人工智能下的测绘工程教育改革
摘要:人工智能技术发展至今，已掀起了第三次浪潮。人工智能时代的到来必将推动测绘工程教育的改革。本文从人工智能技术的发展历程出发，阐述了人工智能在测绘行业的应用现状和发展趋势，分析了人工智能对教育行业的影响，探讨了人工智能与高等教育相结合的应用前景。结合测绘工程高等教育的现状，分别从培养理念、知识结构、教学方法和创新能力4个方面构建了人工智能时代测绘工程专业的教育改革体系，为探索我国测绘工程高等教育同人工智能的深度融合提供理论参考和经验借鉴。
关键词:人工智能;测绘工程;高等教育;教育改革;改革体系
“如果一台机器能够与人展开对话，对话者分辨不出对方是人或机器，那么这台机器就具有智能”［1］，这是著名的“图灵测试”对人工智能的经典表述。人工智能(artificialintelligence，AI)是研究开发用于模拟、延伸和扩展的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学［2］。人工智能的发展从1956年达特茅斯会议开始，历经两起两落，自2013年起，以深层神经网络算法为代表的机器学习方法在大数据和GPU(graphicsprocessingunit)应用发展的技术背景下，迎来了人工智能研究的第三次高潮，产生了智能城市、智能经济、智能制造、智能医疗、智能家居、智能驾驶等宏观到微观的智能化新需求，人类社会逐渐步入人工智能时代。人工智能的高速发展必将推动测绘高等教育进行改革，人工智能技术与学校教育融合是人工智能时代的必然要求，为个性化和个别化学习的实现提供技术保障，成为高等教育发展的重要推动力。如何抓住人工智能发展机遇促进测绘工程高等教育的创新和发展，是一个需要深入研究的问题。本文以人工智能技术为导向，阐述该技术的发展趋势，分析人工智能与教育相结合的研究现状，探讨人工智能技术在测绘工程领域的应用前景。结合测绘工程专业的现状，分析人工智能时代背景下测绘工程专业的发展特点，对探索人工智能与测绘工程高等教育的深入结合具有重要的理论价值和现实意义。
1人工智能的应用与分析
1．1人工智能在测绘中的应用
测绘科学技术历经传统的模拟阶段、解析阶段，由光机电技术、空间技术、传感器和网络技术推动产生了数字测绘和信息测绘［3］。随着测绘地理信息产业的发展，传统测绘应用领域不断扩大，如今已涉及陆、海、空、天乃至互联物联及人自身等泛测绘领域。个性化、智能化和一体化的测绘服务需求越来越广泛。人工智能时代是大数据、云计算、移动互联、物联网和测绘地理信息行业结合的时代，测绘与时空位置服务的技术、产业形态和商业模式产生了重大机遇与挑战［4］。智能化测绘装备的需求在不断增强，智能测量机器人、全组合智能导航系统、自组网对地感知认知系统等智能测绘硬件和产业的结合已然成为传统产业升级的风向标［5］。人工智能与地理空间数据的结合越来越密切，利用人工智能的机器学习、模式识别技术对空间数据进行分类，对环境进行感知，对地理空间数据进行智能分析［6］。云端智能数据处理与多学科交叉融合应用更加广泛，大数据背景下的“云控制”摄影测量，海量点云数据的智能挖掘，数字影像的智能识别等不断地突破着测绘新技术［7］。位置服务等新的学科内涵依托人工智能技术拓展了测绘工作的内容，无人驾驶、室内测图、智慧城市等新的领域提供广泛的测绘需求［5］，新型人工智能企业涉入测绘行业，并进一步发展了如手机测绘、众包测绘等新的测绘工作内容与工作方式。人工智能技术提高了测量传感设备的智能性、精确性、实时性和可靠性，传统艰苦而危险的测绘外业工作，将逐步被智能遥感遥测设备取代。人工智能技术为测绘科学技术建立自动化、智能化、泛在化、实时化处理和应用能力。
1．2人工智能对教育的影响
