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人工智能基础应用先行，边建边用引领改革发展

发布日期：2022-03-31 作者：来源：点击：

——贵州交通职业技术学院示范性虚拟仿真

实训基地培育项目年度典型案例

贵州交通职业技术学院（以下简称学院）以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，以《关于开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设的通知》教职成司函〔2020〕26号“四个坚持”为原则，以突显“山区峡谷”桥梁和“长大岩溶”隧道智能建造与养护、“陡坡急弯”极端地形和“风雨雪雾”极端天气山地道路智能运输为特色，确定了“规划布局-建设实施-资源共建共享-注重应用-社会服务”的建设路径。到2023年，建成全国领先、国际一流的喀斯特山区智能“建-养-运”虚拟仿真实训基地，为贵州“交通强国首批建设试点”培养卓越技术技能人才提供信息化保障。

在提交示范性虚拟仿真实训基地建设方案后，学院即作出“无论能不能立项必须建、不论难度大不大必须闯、先建通识基础部分再建专业教学部分”的决定。围绕实训教学过程中高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的“三高三难”痛点难点，经多轮反复论证、细化实施方案，与博士领衔的深圳市中孚科技有限公司深度合作，按计划进度建成“人工智能基础与应用教学实训中心”（以下简称实训中心）。

一、初衷与内涵

1.初衷。面向未来、面向新技术，配置“必须够用、适度超前”的硬件设备建设实训中心，培养全院学生人工智能基础应用的通识能力。将交通行业人工智能基础应用成果转化为与日常“衣食住行”相关的虚拟仿真资源，开发实训教学平台，从基础应用向专业拓展，逐步实现虚拟仿真全面融入专业教学。同时，储备一支具备创新能力、新技术应用能力的跨专业教师团队，为学院“产学研用创”一体化创新服务平台的落地实施提供重要支撑。

2.内涵。一是必要性，学院国家级“双高”计划建设的首要任务是打造技术技能人才培养高地，“人工智能训练师”等新职业的推出，对未来从业者的知识结构与综合能力提出更高要求，为提升职业教育适应性，必须在契合新一代信息技术基础上，重新定位专业培养目标和人才规格。人工智能实训中心是探索与实践跨专业教学组织、开发“云物大智移”通识课程组的实体平台，建设迫在眉睫。二是先进性，体验与认知虚拟现实、智能感知、人工智能等新技术在交通行业的应用，打造网络化、沉浸式、智能化的课堂教学模式，创新工学结合、学训一体的信息化教学方法；发挥数据在教学中的基础要素作用，实现教学全过程的数据化获取、分析和决策。三是实用性，面向国家产业数字化经济对具备数字化能力的复合型技术技能人才紧缺需求，聚焦交通行业前沿，融入机器视觉识别、专家系统、自动控制等多专业交叉领域的应用实践，以问题为导向，确定了从基础的人工智能数据标注到模型算法的测试训练，再到相关智能设备的调试及运行等10大知识点，进而配套开发46个实训项目，通过“个性化跨专业组队、探究式开放性实训”，逐步实现学生技术技能进阶。

二、规划与实施

3.规划。深度校企合作，以构建1个体系、组建1个教研中心、落实4项具体任务的“1+1+4”思路（图1），建设“改造传统专业的起点、跨专业教学组织的实体、培养智能训练师的摇篮”的人工智能实训中心。

依据规划，充分发挥各方优势资源，从“专业+新技术”角度确定方向，以新技术赋能课程改革为抓手，规划总体框架（图2），产出一批内容新、形式新的虚拟仿真实训资源；搭建虚拟仿真线上学习考核平台，最终实现数字化的教学评价与持续改进。人工智能实训中心设计了层层递进的教学内容（图3）和实训体系（图4）。

4.实施。人工智能实训中心于2021年4月底建成使用，占地415㎡。含2个分区，人工智能基础应用实训区（图5）可开展模型训练基础、可视化编程基础、图像分类、物体检测、人物识别、文字识别、语音智能等46个实训项目；人工智能创新拓展实训区（图6）面向智慧交通、智能物联、智慧服务、智能制造4个方向，助力兴趣小组、助教小组、备赛团队等开展强化实训、拓展实践。

