王龐偉， 王天任， 劉小明， 張名芳， 熊昌鎮(zhèn)

（北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，北京 100144）

0 引 言

在新工科建設(shè)背景下，人工智能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對高校人才培養(yǎng)模式帶來重要挑戰(zhàn)和機遇。根據(jù)Element AI《全球AI 人才報告》、清華大學(xué)《中國人工智能發(fā)展報告》顯示，歐美等發(fā)達(dá)國家在人工智能產(chǎn)業(yè)人才規(guī)模上仍處于世界前列，我國人工智能領(lǐng)域的人才梯隊基礎(chǔ)尚薄弱［1-2］。由此，2018 年教育部出臺《教育信息化2.0 行動計劃》指出，高校要加快建設(shè)智能教學(xué)體系，構(gòu)建線上多模式課堂、虛擬仿真實驗室等智能學(xué)習(xí)空間，推進智能技術(shù)深度融入教育教學(xué)全過程［3］。隨著人工智能產(chǎn)業(yè)對人才質(zhì)量要求的不斷提升，高校需要培養(yǎng)更多具備理論創(chuàng)新能力與實踐技能的綜合型人才，因此建立適合人工智能產(chǎn)業(yè)需求的新型課程體系與實踐教學(xué)系統(tǒng)成為教學(xué)改革探索新趨勢。在這一背景下，數(shù)字孿生、邊緣計算與云平臺等新興技術(shù)為人才培養(yǎng)與實踐教學(xué)模式改革提供了新的視角和創(chuàng)新路徑［4-9］。目前，北京航空航天大學(xué)等多所高校結(jié)合數(shù)字孿生構(gòu)建基于人工智能和邊緣計算的貫通式實踐教學(xué)模式，采用虛實結(jié)合、理論與實踐結(jié)合、產(chǎn)教融合等方法［10-13］，結(jié)合專業(yè)課程建立數(shù)字孿生課堂，打造沉浸式學(xué)習(xí)體驗，并結(jié)合產(chǎn)業(yè)應(yīng)用構(gòu)建數(shù)字孿生實驗室，構(gòu)筑虛擬現(xiàn)實操作空間，提高學(xué)生分析、解決問題的能力及實踐能力［14-17］。同時在云平臺上進行線上教學(xué)，集成課程案例庫等資源，為實踐環(huán)節(jié)提供技術(shù)支撐。

本文以智能交通實驗室實踐教學(xué)為例，依托現(xiàn)有基礎(chǔ)，深入研究基于數(shù)字孿生技術(shù)的實踐教學(xué)模式，構(gòu)建“多主體、多維度、多層次”的立體人才培養(yǎng)體系，打造面向人工智能多場景應(yīng)用與多學(xué)科交叉融合的數(shù)字孿生實踐教學(xué)系統(tǒng)。

1 人工智能產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)模式

針對人工智能產(chǎn)業(yè)牽引下新工科專業(yè)人才培養(yǎng)所面臨的問題，圍繞數(shù)字孿生、邊緣計算、虛擬現(xiàn)實等關(guān)鍵技術(shù)和核心需求，與行業(yè)知名企業(yè)、科研院所等多主體展開深入合作，探索基于數(shù)字孿生技術(shù)的理論課程體系、實踐創(chuàng)新平臺建設(shè)及人才培養(yǎng)模式，形成以綜合工程實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系，對國內(nèi)高校新工科專業(yè)人才建設(shè)起到示范效應(yīng)，并帶動人工智能等相關(guān)專業(yè)發(fā)展。人才培養(yǎng)模式結(jié)構(gòu)如圖1 所示，具體研究內(nèi)容包括。

圖1 人才培養(yǎng)模式結(jié)構(gòu)

