高井祥
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,江蘇 徐州 221116)
自1956年Dartmouth學(xué)會(huì)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(guó)際象棋大師的IBM深藍(lán),再到近日與圍棋世界冠軍柯潔對(duì)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(guó)、美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家均表現(xiàn)出對(duì)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(guó)推行了以“智能工廠”為重心的“工業(yè)4.0計(jì)劃”,推動(dòng)生產(chǎn)制造向靈活化和個(gè)性化方向轉(zhuǎn)型。2016年5月3日,美國(guó)白宮科技政策辦公室發(fā)布了題為《為人工智能的未來(lái)做好準(zhǔn)備》和《國(guó)家人工智能研發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃》兩份重要報(bào)告,以期為人工智能的未來(lái)發(fā)展提供針對(duì)性的建議[4]。2016年12月,美國(guó)白宮發(fā)布報(bào)告稱,人工智能的時(shí)代即將來(lái)臨,敦促國(guó)會(huì)議員設(shè)法讓美國(guó)經(jīng)濟(jì)為此做好準(zhǔn)備,如未來(lái)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(dòng)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(shí)可以享有養(yǎng)老金[6]。2017年1月,英國(guó)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(wú)線等領(lǐng)域[7]。3月,英國(guó)政府公布數(shù)字戰(zhàn)略,其中包括了對(duì)人工智能的評(píng)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(jì)劃分3個(gè)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(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注。
2017年7月8日,國(guó)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(shì)、主動(dòng)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(huì)發(fā)展和支撐國(guó)家安全,帶動(dòng)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)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(cái)政部等15個(gè)部委合力,確定打造首批4家國(guó)家創(chuàng)新平臺(tái)——聚焦我國(guó)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(dòng)高素質(zhì)人才培養(yǎng),提升我國(guó)高等教育的綜合實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力[10]。智能化已成為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略,教育智能化勢(shì)在必行。
隨著人工智能的進(jìn)一步發(fā)展,測(cè)繪高等教育發(fā)展將進(jìn)入新的階段,測(cè)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(shí)現(xiàn)多學(xué)科融合的開放型智能定位平臺(tái)[11];大數(shù)據(jù)時(shí)代的“云控制”攝影測(cè)量,點(diǎn)云數(shù)據(jù)智能挖掘,影像的智能識(shí)別等不斷帶動(dòng)測(cè)繪技術(shù)的突破;時(shí)空大數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)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(dòng)地圖學(xué)與地理信息的發(fā)展;不斷發(fā)展的無(wú)人船智能化測(cè)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(guó)海洋測(cè)繪技術(shù)進(jìn)入世界前列[14]。
測(cè)繪高等教育智能化發(fā)展方向已經(jīng)明確,測(cè)繪高等教育將以測(cè)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(jì)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(cè)繪高等教育智能化將以測(cè)繪專業(yè)知識(shí)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?jī)?nèi)容。測(cè)繪高等教育智能化通過(guò)促進(jìn)人工智能設(shè)備高效、靈活及個(gè)性化使用,將專業(yè)知識(shí)與能力構(gòu)建過(guò)程用精確的計(jì)算和清晰的形式表達(dá)出來(lái),構(gòu)建智能化的測(cè)繪專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)情境,清晰地演示出教育學(xué)、心理學(xué)與社會(huì)學(xué)中含糊不清的知識(shí),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(gè)方面闡述智能時(shí)代測(cè)繪高等教育的幾點(diǎn)思考。
隨著人工智能時(shí)代的到來(lái),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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、虛擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)教學(xué)平臺(tái)將成為主流的教學(xué)媒介,獲取知識(shí)的方式多樣,學(xué)習(xí)場(chǎng)所也變得無(wú)處不在。
傳統(tǒng)教學(xué)中,教師僅依靠自身的理解和經(jīng)驗(yàn),借助傳統(tǒng)的線性教學(xué)媒介,進(jìn)行知識(shí)傳授。對(duì)于非線性復(fù)雜結(jié)構(gòu)的知識(shí)體系,教學(xué)與現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)差別較大,教師難以講解,學(xué)生難以學(xué)習(xí)。通過(guò)采用非線性的教學(xué)媒介、日臻完善的虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)圖譜等,可有效提高教學(xué)效果。
