新时代“思”“专”一体化课程建设——基于《多传感器信息融合》

金学波，苏婷立，姜露，孔建磊，白玉廷

（北京工商大学 人工智能学院，北京）

一 “多源信息融合”课程建设的必要性

近年来，由于多传感器技术的快速发展及其在信息化、智能化领域中的广泛应用，关于信息融合的相关研究已经在多个军用和民用领域取得了重要的应用价值。作为研究生及高年级本科生的重要专业知识，清华大学、北京大学、北京理工大学、西安交通大学、北京工商大学等几十所高等院校开设了“多传感器信息融合”相关课程。笔者作为主讲教师已经讲授该课程10余年，积累了丰富的教学经验，并和各大院校该课程的讲授教师进行广泛而深入的交流。经过探讨，我们认为该课程已经有了较好的教学基础，为了适应新时期课程思政的教育任务和目标，进一步夯实学生掌握多传感器信息融合理论、方法和技术，该课程的课程改革与建设仍不容忽视。目前在以下几个方面急需进行建设：

（一） 构建课程思政体系

2020年5月，教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》，明确指出“培养什么人、怎样培养人、为谁培养人是教育的根本问题，立德树人成效是检验高校一切工作的根本标准[1]。”现阶段，“课程思政”的教学改革主要实践于本科教育阶段，与研究生相关的“课程思政”已经成为新时代教育教学研究的重要方向[1-3]。教育者们已经达成共识，研究生思政教育不容忽视，作为新时代创新体系人才的主力军，研究生思想政治教育内容和质量更是社会主义建设中教育的内容重要组成部分[4]。研究生的课程思政设计的关键在于科学的融入专业课程，高效发挥课程的育人功效[5]。

（二） 重塑教学知识框架

信息融合技术[6]是由美国国防部三军实验室联合理事，覆盖检测级融合、位置级融合、目标识别（属性）融合、态势估计和威胁估计等融合级别，是一个非常典型的军事应用。随着传感器技术的发展，目前多传感器信息融合技术已经应用到了很多民用系统中，例如物联网系统，无人系统等[7]。因此，该课程的讲授内容，既应包括传统的信息融合军事应用背景的知识，也应包括民用多传感器智能系统所需的知识。另一方面，信息融合理论和方法包括信号处理技术、估计理论和方法、智能决策等，内容多、理论深、难度大。因此，需要进行合理的内容选择，培养学生具有“多传感器融合与感知技术”的科技前沿视角，使学生构建多传感器相关理论、方法及技术的整体知识框架，保证学生能够掌握多传感器融合与感知技术的重要知识点。

（三） 增加创新实验和实践

由于信息融合技术，知识体系庞大且涉及估计、决策等理论方法，使得该门课程对学生的数学基础要求高。在学习的过程中，学生普遍反映该课程理论难度较大。另一方面，近年来，信息融合技术在多个实际系统中取得了较好的应用效果，多传感器信息融合技术的工程意义逐渐凸显。教学实践表明，仅包含理论教学会导致学生学习过程中要么眼花缭乱、理不清头绪，导致一学期过后，还是不知道学了什么；要么只学会了几个公式，却无法掌握多传感器融合技术的整体框架，无法举一反三、真正解决实际问题。必须加强该课程的实验教学设计，选择合适的实验内容及创新训练方式。因此，信息融合技术教学重点既应该包含理论知识的传授，又包含解决实际问题的创新能力的培养。

（四） 建设完善的课程资料

虽然该课程在多所院校进行了多年的讲授，但是从教学资料来看，还需要进行全面统一的建设。例如，在教材方面，已经出版的教材和资料多是以军事背景为主，不适合大多数民用背景的普通高等院校。其他教学资料包括课程网站、电子教材、习题库、案例库、实验等内容也较为缺乏。近年来，无人系统等新智能体的涌现、人工智能等技术的广泛应用，使得多传感器系统在实际应用中随处可见，信息融合及感知技术已经成为后信息时代的关键技术，掌握该技术的人才需求极大。因此，优秀的课程体系及慕课等资料的建设具有极大的教学意义和必要性。