（1）建設(shè)符合人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“雙閉環(huán)”理論課程體系，以課程理論知識為載體，將產(chǎn)業(yè)理念、產(chǎn)業(yè)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)案例融入課程建設(shè)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，云計算等前沿高新技術(shù)建設(shè)新工科專業(yè)特色課程，提出數(shù)字孿生課堂教學(xué)革新方法，提高學(xué)生對理論知識的實踐、運用、創(chuàng)新能力。

（2）融合場景化實踐內(nèi)容和校內(nèi)外實訓(xùn)基地構(gòu)建新型“雙映射”數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺，依托實際工程應(yīng)用案例集，整合高校實驗室資源，建立以數(shù)字孿生技術(shù)實踐系統(tǒng)為核心的多場景驅(qū)動的創(chuàng)新實踐模式，形成從校內(nèi)工程實踐教育到企業(yè)項目實踐貫通式培養(yǎng)路徑，完善以綜合工程實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的人才培養(yǎng)體系。

（3）以人工智能相關(guān)領(lǐng)域不同職業(yè)崗位群的實際需要為出發(fā)點，大力推進智能產(chǎn)業(yè)賦能高校教育行業(yè)升級，關(guān)注社會對專業(yè)人才核心需求，與企業(yè)、科研院所等用人單位展開深入合作，探索基于人工智能產(chǎn)業(yè)牽引的實踐創(chuàng)新基地建設(shè)及人才培養(yǎng)模式，構(gòu)建融合專業(yè)基礎(chǔ)、場景化實驗、工程實訓(xùn)、企業(yè)實踐的“多主體、多維度、多層次”的立體人才培養(yǎng)體系。

2 數(shù)字孿生實踐教學(xué)模式建設(shè)方案

2.1 “雙閉環(huán)”課程體系建設(shè)

2.1.1 課程體系建設(shè)方法

課程體系分別從教師教學(xué)過程、學(xué)生學(xué)習(xí)過程出發(fā)，將數(shù)字孿生技術(shù)深度貫穿課堂理論教學(xué)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿技術(shù)建設(shè)新工科專業(yè)特色課程，提出數(shù)字孿生課堂教學(xué)革新方法，提高學(xué)生對理論知識的實踐、運用、創(chuàng)新能力，形成以掌握理論應(yīng)用為目標(biāo)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)體系；同時深度推進產(chǎn)教融合，建立與校外企業(yè)、科研院所聯(lián)動和可持續(xù)發(fā)展的合作機制，充分發(fā)揮校外實踐基地在工程項目案例、項目實踐培訓(xùn)、創(chuàng)新理論支撐、新技術(shù)應(yīng)用等方面優(yōu)勢建立數(shù)字孿生場景化實驗方法，校企共同參與教學(xué)改革，形成產(chǎn)教融合牽引的閉環(huán)結(jié)構(gòu)實踐教學(xué)體系，從而實現(xiàn)產(chǎn)教融合課程體系“雙閉環(huán)”。

2.1.2 課程體系建設(shè)內(nèi)容

課程體系面向人工智能產(chǎn)業(yè)人才需求，針對人工智能產(chǎn)業(yè)特性，以“專業(yè)能力掌握”程度為目標(biāo)，建設(shè)更具普適性與推廣性的課程體系。如圖2 所示，本專業(yè)課程體系建設(shè)的基本策略是建立“理論教學(xué)—數(shù)字孿生課堂—理論應(yīng)用—理論案例集生成”理論教學(xué)模式，同時形成“實踐教學(xué)—數(shù)字孿生場景實驗—工程實訓(xùn)—實踐案例集生成”實踐教學(xué)的“雙閉環(huán)”課程體系。課程體系以完整的人工智能知識體系為基礎(chǔ)，以培養(yǎng)學(xué)生實踐能力為目標(biāo)，理論與實踐并重，應(yīng)用與創(chuàng)新共生，精心配置各個數(shù)字孿生課堂模塊，構(gòu)建面向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的數(shù)字孿生實驗案例集。課程體系秉承將課程的實踐性和應(yīng)用性貫穿學(xué)生培養(yǎng)始終，且在課程體系建設(shè)過程中不斷融入人工智能產(chǎn)業(yè)最新技術(shù)變革成果，打造基于數(shù)字孿生技術(shù)的理論教學(xué)以及實踐訓(xùn)練并重的階梯式能力提升環(huán)境。

