李艷玲，孫昌霞，司海平，張 琦

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與管理科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450002）

0 引言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國(guó)家信息化教育戰(zhàn)略的重要實(shí)踐內(nèi)容，而加速信息化教學(xué)建設(shè)是很多高校“十三五”規(guī)劃的重要建設(shè)內(nèi)容之一[1]。高校建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的目的在于服務(wù)和發(fā)展學(xué)科專業(yè)建設(shè)[2]，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)突破了高校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向[3]。人工智能是在計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論等多學(xué)科研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的綜合性很強(qiáng)的交叉學(xué)科[4]，涉及的內(nèi)容廣，知識(shí)點(diǎn)多。人工智能課程難點(diǎn)在實(shí)踐，存在對(duì)于計(jì)算資源需求高，應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)框架環(huán)境多樣，大規(guī)模并行實(shí)驗(yàn)環(huán)境平臺(tái)搭建困難等諸多問題[5]，因此如何切實(shí)提升該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生學(xué)習(xí)本課程興趣度和學(xué)習(xí)效率是教學(xué)首要考慮的問題?；ヂ?lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)資源的出現(xiàn)，使得學(xué)生在理論知識(shí)獲取的方式上更加快捷、有效和靈活。相對(duì)于理論知識(shí)資源，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源由于受場(chǎng)地、時(shí)間等物理?xiàng)l件的限制，導(dǎo)致學(xué)生開展實(shí)踐性學(xué)習(xí)嚴(yán)重受限。在傳統(tǒng)模式下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源已經(jīng)越來越難以滿足理論教學(xué)的需求。根據(jù)調(diào)研，目前人工智能課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要存在以下問題：（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)置主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生無法通過實(shí)驗(yàn)課程提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)能力，不能適應(yīng)社會(huì)對(duì)培養(yǎng)富有實(shí)踐能力與創(chuàng)新思維的應(yīng)用型人才的需求。（2）實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源有限，物理設(shè)備無法有效開放共享，很難開展大型人工智能綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。（3）實(shí)驗(yàn)過程無法有效記錄和量化，難以評(píng)估學(xué)習(xí)效果。

為有效地解決上述問題，本文結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多樣性和靈活性特點(diǎn)，開展基于虛擬仿真的人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究。通過整合人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，開發(fā)人工智能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建多元化的考核評(píng)價(jià)體系，形成與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相輔相成、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。使學(xué)生隨時(shí)隨地通過實(shí)驗(yàn)來熟悉和掌握人工智能基本原理及方法，對(duì)人工智能的相關(guān)理論有更深刻認(rèn)識(shí)，同時(shí)可以使學(xué)生規(guī)范地掌握人工智能問題求解技術(shù)，在培養(yǎng)學(xué)生掌握人工智能實(shí)驗(yàn)的基本操作、基本技能和基本知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體系構(gòu)建

在深度分析學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)和人工智能課程培養(yǎng)能力需求的基礎(chǔ)上，在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和混合式學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)的基本原則，秉著實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，下面以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)章節(jié)為例。

（1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與導(dǎo)入。本章的知識(shí)點(diǎn)是基本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)本章內(nèi)容，設(shè)計(jì)兩個(gè)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：MNIST手寫數(shù)字識(shí)別（基于tensorflow實(shí)現(xiàn)單層神經(jīng)元和多層神經(jīng)元進(jìn)行MNIST數(shù)據(jù)集中的手寫數(shù)字識(shí)別）和CIFAR-10圖像識(shí)別（基于tensorflow的CIFAR-10數(shù)據(jù)集的圖像識(shí)別）。然后，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，導(dǎo)入這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目任務(wù)及目標(biāo)，讓學(xué)生對(duì)項(xiàng)目有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，然后再布置具體的學(xué)習(xí)任務(wù)；利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生明確自己應(yīng)當(dāng)完成的具體任務(wù)和完成任務(wù)后可以得到哪些知識(shí)以及達(dá)到什么樣的水平。