在探索破解“三高三难”方面，创新“认知-试错-探究-验证”实训教学方法，在关键实训环节实现仿真教学资源全覆盖。

一是认知引导教法，用于智能设备的认知与组装的教学，实训难度低，目的在于激发学生兴趣，对整体实训任务有感知，了解智能设备的工作原理。以学习智能机器人视觉识别系统在工厂中的应用为例，采用该实训教学思路，引导学生在虚拟仿真环境中完成机器人认知与组装、运动控制模块拆装、智能识别模式设计的分步学习之后，通过虚拟平台的方案设计、参数调整等来完成工程实际任务，包括在虚拟平台上驱动机械臂实现智能分拣、激光雕刻、3D打印等实训，较之传统原理和结构部件讲授，实现跨越式改革（图8）。

二是试错交互教法，贯穿实训教学全过程，智能设备存在复杂可变构建困难、系统设备昂贵等问题。采用虚拟仿真实训有效弥补真实智能设备控制中不允许学生犯错的缺陷，通过动画同步展示参数调整过程与相应的运动控制，虚实融合、反复调试，加深学生对控制算法调优的理解。以桥梁工程教学工场虚拟仿真系统为例，学生在学习“牵索挂篮”构件过程中，第一步在“教学工场”看到什么是牵索挂篮，第二步通过“教学工场”牵索挂篮剖面认知牵索挂篮由什么组成，第三步通过“教学工场”牵索挂篮设计图分析牵索挂篮构件，第四部通过“教学工场”牵索挂篮设计计算书理解牵索挂篮构件断面结构和尺寸组成原因，第五步通过自行完成“教学工场”牵索挂篮构件模型掌握道路桥梁建设工程牵索挂篮构件施工技能，第六步在自行完成“教学工场”牵索挂篮构件模型过程中可以根据自己能力进行创新改进牵索挂篮构件。通过6个循序渐进、逐层递增环节，实现从入门到熟练的单项技能训练（图9）。

三是探究设计教法，除了引导帮助学生完成操作步骤的分解，如何解决问题是学生未来职业能力培养的关键。实训项目设置开放性任务、过程参数和解决方案不唯一，加大实训难度，引导学生不断调试、设计并比较，激发合作性和探究欲。以无人驾驶虚拟训练系统为例，学生下载训练后的模型部署到无人驾驶小车上，在物理环境中实施“1/18比例的RC车辆”自动驾驶，通过无人驾驶虚拟仿真模拟控制台探索纠错解决方案，基于虚拟无人驾驶模拟器对解决方案进行评估。如此循环操作，持续提升评估值。学生在团队合作中收获成就感，同时也强化了发现问题到解决问题的职业能力（图10、图11）。

三、创新与成效

5.创新。一是开发教材和系统化布设虚拟仿真实训资源。实训中心校企共建了适用学院全专业的《人工智能基础与应用》教材，其教学内容全部设计有仿真化、情境化、案例化实训模块。采用虚拟仿真资源、视频、动图、仿真实训平台等多种形式，统筹将各实训模块组合成一套完整的教与学互动系统。在教与学的过程中实现理论与实训一体化教学，让立体化学习资源交互联动起来（图12、图13）。二是在虚拟仿真资源开发中内化工匠精神。落实立德树人根本任务，推动专业虚拟仿真教学内容和思政元素紧密融合，开发显性教育和隐性教育相统一的虚拟仿真资源。如，在人工智能“加速器”算力的教学内容中，从芯片的微课学习、生产工艺仿真模拟中引出我们要有制造中国“芯”的工匠精神；在数据标注实训中，通过真实桥梁照片和虚拟桥梁建设、环境、最大承载力等不同情境标注，让学生学习到贵州交通在世界级桥梁建设中“逢山开路、遇水架桥”的工匠精神。

6.成效。一是培养学生。实训中心的教学实训数据驾驶舱（图14），对实训室利用率、实训在校生的情况、虚拟仿真平台账号注册情况、学生活跃度、仿真资源共享等进行全面的数据考核。平台注册人数已达7677人，累计使用147898人次，线下实训室利用率92%，呈现极为饱和的运行状态。二是教学评价。线上教学实训平台强调了学生的参与、评价和成果的获取。采用量化过程性考核，分别从课前预习、课堂教学实训、课后巩固三阶段进行分析，对了解学生的学习兴趣、提高学生对知识的掌握程度有了更全面动态的支持。三是衔接专业。基于对师生人工智能基础应用能力的培养和提升，结合学院路桥专业群建设，拓展“专业+人工智能应用”的虚拟仿真教学应用，建立了教学工场模式的桥梁混合现实仿真实训教学，构建数字化桥梁养护专家和监测实训系统。四是培养教师。通过“人工智能基础与应用通识课程教学设计与能力提升师资培训”项目，培养种子教师75人，形成了一支具备信息化、数字化能力的跨专业教师团队。