传统观念上，接受教育的主要模式是学生到学校学习教师传授的知识和技能，但这种模式已越来越难以适应人工智能时代对教育的需求。因为学生仅仅依靠在学校获取的知识去解决未来问题的可能性已经越来越小，这迫切地要求革新现代教育理念，以与社会需求相适应。文献［8］把人工智能概括为“深度学习+大数据=人工智能”。将人工智能解释为通过算法把知识与意义、教育与人性转化为0与1的二进制代码，为人们提供学习方案。现阶段，深度学习、大数据和云计算成就了人工智能，文字、语音和语义等识别技术的应用，使得规模化的自动批阅和个性化的教学反馈得以实现;慕课、微课、翻转课堂和个性化教学［9］的交互认知手段，随时、随地、随需、随变的知识传播方式正在形成;依托碎片化的教学内容和多媒体重构技术，可随时产生新的灵感和知识聚焦，扩展了教师的角色。人工智能时代的教与学正在发生着急剧的变化，在知识的集聚与传授，教学内容的更新与实践，教学绩效的评价与管理等方面都发生了变化［10］。人工智能必将改变现有的教育状况，高等教育的办学模式、专业的结构体系、教师的职业标准及教学的内容都将发生变化［11］。
2测绘工程专业教育改革
人工智能的发展推动测绘类高等教育进入了新阶段，测绘学科的内涵与外延得到了巨大的拓展，智能化学科内容明显增多。测绘工程教育将以测绘学、教育学和心理学为基础，依托互联网、物联网、大数据、云计算和脑科学等理论技术，展现出深度学习、人机协同、跨界融合、自主操作、群智开放的新特征［12］。在人工智能的大背景下，测绘工程专业的教育将面临着大的变革。
2．1培养理念的提升
2．1．1教学中心由教师转变为学生传统测绘教育中，教师作为专业知识的主要承载者，占据着教学关系的主导地位，普遍形成了以课堂为理论知识传播的载体，以实习基地为实践教学的场所，把知识和技能灌输给学生，因而难以把握每位学生的认知效果，更谈不上创新思维的开发。人工智能时代，依托移动互联网、云计算、大数据和虚拟现实等技术的实时教学平台，学生可以随时随地、多种方式获取知识和技能，学生真正成为整个教学关系的中心，而教师则围绕学生进行教学和指导，起指挥和引导作用，从而增强学生学习的自主性和目标性。
2．1．2整体培养转变为分层教学精准培养改变传统以专业、班级为单位的组织形式，借助智慧化的学台，全面、精准地记录学生的学习状态和训练效果，快速、准确地分析各个教学环节的得失，促进教师及时、有效地调整教学策略，以更好地识别和处理学生的个体化需求，实现分层教学和精准培养。
2．1．3知识传递向文化传承创新转变随时随地获取知识的能力、特定问题的决策能力和解决现实问题的创新能力是人工智能时代教育培养的本质［13］。由于人工智能技术能够胜任很多人类的体力劳动和部分脑力劳动，测绘工程专业教育的重心将从传授理论知识和专业技能向挖掘人脑的存量知识和培养创新思维转变，目的是培养学生不断探索新领域和新知识的意识，推动教育目标从知识传递向文化传承与创新转变。
2．2知识结构的调整
2．2．1培养目标的转变人工智能时代的测绘工程教育将把专业基础教育同人工智能技术相结合形成新的培养目标。人工智能时代对测绘专业人才的培养，侧重既具有测绘地理信息专业基础，又能够综合运用人工智能的理论和技术进行空间数据的采集、处理、分析和应用。
2．2．2课程体系的重构(1)增设智能课程，重构课程类型。教学要紧跟时展，将人工智能类课程引入课堂，同传统的基础计算机类课程一样，成为专业学习的基础。将传统的基础类、专业基础类和专业核心类课程拓展为通识基础类、智能基础类、专业基础类和专业核心类课程。(2)统筹教学内容，做好层次设计。人工智能理论引领信息技术发展的前沿，人工智能研究带来的理论成果和技术创新指引着测绘行业应用的洞察力。突出测绘学科各学历层次课程的重心和特点，做好本科、硕士和博士阶段课程内容的规划，增强各阶段教学内容的进阶性，避免重复。(3)注重实践教学，拓展实践形式。实践教学是提高人才素质与能力的重要途径，研究生教育比本科教育更应重视实践创新能力培养。研究生教育的实践为更广义的实践，包括项目研究、学术论坛、高水平研讨、实验测试等多种形式，在实践中培养学生的创新意识和创新思维。(4)突出智能特色，重建教学大纲。针对不同阶段的人才培养要求编写合理的教学大纲。根据工程技术应用、科学理论研究等不同出口方向，考虑本、硕、博不同学历层次人才的需求，结合国家和院校自身在教学、科研和工程应用方面的定位，制定具有学科特色的分阶段教学大纲。(5)改革课程考核，重视能力评价。课程考核是目前了解和评价学生课程学习效果的一种有效方法，应注重对学生分析问题和解决问题能力的评价。本科注重基本技能和专业基础的考查，研究生课程考核关键在于对实践能力和创新思维的考查。对于硕士研究生，多以项目设计的形式，重点考查解决复杂科学和工程问题的能力;对于博士研究生，多以科研学术报告为载体，考查学生对人工智能泛测绘领域的发展现状和前沿问题的掌握情况和独立观点，并鼓励其物化成果进行学术发表。