（2）實(shí)施計(jì)劃。學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上按照已經(jīng)制定好的計(jì)劃逐步完成項(xiàng)目任務(wù)（比如在基于MNIST數(shù)據(jù)集的手寫數(shù)字識(shí)別實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃步驟：①訓(xùn)練數(shù)字識(shí)別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本位圖；②反向傳播 BP算法；③神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建甌的表示；④使用誤差反向傳播算法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力；⑤神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完畢后，將網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)值保存起來供實(shí)際應(yīng)用）。教師借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生以及學(xué)生之間的交流。學(xué)生通過應(yīng)用已學(xué)習(xí)的知識(shí)完成工作任務(wù)，進(jìn)行知識(shí)的構(gòu)建，形成職業(yè)崗位能力。

（3）展示與評(píng)價(jià)。學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上展示自己的項(xiàng)目成果和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生通過對(duì)自己在實(shí)驗(yàn)紀(jì)律、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面的評(píng)價(jià)，各小組間進(jìn)行互評(píng)和監(jiān)督，教師結(jié)合學(xué)生和小組的評(píng)價(jià)以及實(shí)際課堂中的監(jiān)督情況，完成對(duì)學(xué)生的綜合評(píng)價(jià)，形成以學(xué)生為主體、小組間互評(píng)、教師啟發(fā)、引導(dǎo)、監(jiān)督的一種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)基于人工智能課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的管理，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了學(xué)生端，教師端，管理員端三大主題功能模塊和若干子功能模塊?！皩W(xué)生端首頁”子功能模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)課程實(shí)驗(yàn)的集成，包括課程實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)介紹、課程視頻的觀看、實(shí)踐項(xiàng)目的訓(xùn)練等。“個(gè)人中心”子功能模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生個(gè)人信息的管理包括個(gè)人基礎(chǔ)信息的添加、編輯、發(fā)布的信息、收到的通知信息以及實(shí)踐項(xiàng)目記錄。“教師端課程”管理模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)課程實(shí)驗(yàn)的管理包括類別的添加，課程實(shí)驗(yàn)的查詢、添加、刪除以及課程視頻的更新和編輯等功能。管理員端中“系統(tǒng)管理”設(shè)定角色類型和用戶的信息編輯?！敖處煿芾砟K”是設(shè)定教師角色并且對(duì)其信息進(jìn)行更改?！拜啿ス芾怼笔菍?duì)前端首頁中輪播圖進(jìn)行一系列的更新和刪除等操作。

1.3 人工智能課程實(shí)驗(yàn)功能設(shè)計(jì)

由于人工智能課程實(shí)驗(yàn)需要python編程環(huán)境，本文中使用Skulpt工具。Skulpt是一種可以完全依賴在瀏覽器端來模擬和實(shí)現(xiàn)Python語言操作的工具，其最大特點(diǎn)是不需任何預(yù)處理、插件及服務(wù)端的支持，只需直接通過Python語言進(jìn)行載入即可。由于編寫的Python代碼全部都是直接在瀏覽器窗口中被執(zhí)行出來的，所以用戶完全可以不必再擔(dān)憂“服務(wù)器崩潰”問題。

課程實(shí)驗(yàn)功能是核心功能模塊，能夠使學(xué)生在線學(xué)習(xí)人工智能實(shí)驗(yàn)課程，幫助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的練習(xí)。老師在后臺(tái)根據(jù)實(shí)際課程需要發(fā)布相應(yīng)的課程實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目。發(fā)布成功后，系統(tǒng)將課程呈現(xiàn)在前端頁面，方便學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)課程。學(xué)生可以進(jìn)入課程學(xué)習(xí)，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2 虛擬仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)和使用

