張雅靜，張景輝

（煙臺大學計算機與控制工程學院，煙臺 山東 264005）

1 創(chuàng)新教育

1.1 研究背景

人工智能和知識經(jīng)濟時代的當下，創(chuàng)新決定著大到整個國家和民族、小到個人的綜合競爭能力[1]。創(chuàng)新教育不僅僅是大學生的教育，更應該從小抓起。然而目前對創(chuàng)新教育缺乏系統(tǒng)的總結與理論研究[2]。本文以人工智能專業(yè)的背景和工科思維的邏輯來分析創(chuàng)新教育體系，用系統(tǒng)思維對創(chuàng)新教育的工作進行建模研究，對創(chuàng)新教育的發(fā)展具有非同尋常的意義。

1.2 國內外研究現(xiàn)狀

在創(chuàng)新教育領域，比較成熟的創(chuàng)新教育理念有STEAM，創(chuàng)新教育實踐有創(chuàng)客教育，創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系有歐林工學院的歐林體系[3]。

STEAM教育理念是美國最先提出的一種教育理念，它的目的就是培養(yǎng)孩子的綜合實踐能力。STEAM教育的核心是培養(yǎng)一種幫助孩子發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，實現(xiàn)創(chuàng)新的思維方法。創(chuàng)客教育是STEAM教育的理論實踐部分。

歐林體系起源于美國歐林工學院。該體系將融合了多門學科，注重培養(yǎng)團隊合作精神，專注于訓練創(chuàng)新思維，實現(xiàn)創(chuàng)新工程，將思維與工程結合起來，主要特點就是動手實踐和啟發(fā)式教學，以提升學生全面綜合素養(yǎng)為最終目的。

1.3 創(chuàng)新教育現(xiàn)狀

創(chuàng)新教育本著從小培養(yǎng)的理念，其目的是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新學習能力，以適應人工智能時代的需要。創(chuàng)新學習能力的發(fā)展包括對各學科學習能力、思辨能力、邏輯思維與實踐能力的培養(yǎng)。目前國內外以實踐和定性研究為主，尚未有關于學生創(chuàng)新學習能力的定量研究。

2 創(chuàng)新教育影響因素

影響創(chuàng)新教育發(fā)展有多種因素。本文選取最主要的四個因素來進行系統(tǒng)的構建與分析，分別為課程體系、教學規(guī)模、學生能力以及教資水平。

（1）課程體系。課程體系是指在一定的教育價值理念指導下，將課程的各個構成要素加以排列組合，使各個課程要素在動態(tài)過程中統(tǒng)一指向課程體系目標實現(xiàn)的系統(tǒng)。創(chuàng)新課程體系的調整制約著學生創(chuàng)新能力的發(fā)展方向。

（2）教學規(guī)?！，F(xiàn)實情況下，教學規(guī)模不止包含了學生數(shù)量，還有教育經(jīng)費、教學器材數(shù)量及規(guī)模等因素。教學規(guī)模的大小影響了創(chuàng)新教育的規(guī)模。

（3）學生能力。學生本身的綜合能力也影響著青少年創(chuàng)新教育的進一步發(fā)展。有能力基礎和毫無課程經(jīng)驗的學生，其課堂表現(xiàn)和創(chuàng)新能力提高的程度有差異。

（4）教資水平。教資水平的高低直接影響了青少年創(chuàng)新教育的發(fā)展程度。好的師資善于引導學生的興趣，甚至在沒有教學條件的情況下創(chuàng)造出超常的教學效果。相反，水平較低的師資也有可能會泯滅學生的興趣，阻礙學生的發(fā)展。

3 控制方案的設計

3.1 建模思路

在整個教育系統(tǒng)中，學生需要通過一定時間的學習才能到達穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)中的任何一個輸入量、干擾量都可以對控制對象的創(chuàng)新能力發(fā)展產(chǎn)生影響，每個變量對其影響都符合泊松分布。系統(tǒng)建模目標是：系統(tǒng)對學生創(chuàng)新能力的發(fā)展促進效果越大越好，但是由于多種因素（人文、課程、政策、心態(tài)、本身能力等）的不確定性，因此，本章采用隨機模擬的方法來建立系統(tǒng)。

