双创背景下融入人工智能的“自动测试系统”课程教学方法探索

刘冰 付平 凤雷 李君宝 郑文斌

摘  要：文章面向高校创新创业教育需求，围绕如何将创新创业教育融入现有高校人才培养方案这一热点问题，以自动测试系统课程和人工智能技术融合为例，探索了双创背景下融入人工智能的自动测试系统课程教学改革方法。论文从目前研究型高校的人才培养理念与创新创业教育中的实用教育理念不能直接匹配的情况作为切入点，从课程简析、教学方法探索目标、教学过程中遇到的问题及解决思路、教学探索的具体计划及课程、实验案例等方面介绍了相关内容。这种教学探索尝试对于研究型高校在校生的创新创业技术能力培养具有较好的应用前景及推广性。

关键词：人工智能技术;自动测试系统;课程教学;典型案例

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）05-0060-04

Abstract： Facing the demand of innovation and entrepreneurship education in colleges and universities， this paper focuses on the hot issue of how to integrate innovation and entrepreneurship education into the existing talent training program in colleges and universities. Taking the integration of automatic test system course and artificial intelligence technology as an example， this paper explores the teaching reform method of automatic test system course integrating artificial intelligence under the background of mass entrepreneurship and innovation. With that the concept of talent training and the innovation of the research universities entrepreneurship education in the concept of practical education cannot match directly as a breakthrough point， the paper introduces the related content， from the simple analysis of the course， some teaching methods to explore the target， the problems in the teaching process and solution， the specific plan to exploreteachingand courseexperimental cases， etc. This kind of teaching exploration attempt has a good application prospect and popularization for the cultivation of innovation and entrepreneurship technology ability of students in research universities.

Keywords： artificial intelligence technology; automatic test system; curriculum teaching; typical cases

一、概述

教育部在《關于大力推进高等学校创新创业教育和大学生自主创业的意见》中指出：在高等学校开展创新创业教育，是教育系统开展创新创业教育的重要战略举措深入学习实践科学发展观，为建设创新型国家服务，是深化高等教育教学改革，培养学生创新精神和实践能力的重要途径。因此，各级政府和企事业单位高度重视开展高校创新创业教育活动，营造良好的创新创业教育环境，大力建设全面创新、层次创新、系统创新高校创业教育体系。在上述背景下，在高等教育教学方法和人才培养研究探索中，围绕创新创业教育体系建设的需求，为了提高大学生的创新和创业能力，具有重要意义，结合创新和创业教育的技能培训开展研究，探索课程改革背景下的创新和创业精神教育[1-3]。

为提高在校大学生创新创业教育，需要包括政府、高校、企业、家庭、个人等全方位、多层次的教育培养体系。在这个体系中，高校在学生创新创业技术能力培养方面起到至关重要的作用。虽然，像哈工大这类研究型高校的人才培养理念与创新创业教育中的实用教育理念不能直接匹配，但是，可以通过在目前人才培养方案中融入创新创业过程中需要的技术能力教育来解决该问题。人工智能领域在目前的创新创业浪潮中吸引了众多的投资兴趣，孕育了大量的初创公司，并且部分公司已经成长为“独角兽”企业。因此，可以结合现有培养方案中的培养要求，将人工智能相关知识针对性引入现有课程教学、实验内容中，帮助学生在学习专业课程过程中去理解人工智能应用于本专业领域的技术内涵，为今后的创新创业过程积累技术能力，进而提升初创企业竞争力。这种方法对于研究型高校在校生的创新创业技术能力培养具有较好的应用前景及推广性。因此，本文将以作者讲授的自动测试系统课程为例，阐述双创背景下融入人工智能的“自动测试系统”课程教学方法方面的探索。

二、案例课程简析及教学方法探索目标

《自动测试系统》是测控技术与仪器电子测量專业的一门核心专业课程。本课程的主要教学内容是电子仪器的系统集成技术，包括GPIB总线技术、VXI总线技术和PXI总线技术等[4]。该系统的主要特点是能够自动处理数据，并以适当的方式显示或输出结果，几乎不需要人工参与，图1是自动测试系统的典型示例。本课程的学习是高校测控技术专业的重要组成部分。本课程的目标是使学生了解自动测试总线接口的技术规范和虚拟仪器软件技术的使用，可以面向工业领域（包括航空、航天、船舶等）的应用需求实现自动测试系统集成。

