智能時代測繪高等教育的幾點思考

高井祥

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

自1956年Dartmouth學(xué)會上人工智能的概念被提出起，人工智能便得到了廣泛的關(guān)注與發(fā)展[1]。從能證明應(yīng)用題的STUDENT機(jī)器，到戰(zhàn)勝國際象棋大師的IBM深藍(lán)，再到近日與圍棋世界冠軍柯潔對戰(zhàn)獲勝的AlphaGo，都在凸顯著人工智能的巨大潛力[2]。

在此背景下，德國、美國、英國、日本等國家均表現(xiàn)出對人工智能的重視并發(fā)布了人工智能研發(fā)戰(zhàn)略、法律規(guī)范及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等相關(guān)政策[3]。早在2012年，德國推行了以“智能工廠”為重心的“工業(yè)4.0計劃”，推動生產(chǎn)制造向靈活化和個性化方向轉(zhuǎn)型。2016年5月3日，美國白宮科技政策辦公室發(fā)布了題為《為人工智能的未來做好準(zhǔn)備》和《國家人工智能研發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃》兩份重要報告，以期為人工智能的未來發(fā)展提供針對性的建議[4]。2016年12月，美國白宮發(fā)布報告稱，人工智能的時代即將來臨，敦促國會議員設(shè)法讓美國經(jīng)濟(jì)為此做好準(zhǔn)備，如未來10到20年里因人工智能技術(shù)而受到威脅的就業(yè)崗位數(shù)量將在9%～47%[5]。2016年6月，歐盟在人工智能立法方面未雨綢繆，率先提出了人工智能立法動議，認(rèn)為人工智能機(jī)器人也受法律約束，必須依法繳稅，同時可以享有養(yǎng)老金[6]。2017年1月，英國政府宣布了“現(xiàn)代工業(yè)戰(zhàn)略”，增加的47億英鎊的研發(fā)資金將用在人工智能、“智能”能源技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和5G無線等領(lǐng)域[7]。3月，英國政府公布數(shù)字戰(zhàn)略，其中包括了對人工智能的評論以決定政府和企業(yè)將如何能提供進(jìn)一步的支持[8]。2017年年初，日本政府制定了人工智能產(chǎn)業(yè)化路線圖，計劃分3個階段推進(jìn)利用人工智能技術(shù)，大幅提高制造業(yè)、物流、醫(yī)療和護(hù)理行業(yè)效率[9]。人工智能在各個領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注。

2017年7月8日，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出牢牢把握人工智能發(fā)展的重大歷史機(jī)遇，緊扣發(fā)展、研判大勢、主動謀劃、把握方向、搶占先機(jī)，引領(lǐng)世界人工智能發(fā)展新潮流，服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和支撐國家安全，帶動國家競爭力整體躍升和跨越式發(fā)展。2017年11月23日，科技部、發(fā)改委、財政部等15個部委合力，確定打造首批4家國家創(chuàng)新平臺——聚焦我國新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃，提出智能教育的概念。旨在推動高素質(zhì)人才培養(yǎng)，提升我國高等教育的綜合實力和國際競爭力[10]。智能化已成為國家發(fā)展戰(zhàn)略，教育智能化勢在必行。

隨著人工智能的進(jìn)一步發(fā)展，測繪高等教育發(fā)展將進(jìn)入新的階段，測繪學(xué)科內(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。如北斗導(dǎo)航定位及數(shù)據(jù)處理理論的發(fā)展，需要實現(xiàn)多學(xué)科融合的開放型智能定位平臺[11]；大數(shù)據(jù)時代的“云控制”攝影測量，點云數(shù)據(jù)智能挖掘，影像的智能識別等不斷帶動測繪技術(shù)的突破；時空大數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)，各種智能化的空間分析與應(yīng)用構(gòu)建[12-13]，推動地圖學(xué)與地理信息的發(fā)展；不斷發(fā)展的無人船智能化測量模式及多傳感器的海洋空間信息基準(zhǔn)技術(shù)，加速我國海洋測繪技術(shù)進(jìn)入世界前列[14]。