圖2 產(chǎn)教融合“雙閉環(huán)”課程體系

2.2 數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺構(gòu)建

2.2.1 數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺建設(shè)方法

結(jié)合人工智能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展需求，根據(jù)人工智能應(yīng)用案例的現(xiàn)場可復(fù)現(xiàn)性，建設(shè)多場景數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺，將虛擬仿真場景型實驗室和實際工程型實驗室有機結(jié)合，并將課程理論知識和實驗數(shù)據(jù)建立映射關(guān)系，形成新型數(shù)字孿生實踐教學(xué)運行平臺。建立以學(xué)生專業(yè)理論與課程實踐為中心，綜合工程實踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)的專業(yè)基礎(chǔ)實驗室、場景型實驗室、工程型實驗室、企業(yè)實踐創(chuàng)新基地階梯式實踐能力培養(yǎng)模式，由實踐內(nèi)容再與工程案例建立映射關(guān)系，從而實現(xiàn)數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺“雙映射”。數(shù)字孿生“雙映射”平行控制方法如下［21］。

平行控制方法中，系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

系統(tǒng)的控制方程為

式中：x是狀態(tài)向量；u是控制向量。通過上式實現(xiàn)控制系統(tǒng)與被控系統(tǒng)在數(shù)學(xué)形式上的等價映射，是數(shù)字孿生系統(tǒng)物理—數(shù)字空間“雙映射”平行控制的基礎(chǔ)。

上式可進一步寫為

式中：z=［xT，uT］T；G（·）=［f（·）T，h（·）T］。式（3）為平行控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法之間建立了聯(lián)系，通過引入帶有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多種人工智能算法，解決數(shù)字孿生系統(tǒng)中大量的非線性規(guī)劃問題，如圖3 所示。

圖3 數(shù)字孿生系統(tǒng)平行控制架構(gòu)

2.2.2 數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺建設(shè)內(nèi)容

本項目實踐平臺面向人工智能典型應(yīng)用案例，將數(shù)字孿生場景結(jié)合實踐教學(xué)內(nèi)容，緊扣產(chǎn)教融合人才專業(yè)能力要求，構(gòu)建“專業(yè)實踐內(nèi)容—數(shù)字孿生場景”和“數(shù)字孿生場景—實際項目應(yīng)用”的“雙映射”實踐教學(xué)平臺，如圖4 所示。該平臺的設(shè)計具有以下特點：

圖4 人工智能專業(yè)數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺

（1）面向產(chǎn)業(yè)需求建立實踐教學(xué)大綱。結(jié)合專業(yè)教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)人才專業(yè)需求對人工智能專業(yè)核心課程建立實踐教學(xué)大綱，以理論課程與產(chǎn)業(yè)典型應(yīng)用為實踐教學(xué)案例，應(yīng)用數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺設(shè)計相關(guān)實驗。

（2）建立模塊化實踐方案。在數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺中對學(xué)生實踐內(nèi)容進行模塊化設(shè)計，學(xué)生在實踐過程中對系統(tǒng)模塊進行調(diào)用并結(jié)合人工智能方法來完成實驗。同時引入開源資源后形成“專業(yè)實踐內(nèi)容—數(shù)字孿生場景”的映射，為學(xué)生參與課程實踐提供產(chǎn)業(yè)案例庫和軟硬件支持。

（3）對接實際項目，重視與校內(nèi)外實踐基地相結(jié)合。積極對接校外實踐基地資源，加入行業(yè)領(lǐng)域代表性企事業(yè)單位、科研院所典型項目案例，形成“數(shù)字孿生場景—實際項目應(yīng)用”的映射，組織學(xué)生參與到項目方案設(shè)計、軟硬件開發(fā)、結(jié)題驗收等各個環(huán)節(jié)。