人工智能時(shí)代之前,教師作為知識(shí)傳輸?shù)闹黧w,以課堂為中心,對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行機(jī)械式的講解,單方面灌輸知識(shí)給學(xué)生,類似商品的流水線制造過(guò)程。在這種教學(xué)模式下,學(xué)生作為有意識(shí)的主體被直接忽視了認(rèn)知主體的作用,再加上教師沒(méi)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(gè)教學(xué)關(guān)系的中心,教師圍繞學(xué)生進(jìn)行教學(xué),對(duì)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(dú)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(gè)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?!爸匦钠胶狻毙徒虒W(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(guò)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(shí)結(jié)構(gòu)很難單方面滿足全班學(xué)生對(duì)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(guò)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(guò)與老師及學(xué)生的交流,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)情境信息的感知,并通過(guò)加工、分析,實(shí)時(shí)向教師提出教學(xué)改進(jìn)策略。學(xué)生通過(guò)以自身為中心的問(wèn)題提出,思考與解決,對(duì)老師與人工智能的求助,實(shí)現(xiàn)知識(shí)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(lái)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(shí)代都無(wú)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
人工智能在個(gè)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(cè)評(píng)、智能挖掘與智能分析5個(gè)方面的角色功能,影響著測(cè)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(gè)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(jì)劃,有利于學(xué)生的個(gè)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(lái)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(cè)評(píng):強(qiáng)調(diào)通過(guò)一種自動(dòng)化的方式來(lái)測(cè)量學(xué)生的發(fā)展,能夠?qū)崟r(shí)跟蹤學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)表現(xiàn),并恰當(dāng)?shù)貙?duì)他們的學(xué)習(xí)表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
(4) 智能挖掘:對(duì)教育大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,通過(guò)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(lái)預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)者未來(lái)的學(xué)習(xí)趨勢(shì)。
(5) 智能分析:運(yùn)用先進(jìn)的分析方法和分析工具預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)結(jié)果、診斷學(xué)習(xí)中發(fā)生的問(wèn)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(gè)性化教學(xué)初始形態(tài)均通過(guò)人工智能融入了平時(shí)的教學(xué)環(huán)境中,并取得了良好的效果。但個(gè)性化的教學(xué)模式還需個(gè)性化的教學(xué)平臺(tái)和技術(shù)方案作為支撐。圖2和圖3分別為個(gè)性化教學(xué)平臺(tái)實(shí)施過(guò)程和個(gè)性化教學(xué)方案。
圖2 個(gè)性化教學(xué)平臺(tái)實(shí)施過(guò)程
圖3 個(gè)性化教學(xué)方案
傳統(tǒng)的測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)一般集中開展,缺乏個(gè)性化因素,而時(shí)間安排易與教學(xué)內(nèi)容脫節(jié),教學(xué)成果只能通過(guò)人工進(jìn)行測(cè)評(píng)和反饋,質(zhì)量和效率較低。在個(gè)性化課堂教學(xué)模式的基礎(chǔ)上,構(gòu)建虛擬實(shí)景實(shí)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(shí)踐時(shí)間,按需安排實(shí)踐次數(shù),教師也可通過(guò)智能化的實(shí)踐教學(xué)情境實(shí)時(shí)跟蹤和反饋學(xué)生學(xué)習(xí)情況。
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦山測(cè)量國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心針對(duì)礦山測(cè)量特點(diǎn),建立了礦山環(huán)境感知、礦山測(cè)量?jī)x器認(rèn)知、陀螺定向、井上下聯(lián)系測(cè)量、井下定位、開采沉陷過(guò)程認(rèn)知、巖層移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)、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(cè)量課程等系列礦業(yè)特色測(cè)繪人才培養(yǎng)虛實(shí)互補(bǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),解決了高危、不可見及真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)難題。