基于人工智能課程的虛擬仿真平臺(tái)采用的開發(fā)工具為IDEA，采用的操作系統(tǒng)是Windows10操作系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)采用的是前端后端分離技術(shù)。系統(tǒng)前端頁面采用HTML、css、JavaScript；系統(tǒng)后臺(tái)軟件開發(fā)采用J2EE程序語言，數(shù)據(jù)庫MySQL8.0、SpringBoot技術(shù)、Mybatis技術(shù)；可視化工具采用的是SQLyog。

2.1 課程實(shí)驗(yàn)發(fā)布

創(chuàng)建課程實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，教師需要對(duì)課程實(shí)驗(yàn)的基本信息、實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟等進(jìn)行記錄與填寫。首先添加實(shí)驗(yàn)的信息，包括實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)步驟等。添加完成后，跳轉(zhuǎn)到創(chuàng)建成功的頁面中。當(dāng)教師保存完課程實(shí)驗(yàn)之后，課程實(shí)驗(yàn)管理列表就可以顯示出課程實(shí)驗(yàn)列表中的實(shí)驗(yàn)操作狀態(tài)為“修改，刪除”，教師可以選擇任意操作。如果選擇“修改”，就可以重新完善該課程實(shí)驗(yàn)信息。如果選擇“刪除”操作，就會(huì)把該實(shí)驗(yàn)信息從實(shí)驗(yàn)管理列表中刪除；如果選擇“修改視頻”，可單獨(dú)對(duì)課程實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)視頻進(jìn)行修改。此外，還可通過導(dǎo)入Excel表實(shí)行對(duì)課程實(shí)驗(yàn)信息的直接導(dǎo)入；對(duì)于導(dǎo)出功能，選定相關(guān)課程之后，點(diǎn)擊導(dǎo)航欄中的導(dǎo)出按鈕，就可以以圖片的形式對(duì)課程實(shí)驗(yàn)信息進(jìn)行導(dǎo)出。

2.2 課程實(shí)驗(yàn)操作

學(xué)生點(diǎn)擊登錄后，通過在前端用戶界面點(diǎn)擊課程，進(jìn)入課程，學(xué)習(xí)完相關(guān)的課程實(shí)驗(yàn)之后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，根據(jù)提示信息，了解實(shí)驗(yàn)任務(wù)以及實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面，編寫代碼并運(yùn)行。

本文為了更好地展示課程實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)效果，以經(jīng)典人工智能過河問題實(shí)驗(yàn)進(jìn)行闡述。學(xué)生可以在平臺(tái)中瀏覽實(shí)驗(yàn)介紹和實(shí)驗(yàn)步驟。實(shí)驗(yàn)介紹如下：

本實(shí)驗(yàn)需要解決的是一般情況下的傳教士和野人問題（M-C問題）。通過對(duì)問題的一般化，我們用一個(gè)三元組定義了問題的狀態(tài)空間，并根據(jù)約束條件制定了一系列的操作規(guī)則，最后通過兩個(gè)啟發(fā)式函數(shù)，來優(yōu)化搜索過程，并通過討論，探究?jī)蓚€(gè)函數(shù)是否能夠求取到最優(yōu)解。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：有N個(gè)傳教士和N個(gè)野人需要過河，在河邊有一條船，船上每次至多乘坐k人。為了傳教士的安全考慮，需要如何規(guī)劃過河方案，使得在任何時(shí)候，都能夠保證河兩岸以及船上的野人數(shù)目總是不超過傳教士的數(shù)目（否則不安全，傳教士有可能被野人吃掉）。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模呵蠼馐沟脗鹘淌亢鸵叭藦淖蟀度砍舜^河到右岸的過程中，不管在任何時(shí)刻都滿足M（傳教士數(shù)）≥C（野人數(shù)）和M+C≤k的過河方案。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）設(shè)置狀態(tài)變量并確定值域。M為傳教士人數(shù)，C為野人人數(shù)，B為船數(shù)，要求M>=C且M,C<=3，L表示左岸，R表示右岸。

