新時代“思”“專”一體化課程建設(shè)
——基于《多傳感器信息融合》

金學(xué)波，蘇婷立，姜露，孔建磊，白玉廷

（北京工商大學(xué) 人工智能學(xué)院，北京）

一 “多源信息融合”課程建設(shè)的必要性

近年來，由于多傳感器技術(shù)的快速發(fā)展及其在信息化、智能化領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，關(guān)于信息融合的相關(guān)研究已經(jīng)在多個軍用和民用領(lǐng)域取得了重要的應(yīng)用價值。作為研究生及高年級本科生的重要專業(yè)知識，清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京工商大學(xué)等幾十所高等院校開設(shè)了“多傳感器信息融合”相關(guān)課程。筆者作為主講教師已經(jīng)講授該課程10余年，積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并和各大院校該課程的講授教師進(jìn)行廣泛而深入的交流。經(jīng)過探討，我們認(rèn)為該課程已經(jīng)有了較好的教學(xué)基礎(chǔ)，為了適應(yīng)新時期課程思政的教育任務(wù)和目標(biāo)，進(jìn)一步夯實(shí)學(xué)生掌握多傳感器信息融合理論、方法和技術(shù)，該課程的課程改革與建設(shè)仍不容忽視。目前在以下幾個方面急需進(jìn)行建設(shè)：

（一） 構(gòu)建課程思政體系

2020年5月，教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，明確指出“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人是教育的根本問題，立德樹人成效是檢驗(yàn)高校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)[1]。”現(xiàn)階段，“課程思政”的教學(xué)改革主要實(shí)踐于本科教育階段，與研究生相關(guān)的“課程思政”已經(jīng)成為新時代教育教學(xué)研究的重要方向[1-3]。教育者們已經(jīng)達(dá)成共識，研究生思政教育不容忽視，作為新時代創(chuàng)新體系人才的主力軍，研究生思想政治教育內(nèi)容和質(zhì)量更是社會主義建設(shè)中教育的內(nèi)容重要組成部分[4]。研究生的課程思政設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于科學(xué)的融入專業(yè)課程，高效發(fā)揮課程的育人功效[5]。

（二） 重塑教學(xué)知識框架

信息融合技術(shù)[6]是由美國國防部三軍實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合理事，覆蓋檢測級融合、位置級融合、目標(biāo)識別（屬性）融合、態(tài)勢估計(jì)和威脅估計(jì)等融合級別，是一個非常典型的軍事應(yīng)用。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，目前多傳感器信息融合技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了很多民用系統(tǒng)中，例如物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，無人系統(tǒng)等[7]。因此，該課程的講授內(nèi)容，既應(yīng)包括傳統(tǒng)的信息融合軍事應(yīng)用背景的知識，也應(yīng)包括民用多傳感器智能系統(tǒng)所需的知識。另一方面，信息融合理論和方法包括信號處理技術(shù)、估計(jì)理論和方法、智能決策等，內(nèi)容多、理論深、難度大。因此，需要進(jìn)行合理的內(nèi)容選擇，培養(yǎng)學(xué)生具有“多傳感器融合與感知技術(shù)”的科技前沿視角，使學(xué)生構(gòu)建多傳感器相關(guān)理論、方法及技術(shù)的整體知識框架，保證學(xué)生能夠掌握多傳感器融合與感知技術(shù)的重要知識點(diǎn)。

（三） 增加創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐

由于信息融合技術(shù)，知識體系龐大且涉及估計(jì)、決策等理論方法，使得該門課程對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高。在學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生普遍反映該課程理論難度較大。另一方面，近年來，信息融合技術(shù)在多個實(shí)際系統(tǒng)中取得了較好的應(yīng)用效果，多傳感器信息融合技術(shù)的工程意義逐漸凸顯。教學(xué)實(shí)踐表明，僅包含理論教學(xué)會導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過程中要么眼花繚亂、理不清頭緒，導(dǎo)致一學(xué)期過后，還是不知道學(xué)了什么；要么只學(xué)會了幾個公式，卻無法掌握多傳感器融合技術(shù)的整體框架，無法舉一反三、真正解決實(shí)際問題。必須加強(qiáng)該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，選擇合適的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及創(chuàng)新訓(xùn)練方式。因此，信息融合技術(shù)教學(xué)重點(diǎn)既應(yīng)該包含理論知識的傳授，又包含解決實(shí)際問題的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（四） 建設(shè)完善的課程資料

