安靜， 潘樂， 康琦*， 汪鐳， 吳啟迪

(1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，上海 201418； 2. 同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

0 引言

電子與信息工程是面向信息獲取與處理，信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、應(yīng)用和集成的寬口徑學(xué)科門類。隨著當(dāng)下各行各業(yè)數(shù)據(jù)的海量膨脹，機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能算法迅猛發(fā)展，電子與信息工程所涵蓋的專業(yè)內(nèi)容愈發(fā)豐富，對于人才的培養(yǎng)也提出了更高的要求，因此探索如何從理論占據(jù)主體地位的傳統(tǒng)教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍I(yè)本位向注重實(shí)踐技能的培養(yǎng)有著極其重要的研究意義[1、2]。

電子信息專業(yè)主要包括“信號(hào)與系統(tǒng)”、“通信原理”、“自動(dòng)控制原理”和“信息論與編碼”等課程，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，這些課程公式和理論推導(dǎo)較多，學(xué)生只能依靠大量習(xí)題鞏固所學(xué)知識(shí)，許多應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容卻不能實(shí)際參與動(dòng)手設(shè)計(jì)、調(diào)試和分析。

人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用場景越來越多，以“人工智能+教育”(EDAI)為核心的智慧教育模式也進(jìn)入了新的階段，朝著個(gè)性化與精準(zhǔn)化的方向發(fā)展。為了解決學(xué)生實(shí)踐不夠這一問題，基于人工智能(AI)與計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)，搭建電子信息工程專業(yè)學(xué)科虛擬智能在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以為學(xué)生提供一個(gè)人機(jī)交互更強(qiáng)、師生交流更密切的仿真環(huán)境。

面對專業(yè)復(fù)雜計(jì)算問題時(shí)，構(gòu)思模型并通過仿真與交互平臺(tái)實(shí)現(xiàn)模型的建立與調(diào)試，可以對理論課程的知識(shí)點(diǎn)和相關(guān)數(shù)理基礎(chǔ)進(jìn)行復(fù)習(xí)、鞏固和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、解決問題的能力[3]。同時(shí)，教師在授課中以自己的實(shí)踐體會(huì)、累積的經(jīng)驗(yàn)和具體的實(shí)踐案例為基準(zhǔn)，結(jié)合平臺(tái)提供的教學(xué)手段對理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行啟發(fā)式的講解[4]，可以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的知識(shí)接受程度。

1 基于在線仿真與的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1.1 在線仿真教學(xué)平臺(tái)

在電子信息類學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，可通過集成MATLAB，C/C++，Python，JAVA等語言搭建在線仿真環(huán)境，構(gòu)建適應(yīng)于自主學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，如圖1所示。

圖1 基于在線仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)框架

教師按照教學(xué)大綱實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，在教學(xué)平臺(tái)發(fā)布相應(yīng)章節(jié)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生登陸教學(xué)平臺(tái)，按照教學(xué)要求，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對實(shí)驗(yàn)原理與應(yīng)用進(jìn)行編程和仿真，在線提交仿真結(jié)果。

教學(xué)平臺(tái)持續(xù)收集每位同學(xué)的在線編程和仿真行為大數(shù)據(jù)，包括仿真過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)、關(guān)鍵指標(biāo)、仿真結(jié)果等，實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器，使用機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法進(jìn)行行為大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與挖掘，形成學(xué)情文本或圖像報(bào)告，即時(shí)反饋給教師和每位參與實(shí)驗(yàn)的同學(xué)。教師在課堂中就能夠全面地掌握班級(jí)的這次實(shí)驗(yàn)的整體以及同學(xué)個(gè)人的學(xué)習(xí)狀況，查看同學(xué)個(gè)人的仿真過程和仿真結(jié)果，有針對性地進(jìn)行評(píng)講，給每位同學(xué)的編程、仿真表現(xiàn)都提出評(píng)價(jià)與改進(jìn)建議，在平臺(tái)的幫助下快速為每位同學(xué)制定個(gè)性化教學(xué)策略。每位參與的同學(xué)在課堂結(jié)束前也可以結(jié)合反饋的學(xué)情數(shù)據(jù)，了解自己在當(dāng)前教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)情況，結(jié)合平臺(tái)、教師的學(xué)習(xí)建議，鞏固薄弱知識(shí)點(diǎn)，調(diào)整學(xué)習(xí)方法，以達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。

1.2 基于Matlab的仿真實(shí)例

1.2.1 “A壓縮律和μ壓縮律”仿真原理

以《通信原理》教學(xué)為例，其中涉及到非均勻量化的方法，一般是將抽樣值通過壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多數(shù)采用對數(shù)式壓縮廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮率是μ壓縮律和A壓縮律。