2．3教学方法的改革
人工智能以其个性化、游戏化和沉浸式的在线互动教学模式冲击着传统的学校课堂，必将迫使教师改进教学模式［14］。以教材、板书和多媒体课件为核心的传统教学媒介将走下讲台成为辅助教学工具，移动互联网、线上课堂和虚拟现实等智慧教学平台将逐步成为主流。
2．3．1课程教学个性化以现阶段的慕课、翻转课堂等作为智能化教学的初级阶段，将逐步发展形成智能化的教学载体能为每名学生量身打造个性化的学台。由学生的个人信息、认知特征、学习记录、位置信息和媒体社交等信息构成数据库，通过人工智能技术不断调整优化模型参数构建学生模型。针对学生的个性化需求，实现个性化的学习资源、路径和服务的推送。课程教学个性化主要服务于课下自主学习、课后作业训练及师生个体探讨等环节。
2．3．2自主在线学习规范化借助计算机和互联网，开发智慧教学平台。依据学生的预习、听课和作业情况对课堂学习效果进行评价，预测未来的学习表现。对于学习高风险的学生给出预警，并根据评价结果推荐个性化的学习内容和方法，提升学习效率。在教学活动结束时提供教学反馈，将个性化、自主化学习规范到日常教学管理工作中，一方面减轻教师的测评负担，另一方面为教学决策和教学改革提供可靠的依据。
2．3．3虚拟场景实践教学常态化传统的测绘实践教学往往由于时间、空间、仪器设备和学生安全等因素的限制，导致教学实践项目与教学内容符合程度低，与生产工作需求相脱节。依托于人工智能技术构建的虚拟仿真实践基地，允许学生灵活安排实践时间和实践内容，提供个性化的实践训练需求，大大提高学生的实践参与度和完成度，更加贴合生产一线的实践内容，克服现实中因实习基地的局限性而影响实习效果的弊端。指导教师运用虚拟实践教学场景实时地获取、跟踪学生的实践训练情况，及时制定反馈信息，提高指导效果，保证实践教学质量，形成虚实结合、优势互补的实践教学模式，同时降低实践教学的经济成本和安全成本，有利于提高学生的实践创新能力。
2．4创新能力的培养
人工智能将成为教与学的关系主要因素之一，教与学的关系发展为人工智能与教师、学生三者之间的关系，教师要借助人工智能与学生一起学习，人工智能通过教师与学生之间的交流反馈，进行信息加工分析，为教师献出教改策略，向学生提供学习建议。在以学生为中心的学习模式下，学生对教师和人工智能提出问题，实现综合知识和创新能力的提高。
2．4．1教师创新能力提升人工智能时代，教师的一些日常性、重复性、规则性和单调性工作，将由人工智能技术代替。通过自动命题和自动批阅作业发现教学问题，针对学生个体的知识薄弱点提供有效教学资源，达到真正意义上的因材施教。同时，促使教师提高创新能力，改进传统教学方法，把教学过程中以知识传授的重心向情感和人格方面转移，把传统的“教书”为主转向新型的“育人”为主，增强教师角色本身的不可替代性。
2．4．2学生创新能力培养创新能力决定了人与学科的生命力。学生天赋的发掘、兴趣的激发和创造力的激活在人工智能时代更具一般性。人工智能可以通过构建知识图谱结合大数据分析，引导学生找准学习定位，发现自身天赋和兴趣，以便在擅长的领域发力，进而在最大程度上发散思维，不断培养创新意识，逐步产生创新思维，最终形成创新能力，从而真正意义上实现创新型人才的培养。
3总结
人工智能时代的到来给测绘行业带来了前所未有的冲击和机遇，也必将对测绘高等教育带来革命性的影响。现代测绘学科已经融入了更多学科的交叉，人工智能技术的应用为测绘工程教育带了很多创新型的改变，促进了测绘工程教育在培养理念、知识结构、教学方法和创新能力多方面的变革。作为测绘教育工作者应紧跟时代需求，做好充分准备，抓住时代机遇，稳步推动测绘工程教育改革，为我国的高等教育改革与发展作出贡献。
作者：岳建平 丛康林 单位：河海大学地球科学与工程学院
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