3.2 建模方法

3.2.1 被控對象的選擇

表1 被控對象與操縱方式

3.2.2 創(chuàng)新教育系統(tǒng)的總控制方框圖

圖1 創(chuàng)新教育系統(tǒng)的控制方框圖

在本設計建立的系統(tǒng)方框圖中，被控對象即已提到的影響青少年創(chuàng)新教育體系的若干主要因素：課程體系、教學規(guī)模、學生、教師等。所謂的控制器其實就是實現(xiàn)對被控對象的調整，而“反饋測量變送器”就是根據(jù)出勤率、課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、答疑情況等綜合起來的學生表現(xiàn)而設立一種實時反饋機制，經(jīng)過課程前后學生的創(chuàng)新能力發(fā)展情況的對比，如果沒有達到預期目標，則通過人為控制調整各方面因素，直至達到預期并且學生的進步保持穩(wěn)態(tài)。

4 創(chuàng)新教育模型分析與建立

4.1 系統(tǒng)建模

假設：①設初階學生處于中小學階段，高階學生處于大學階段。②模型分析時只以客觀因素為依據(jù)，不考慮師生心理等相關因素。③各因素之間除特殊說明外，相互之間沒有交互作用及耦合關系。

本設計主要客觀因素包括課程體系、教學規(guī)模、學生、教師、教資水平等。由于不同學校對于創(chuàng)新教育投入資源不同，分配資源較多的學校的各方面數(shù)據(jù)普遍高于其他學校，創(chuàng)新教育結果值就會偏高。為調整這方面帶來的偏差，引入資源修正的概念。

圖2為創(chuàng)新人才培養(yǎng)模型框圖。由圖2可見，學生經(jīng)過創(chuàng)新課程體系的建立，在校內和校外課程的共同學習下，經(jīng)過等級考試、創(chuàng)新競賽等檢驗，成長為創(chuàng)新性人才，并通過項目探究等科學實踐反饋到輸入端，成為閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中，教學規(guī)模和教資水平為重要的干擾因素。為建模需要，將相關變量命名如表2所示。

圖2 創(chuàng)新人才培養(yǎng)系統(tǒng)模型框圖

表2 變量符號列表

則由上述模型簡化，分解為校內與校外兩組傳遞函數(shù)G1（S）和G2（S）。

求解模型傳遞函數(shù)：

由于各參數(shù)中，校內課程及其課程體系相對穩(wěn)定，設為定常系數(shù)。校外課程、校內教資水平與校外教資水平均屬于為時間的函數(shù)，經(jīng)拉普拉斯變換，取為一階慣性環(huán)節(jié)。故根據(jù)相關因素關系簡化總的傳遞函數(shù)為：

其中，

則，經(jīng)過計算，傳遞函數(shù)可近似為：

4.2 系統(tǒng)仿真及穩(wěn)定性分析

本文作者經(jīng)過從小學、中心到大學近兩年的教學實踐采集了大量的數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)模型，輸入所采集數(shù)據(jù)，用MATLAB做了系統(tǒng)仿真實驗。實驗結果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)模型仿真圖

由仿真圖可知該數(shù)學模型符合單位脈沖響應；并且可得到系統(tǒng)超調量σ%=4.28%，調節(jié)時間ts=1.47（Δ=2%）。

通過Matlab仿真，可以得出本文建立的數(shù)學模型是穩(wěn)定的。

5 結束語

本文結合人工智能相關專業(yè)知識和教育學理論，通過分析課程體系和教學規(guī)模等相關因素影響下創(chuàng)新教育系統(tǒng)的特點，用自動控制系統(tǒng)理論對創(chuàng)新教育體系進行了建模。以MATLAB為工具進行仿真并且驗證了其穩(wěn)定性。未來的教育，不再是關在教室里面的教育，應該是走出課堂，重于實踐和創(chuàng)新思維發(fā)展的教育。未來的競爭將會是創(chuàng)新能力的競爭，有創(chuàng)新思維和能力的人才在競爭中才會獲得優(yōu)勢。