智能时代测绘高等教育的几点思考

高井祥

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

自1956年Dartmouth学会上人工智能的概念被提出起，人工智能便得到了广泛的关注与发展[1]。从能证明应用题的STUDENT机器，到战胜国际象棋大师的IBM深蓝，再到近日与围棋世界冠军柯洁对战获胜的AlphaGo，都在凸显着人工智能的巨大潜力[2]。

在此背景下，德国、美国、英国、日本等国家均表现出对人工智能的重视并发布了人工智能研发战略、法律规范及产业化发展等相关政策[3]。早在2012年，德国推行了以“智能工厂”为重心的“工业4.0计划”，推动生产制造向灵活化和个性化方向转型。2016年5月3日，美国白宫科技政策办公室发布了题为《为人工智能的未来做好准备》和《国家人工智能研发战略规划》两份重要报告，以期为人工智能的未来发展提供针对性的建议[4]。2016年12月，美国白宫发布报告称，人工智能的时代即将来临，敦促国会议员设法让美国经济为此做好准备，如未来10到20年里因人工智能技术而受到威胁的就业岗位数量将在9%～47%[5]。2016年6月，欧盟在人工智能立法方面未雨绸缪，率先提出了人工智能立法动议，认为人工智能机器人也受法律约束，必须依法缴税，同时可以享有养老金[6]。2017年1月，英国政府宣布了“现代工业战略”，增加的47亿英镑的研发资金将用在人工智能、“智能”能源技术、机器人技术和5G无线等领域[7]。3月，英国政府公布数字战略，其中包括了对人工智能的评论以决定政府和企业将如何能提供进一步的支持[8]。2017年年初，日本政府制定了人工智能产业化路线图，计划分3个阶段推进利用人工智能技术，大幅提高制造业、物流、医疗和护理行业效率[9]。人工智能在各个领域的应用得到了广泛的关注。

2017年7月8日，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，提出牢牢把握人工智能发展的重大历史机遇，紧扣发展、研判大势、主动谋划、把握方向、抢占先机，引领世界人工智能发展新潮流，服务经济社会发展和支撑国家安全，带动国家竞争力整体跃升和跨越式发展。2017年11月23日，科技部、发改委、财政部等15个部委合力，确定打造首批4家国家创新平台——聚焦我国新一代人工智能发展规划，提出智能教育的概念。旨在推动高素质人才培养，提升我国高等教育的综合实力和国际竞争力[10]。智能化已成为国家发展战略，教育智能化势在必行。

随着人工智能的进一步发展，测绘高等教育发展将进入新的阶段，测绘学科内涵与外延得到了巨大的拓展，智能化学科内容明显增多。如北斗导航定位及数据处理理论的发展，需要实现多学科融合的开放型智能定位平台[11]；大数据时代的“云控制”摄影测量，点云数据智能挖掘，影像的智能识别等不断带动测绘技术的突破；时空大数据挖掘与知识发现，各种智能化的空间分析与应用构建[12-13]，推动地图学与地理信息的发展；不断发展的无人船智能化测量模式及多传感器的海洋空间信息基准技术，加速我国海洋测绘技术进入世界前列[14]。

测绘高等教育智能化发展方向已经明确，测绘高等教育将以测绘学、教育学、心理学为基础，依托互联网、大数据、云计算、传感网、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[15-16]。测绘高等教育智能化将以测绘专业知识教学、人工智能及学习科学相结合形成新的研究内容。测绘高等教育智能化通过促进人工智能设备高效、灵活及个性化使用，将专业知识与能力构建过程用精确的计算和清晰的形式表达出来，构建智能化的测绘专业知识学习情境，清晰地演示出教育学、心理学与社会学中含糊不清的知识，给学生提供智慧教育能力。

本文将从教学关系改革、教学模式更新及教师面临的挑战3个方面阐述智能时代测绘高等教育的几点思考。

1 教学关系的变革

1.1 教学媒介的变革

随着人工智能时代的到来，教学媒介正在发生深刻的变革。传统板书、书本、多媒体课件等教学媒介将成为辅助方式，基于移动互联网、云计算、虚拟场景的实时教学平台将成为主流的教学媒介，获取知识的方式多样，学习场所也变得无处不在。

传统教学中，教师仅依靠自身的理解和经验，借助传统的线性教学媒介，进行知识传授。对于非线性复杂结构的知识体系，教学与现实体验差别较大，教师难以讲解，学生难以学习。通过采用非线性的教学媒介、日臻完善的虚拟现实技术，结合人们的认知规律，借助现代运算手段，如深度学习、知识图谱等，可有效提高教学效果。