測繪高等教育智能化發(fā)展方向已經(jīng)明確，測繪高等教育將以測繪學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)為基礎(chǔ)，依托互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、傳感網(wǎng)、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[15-16]。測繪高等教育智能化將以測繪專業(yè)知識教學(xué)、人工智能及學(xué)習(xí)科學(xué)相結(jié)合形成新的研究內(nèi)容。測繪高等教育智能化通過促進(jìn)人工智能設(shè)備高效、靈活及個性化使用，將專業(yè)知識與能力構(gòu)建過程用精確的計算和清晰的形式表達(dá)出來，構(gòu)建智能化的測繪專業(yè)知識學(xué)習(xí)情境，清晰地演示出教育學(xué)、心理學(xué)與社會學(xué)中含糊不清的知識，給學(xué)生提供智慧教育能力。

本文將從教學(xué)關(guān)系改革、教學(xué)模式更新及教師面臨的挑戰(zhàn)3個方面闡述智能時代測繪高等教育的幾點思考。

1 教學(xué)關(guān)系的變革

1.1 教學(xué)媒介的變革

隨著人工智能時代的到來，教學(xué)媒介正在發(fā)生深刻的變革。傳統(tǒng)板書、書本、多媒體課件等教學(xué)媒介將成為輔助方式，基于移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、虛擬場景的實時教學(xué)平臺將成為主流的教學(xué)媒介，獲取知識的方式多樣，學(xué)習(xí)場所也變得無處不在。

傳統(tǒng)教學(xué)中，教師僅依靠自身的理解和經(jīng)驗，借助傳統(tǒng)的線性教學(xué)媒介，進(jìn)行知識傳授。對于非線性復(fù)雜結(jié)構(gòu)的知識體系，教學(xué)與現(xiàn)實體驗差別較大，教師難以講解，學(xué)生難以學(xué)習(xí)。通過采用非線性的教學(xué)媒介、日臻完善的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合人們的認(rèn)知規(guī)律，借助現(xiàn)代運(yùn)算手段，如深度學(xué)習(xí)、知識圖譜等，可有效提高教學(xué)效果。

1.2 師生關(guān)系的變革

人工智能時代之前，教師作為知識傳輸?shù)闹黧w，以課堂為中心，對課程內(nèi)容進(jìn)行機(jī)械式的講解，單方面灌輸知識給學(xué)生，類似商品的流水線制造過程。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生作為有意識的主體被直接忽視了認(rèn)知主體的作用，再加上教師沒有積極引導(dǎo)和開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維，難以培養(yǎng)出具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的創(chuàng)造型人才。

現(xiàn)有教學(xué)改革已摒棄以傳統(tǒng)教師為中心的教學(xué)方式，普遍強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)方式。教師不再占據(jù)教學(xué)關(guān)系的主導(dǎo)地位，學(xué)生成為整個教學(xué)關(guān)系的中心，教師圍繞學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。在這種模式中，教師發(fā)揮指導(dǎo)作用，培養(yǎng)和引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維，旨在把學(xué)生培養(yǎng)成能夠獨立思考的創(chuàng)新型人才，較之傳統(tǒng)方式有了很大的進(jìn)步。

