交，提升品位，哪项都没落下。有人问她：“你这么拼命，不累吗？一个女孩那么努力干吗？”
图1 SPOC教学模式
三 AI推动在线课堂的发展
（一） 什么是人工智能
（1）作业自动批改
在线课堂除了共享性、开放性等特点之外，也存在着不少的弊端，如投资高、数据积累多、完成率低等。[4]一个准确科学的判断和评价在线课堂质量的评价体系是在线教育实现突破的重要途径之一。AI技术的发展也可以有效的弥补在线课堂的不足。
对于新工科建设，要求高校“以教为主”向“以学为主”进行转变。教师从知识的传授者变为学生学习的组织者、指导者和推动者，采用讨论式、启发式的方法进行教学，鼓励学生自主学习，自主探究。在线课堂也为学生提供了一个开放的学习环境，学生可以不受时间、地点的约束进行学习，除了教师布置的在线课程，学生还可以找寻其他的教学资源进行知识面的扩充，不断充实自己。
（二） AI与在线课堂的结合
为此,本文以光伏直流模块的防孤岛控制为研究对象。首先,以Boost+FB-LLC(Full Bridge LLC,FB-LLC)作为本文的直流模块拓扑结构,并对该电路拓扑进行了工作原理分析。其次,本文分析了光伏直流模块的孤岛效应,并提出了一种基于注入电流扰动法的新型防孤岛控制策略。最后,本文研制了一台1 000 W的光伏直流模块样机,并完成了孤岛保护实验。
1.基于AI的在线课堂新模式
以交通工程专业为例，许多专业知识比较抽象且难以理解，尤其是实验环节，受场地和人数的限制，实践锻炼机会较少，通过AI引擎，可以对实验数据进行预处理，生成实验模型，并且利用VR技术模拟实验操作场景，并支持六自由度的VR互动，构建真实的实验情景，大大增加了学习的趣味性，一些难以理解知识还可以反复观看。汽车方面，由于汽车零件造价昂贵，人们只能通过图片来了解汽车的构造，有了VR技术，可以帮助学生树立立体思维，营造一个可以观察和动手操作的立体三维空间，提高现场教学感，让学生明白工作机理，更好地掌握知识，而且有助于高校节约经费，减少占地空间、避免大型设备的损坏以及保障师生的安全。
智能教学系统由专家系统模块、机器学习模块、教师模块、学生模块和智能交互界面组成，专家模块提供教学领域的知识，以及作为专家如何运用这些知识，可以解决什么问题。机器学习模块包含大量的机器学习程序和算法，对学生模块收集的数据建立预测模型，判断学生的知识掌握水平，将学习情况反馈到教师模块，作为下一步教学的信息和依据。教师模块是依据一定的教学原理，采取适当的教学内容和教学方法以适当的方式呈献给学生。学生模块是通过比较学生行为和专家行为，对学生进行智能模拟。智能交互界面就是用户与系统沟通的桥梁，是专家知识的输入，信息获取和知识输出的途径（见图2）。
2.AI在在线课堂中的应用
人工智能发展至今已有60多年的历史，它运用计算机技术对人的意识、思维的信息过程进行模拟，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。虽然人工智能不是人的智能，但能模拟人类的思维方式进行思考、也可能超过人的智能。
近年来，高校不断扩招，学生数量越来越庞大，这些都导致了教师在考试、批改作业等繁琐的教学任务上耗费大量时间。教师可以通过在线课堂预留作业，运用语音识别、图片识别和文字识别等AI技术，根据构建好的的领域知识体系，进行一些重复性，机械化的繁琐的教学任务，不仅可以减轻教师的工作压力，有效节约时间，还可以提高学生的在线学习的完成率。
为了了解边坡的稳定情况，在治理区域安设监测仪器，如外观观测点，GPS位移观测点，锚索、锚杆应力计以及人行观测通道等，及时有效地反馈自然边坡的变形情况，便于治理方案的调整。
（2）AI助手
随着大数据时代的来临，AI在高校教育方面有了更广阔的发展。新工科是学科交叉的产物，突破高校在学科交叉上的制度瓶颈和行政壁垒，是新工科必须跨越的一道坎。交通的发展要与社会紧密相连，以智能交通为例，基础信息的采集技术、信息的感知与交互、移动互联、载运工具的智能化，综合了交通工程、信息工程、控制工程、通信技术、计算机技术等众多科学领域的成果。通过大数据和数据分析，建立一个能够准确把握所教授学科的领域知识体系，该体系不仅集合了学科的所有知识点，并且建立了各个知识点之间的联系，由点及面形成一个完整的知识网络。同时建立各领域知识体系的联系，更好地帮助教师进行教学活动。同时教师也可以智能教育平台与其他优秀教师进行交流，实时共享教案，学习其先进的教学理念和教学方法，提高教师的教学质量。
图2 智能教学系统
AI助手将学生的视频观看次数、与教师的互动记录下来并进行分析，生成数据表和分析图，对学生的学习过程进行诊断并预测学习的未来发展，对学习过程进行优化。教师可以据此分析进行课件改进，大大提高了教师的工作效率。此外，AI助手还可以借鉴Automotive AI，通过接受众多的面孔的数据库训练，来识别特定的人类情绪，进行情绪识别、专注度分析，当学生上课注意力不集中，走神打盹儿时，智能化设备可以发出警示，提高学生的学习效率。国外智能汽车已经应用了该项技术，课堂教育还会远吗？
（3）教学情景化、智能化
高校引入在线课堂，要建立自己的数据库，面对财力物力还有时间上的困难，而且见效时间长，高校可以和目前市场上发展良好的在线教育平台合作，依托他们的数据来丰富本校的教学资源，高校教师也可以制作自己的讲课视频，上传到在线教育平台，构建基于专家系统的智能教学系统，实现自动化教学。[5]专家系统（Expert System)是目前人工智能应用于教育最成功、最活跃的研究领域。专家系统是模拟人类专家的思维过程，将专家的知识和经验以一种知识表达的模式存入电脑，对输入的事实进行推理，做出判断和决策。