在上述课程教学内涵的基础上，双创背景下融入人工智能的“自动测试系统”课程教学方法方面的教学方法探索目标就是在面向“创新创业融入人才培养方案”和“基于创新创业教育下的教学和学籍管理制度改革”的研究需求，开展自动测试系统课程的针对性教学改革与探索，包括教学环节、实验环节和课程设计环节。具体而言，是在满足课程教学大纲及培养方案的前提下，通过教学改革与探索，将自动测试领域创新创业中所需要的人工智能相关知识针对性引入现有课程教学以及实验内容中，进而丰富和完善研究型大学学生创新创业技术能力培养的教育体系，提高学生创新创业技术能力。随着人工智能（Artificial Intelligence AI）技术的发展，自动测试系统的智能化已成为一个方向。小型化、轻量化、低功耗是自动测试系统向这个方向发展的重要表现。人工智能技术是实现自动测试系统智能化的重要技术手段。为了满足上述要求，嵌入式人工智能技术已经成为构建先进的自动测试系统的技术基础。在这样的背景下，为了让测控专业的学生尽快掌握人工智能技术的知识，并将技术与专业相结合，迫切需要基于嵌入式人工智能技术来体现自动测试系统应用能力的实验课内容改革设计，在教学中进行了一些针对性的探索以适应新时代对人才的丰富需求，创新精神和实践能力。

三、教学过程中面临的问题及解决思路

在“创新创业”背景下，将人工智能技术融入自动测试系统现有的课程体系主要以下关键问题：

1. 现有课程培养体系约束下的创新创业教育融入方式

自动测试系统教学方法探索的立足点不是新建一门创新创业教育课，而是结合现有课程内容融合创新创业教育环节，因此，以何种方式融合是教学探索过程中的关键问题。

2. 校企协同育人模式的课程实验方法研究与设计

在课程中融入创新创业教育的目标是提升学生的创新创业技能，因此实验环节尤为重要，所以，如何基于校企协同育人模式设计课程实验是关键问题。

针对上述问题，可以从以下四个方面考虑相应的解决方法：

1. 开展自动测试系统课程与创新创业教育间的融合教育机制研究，在分析现有自动测试系统课程教学大纲的基础上，结合课程授课内容，研究如何将创新创业教育融入现有课程教学环节。

2. 开展面向自动测试领域创业技能需求的人工智能技术教育方法研究，在调研自动测试领域创业过程中技术能力需求的基础上，研究开展人工智能技术的教育方法与教学方式。

3. 开展匹配课程内容和创业技能需求的人工智能技术教学案例研究与设计，结合具体的课程教学内容与创业技能需求，融合人工智能技术因素，研究并设计适合推广应用、受众面广的教学案例。

4. 开展基于校企协同育人的自动测试系统课程实验教学方法研究与内容设计，以自动测试领域初创企业的实际产品设计过程为参照，提炼与课程内容相关的实践环节，并设计相关实验内容，探索校企协同育人模式下实验教学过程中的创新创业教育方法。

四、教学探索的实施计划

本研究案例的实施计划如图2所示，以教学探索研究需求分析（创新创业融合人才培养方案和基于创新创业教育的教学改革）、研究型高校自动测试系统课程内容分析、自动测试领域初创公司人工智能技术因素分析为基础，开展自动测试系统课程与创新创业教育融入机制、面向自动测试领域创业技能需求的人工智能教育方法、基于BOOPPS教学模型的教学案例设计、融合课程内容与创新需求的课程研讨课教学设计等方面的教学改革研究，在开展项目各项研究内容的同时，在校企协同育人模式下，以自动测试系统中的目标检测模块设计为例，开展课程实验教学方法改革研究与实验案例设计。最后，通过指导学生参加哈工大“祖光杯”创新创业大赛、黑龙江省“挑战杯”创新创业大赛对课程改革内容进行验证及改进，不断完善项目研究内容的可行性及有效性。

项目实施过程中的相关要素包括以下几个方面：

1. 授课学生：依托《自动测试系统课程》，以大三学生为主，部分选修该课程的研究生为辅。

2. 协同育人企业：澎峰（北京）科技有限公司

3. 参与的创新创业大赛：哈工大“祖光杯”、黑龙江省“互联网+”、“挑战杯”创新创业大赛。

五、典型教学案例设计

在教学过程中，采用BOPPPS教学模型，BOPPPS是6个英文短语Bridge in、Objective、Pre-assessment、Participatory learning、Post-assessment、Summary的首字母组合，对应表达的中文含义分别是导言、学习目标、前测、参与式学习、后测、总结，这也是BOPPPS教学模式的六个要素， 及其序列结构如图3所示。该模式是国外高校普遍采用的一种教学互动模式。其主要特点是强调学生有机会参与课程教学，帮助学生将课程知识应用到实际工程项目中，通过师生之间的互动反馈，提高学生的学习兴趣和学习效果。在50分钟的课程中，最集中的时间是前15分钟左右，所以有必要在这段时间引导学生进入课程。在这个过程中，绪论起到了构建学生知识链的作用。通过这个环节，让学生们知道这节课程的重要性，并将学生以后的知识和要学习的知识进行串接，在该环节需要向学生介绍创新创业的重要性，以及目前创新创业过程中的技能需求。然后进入学习目标环节，让学生通过本次课堂学习知道，最终的学习目标是什么，可以获得什么样的知识信息在该环节，需要将人工智能技术与自动测试系统的结合点讲解清楚，例如在目标检测过程中，如何使用智能算法完成检测任务。在此基础上，进入前测环节， 主要是通过交流和讨论了解学生对这些知识的初步基础，为后续课程设计提供依据。在这个环节中，学生需要梳理自己现有的知识体系结构，教师需要通过交流了解学生的知识储备。在此基础上，我们将进入学习参与的过程，通过学生熟悉的话题或者应用背景开展课程讨论与讲解，例如通过日常生活中使用的手机智能应用，采用讨论、抢答等方式进行讲解。最好一个环节是后测环节，通过提问、答题等方式了解学生对创新创业和自动测试系统在人工智能领域结合点方面的掌握情况，验证学习结果是否与课程目标一致。最后一部分是总结部分，主要针对学生在后测部分的学习情况，帮助他们梳理本课的知识，安排相关的课后学习任务，预测下一节课的学习内容[5-9]。