采用虛擬實(shí)景,配合物理或半物理仿真,采集實(shí)踐教學(xué)數(shù)據(jù),提供個(gè)性化需求,構(gòu)建綜合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái),切實(shí)提高學(xué)生對(duì)測(cè)繪技能的掌握。例如中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的空天地協(xié)同觀測(cè)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和AI+云+室內(nèi)外+地上下無(wú)縫定位實(shí)驗(yàn)場(chǎng),基于云端的數(shù)據(jù)分析中心,對(duì)學(xué)生的實(shí)習(xí)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)錄像,利用云端存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù),進(jìn)行智能分析與反饋,提供高質(zhì)量的實(shí)踐教學(xué)情境。通過(guò)虛擬實(shí)景構(gòu)建完整的虛實(shí)結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)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(cè)量虛擬教學(xué)中心
圖5 “數(shù)字測(cè)量學(xué)”物理仿真教學(xué)情境構(gòu)建
個(gè)性化課堂和虛擬實(shí)境實(shí)踐教學(xué)是傳統(tǒng)測(cè)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(jì)算”技術(shù)的全時(shí)空實(shí)踐教學(xué)模式將進(jìn)一步提高測(cè)繪教學(xué)效率。
全時(shí)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(diǎn)提出的,是放眼未來(lái)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(gè)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(cè)繪教育時(shí)空觀、師生觀以及教學(xué)觀都將發(fā)生變化。教師團(tuán)隊(duì)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(guò)程中,實(shí)時(shí)完成個(gè)性化教學(xué)方案的組織工作,教學(xué)空間無(wú)限拓展,學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地學(xué)習(xí),教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)都將會(huì)高度依賴教學(xué)智能化決策,從而取代現(xiàn)有的時(shí)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(shí)空存在的虛擬感知體驗(yàn)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(guò)程自主學(xué)習(xí)、鞏固、運(yùn)用知識(shí)。
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(huì)在很多方面超過(guò)老師,教育主體將面臨巨大挑戰(zhàn)。教育者將由傳統(tǒng)單個(gè)教師,發(fā)展成為教學(xué)團(tuán)隊(duì),而且這團(tuán)隊(duì)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(shí)代下的教育團(tuán)隊(duì),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(shí)踐教學(xué)的組織。
高等教育智能化背景下,教育者將在人工智能的推動(dòng)下,開展智能教育,包括智能課堂個(gè)性化教育、智能問(wèn)答、智能教務(wù)管理及智能反饋等,對(duì)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(cè)繪教育者將主要從事測(cè)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(cè)繪學(xué)科的知識(shí)交融、思維貫穿研究與教學(xué),從而塑造一流的測(cè)繪人才培養(yǎng)環(huán)境,對(duì)教育者的要求極高;另一部分測(cè)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(cè)繪專業(yè)的課堂、課后及實(shí)踐等教學(xué)工作將大部分由智能教育完成,教師干預(yù)會(huì)越來(lái)越少,未來(lái)的測(cè)繪高等教育對(duì)教育者要求數(shù)量會(huì)越來(lái)越少,要求會(huì)越來(lái)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(duì)教師者的挑戰(zhàn)巨大。
圖6 教師分化
面對(duì)人工智能時(shí)代下教育智能化的挑戰(zhàn),教育工作者需要迎合社會(huì)趨勢(shì),適應(yīng)時(shí)代潮流。對(duì)測(cè)繪行業(yè)教師來(lái)說(shuō),不僅要精通測(cè)繪領(lǐng)域的專門知識(shí),要學(xué)習(xí)測(cè)繪行業(yè)的發(fā)展歷史,預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),了解人類知識(shí)產(chǎn)生、發(fā)展的全部過(guò)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(shí)構(gòu)建自己的知識(shí)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(guò)增加相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行知識(shí)及技術(shù)儲(chǔ)備。
智能教育革命是一場(chǎng)自覺(jué)的思維革命。傳統(tǒng)教育時(shí)代下,教師是知識(shí)的唯一載體,是知識(shí)的權(quán)威。教育+互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下,教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)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(lái)的教育+AI時(shí)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(gè)專注全局的參與者。
本文通過(guò)對(duì)智能時(shí)代的測(cè)繪教學(xué)關(guān)系、教學(xué)模式及教育者素質(zhì)等基本問(wèn)題的深入思考,預(yù)測(cè)出測(cè)繪高等教育傳統(tǒng)的時(shí)空觀、師生觀及教學(xué)觀將發(fā)生變革。隨著測(cè)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(gè)性化的使用,智慧教育將成為未來(lái)測(cè)繪高等教育的核心內(nèi)容。全時(shí)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(shí)代已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn),作為測(cè)繪教育者應(yīng)緊跟時(shí)代步伐,抓住機(jī)遇,面對(duì)挑戰(zhàn),遵循科學(xué)的方法,自覺(jué)推動(dòng)測(cè)繪教育改革,為我國(guó)高等教育改革與發(fā)展作出貢獻(xiàn)。