隨著智能化教學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)有的師生關(guān)系將進(jìn)一步變革，人工智能將成為教學(xué)關(guān)系的一個主要要素。教學(xué)關(guān)系除了協(xié)調(diào)師生關(guān)系外，必須考慮協(xié)調(diào)人工智能與老師、學(xué)生的關(guān)系。為達(dá)到最優(yōu)的教學(xué)效果，本文提出“重心平衡”型的教學(xué)關(guān)系。“重心平衡”型教學(xué)是協(xié)調(diào)教師、學(xué)生、人工智能三者之間的關(guān)系，使其保持重心平衡。在這種教學(xué)關(guān)系指導(dǎo)下，教學(xué)模式也將發(fā)生本質(zhì)變化，教師、學(xué)生、人工智能通過兩兩雙向交流機(jī)制，提供整體平衡的教與學(xué)的解決方案。教師的知識結(jié)構(gòu)很難單方面滿足全班學(xué)生對課堂教學(xué)的需求。因此教師需要借助人工智能在教學(xué)的過程中與學(xué)生與一起學(xué)習(xí)，一起進(jìn)步。人工智能可以通過與老師及學(xué)生的交流，實現(xiàn)實時情境信息的感知，并通過加工、分析，實時向教師提出教學(xué)改進(jìn)策略。學(xué)生通過以自身為中心的問題提出，思考與解決，對老師與人工智能的求助，實現(xiàn)知識建構(gòu)與創(chuàng)新能力提高。由教師與人工智能為基礎(chǔ)的教學(xué)情境不斷優(yōu)化，將提供學(xué)生越來越理想的學(xué)習(xí)情境，達(dá)到智慧教育的目的。學(xué)生、教師、人工智能在相互交流中，達(dá)到共同學(xué)習(xí)的目的。這將是以往任何時代都無法想象的教育變革(如圖1所示)。

圖1 “重心平衡”型教學(xué)模式

2 測繪教學(xué)模式的革新

2.1 個性化課堂教學(xué)模式

人工智能在個性化課堂教學(xué)模式革新中可具備智能導(dǎo)師、智能助手、智能測評、智能挖掘與智能分析5個方面的角色功能，影響著測繪高等教育的教學(xué)模式智能化的發(fā)展。而教學(xué)課堂上人工智能角色定位的不同將形成不同的教學(xué)模式。具體的角色內(nèi)容如下：

(1) 智能導(dǎo)師：作為人工智能在教育領(lǐng)域的一個重要的應(yīng)用，它能根據(jù)學(xué)生的興趣、習(xí)慣和學(xué)習(xí)需求為其定制專門的學(xué)習(xí)計劃，有利于學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)。

(2) 智能助手：隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人工智能工具被應(yīng)用于教育領(lǐng)域，成為教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的得力助手，如教育機(jī)器人等。

(3) 智能測評：強(qiáng)調(diào)通過一種自動化的方式來測量學(xué)生的發(fā)展，能夠?qū)崟r跟蹤學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，并恰當(dāng)?shù)貙λ麄兊膶W(xué)習(xí)表現(xiàn)進(jìn)行評價。

(4) 智能挖掘：對教育大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，通過數(shù)據(jù)建模，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)結(jié)果和學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)資源、教學(xué)行為等變量之間的相關(guān)關(guān)系，來預(yù)測學(xué)習(xí)者未來的學(xué)習(xí)趨勢。

(5) 智能分析：運(yùn)用先進(jìn)的分析方法和分析工具預(yù)測學(xué)習(xí)結(jié)果、診斷學(xué)習(xí)中發(fā)生的問題，優(yōu)化學(xué)習(xí)效果的教學(xué)技術(shù)。

現(xiàn)階段課堂反轉(zhuǎn)、慕課等個性化教學(xué)初始形態(tài)均通過人工智能融入了平時的教學(xué)環(huán)境中，并取得了良好的效果。但個性化的教學(xué)模式還需個性化的教學(xué)平臺和技術(shù)方案作為支撐。圖2和圖3分別為個性化教學(xué)平臺實施過程和個性化教學(xué)方案。

圖2 個性化教學(xué)平臺實施過程

圖3 個性化教學(xué)方案

2.2 虛擬實景實踐教學(xué)模式

傳統(tǒng)的測繪實踐教學(xué)一般集中開展，缺乏個性化因素，而時間安排易與教學(xué)內(nèi)容脫節(jié)，教學(xué)成果只能通過人工進(jìn)行測評和反饋，質(zhì)量和效率較低。在個性化課堂教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，構(gòu)建虛擬實景實踐教學(xué)模式，利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。這種教學(xué)模式允許學(xué)生自由制訂實踐時間，按需安排實踐次數(shù)，教師也可通過智能化的實踐教學(xué)情境實時跟蹤和反饋學(xué)生學(xué)習(xí)情況。