1.2 师生关系的变革

人工智能时代之前，教师作为知识传输的主体，以课堂为中心，对课程内容进行机械式的讲解，单方面灌输知识给学生，类似商品的流水线制造过程。在这种教学模式下，学生作为有意识的主体被直接忽视了认知主体的作用，再加上教师没有积极引导和开发学生创新性思维，难以培养出具有创新思维和创新能力的创造型人才。

现有教学改革已摒弃以传统教师为中心的教学方式，普遍强调以学生为中心的自主学习方式。教师不再占据教学关系的主导地位，学生成为整个教学关系的中心，教师围绕学生进行教学，对学生进行指导。在这种模式中，教师发挥指导作用，培养和引导学生创新思维，旨在把学生培养成能够独立思考的创新型人才，较之传统方式有了很大的进步。

随着智能化教学的发展，现有的师生关系将进一步变革，人工智能将成为教学关系的一个主要要素。教学关系除了协调师生关系外，必须考虑协调人工智能与老师、学生的关系。为达到最优的教学效果，本文提出“重心平衡”型的教学关系。“重心平衡”型教学是协调教师、学生、人工智能三者之间的关系，使其保持重心平衡。在这种教学关系指导下，教学模式也将发生本质变化，教师、学生、人工智能通过两两双向交流机制，提供整体平衡的教与学的解决方案。教师的知识结构很难单方面满足全班学生对课堂教学的需求。因此教师需要借助人工智能在教学的过程中与学生与一起学习，一起进步。人工智能可以通过与老师及学生的交流，实现实时情境信息的感知，并通过加工、分析，实时向教师提出教学改进策略。学生通过以自身为中心的问题提出，思考与解决，对老师与人工智能的求助，实现知识建构与创新能力提高。由教师与人工智能为基础的教学情境不断优化，将提供学生越来越理想的学习情境，达到智慧教育的目的。学生、教师、人工智能在相互交流中，达到共同学习的目的。这将是以往任何时代都无法想象的教育变革(如图1所示)。

图1 “重心平衡”型教学模式

2 测绘教学模式的革新

2.1 个性化课堂教学模式

人工智能在个性化课堂教学模式革新中可具备智能导师、智能助手、智能测评、智能挖掘与智能分析5个方面的角色功能，影响着测绘高等教育的教学模式智能化的发展。而教学课堂上人工智能角色定位的不同将形成不同的教学模式。具体的角色内容如下：

(1) 智能导师：作为人工智能在教育领域的一个重要的应用，它能根据学生的兴趣、习惯和学习需求为其定制专门的学习计划，有利于学生的个性化学习。

(2) 智能助手：随着人工智能技术的发展，越来越多的人工智能工具被应用于教育领域，成为教师教学和学生学习的得力助手，如教育机器人等。

(3) 智能测评：强调通过一种自动化的方式来测量学生的发展，能够实时跟踪学习者的学习表现，并恰当地对他们的学习表现进行评价。

(4) 智能挖掘：对教育大数据进行处理和分析，通过数据建模，发现学习者学习结果和学习内容、学习资源、教学行为等变量之间的相关关系，来预测学习者未来的学习趋势。

(5) 智能分析：运用先进的分析方法和分析工具预测学习结果、诊断学习中发生的问题，优化学习效果的教学技术。

现阶段课堂反转、慕课等个性化教学初始形态均通过人工智能融入了平时的教学环境中，并取得了良好的效果。但个性化的教学模式还需个性化的教学平台和技术方案作为支撑。图2和图3分别为个性化教学平台实施过程和个性化教学方案。

图2 个性化教学平台实施过程

图3 个性化教学方案

2.2 虚拟实景实践教学模式

传统的测绘实践教学一般集中开展，缺乏个性化因素，而时间安排易与教学内容脱节，教学成果只能通过人工进行测评和反馈，质量和效率较低。在个性化课堂教学模式的基础上，构建虚拟实景实践教学模式，利于学生创新能力培养。这种教学模式允许学生自由制订实践时间，按需安排实践次数，教师也可通过智能化的实践教学情境实时跟踪和反馈学生学习情况。

中国矿业大学矿山测量国家级虚拟仿真实验教学中心针对矿山测量特点，建立了矿山环境感知、矿山测量仪器认知、陀螺定向、井上下联系测量、井下定位、开采沉陷过程认知、岩层移动与变形预计、矿体几何分析、矿区土地复垦规划等矿业特色课程及通用类测量课程等系列矿业特色测绘人才培养虚实互补的实验教学系统，解决了高危、不可见及真实实验难以实现的教学难题。