雖然該課程在多所院校進(jìn)行了多年的講授，但是從教學(xué)資料來看，還需要進(jìn)行全面統(tǒng)一的建設(shè)。例如，在教材方面，已經(jīng)出版的教材和資料多是以軍事背景為主，不適合大多數(shù)民用背景的普通高等院校。其他教學(xué)資料包括課程網(wǎng)站、電子教材、習(xí)題庫、案例庫、實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容也較為缺乏。近年來，無人系統(tǒng)等新智能體的涌現(xiàn)、人工智能等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得多傳感器系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中隨處可見，信息融合及感知技術(shù)已經(jīng)成為后信息時代的關(guān)鍵技術(shù)，掌握該技術(shù)的人才需求極大。因此，優(yōu)秀的課程體系及慕課等資料的建設(shè)具有極大的教學(xué)意義和必要性。

二 課程建設(shè)內(nèi)容

北京工商大學(xué)《多傳感器信息融合》教學(xué)團(tuán)隊(duì)積極總結(jié)教學(xué)與實(shí)踐的成果，形成了穩(wěn)定的“多傳感器融合”課程組。課程團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人2010年成為“中國航空學(xué)會信息融合分會”委員，并以多傳感器融合為主要研究內(nèi)容先后獲得了4項(xiàng)“國家自然科學(xué)基金”項(xiàng)目。依托這些科學(xué)研究，我們確立了“以科研為支撐，以多源傳感器融合技術(shù)為主線”來建設(shè)該課程。提出了以“課程思政”為支撐點(diǎn)、涵蓋“介紹整體-立足關(guān)鍵-展望未來”的“三層次”教學(xué)內(nèi)容、以及“創(chuàng)新案例開發(fā)與MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合”實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的“一點(diǎn)三層兩結(jié)合”的創(chuàng)新型“多傳感器信息融合技術(shù)”教學(xué)模式（如圖1所示），并付諸于建設(shè)與實(shí)踐。

圖1 “一點(diǎn)三層兩結(jié)合”的創(chuàng)新型“多傳感器信息融合技術(shù)”教學(xué)模式

具體的工作包括如下幾個方面：

1.挖掘多傳感器信息融合技術(shù)思政元素，構(gòu)建課程思政知識體系。信息融合，既是一門現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)的技術(shù)，也是人們智慧的一種表現(xiàn)。其基本原理為綜合多方面的知識來解決實(shí)際問題的能力。從應(yīng)用的角度，既可以從軍事方面給出具有深遠(yuǎn)意義的應(yīng)用實(shí)例，也可以從現(xiàn)代IT技術(shù)，如無人車、無人機(jī)等智能系統(tǒng)中闡述創(chuàng)新應(yīng)用。因此，可以從體現(xiàn)中國人民智慧方面的中國傳統(tǒng)文化、軍事應(yīng)用及前景、民用創(chuàng)新技術(shù)等方面來構(gòu)建思政知識點(diǎn)，表1給出該課程思政知識點(diǎn)框架的主要內(nèi)容。

表1 部分課程思政知識點(diǎn)剖析

2.對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)梳理，形成模塊化，保證課程的整體性。構(gòu)建涵蓋“介紹整體-立足關(guān)鍵-展望未來”的“三層次”教學(xué)內(nèi)容、對整個課程的內(nèi)容進(jìn)行的研究并合理分割，建立大框架的知識架構(gòu)。在講授課程時注意了課程的分布性，考慮時間上的因素，做必要的回顧與銜接。在每個知識點(diǎn)講授時，注意提及其與其他知識模塊的關(guān)系、以及在課程框架中的位置，有助于打下伏筆，讓學(xué)生有所期待。表2給出了“三層次”課程知識點(diǎn)的列表。

