人工智能下的測(cè)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(shí)代的到來必將推動(dòng)測(cè)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(cè)繪行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，分析了人工智能對(duì)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(cè)繪工程高等教育的現(xiàn)狀，分別從培養(yǎng)理念、知識(shí)結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法和創(chuàng)新能力4個(gè)方面構(gòu)建了人工智能時(shí)代測(cè)繪工程專業(yè)的教育改革體系，為探索我國測(cè)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(yàn)借鑒。
關(guān)鍵詞:人工智能;測(cè)繪工程;高等教育;教育改革;改革體系
“如果一臺(tái)機(jī)器能夠與人展開對(duì)話，對(duì)話者分辨不出對(duì)方是人或機(jī)器，那么這臺(tái)機(jī)器就具有智能”［1］，這是著名的“圖靈測(cè)試”對(duì)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(kuò)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(dá)特茅斯會(huì)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(jī)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(jì)、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(huì)逐漸步入人工智能時(shí)代。人工智能的高速發(fā)展必將推動(dòng)測(cè)繪高等教育進(jìn)行改革，人工智能技術(shù)與學(xué)校教育融合是人工智能時(shí)代的必然要求，為個(gè)性化和個(gè)別化學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)保障，成為高等教育發(fā)展的重要推動(dòng)力。如何抓住人工智能發(fā)展機(jī)遇促進(jìn)測(cè)繪工程高等教育的創(chuàng)新和發(fā)展，是一個(gè)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(shì)，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(cè)繪工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景。結(jié)合測(cè)繪工程專業(yè)的現(xiàn)狀，分析人工智能時(shí)代背景下測(cè)繪工程專業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)，對(duì)探索人工智能與測(cè)繪工程高等教育的深入結(jié)合具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
1人工智能的應(yīng)用與分析
1．1人工智能在測(cè)繪中的應(yīng)用
測(cè)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(jī)電技術(shù)、空間技術(shù)、傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推動(dòng)產(chǎn)生了數(shù)字測(cè)繪和信息測(cè)繪［3］。隨著測(cè)繪地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)測(cè)繪應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)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(cè)繪領(lǐng)域。個(gè)性化、智能化和一體化的測(cè)繪服務(wù)需求越來越廣泛。人工智能時(shí)代是大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)和測(cè)繪地理信息行業(yè)結(jié)合的時(shí)代，測(cè)繪與時(shí)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(jī)遇與挑戰(zhàn)［4］。智能化測(cè)繪裝備的需求在不斷增強(qiáng)，智能測(cè)量機(jī)器人、全組合智能導(dǎo)航系統(tǒng)、自組網(wǎng)對(duì)地感知認(rèn)知系統(tǒng)等智能測(cè)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(jí)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(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別技術(shù)對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知，對(duì)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)量，海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的智能挖掘，數(shù)字影像的智能識(shí)別等不斷地突破著測(cè)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(cè)繪工作的內(nèi)容，無人駕駛、室內(nèi)測(cè)圖、智慧城市等新的領(lǐng)域提供廣泛的測(cè)繪需求［5］，新型人工智能企業(yè)涉入測(cè)繪行業(yè)，并進(jìn)一步發(fā)展了如手機(jī)測(cè)繪、眾包測(cè)繪等新的測(cè)繪工作內(nèi)容與工作方式。人工智能技術(shù)提高了測(cè)量傳感設(shè)備的智能性、精確性、實(shí)時(shí)性和可靠性，傳統(tǒng)艱苦而危險(xiǎn)的測(cè)繪外業(yè)工作，將逐步被智能遙感遙測(cè)設(shè)備取代。人工智能技術(shù)為測(cè)繪科學(xué)技術(shù)建立自動(dòng)化、智能化、泛在化、實(shí)時(shí)化處理和應(yīng)用能力。