中國礦業(yè)大學(xué)礦山測量國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心針對礦山測量特點，建立了礦山環(huán)境感知、礦山測量儀器認(rèn)知、陀螺定向、井上下聯(lián)系測量、井下定位、開采沉陷過程認(rèn)知、巖層移動與變形預(yù)計、礦體幾何分析、礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃等礦業(yè)特色課程及通用類測量課程等系列礦業(yè)特色測繪人才培養(yǎng)虛實互補(bǔ)的實驗教學(xué)系統(tǒng)，解決了高危、不可見及真實實驗難以實現(xiàn)的教學(xué)難題。

采用虛擬實景，配合物理或半物理仿真，采集實踐教學(xué)數(shù)據(jù)，提供個性化需求，構(gòu)建綜合實踐教學(xué)平臺，切實提高學(xué)生對測繪技能的掌握。例如中國礦業(yè)大學(xué)的空天地協(xié)同觀測實踐教學(xué)平臺和AI+云+室內(nèi)外+地上下無縫定位實驗場，基于云端的數(shù)據(jù)分析中心，對學(xué)生的實習(xí)過程進(jìn)行實時錄像，利用云端存儲海量數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能分析與反饋，提供高質(zhì)量的實踐教學(xué)情境。通過虛擬實景構(gòu)建完整的虛實結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ)實驗教學(xué)體系，教學(xué)效果提高顯著(如圖4和圖5所示)。

圖4 礦山測量虛擬教學(xué)中心

圖5 “數(shù)字測量學(xué)”物理仿真教學(xué)情境構(gòu)建

2.3 全時空智能教學(xué)模式

個性化課堂和虛擬實境實踐教學(xué)是傳統(tǒng)測繪教學(xué)思維方式上的突破和重塑，依托“人工智能+大數(shù)據(jù)+云計算”技術(shù)的全時空實踐教學(xué)模式將進(jìn)一步提高測繪教學(xué)效率。

全時空智能教學(xué)模式是以學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新學(xué)習(xí)和自適應(yīng)學(xué)習(xí)為出發(fā)點提出的，是放眼未來的理想化高質(zhì)量的教學(xué)模式，也是與“重心平衡”型的教學(xué)關(guān)系相匹配的教學(xué)模式。在此模式下，個性智能化教學(xué)情境將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的講授式教學(xué)情境，傳統(tǒng)的測繪教育時空觀、師生觀以及教學(xué)觀都將發(fā)生變化。教師團(tuán)隊作為教學(xué)的組織者，將發(fā)揮一定的引導(dǎo)作用，并且是在與學(xué)生、人工智能三方交互過程中，實時完成個性化教學(xué)方案的組織工作，教學(xué)空間無限拓展，學(xué)生可以實現(xiàn)隨時隨地學(xué)習(xí)，教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)都將會高度依賴教學(xué)智能化決策，從而取代現(xiàn)有的時空教學(xué)模式。智能化的教學(xué)模式將更加重視學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律的研究，強(qiáng)調(diào)時空存在的虛擬感知體驗式學(xué)習(xí)，采用多元化終端教學(xué)媒介，引導(dǎo)學(xué)生全過程自主學(xué)習(xí)、鞏固、運(yùn)用知識。

3 教育智能化對教育者的要求

3.1 教育者角色

在新的歷史條件下，教師與學(xué)生處在同一高度，優(yōu)秀的學(xué)生會在很多方面超過老師，教育主體將面臨巨大挑戰(zhàn)。教育者將由傳統(tǒng)單個教師，發(fā)展成為教學(xué)團(tuán)隊，而且這團(tuán)隊中必然要包括專業(yè)的教學(xué)老師、人工智能專業(yè)人才和企業(yè)人才。這三類人員的相互配合組成人工智能時代下的教育團(tuán)隊，提高教學(xué)課堂的駕馭能力。教育者將更多的關(guān)注提高自身能力，滿足智能教育不斷發(fā)展的新要求，關(guān)注課堂與實踐教學(xué)的組織。