二 课程建设内容

北京工商大学《多传感器信息融合》教学团队积极总结教学与实践的成果，形成了稳定的“多传感器融合”课程组。课程团队负责人2010年成为“中国航空学会信息融合分会”委员，并以多传感器融合为主要研究内容先后获得了4项“国家自然科学基金”项目。依托这些科学研究，我们确立了“以科研为支撑，以多源传感器融合技术为主线”来建设该课程。提出了以“课程思政”为支撑点、涵盖“介绍整体-立足关键-展望未来”的“三层次”教学内容、以及“创新案例开发与MATLAB仿真实验相结合”实验训练的“一点三层两结合”的创新型“多传感器信息融合技术”教学模式（如图1所示），并付诸于建设与实践。

图1 “一点三层两结合”的创新型“多传感器信息融合技术”教学模式

具体的工作包括如下几个方面：

1.挖掘多传感器信息融合技术思政元素，构建课程思政知识体系。信息融合，既是一门现代传感器系统的技术，也是人们智慧的一种表现。其基本原理为综合多方面的知识来解决实际问题的能力。从应用的角度，既可以从军事方面给出具有深远意义的应用实例，也可以从现代IT技术，如无人车、无人机等智能系统中阐述创新应用。因此，可以从体现中国人民智慧方面的中国传统文化、军事应用及前景、民用创新技术等方面来构建思政知识点，表1给出该课程思政知识点框架的主要内容。

表1 部分课程思政知识点剖析

2.对教学内容进行科学梳理，形成模块化，保证课程的整体性。构建涵盖“介绍整体-立足关键-展望未来”的“三层次”教学内容、对整个课程的内容进行的研究并合理分割，建立大框架的知识架构。在讲授课程时注意了课程的分布性，考虑时间上的因素，做必要的回顾与衔接。在每个知识点讲授时，注意提及其与其他知识模块的关系、以及在课程框架中的位置，有助于打下伏笔，让学生有所期待。表2给出了“三层次”课程知识点的列表。

3.通过开放性案例实验课程，让前沿知识不再“天马行空”，而是“掌握手中”。加强实践环节建设，特别是开放性、综合性、设计性案例教学实验。在课堂教学中引入软、硬件工程案例，不但能提高学生的兴趣，还可以加深学生对理论知识的理解，增强课堂教学的有效性和可观性，对于提高前沿知识的教学质量有重要作用。将多传感器融合技术的相关前沿知识设计为具有确定应用背景的工程案例，例如智慧粮仓、室内环境监控、智慧运动手表等，先进行理论方面的讲解，然后使用开放性问题的形式让学生继续思考，应用本课程教学的内容进行解决的方案和策略。进而，设计开发与MATLAB相结合的软、硬件工程实例实验。为了使学生能掌握关键知识点，不至于因为难度而“望而却步”，采用了半开放式案例教学，即给出部分答案，并让学生进行完善。通过MATLAB进行实验，利用计算机模拟、数值方法等解决“贝叶斯估计优化过程”数学模型的建立及其方程求解的问题，把学生从繁琐的手工计算中解脱出来，使其精力主要放在对物理意义和理论本质的理解上。

4.构建立体化教学资源，利用现代教学手段突出重点内容的教学。我们认为，研究生教学应该突出其在理论方面的深入性，因此对于重点内容首先进行理论方面的详细推导及说明，并通过习题确保学生在理论方面打下必要的基础。按照一流课程的要求，深入研究现代教育理论在建设与教学中的体现方式，树立先进的教学理念，通过组织教师研讨、与学生对话、进行示范教学等活动予以落实。所做的工作包括：

（1）针对课程特点制作了多媒体课件，帮助学生理解抽象的理论教学内容，并据此建成专门的课程教学网站[8-9]，网站上提供了丰富的教学资源。

（2）改进《多传感器信息融合》课程电子教案，研究进一步研究各知识点之间的关系，增加最新研究成果和习题的素材，完成课程试题库及电子书的编制工作，构建了试题库、电子教材、电子课件和习题库。