（2）確定狀態(tài)組，列出初始狀態(tài)集和目標(biāo)狀態(tài)集?？梢杂萌M來表示：（ML,CL,BL）（均為左岸狀態(tài)）其中0<=ML<=3，0<=CL<=3，BL∈{0,1}，S0：(3,3,1)—->Sg：(0,0,0)，S0是初始狀態(tài)，表示所有的野人和傳教士都在河的左岸；Sg是目標(biāo)狀態(tài)，表示全部成員都從河的左岸坐船到了右岸。

（3）定義并確定規(guī)則集合。以河的左岸為基點(diǎn)來考慮，定義操作Pij為：把船從左岸劃向右岸。其中，i表示船上坐的傳教士人數(shù)，j表示船上坐的野人數(shù)；同理，定義操作Qij為：把船從右岸劃回左岸，下標(biāo)的定義同前。

然后學(xué)生在運(yùn)行實(shí)驗(yàn)界面編寫本實(shí)驗(yàn)的代碼。學(xué)生點(diǎn)擊運(yùn)行代碼之后，頁面調(diào)用skupt.js以及網(wǎng)頁內(nèi)相關(guān)函數(shù)，保證代碼可以正常運(yùn)行。輸入代碼后運(yùn)行結(jié)果如下：

第1條路：

[(3,3,1),(3,1,0),(3,2,1),(3,0,0),(3,1,1),(1,1,0),(2,2,1),(0,2,0),(0,3,1),(0,1,0),(0,2,1),(0,0,0)]

第2條路：

[(3,3,1),(3,1,0),(3,2,1),(3,0,0),(3,1,1),(1,1,0),(2,2,1),(0,2,0),(0,3,1),(0,1,0),(1,1,1),(0,0,0)]

第3條路：

[(3,3,1),(2,2,0),(3,2,1),(3,0,0),(3,1,1),(1,1,0),(2,2,1),(0,2,0),(0,3,1),(0,1,0),(0,2,1),(0,0,0)]

第4條路：

[(3,3,1),(2,2,0),(3,2,1),(3,0,0),(3,1,1),(1,1,0),(2,2,1),(0,2,0),(0,3,1),(0,1,0),(1,1,1),(0,0,0)]

如果代碼錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)提示相關(guān)錯(cuò)誤。

2.3 虛擬仿真平臺(tái)的使用

教師進(jìn)行虛擬人工智能實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論教學(xué)，并且在平臺(tái)上上傳相關(guān)數(shù)字化資料如微課、視頻、文獻(xiàn)等，學(xué)生通過平臺(tái)進(jìn)行理論知識(shí)的個(gè)性化學(xué)習(xí)。老師可以進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，比如：學(xué)生只有通過理論知識(shí)的自測(cè)，才能認(rèn)為已經(jīng)掌握了相關(guān)實(shí)驗(yàn)理論，才能進(jìn)入之后的環(huán)節(jié)。

學(xué)生在計(jì)算機(jī)終端通過賬號(hào)密碼登錄進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生首先通過實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)實(shí)驗(yàn)有個(gè)大致的了解，然后在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，參考實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和代碼編寫，讓學(xué)生通過交互模式以第一視角體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作。平臺(tái)將對(duì)學(xué)生的操作痕跡（如是否按照實(shí)驗(yàn)步驟操作、是否符合操作規(guī)范）進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)。

平臺(tái)自動(dòng)記錄、跟蹤、評(píng)價(jià)學(xué)生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果，教師通過平臺(tái)可以查看學(xué)生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的成績(jī)及各步驟的得分情況，并對(duì)學(xué)生輸出的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行批改。

3 結(jié)語

本文針對(duì)人工智能課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的學(xué)生不能隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的問題，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，探索了信息化教學(xué)中的技術(shù)與教學(xué)深度融合的途徑。通過該平臺(tái)的實(shí)施，可以拓展人工智能課程實(shí)踐教學(xué)的廣度和深度、延伸人工智能課程實(shí)踐教學(xué)的時(shí)間和空間、提升人工智能課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)施，可以與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形成相輔相成、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。