1．2人工智能對(duì)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(shí)和技能，但這種模式已越來越難以適應(yīng)人工智能時(shí)代對(duì)教育的需求。因?yàn)閷W(xué)生僅僅依靠在學(xué)校獲取的知識(shí)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(huì)需求相適應(yīng)。文獻(xiàn)［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(shí)與意義、教育與人性轉(zhuǎn)化為0與1的二進(jìn)制代碼，為人們提供學(xué)習(xí)方案。現(xiàn)階段，深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算成就了人工智能，文字、語音和語義等識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，使得規(guī)?；淖詣?dòng)批閱和個(gè)性化的教學(xué)反饋得以實(shí)現(xiàn);慕課、微課、翻轉(zhuǎn)課堂和個(gè)性化教學(xué)［9］的交互認(rèn)知手段，隨時(shí)、隨地、隨需、隨變的知識(shí)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(shí)產(chǎn)生新的靈感和知識(shí)聚焦，擴(kuò)展了教師的角色。人工智能時(shí)代的教與學(xué)正在發(fā)生著急劇的變化，在知識(shí)的集聚與傳授，教學(xué)內(nèi)容的更新與實(shí)踐，教學(xué)績效的評(píng)價(jià)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(cè)繪工程專業(yè)教育改革
人工智能的發(fā)展推動(dòng)測(cè)繪類高等教育進(jìn)入了新階段，測(cè)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(cè)繪工程教育將以測(cè)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(jì)算和腦科學(xué)等理論技術(shù)，展現(xiàn)出深度學(xué)習(xí)、人機(jī)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(cè)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(cè)繪教育中，教師作為專業(yè)知識(shí)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(shí)傳播的載體，以實(shí)習(xí)基地為實(shí)踐教學(xué)的場所，把知識(shí)和技能灌輸給學(xué)生，因而難以把握每位學(xué)生的認(rèn)知效果，更談不上創(chuàng)新思維的開發(fā)。人工智能時(shí)代，依托移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的實(shí)時(shí)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地、多種方式獲取知識(shí)和技能，學(xué)生真正成為整個(gè)教學(xué)關(guān)系的中心，而教師則圍繞學(xué)生進(jìn)行教學(xué)和指導(dǎo)，起指揮和引導(dǎo)作用，從而增強(qiáng)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(jí)為單位的組織形式，借助智慧化的學(xué)習(xí)平臺(tái)，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(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的得失，促進(jìn)教師及時(shí)、有效地調(diào)整教學(xué)策略，以更好地識(shí)別和處理學(xué)生的個(gè)體化需求，實(shí)現(xiàn)分層教學(xué)和精準(zhǔn)培養(yǎng)。
2．1．3知識(shí)傳遞向文化傳承創(chuàng)新轉(zhuǎn)變隨時(shí)隨地獲取知識(shí)的能力、特定問題的決策能力和解決現(xiàn)實(shí)問題的創(chuàng)新能力是人工智能時(shí)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(dòng)和部分腦力勞動(dòng)，測(cè)繪工程專業(yè)教育的重心將從傳授理論知識(shí)和專業(yè)技能向挖掘人腦的存量知識(shí)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(shí)的意識(shí)，推動(dòng)教育目標(biāo)從知識(shí)傳遞向文化傳承與創(chuàng)新轉(zhuǎn)變。
2．2知識(shí)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(shí)代的測(cè)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(shí)代對(duì)測(cè)繪專業(yè)人才的培養(yǎng)，側(cè)重既具有測(cè)繪地理信息專業(yè)基礎(chǔ)，又能夠綜合運(yùn)用人工智能的理論和技術(shù)進(jìn)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(shí)展，將人工智能類課程引入課堂，同傳統(tǒng)的基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)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(shí)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(jì)。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(cè)繪行業(yè)應(yīng)用的洞察力。突出測(cè)繪學(xué)科各學(xué)歷層次課程的重心和特點(diǎn)，做好本科、碩士和博士階段課程內(nèi)容的規(guī)劃，增強(qiáng)各階段教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)階性，避免重復(fù)。(3)注重實(shí)踐教學(xué)，拓展實(shí)踐形式。實(shí)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(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。研究生教育的實(shí)踐為更廣義的實(shí)踐，包括項(xiàng)目研究、學(xué)術(shù)論壇、高水平研討、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等多種形式，在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維。(4)突出智能特色，重建教學(xué)大綱。針對(duì)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(píng)價(jià)。課程考核是目前了解和評(píng)價(jià)學(xué)生課程學(xué)習(xí)效果的一種有效方法，應(yīng)注重對(duì)學(xué)生分析問題和解決問題能力的評(píng)價(jià)。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(duì)實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的考查。對(duì)于碩士研究生，多以項(xiàng)目設(shè)計(jì)的形式，重點(diǎn)考查解決復(fù)雜科學(xué)和工程問題的能力;對(duì)于博士研究生，多以科研學(xué)術(shù)報(bào)告為載體，考查學(xué)生對(duì)人工智能泛測(cè)繪領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和前沿問題的掌握情況和獨(dú)立觀點(diǎn)，并鼓勵(lì)其物化成果進(jìn)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(gè)性化、游戲化和沉浸式的在線互動(dòng)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(jìn)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(tái)成為輔助教學(xué)工具，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、線上課堂和虛擬現(xiàn)實(shí)等智慧教學(xué)平臺(tái)將逐步成為主流。
