人工智能背景下創新教育人才培養的建模研究

張雅靜，張景輝

（煙臺大學計算機與控制工程學院，煙臺 山東 264005）

1 創新教育

1.1 研究背景

人工智能和知識經濟時代的當下，創新決定著大到整個國家和民族、小到個人的綜合競爭能力[1]。創新教育不僅僅是大學生的教育，更應該從小抓起。然而目前對創新教育缺乏系統的總結與理論研究[2]。本文以人工智能專業的背景和工科思維的邏輯來分析創新教育體系，用系統思維對創新教育的工作進行建模研究，對創新教育的發展具有非同尋常的意義。

1.2 國內外研究現狀

在創新教育領域，比較成熟的創新教育理念有STEAM，創新教育實踐有創客教育，創新人才培養體系有歐林工學院的歐林體系[3]。

STEAM教育理念是美國最先提出的一種教育理念，它的目的就是培養孩子的綜合實踐能力。STEAM教育的核心是培養一種幫助孩子發現問題、解決問題，實現創新的思維方法。創客教育是STEAM教育的理論實踐部分。

歐林體系起源于美國歐林工學院。該體系將融合了多門學科，注重培養團隊合作精神，專注于訓練創新思維，實現創新工程，將思維與工程結合起來，主要特點就是動手實踐和啟發式教學，以提升學生全面綜合素養為最終目的。

1.3 創新教育現狀

創新教育本著從小培養的理念，其目的是培養學生的創新學習能力，以適應人工智能時代的需要。創新學習能力的發展包括對各學科學習能力、思辨能力、邏輯思維與實踐能力的培養。目前國內外以實踐和定性研究為主，尚未有關于學生創新學習能力的定量研究。

2 創新教育影響因素

影響創新教育發展有多種因素。本文選取最主要的四個因素來進行系統的構建與分析，分別為課程體系、教學規模、學生能力以及教資水平。

（1）課程體系。課程體系是指在一定的教育價值理念指導下，將課程的各個構成要素加以排列組合，使各個課程要素在動態過程中統一指向課程體系目標實現的系統。創新課程體系的調整制約著學生創新能力的發展方向。

（2）教學規模。現實情況下，教學規模不止包含了學生數量，還有教育經費、教學器材數量及規模等因素。教學規模的大小影響了創新教育的規模。

（3）學生能力。學生本身的綜合能力也影響著青少年創新教育的進一步發展。有能力基礎和毫無課程經驗的學生，其課堂表現和創新能力提高的程度有差異。

（4）教資水平。教資水平的高低直接影響了青少年創新教育的發展程度。好的師資善于引導學生的興趣，甚至在沒有教學條件的情況下創造出超常的教學效果。相反，水平較低的師資也有可能會泯滅學生的興趣，阻礙學生的發展。

3 控制方案的設計

3.1 建模思路

在整個教育系統中，學生需要通過一定時間的學習才能到達穩態，系統中的任何一個輸入量、干擾量都可以對控制對象的創新能力發展產生影響，每個變量對其影響都符合泊松分布。系統建模目標是：系統對學生創新能力的發展促進效果越大越好，但是由于多種因素（人文、課程、政策、心態、本身能力等）的不確定性，因此，本章采用隨機模擬的方法來建立系統。

3.2 建模方法

3.2.1 被控對象的選擇

表1 被控對象與操縱方式

3.2.2 創新教育系統的總控制方框圖

圖1 創新教育系統的控制方框圖

在本設計建立的系統方框圖中，被控對象即已提到的影響青少年創新教育體系的若干主要因素：課程體系、教學規模、學生、教師等。所謂的控制器其實就是實現對被控對象的調整，而“反饋測量變送器”就是根據出勤率、課堂表現、課后作業、答疑情況等綜合起來的學生表現而設立一種實時反饋機制，經過課程前后學生的創新能力發展情況的對比，如果沒有達到預期目標，則通過人為控制調整各方面因素，直至達到預期并且學生的進步保持穩態。

4 創新教育模型分析與建立

4.1 系統建模

假設：①設初階學生處于中小學階段，高階學生處于大學階段。②模型分析時只以客觀因素為依據，不考慮師生心理等相關因素。③各因素之間除特殊說明外，相互之間沒有交互作用及耦合關系。

本設計主要客觀因素包括課程體系、教學規模、學生、教師、教資水平等。由于不同學校對于創新教育投入資源不同，分配資源較多的學校的各方面數據普遍高于其他學校，創新教育結果值就會偏高。為調整這方面帶來的偏差，引入資源修正的概念。

圖2為創新人才培養模型框圖。由圖2可見，學生經過創新課程體系的建立，在校內和校外課程的共同學習下，經過等級考試、創新競賽等檢驗，成長為創新性人才，并通過項目探究等科學實踐反饋到輸入端，成為閉環控制系統。其中，教學規模和教資水平為重要的干擾因素。為建模需要，將相關變量命名如表2所示。

圖2 創新人才培養系統模型框圖

表2 變量符號列表

則由上述模型簡化，分解為校內與校外兩組傳遞函數G1（S）和G2（S）。

求解模型傳遞函數：

由于各參數中，校內課程及其課程體系相對穩定，設為定常系數。校外課程、校內教資水平與校外教資水平均屬于為時間的函數，經拉普拉斯變換，取為一階慣性環節。故根據相關因素關系簡化總的傳遞函數為：

其中，

則，經過計算，傳遞函數可近似為：

4.2 系統仿真及穩定性分析

本文作者經過從小學、中心到大學近兩年的教學實踐采集了大量的數據。根據系統模型，輸入所采集數據，用MATLAB做了系統仿真實驗。實驗結果如圖3所示。

圖3 系統模型仿真圖

由仿真圖可知該數學模型符合單位脈沖響應；并且可得到系統超調量σ%=4.28%，調節時間ts=1.47（Δ=2%）。

通過Matlab仿真，可以得出本文建立的數學模型是穩定的。

5 結束語

本文結合人工智能相關專業知識和教育學理論，通過分析課程體系和教學規模等相關因素影響下創新教育系統的特點，用自動控制系統理論對創新教育體系進行了建模。以MATLAB為工具進行仿真并且驗證了其穩定性。未來的教育，不再是關在教室里面的教育，應該是走出課堂，重于實踐和創新思維發展的教育。未來的競爭將會是創新能力的競爭，有創新思維和能力的人才在競爭中才會獲得優勢。