2.2.3 “智能駕駛技術(shù)”課程實踐案例

（1）數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺物理—數(shù)字空間實驗場景構(gòu)建。數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺依托智能交通沙盤、邊緣計算設(shè)備與通信設(shè)備構(gòu)建物理空間場景。智能交通沙盤包含城市路網(wǎng)的基礎(chǔ)道路設(shè)施與通信設(shè)備，并基于邊緣計算設(shè)備實現(xiàn)多源傳感器數(shù)據(jù)融合、車路協(xié)同控制、交通信號控制、通信數(shù)據(jù)解析，有效提高物理世界整體運行效率。

數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺依托PreScan與Matlab聯(lián)合仿真軟件搭建數(shù)字孿生場景（見圖5）。在聯(lián)合仿真軟件中設(shè)置智能交通沙盤與智能小車在數(shù)字孿生場景中的環(huán)境特征與車輛參數(shù)（見圖6）。數(shù)字孿生空間開放硬件通信設(shè)備接口連接真實物理空間的路側(cè)邊緣系統(tǒng)實現(xiàn)物理—數(shù)字空間雙向數(shù)據(jù)交互，在平臺聯(lián)合仿真軟件上對物理—數(shù)字空間的智能小車進行聯(lián)調(diào)，控制沙盤智能小車的行駛狀態(tài)與數(shù)字孿生車輛狀態(tài)保持一致（見圖7）。

圖5 智能交通沙盤與數(shù)字孿生場景

圖6 車輛動力學(xué)模型與車輛參數(shù)設(shè)置

圖7 智能小車與數(shù)字孿生車輛

（2）數(shù)字孿生課程云平臺資源庫構(gòu)建。由校內(nèi)外教師、科研專家、企業(yè)工程專家組成的教學(xué)委員會在云平臺上進行線上教學(xué)，共同完成產(chǎn)教融合“雙閉環(huán)”課程體系內(nèi)的核心課程教學(xué)內(nèi)容。如圖8 所示，教學(xué)委員會將“智能駕駛技術(shù)”課程中自適應(yīng)巡航控制理論章節(jié)的課程庫導(dǎo)入，將形成數(shù)字孿生課程的教學(xué)材料上傳至云平臺課程庫，學(xué)生可進入云平臺完成教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和作業(yè)提交，并通過云平臺后臺進行答疑。在云平臺建立數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺所需的模型庫與工程庫，為學(xué)生實踐環(huán)節(jié)提供海量工程案例資源和數(shù)字孿生模型支持，方便學(xué)生調(diào)用。通過云平臺線上協(xié)同，對接行業(yè)實際典型項目案例，學(xué)生可以在線上參與項目的方案設(shè)計、軟硬件開發(fā)、成果驗收等各個環(huán)節(jié)，提高學(xué)生創(chuàng)新實踐能力。

圖8 智能車自適應(yīng)巡航控制理論課程庫導(dǎo)入

（3）數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺實踐。在數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺開展人工智能實驗，要求學(xué)生解決人工智能產(chǎn)業(yè)牽引的交通集成項目中車路云協(xié)同控制、人機界面設(shè)計等多學(xué)科交叉問題，提高面向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的軟硬件技術(shù)水平，增強實際項目的實踐開發(fā)與運營能力。如圖9 所示為學(xué)生依托數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺進行“智能駕駛技術(shù)”課程實踐環(huán)節(jié)的數(shù)字孿生車輛與沙盤智能小車的啟停、加減速、編隊控制、車路協(xié)同等人工智能實驗，在實驗中學(xué)生通過操作駕駛模擬器對數(shù)字孿生車輛進行駕駛，有效提高實踐參與度與學(xué)習(xí)積極性。