2．3．1課程教學(xué)個(gè)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(jí)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(gè)性化的學(xué)習(xí)平臺(tái)。由學(xué)生的個(gè)人信息、認(rèn)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(duì)學(xué)生的個(gè)性化需求，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源、路徑和服務(wù)的推送。課程教學(xué)個(gè)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(gè)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(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)，開發(fā)智慧教學(xué)平臺(tái)。依據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)、聽課和作業(yè)情況對(duì)課堂學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)未來的學(xué)習(xí)表現(xiàn)。對(duì)于學(xué)習(xí)高風(fēng)險(xiǎn)的學(xué)生給出預(yù)警，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果推薦個(gè)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(dòng)結(jié)束時(shí)提供教學(xué)反饋，將個(gè)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(cè)評(píng)負(fù)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(shí)踐教學(xué)常態(tài)化傳統(tǒng)的測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)往往由于時(shí)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(shí)踐項(xiàng)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(shí)踐基地，允許學(xué)生靈活安排實(shí)踐時(shí)間和實(shí)踐內(nèi)容，提供個(gè)性化的實(shí)踐訓(xùn)練需求，大大提高學(xué)生的實(shí)踐參與度和完成度，更加貼合生產(chǎn)一線的實(shí)踐內(nèi)容，克服現(xiàn)實(shí)中因?qū)嵙?xí)基地的局限性而影響實(shí)習(xí)效果的弊端。指導(dǎo)教師運(yùn)用虛擬實(shí)踐教學(xué)場景實(shí)時(shí)地獲取、跟蹤學(xué)生的實(shí)踐訓(xùn)練情況，及時(shí)制定反饋信息，提高指導(dǎo)效果，保證實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，形成虛實(shí)結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的實(shí)踐教學(xué)模式，同時(shí)降低實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)濟(jì)成本和安全成本，有利于提高學(xué)生的實(shí)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(jìn)行信息加工分析，為教師獻(xiàn)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(duì)教師和人工智能提出問題，實(shí)現(xiàn)綜合知識(shí)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(shí)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(dòng)命題和自動(dòng)批閱作業(yè)發(fā)現(xiàn)教學(xué)問題，針對(duì)學(xué)生個(gè)體的知識(shí)薄弱點(diǎn)提供有效教學(xué)資源，達(dá)到真正意義上的因材施教。同時(shí)，促使教師提高創(chuàng)新能力，改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)方法，把教學(xué)過程中以知識(shí)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(qiáng)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(shí)代更具一般性。人工智能可以通過構(gòu)建知識(shí)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(jìn)而在最大程度上發(fā)散思維，不斷培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，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(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。
3總結(jié)
人工智能時(shí)代的到來給測(cè)繪行業(yè)帶來了前所未有的沖擊和機(jī)遇，也必將對(duì)測(cè)繪高等教育帶來革命性的影響?，F(xiàn)代測(cè)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(cè)繪工程教育帶了很多創(chuàng)新型的改變，促進(jìn)了測(cè)繪工程教育在培養(yǎng)理念、知識(shí)結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法和創(chuàng)新能力多方面的變革。作為測(cè)繪教育工作者應(yīng)緊跟時(shí)代需求，做好充分準(zhǔn)備，抓住時(shí)代機(jī)遇，穩(wěn)步推動(dòng)測(cè)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(xiàn)。
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