（3）重视素质培养落实到课程教学的过程中，规划并积累案例素材，设计具有实操性和实际应用意义的教学案例，提高学生解决实际问题的能力，形成具有软、硬件载体案例库。

（4）录制该课程的完整慕课。

三 课程建设成效

综上所述，我们已经进行了较有成效的建设并积累了丰富教学经验，在新时期课程思政的要求下，夯实、发展“一点三层两结合”的教学模式，研究以“前沿技术的最新发展趋势、本领域的知识体系整体框架及关键知识模块等为主”的教学内容，采用创新型实验教学手段来提高教学效果，确保学生既能“高屋见顶、远见卓识”、又能“脚踏实地、解决问题”。我们使用了先进的教学方法与手段，整合国内外教学资源，将本课程在理论体系、教学方法、教学质量上均提高到新的层次。

经过课程建设，取得了以下成效：

1.学生对课程的满意度有了显著的提升。课程组教授针对融合的意义和定义、信息融合技术的发展、传感器的特点、估计融合、证据融合、应用实例、仿真实验以及项目开发等知识点的讲授内容及方式进行了调查问卷。结果表明，与2018年相比，学生的满意程度大幅度提升（见图2和图3，由于2018年并没有应用实例、仿真实验和项目开发的教学内容，因此图中没有对比数据），充分体现了教学内容的思想性、前沿性与时代性，以及教学方法的先进性、互动性与针对性。以融合意义的定义为例，在该知识点的讲授中，我们增加了思政方面的教学内容，讲述了我国古代战争中，多传感器信息融合思想在将领的指挥智慧中的体现。在讲述方式上增加了举例说明、视频等教学形式。数据表明，经过教学改革和建设，该部分的讲授内容的满意度提升了5%，讲授方式满意度提升了10%。

图2 教学内容满意度对比

图3 讲授方式满意度对比

2.学生的成绩有了普遍提升，对难点的掌握程度有所提高。经过课程建设，选择合理的教学内容、设计科学的教学方法，化解了状态估计融合、贝叶斯融合估计识别等难点，使学生既能了解多传感器融合技术的整体知识框架、又能有效掌握本课程的关键知识及必要难点。在同样难度的考试前提下，学生的期末试卷成绩普遍提高，及格率达到100%，85分以上占比提高了50%。

3.学生的学习兴趣有了较大提高，申请党员积极分子的比率接近100%。课程准确把握了“坚定学生理想信念，教育学生爱党、爱国、爱社会主义、爱人民、爱集体”主线，结合“多传感器信息融合”的课程目标和特点，从传统文化和我国科技创新角度深入挖掘了蕴含的思政教育资源，优化了课程思政内容供给。实践表明，课程思政不仅提升了学生学习兴趣及对知识点的深入了解，更激发了学生的爱国、爱党、爱人民的热情，以及对中国的传统文化、中国历史的极大兴趣，激发了学生对我国科技现状社会现状的充分关注。通过对军事方面的介绍和了解，使他们充分了解到我国在世界上的位置和作用，让他们对我国的未来充满信心和责任感。因此，课程思政不仅仅提高了学生的学习兴趣，更激发了他们对国家、民族的热爱。

四 结语

以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，落实立德树人根本任务，我们对《多传感器信息融合》进行全面、深入的课程建设，将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体，将显性教育和隐性教育相统一，构建了以“一点三层两结合”为特色的教学模式：以“课程思政”为支撑点、涵盖“介绍整体-立足关键-展望未来”的“三层次”教学内容、以及“科技创新案例开发与MATLAB仿真实验相结合”实验训练的“一点三层两结合”的创新型“多传感器信息融合”教学模式。

该模式体现了新时代党的教育方针，加强了科学研究素质、厚重基础知识体系，重视创新能力培养，并恰当采用现代教学技术、方法和手段，显著提高教学效果，形成具有鲜明特色及教学优势的示范性及推广性。历时3年的教学实践表明，课程改革与建设成果显著，培养了学生创新实践能力，有效地提升了学生正确的价值观，将思政教育有机地融入了教学课程，达到了润物无声的育人效果。