（4）领域知识体系构建
AI技术中地虚拟机器人在未来的在线课堂教学中会发挥越来越重要的作用，虚拟机器人可以帮助学生制定符合自己的学习计划、合理安排时间，提高时间利用效率；智能提问，在学习者视频学习的过程中，虚拟机器人还会根据学习内容主动向学生发问，激发学生的学习兴趣，实时检测学习成果；智能记忆复习、学习能力训练，根据学生的学习能力提供个性的复习方法，促进知识的吸收；社交引导，建立论坛交流互动，匹配具有共同学习爱好的交流，探讨问题，将学生的个人学习兴趣和社会需求相结合，实现个性化和差异化学习。
不论是行为上的自由还是思想上的自由，若没有桎梏本身的存在，则自由也就不再有意义，正因为生活中有太多无奈，才更显得自由的美好，也才更显得勇于追求自由的可贵。
（5）资源均衡、教育公平
AI和在线课堂的发展打破了地域、时间和空间上的界限，在一定程度上可以缓解师资不足和教学质量不佳的问题，2017年十九大报告中提出“努力让每个孩子都能享有公平而有质量的教育”，我国的教育现状是西部偏远地区落后于东部发达地区，农村少于城市。AI+在线课堂将优质资源与先进的学习模式传递给，学生可以更加方便地获取感兴趣的学习视频，作为传统课堂的有效补充。
3.AI的局限
目前而言，AI技术推动在线课堂的发展效用并不是人们所想的那么巨大，究其原因，AI技术尚未成熟。随着新工科建设，各高校相继开设人工智能相关专业，人工智能高端人才的培养需要时间的积累，人才储备不足，限制了技术的创新，创新不足又影响了技术的运用。并且目前的人工智能在教学方面的应用，都是所谓的“弱人工智能”，只是以单纯的概念来引导学生学习，无法与学生产生情感上的共鸣。机器学习系统对于常识的缺乏导致系统应用受数据收集的影响而不稳定，即使最常规的问题也不能有机器全部负责，例如运用Google翻译的句子重新反馈到Google系统后会导致机器翻译质量下降。[6]机器所理解的只是单纯无意义的数值或符号。
澳大利亚事故车行业的兼并重组还远未成熟。很多维修店店主选择在退休前，将维修店卖给AMA集团，而不是与大型集团继续竞争。这是一个有吸引力的选择，既可作为退出战略，也是照顾员工利益的最好方法。技术培训以及新设备领域持续不断增长的投资需求，再加上市场上激烈的价格竞争，在未来3～5年内我们将看到更多小型、单一型维修厂的消亡。与此同时，与保险公司保持良好关系的维修厂可能有机会开设更多家维修店。未来3～5年，保险公司将继续指导事故车行业，而维修厂之间将通过降低价格、提升服务，相互竞争以获得保险公司的接受和认可。(未完待续)
四 结论
在国家政策的推动下，越来越多的高校开始将在线课堂引入教学。然而人们对在线课堂的认识尚有不足，对在线课堂的应用只停留在授课的单一作用上，对在线课堂的应用还有待发掘。AI技术的发展也并不成熟，不能满足人们对新型学习方式的支持，评价机制落后于教学理念的更新。在线课堂进入校园并不是水到渠成的事情，而是在国家、社会、学校和学生的实践中不断完善，经过几年的发展，在线课堂在高校中的普及率越来越高。将AI技术运用于在线课堂是一个循序渐进的过程，面对技术促进学习错综复杂的现状,仅仅强调教学层面的因素是不够的,智慧校园正在如火如荼的建设当中,要综合考虑多种因素在宏观调控下健康、理性地进行。
参考文献
[1] 国务院.国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[EB/OL].国 发〔2017〕35号，2017-07-08.http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.
[2] 教育部办公厅.2016年教育信息化工作要点[EB/OL].2016-09-20. http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201602/t20160219_229804.html.
[3] 教育部办公厅.教育部办公厅关于印发《2018年教育信息化和网络安全工作要点》的通知[EB/OL].2018-03-13. http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201803/t20180313_329823.html.
[4] Liao Yunyan, Yu Qiang, Wang Changjing. Research on Application of SPOC Flipped Classroom in Computer Basic Courses. The 13th International Conference on Computer Science & Education (ICCSE 2018) August 8-11, 2018.
[5] 张志祯,张玲玲,罗琼菱子,等.人工智能教育应用的实然分析:教学自动化的方法与限度[J].中国远程教育,2019(03):1-13+92.
[6] 皮埃罗·斯加鲁菲(Piero Scaruffi).任莉,张建宇,译.智能的本质[M].北京:人民邮电出版社.2017.
本文引用格式： 王超，等.AI技术在高校工科专业在线课堂建设中的应用探索[J].教育现代化,2019,6(78):98-101.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.78.043
作者简介： 王超，男，汉族，吉林长春人，山东科技大学交通学院，讲师。庄洁，女，汉族，山东临沂人，山东科技大学硕士研究生。
通讯作者： 刘兆惠。