3 數(shù)字孿生實踐教學(xué)模式的建設(shè)效果

數(shù)字孿生課程體系與數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺建成以后，在促進學(xué)生學(xué)習(xí)、實踐參與、競賽成果等多方面發(fā)揮了重要作用，較傳統(tǒng)培養(yǎng)模式取得了更好的效果。

（1）學(xué)習(xí)態(tài)度與專業(yè)認(rèn)知。通過應(yīng)用數(shù)字孿生場景化課堂教學(xué)革新方法、增設(shè)面向人工智能專業(yè)產(chǎn)教融合特色課程與實際案例教學(xué)、云平臺線上協(xié)同教學(xué)，打破傳統(tǒng)人才培養(yǎng)中課本理論內(nèi)容的局限，緊密契合學(xué)生課程學(xué)習(xí)需求，提高了學(xué)生在課堂上的積極性。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生對人工智能領(lǐng)域?qū)I(yè)課程有了更加明確的目標(biāo)與認(rèn)知，學(xué)習(xí)目標(biāo)開始由通過考試向提高專業(yè)水平轉(zhuǎn)變。數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺將理論與實踐具象化，加深學(xué)生對專業(yè)實踐的認(rèn)知。同時，數(shù)字孿生實踐教學(xué)模式以專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H需要為出發(fā)點，對學(xué)生按興趣方向進行專業(yè)能力培養(yǎng)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)態(tài)度和專業(yè)認(rèn)知方面較傳統(tǒng)培養(yǎng)模式有顯著提高。

（2）實踐參與度與課程滿意度。學(xué)生通過數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺，在數(shù)字空間可以直接進行實驗操作、沉浸式感受實驗的動態(tài)效果，并參與課程實驗設(shè)計與企業(yè)項目實踐。學(xué)生在數(shù)字場景中反復(fù)實踐，并可在實驗室中加以復(fù)現(xiàn)，得到充分實踐鍛煉，有效激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造熱情，學(xué)生的實踐參與度和課程滿意度較傳統(tǒng)培養(yǎng)模式有顯著提高。

（3）學(xué)習(xí)成績與競賽獲獎。學(xué)生的綜合成績評價標(biāo)準(zhǔn)由上課考勤與表現(xiàn)成績、課程實驗成績、期末成績等加權(quán)得到。通過數(shù)字孿生實踐教學(xué)模式的應(yīng)用，學(xué)生在課上表現(xiàn)與實驗成績明顯提高，對課程理解更加深入，專業(yè)學(xué)生的期末成績有整體提高。數(shù)字孿生實踐教學(xué)平臺已成為學(xué)生參與各類賽事的重要載體與組成部分，學(xué)生依托該平臺在全國電子設(shè)計競賽，全國交通科技大賽，中國機器人大賽等賽事中多次取得國家級、省部級獎勵，參賽人數(shù)與獲獎比例較傳統(tǒng)培養(yǎng)模式有顯著提高。

4 結(jié) 語

針對當(dāng)前新工科背景下課程教學(xué)與實踐特點，結(jié)合新型數(shù)字化產(chǎn)業(yè)需求，進行基于數(shù)字孿生的人工智能產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)模式研究，并得到初步運行效果。綜合大數(shù)據(jù)、邊緣計算等跨學(xué)科專業(yè)構(gòu)建的產(chǎn)教深度融合、人工智能創(chuàng)新應(yīng)用型課程體系與實踐教學(xué)平臺，能夠有效提高學(xué)生的理論創(chuàng)新水平和綜合實踐能力，調(diào)動學(xué)生參與專業(yè)學(xué)習(xí)的熱情，不斷增強面向就業(yè)的實際業(yè)務(wù)能力，達(dá)到傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式難以達(dá)成的效果。此模式的應(yīng)用與推廣將為其他高校提供更好的借鑒和引領(lǐng)帶動作用。