采用虚拟实景，配合物理或半物理仿真，采集实践教学数据，提供个性化需求，构建综合实践教学平台，切实提高学生对测绘技能的掌握。例如中国矿业大学的空天地协同观测实践教学平台和AI+云+室内外+地上下无缝定位实验场，基于云端的数据分析中心，对学生的实习过程进行实时录像，利用云端存储海量数据，进行智能分析与反馈，提供高质量的实践教学情境。通过虚拟实景构建完整的虚实结合、优势互补实验教学体系，教学效果提高显著(如图4和图5所示)。

图4 矿山测量虚拟教学中心

图5 “数字测量学”物理仿真教学情境构建

2.3 全时空智能教学模式

个性化课堂和虚拟实境实践教学是传统测绘教学思维方式上的突破和重塑，依托“人工智能+大数据+云计算”技术的全时空实践教学模式将进一步提高测绘教学效率。

全时空智能教学模式是以学生自主学习、创新学习和自适应学习为出发点提出的，是放眼未来的理想化高质量的教学模式，也是与“重心平衡”型的教学关系相匹配的教学模式。在此模式下，个性智能化教学情境将代替传统的讲授式教学情境，传统的测绘教育时空观、师生观以及教学观都将发生变化。教师团队作为教学的组织者，将发挥一定的引导作用，并且是在与学生、人工智能三方交互过程中，实时完成个性化教学方案的组织工作，教学空间无限拓展，学生可以实现随时随地学习，教师的教学和学生的学习都将会高度依赖教学智能化决策，从而取代现有的时空教学模式。智能化的教学模式将更加重视学习认知规律的研究，强调时空存在的虚拟感知体验式学习，采用多元化终端教学媒介，引导学生全过程自主学习、巩固、运用知识。

3 教育智能化对教育者的要求

3.1 教育者角色

在新的历史条件下，教师与学生处在同一高度，优秀的学生会在很多方面超过老师，教育主体将面临巨大挑战。教育者将由传统单个教师，发展成为教学团队，而且这团队中必然要包括专业的教学老师、人工智能专业人才和企业人才。这三类人员的相互配合组成人工智能时代下的教育团队，提高教学课堂的驾驭能力。教育者将更多的关注提高自身能力，满足智能教育不断发展的新要求，关注课堂与实践教学的组织。

3.2 教育者分化

高等教育智能化背景下，教育者将在人工智能的推动下，开展智能教育，包括智能课堂个性化教育、智能问答、智能教务管理及智能反馈等，对教育者的要求逐步提高，最终将教育者推向两端分化。一部分测绘教育者将主要从事测绘高等智慧教育，侧重开展包括思维教育、创造力教育、伦理教育、道德教育、情感教育和文化认同等学科与测绘学科的知识交融、思维贯穿研究与教学，从而塑造一流的测绘人才培养环境，对教育者的要求极高；另一部分测绘教育者将倾向于事务性工作，开展包括服务机器、服务其他教师及教育要素组织等工作(如图6所示)。而涉及测绘专业的课堂、课后及实践等教学工作将大部分由智能教育完成，教师干预会越来越少，未来的测绘高等教育对教育者要求数量会越来越少，要求会越来越高，有一部分现有教育者甚至会被历史淘汰。总之，教育智能化对教师者的挑战巨大。

图6 教师分化

3.3 应对措施

面对人工智能时代下教育智能化的挑战，教育工作者需要迎合社会趋势，适应时代潮流。对测绘行业教师来说，不仅要精通测绘领域的专门知识，要学习测绘行业的发展历史，预测未来发展趋势，了解人类知识产生、发展的全部过程，还应掌握教育学、心理学、创造学、逻辑学、哲学、美学、法学等核心理论。具备综合多学科的知识构建自己的知识框架，并进行不断思考的能力。此外，教育工作者还需知晓、理解、运用人工智能相关应用，通过增加相关理论知识进行知识及技术储备。

智能教育革命是一场自觉的思维革命。传统教育时代下，教师是知识的唯一载体，是知识的权威。教育+互联网时代下，教师是学生学习的设计者、指导者、帮助者，以及与学生共同学习的伙伴。即将到来的教育+AI时代下，教师需关注创新教育内容，让教育事业变得更好，自己变成一个专注全局的参与者。

4 结 语

本文通过对智能时代的测绘教学关系、教学模式及教育者素质等基本问题的深入思考，预测出测绘高等教育传统的时空观、师生观及教学观将发生变革。随着测绘高等教育智能化的发展，“重心平衡”的师生教学关系将逐步形成，人工智能设备将能够取得更高效、更灵活及个性化的使用，智慧教育将成为未来测绘高等教育的核心内容。全时空的教学模式将逐渐形成，教育者逐步分化，挑战巨大。人工智能时代已经不可逆转，作为测绘教育者应紧跟时代步伐，抓住机遇，面对挑战，遵循科学的方法，自觉推动测绘教育改革，为我国高等教育改革与发展作出贡献。