3.2 教育者分化

高等教育智能化背景下，教育者將在人工智能的推動下，開展智能教育，包括智能課堂個性化教育、智能問答、智能教務(wù)管理及智能反饋等，對教育者的要求逐步提高，最終將教育者推向兩端分化。一部分測繪教育者將主要從事測繪高等智慧教育，側(cè)重開展包括思維教育、創(chuàng)造力教育、倫理教育、道德教育、情感教育和文化認(rèn)同等學(xué)科與測繪學(xué)科的知識交融、思維貫穿研究與教學(xué)，從而塑造一流的測繪人才培養(yǎng)環(huán)境，對教育者的要求極高；另一部分測繪教育者將傾向于事務(wù)性工作，開展包括服務(wù)機(jī)器、服務(wù)其他教師及教育要素組織等工作(如圖6所示)。而涉及測繪專業(yè)的課堂、課后及實踐等教學(xué)工作將大部分由智能教育完成，教師干預(yù)會越來越少，未來的測繪高等教育對教育者要求數(shù)量會越來越少，要求會越來越高，有一部分現(xiàn)有教育者甚至?xí)粴v史淘汰。總之，教育智能化對教師者的挑戰(zhàn)巨大。

圖6 教師分化

3.3 應(yīng)對措施

面對人工智能時代下教育智能化的挑戰(zhàn)，教育工作者需要迎合社會趨勢，適應(yīng)時代潮流。對測繪行業(yè)教師來說，不僅要精通測繪領(lǐng)域的專門知識，要學(xué)習(xí)測繪行業(yè)的發(fā)展歷史，預(yù)測未來發(fā)展趨勢，了解人類知識產(chǎn)生、發(fā)展的全部過程，還應(yīng)掌握教育學(xué)、心理學(xué)、創(chuàng)造學(xué)、邏輯學(xué)、哲學(xué)、美學(xué)、法學(xué)等核心理論。具備綜合多學(xué)科的知識構(gòu)建自己的知識框架，并進(jìn)行不斷思考的能力。此外，教育工作者還需知曉、理解、運(yùn)用人工智能相關(guān)應(yīng)用，通過增加相關(guān)理論知識進(jìn)行知識及技術(shù)儲備。

智能教育革命是一場自覺的思維革命。傳統(tǒng)教育時代下，教師是知識的唯一載體，是知識的權(quán)威。教育+互聯(lián)網(wǎng)時代下，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的設(shè)計者、指導(dǎo)者、幫助者，以及與學(xué)生共同學(xué)習(xí)的伙伴。即將到來的教育+AI時代下，教師需關(guān)注創(chuàng)新教育內(nèi)容，讓教育事業(yè)變得更好，自己變成一個專注全局的參與者。

4 結(jié) 語

本文通過對智能時代的測繪教學(xué)關(guān)系、教學(xué)模式及教育者素質(zhì)等基本問題的深入思考，預(yù)測出測繪高等教育傳統(tǒng)的時空觀、師生觀及教學(xué)觀將發(fā)生變革。隨著測繪高等教育智能化的發(fā)展，“重心平衡”的師生教學(xué)關(guān)系將逐步形成，人工智能設(shè)備將能夠取得更高效、更靈活及個性化的使用，智慧教育將成為未來測繪高等教育的核心內(nèi)容。全時空的教學(xué)模式將逐漸形成，教育者逐步分化，挑戰(zhàn)巨大。人工智能時代已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)，作為測繪教育者應(yīng)緊跟時代步伐，抓住機(jī)遇，面對挑戰(zhàn)，遵循科學(xué)的方法，自覺推動測繪教育改革，為我國高等教育改革與發(fā)展作出貢獻(xiàn)。