3.通過開放性案例實(shí)驗(yàn)課程，讓前沿知識不再“天馬行空”，而是“掌握手中”。加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)建設(shè)，特別是開放性、綜合性、設(shè)計(jì)性案例教學(xué)實(shí)驗(yàn)。在課堂教學(xué)中引入軟、硬件工程案例，不但能提高學(xué)生的興趣，還可以加深學(xué)生對理論知識的理解，增強(qiáng)課堂教學(xué)的有效性和可觀性，對于提高前沿知識的教學(xué)質(zhì)量有重要作用。將多傳感器融合技術(shù)的相關(guān)前沿知識設(shè)計(jì)為具有確定應(yīng)用背景的工程案例，例如智慧糧倉、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控、智慧運(yùn)動手表等，先進(jìn)行理論方面的講解，然后使用開放性問題的形式讓學(xué)生繼續(xù)思考，應(yīng)用本課程教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行解決的方案和策略。進(jìn)而，設(shè)計(jì)開發(fā)與MATLAB相結(jié)合的軟、硬件工程實(shí)例實(shí)驗(yàn)。為了使學(xué)生能掌握關(guān)鍵知識點(diǎn)，不至于因?yàn)殡y度而“望而卻步”，采用了半開放式案例教學(xué)，即給出部分答案，并讓學(xué)生進(jìn)行完善。通過MATLAB進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)模擬、數(shù)值方法等解決“貝葉斯估計(jì)優(yōu)化過程”數(shù)學(xué)模型的建立及其方程求解的問題，把學(xué)生從繁瑣的手工計(jì)算中解脫出來，使其精力主要放在對物理意義和理論本質(zhì)的理解上。

4.構(gòu)建立體化教學(xué)資源，利用現(xiàn)代教學(xué)手段突出重點(diǎn)內(nèi)容的教學(xué)。我們認(rèn)為，研究生教學(xué)應(yīng)該突出其在理論方面的深入性，因此對于重點(diǎn)內(nèi)容首先進(jìn)行理論方面的詳細(xì)推導(dǎo)及說明，并通過習(xí)題確保學(xué)生在理論方面打下必要的基礎(chǔ)。按照一流課程的要求，深入研究現(xiàn)代教育理論在建設(shè)與教學(xué)中的體現(xiàn)方式，樹立先進(jìn)的教學(xué)理念，通過組織教師研討、與學(xué)生對話、進(jìn)行示范教學(xué)等活動予以落實(shí)。所做的工作包括：

（1）針對課程特點(diǎn)制作了多媒體課件，幫助學(xué)生理解抽象的理論教學(xué)內(nèi)容，并據(jù)此建成專門的課程教學(xué)網(wǎng)站[8-9]，網(wǎng)站上提供了豐富的教學(xué)資源。

（2）改進(jìn)《多傳感器信息融合》課程電子教案，研究進(jìn)一步研究各知識點(diǎn)之間的關(guān)系，增加最新研究成果和習(xí)題的素材，完成課程試題庫及電子書的編制工作，構(gòu)建了試題庫、電子教材、電子課件和習(xí)題庫。

（3）重視素質(zhì)培養(yǎng)落實(shí)到課程教學(xué)的過程中，規(guī)劃并積累案例素材，設(shè)計(jì)具有實(shí)操性和實(shí)際應(yīng)用意義的教學(xué)案例，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，形成具有軟、硬件載體案例庫。

（4）錄制該課程的完整慕課。

三 課程建設(shè)成效

綜上所述，我們已經(jīng)進(jìn)行了較有成效的建設(shè)并積累了豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在新時期課程思政的要求下，夯實(shí)、發(fā)展“一點(diǎn)三層兩結(jié)合”的教學(xué)模式，研究以“前沿技術(shù)的最新發(fā)展趨勢、本領(lǐng)域的知識體系整體框架及關(guān)鍵知識模塊等為主”的教學(xué)內(nèi)容，采用創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段來提高教學(xué)效果，確保學(xué)生既能“高屋見頂、遠(yuǎn)見卓識”、又能“腳踏實(shí)地、解決問題”。我們使用了先進(jìn)的教學(xué)方法與手段，整合國內(nèi)外教學(xué)資源，將本課程在理論體系、教學(xué)方法、教學(xué)質(zhì)量上均提高到新的層次。