(1)μ壓縮律

y=ln(1+μx)/ln(1+μ) 0≤x≤1

(2)A壓縮律

A律十三折曲線與μ律十五折曲線兩種近似的量化方式，而量化誤差是衡量量化效果的重要指標(biāo)。在仿真模型中，將通過量化誤差的大小來比較這兩種量化方式的性能。

1.2.2 基于m文件的仿真

MATLAB具有編程效率高、使用方便、數(shù)值計(jì)算高效以及可視化的功能，接近計(jì)算公式的思維方式，可以在極短的時(shí)間內(nèi)快速的掌握基本知識(shí)并用于解決問題?？稍诮虒W(xué)平臺(tái)中采用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)仿真，部分代碼如下：

yu= sign(x).*log(1+ u * abs(x))/log(1 + u);

for i=1:length(x)

if abs(x(i))<1/A

榮成—烏海高速，簡稱榮烏高速，榮烏高速是連接山東省榮成市和內(nèi)蒙古烏海市的高速公路，全長1 820 km。本文所選取的案例為榮烏高速河北徐水至淶源段營爾嶺隧道，該隧道設(shè)計(jì)為雙向六車道通行，采用分離式隧道施工的特長公路隧道，其中隧道左線長約5 656 m，隧道右線長約5 677.3 m。隧址區(qū)地形地貌復(fù)雜，山體走勢曲折；屬于丘陵地貌，剝蝕程度較低；受隧道所處山體的自然坡度大的影響，隧道線位內(nèi)相對高差達(dá)到913 m，其中最高處標(biāo)高1 618 m，最低處標(biāo)高705 m[1]。

ya(i)= A * x(i)/(1+log(A));

else

ya(i)= sign(x(i))* (1 + log(A * abs(x(i))))/(1+log(A));

end

end

如圖2所示：

圖2 A律13折線

圖3 μ律15折線

15折線非常逼近μ=255的對數(shù)壓縮特性。

學(xué)生在平臺(tái)進(jìn)行“μ壓縮律和A壓縮律”在線仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，平臺(tái)首先檢測學(xué)生代碼是否運(yùn)行成功，然后收集學(xué)生仿真數(shù)據(jù)，如量化誤差、最終生成圖像數(shù)目、仿真圖像包含曲線數(shù)目、折線數(shù)目、單條折線段的斜率、不同折線段的斜率總數(shù)、曲線折線通過的特殊點(diǎn)等等，統(tǒng)計(jì)分析并最終生成可視化學(xué)情報(bào)告反饋給教師與學(xué)生。

1.3 綜合類實(shí)踐仿真

教學(xué)平臺(tái)可以保留學(xué)生各學(xué)科各章節(jié)的仿真過程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析報(bào)告?；趩伍T課程的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，在教學(xué)平臺(tái)中可以將之前不同學(xué)科、不同編程環(huán)境的仿真結(jié)果模塊化或利用平臺(tái)已有的功能模塊，通過拖動(dòng)、連線等方式實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能，簡化重復(fù)的環(huán)節(jié)。

教師在教學(xué)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的發(fā)布過程中，可以加入某些模塊的參數(shù)設(shè)置說明作為輔助，包括模塊的作用，設(shè)置時(shí)需要注意的問題等，幫助學(xué)生理解、完成教學(xué)任務(wù)，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行拓展[5]。充分使用教學(xué)平臺(tái)，可以留出更多的時(shí)間與空間，給學(xué)生跨學(xué)科的創(chuàng)新實(shí)踐提供一個(gè)更好的平臺(tái)，也給教師設(shè)計(jì)綜合性強(qiáng)的課程設(shè)計(jì)提供參考，更好地銜接基礎(chǔ)課程知識(shí)。

1.4 虛擬學(xué)習(xí)助手

教學(xué)平臺(tái)也可以充當(dāng)虛擬學(xué)習(xí)助手的角色，基于云計(jì)算與云儲(chǔ)存手段，為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)資源如學(xué)科相關(guān)的文本閱讀資料、教學(xué)視頻等，基于同學(xué)的學(xué)情數(shù)據(jù)，因材施教，為其提供學(xué)習(xí)建議，推薦相關(guān)的拓展性學(xué)習(xí)材料，實(shí)現(xiàn)課前課后簡單的答疑與測試，幫助同學(xué)自主鞏固知識(shí)點(diǎn)，夯實(shí)基礎(chǔ)。

2 總結(jié)

在基于在線仿真的具體實(shí)踐教學(xué)中教師宜堅(jiān)持教材、教案等課件內(nèi)容不斷更新、充實(shí)[6]，與教學(xué)平臺(tái)提供的教學(xué)手段、仿真環(huán)境進(jìn)行銜接，強(qiáng)化理論與實(shí)踐教學(xué)相統(tǒng)一，持續(xù)優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和體系結(jié)構(gòu)，與國際教學(xué)方法手段同步[7]。利用人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)提供的教學(xué)輔助手段，幫助老師為每位同學(xué)提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)本科生在對本專業(yè)理論課程和實(shí)驗(yàn)課程掌握的基礎(chǔ)上著手進(jìn)行實(shí)際任務(wù)和工程設(shè)計(jì)工作，使學(xué)生們具有更寬廣的知識(shí)面和更扎實(shí)的設(shè)計(jì)功底。

[1] 安靜. 面向卓越工程師培養(yǎng)的“通信原理”教學(xué)改革與實(shí)踐, 微型電腦應(yīng)用，2014，30(11):44-46.

[2] 安靜等. 面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的“信息論與編碼”教學(xué)與實(shí)踐, 微型電腦應(yīng)用，2014，30(9):57-59.

[3] 徐明遠(yuǎn).MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用[M].西安： 西安電子科技大學(xué)出版社, 2014.

[4] 肖化武. “現(xiàn)代通信原理”課程教學(xué)改革探索[J].教育論壇,2009(25)：35.

[5] 張嗚,李白萍.Matlab仿真在通信原理課程中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012，29(11)：87-89.

[6] 岳繼光等,從實(shí)踐環(huán)節(jié)淺談自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新能力[C].2007年中國自動(dòng)化教育學(xué)術(shù)年會(huì),2007：234-236.

[7] 羅濤等.“通信原理”國際化教學(xué)方法探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2013，35(1):107-108.