在实验室环节，首先需要給同学们介绍在自动测试系统领域常见的用于实现嵌入式人工智能技术的平台，如图4所示，它包括单片机平台、DSP平台、ARM平台、FPGA平台、嵌入式GPU平台等。同时需要介绍这些平台的各自特点。具体来说，单片机平台的成本低，但是计算能力有限;DSP平台具有优良的计算能力，但功能可扩展性不强; ARM平台具有可接受的计算能力和成本，功耗稍高;FPGA平台可以重构，计算能力强，功耗低，但开发难度大;嵌入式GPU平台具有良好的计算能力，但成本和功耗较高。因此，从培训的角度来看，双一流的大学生能力和技术水平，在实验课程设计自动测试系统，我们首先介绍每个嵌入式平台的特点和优缺点，然后选择FPGA平台的实现平台嵌入人工智能技术，并向学生解释为什么基于这个平台设计实验[10-11]。

在具体的设计中，直接使用鹏丰（北京）科技有限公司Perf-FPGA平台作为嵌入式平台，并以该平台为基础部署以卷积神经网络为基础的目标检测网络。Perf-FPGA是鹏丰科技研发面向FPGA的人工智能方案，具有高性能，低功耗，环境适应性强等特点。可以进行人脸，行人，车辆等多种目标和物体检测与追踪，支持无人机、安防、教育科研等应用领域。Perf-FPGA涵盖了深度神经网络算法压缩，定点量化以及根据FPGA部署平台的生成加速器。压缩与量化工具DL-Quants可以导入多种主流深度学习模型， DL-Compiler可以快速生成DL加速器和运行代码。DL-Accelerator采用RTL实现，底层针对不同平台做了适配和优化，使资源占用和性能达到极致。该平台的示意图如图5所示。

六、结束语

相比于国外的创新创业技术能力教育，我国研究型高校目前的教育方法还存在一定差距，亟需尝试将创新创业技术能力培养环节融入专业课程教学的改革研究与探索。本文以哈工大测控专业自动测试系统课程为例，探索了双创背景下融入人工智能的自动测试系统教学方法，并给出了具体教学案例，这种尝试对于研究型高校在校生的创新创业技术能力培养具有较好的应用前景及推广性。

参考文献：

[1]马永斌，柏喆.大学创新创业教育的实践模式研究与探索[J].清华大学教育研究，2015，36（6）：99-103.

[2]刘宝存.确立创新创业教育理念培养创新精神和实践能力[J].中国高等教育，2010（12）：12-15.

[3]陈宝生.在新时代全国高等学校本科教育工作会议上的讲话[J].中国高等教育，2018（15）：4-10.

[4]梁嘉倩，孟升卫，鲁文帅.面向复杂混合信号的CPCI专用测试系统及其自动校准方法[J].中国电子科学研究院学报，2017，12（2）：187-192.

[5]刘冰，凤雷，付平，等.基于BOPPPS教学模型的自动测试系统课程教学设计[J].教育现代化，2019（74）：107-108.

[6]杨丽，于为，李晓红.BOPPPS模型在数据结构课程教学中的应用与实践[J].大学教育，2017（4）：15-17.

[7]王之元，周云，彭学峰.BOPPPS模型在《信号分析与处理》课程教学的应用[J].计算机工程与科学，2016（11）：68-71.

[8]袁恩，刘鹏，齐望东.基于BOPPPS模式的计算机网络原理教学改革[J].计算机教育，2015（3）：26-29.

[9]邓娜，王春枝，叶志伟.工程认证环境下基于BOPPPS模型的数据挖掘课程教学设计[J].计算机教育，2017（12）：113-115.

[10]云峰，王维维，汪松鹤.参与式学习在《嵌入式系统》课程教学中的应用[J].软件导刊，2019，18（2）：219-221.

[11]刘冰，付平，李君宝，等.基于嵌入式AI平台的自动测试系统实验课设计[J].教育现代化，2019（69）：90-91.