經(jīng)過課程建設(shè)，取得了以下成效：

1.學(xué)生對課程的滿意度有了顯著的提升。課程組教授針對融合的意義和定義、信息融合技術(shù)的發(fā)展、傳感器的特點(diǎn)、估計(jì)融合、證據(jù)融合、應(yīng)用實(shí)例、仿真實(shí)驗(yàn)以及項(xiàng)目開發(fā)等知識點(diǎn)的講授內(nèi)容及方式進(jìn)行了調(diào)查問卷。結(jié)果表明，與2018年相比，學(xué)生的滿意程度大幅度提升（見圖2和圖3，由于2018年并沒有應(yīng)用實(shí)例、仿真實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目開發(fā)的教學(xué)內(nèi)容，因此圖中沒有對比數(shù)據(jù)），充分體現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的思想性、前沿性與時代性，以及教學(xué)方法的先進(jìn)性、互動性與針對性。以融合意義的定義為例，在該知識點(diǎn)的講授中，我們增加了思政方面的教學(xué)內(nèi)容，講述了我國古代戰(zhàn)爭中，多傳感器信息融合思想在將領(lǐng)的指揮智慧中的體現(xiàn)。在講述方式上增加了舉例說明、視頻等教學(xué)形式。數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過教學(xué)改革和建設(shè)，該部分的講授內(nèi)容的滿意度提升了5%，講授方式滿意度提升了10%。

圖2 教學(xué)內(nèi)容滿意度對比

圖3 講授方式滿意度對比

2.學(xué)生的成績有了普遍提升，對難點(diǎn)的掌握程度有所提高。經(jīng)過課程建設(shè)，選擇合理的教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計(jì)科學(xué)的教學(xué)方法，化解了狀態(tài)估計(jì)融合、貝葉斯融合估計(jì)識別等難點(diǎn)，使學(xué)生既能了解多傳感器融合技術(shù)的整體知識框架、又能有效掌握本課程的關(guān)鍵知識及必要難點(diǎn)。在同樣難度的考試前提下，學(xué)生的期末試卷成績普遍提高，及格率達(dá)到100%，85分以上占比提高了50%。

3.學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有了較大提高，申請黨員積極分子的比率接近100%。課程準(zhǔn)確把握了“堅(jiān)定學(xué)生理想信念，教育學(xué)生愛黨、愛國、愛社會主義、愛人民、愛集體”主線，結(jié)合“多傳感器信息融合”的課程目標(biāo)和特點(diǎn)，從傳統(tǒng)文化和我國科技創(chuàng)新角度深入挖掘了蘊(yùn)含的思政教育資源，優(yōu)化了課程思政內(nèi)容供給。實(shí)踐表明，課程思政不僅提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及對知識點(diǎn)的深入了解，更激發(fā)了學(xué)生的愛國、愛黨、愛人民的熱情，以及對中國的傳統(tǒng)文化、中國歷史的極大興趣，激發(fā)了學(xué)生對我國科技現(xiàn)狀社會現(xiàn)狀的充分關(guān)注。通過對軍事方面的介紹和了解，使他們充分了解到我國在世界上的位置和作用，讓他們對我國的未來充滿信心和責(zé)任感。因此，課程思政不僅僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更激發(fā)了他們對國家、民族的熱愛。

四 結(jié)語

以習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想為指導(dǎo)，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，我們對《多傳感器信息融合》進(jìn)行全面、深入的課程建設(shè)，將價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體，將顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，構(gòu)建了以“一點(diǎn)三層兩結(jié)合”為特色的教學(xué)模式：以“課程思政”為支撐點(diǎn)、涵蓋“介紹整體-立足關(guān)鍵-展望未來”的“三層次”教學(xué)內(nèi)容、以及“科技創(chuàng)新案例開發(fā)與MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合”實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的“一點(diǎn)三層兩結(jié)合”的創(chuàng)新型“多傳感器信息融合”教學(xué)模式。

該模式體現(xiàn)了新時代黨的教育方針，加強(qiáng)了科學(xué)研究素質(zhì)、厚重基礎(chǔ)知識體系，重視創(chuàng)新能力培養(yǎng)，并恰當(dāng)采用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)、方法和手段，顯著提高教學(xué)效果，形成具有鮮明特色及教學(xué)優(yōu)勢的示范性及推廣性。歷時3年的教學(xué)實(shí)踐表明，課程改革與建設(shè)成果顯著，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，有效地提升了學(xué)生正確的價值觀，將思政教育有機(jī)地融入了教學(xué)課程，達(dá)到了潤物無聲的育人效果。