人工智能實驗課的改進

饒東寧　蔣志華　蘇慶

摘要：針對人工智能課程教學(xué)過于依賴基于講義的教學(xué)現(xiàn)狀，該文首先分析結(jié)合基于問題的教學(xué)、大班授課小班討論、實踐技能培養(yǎng)等方式方法的意義與可行性，并提出在人工智能課程教學(xué)中增加和改進實驗課程的觀點。與已知的兄弟院校人工智能實驗課最明顯區(qū)別在于如下三點：基于基于問題的教學(xué)理念整合實驗內(nèi)容，根據(jù)小班討論的方式改革實驗考核方式，結(jié)合實踐技能培養(yǎng)的目標(biāo)來更新實驗工具。

關(guān)鍵詞：人工智能；實驗課；基于問題的教學(xué)；大班授課小班討論；實踐技能培養(yǎng)

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）19-0109-03

人工智能是計算機和核心專業(yè)課之一。然而，目前大部分課程仍然以基于講義的教學(xué)（lecture-based learning，LBL）為主。已經(jīng)有了不少關(guān)于人工智能實驗課的教學(xué)改革，例如雙主體意識和沉默式教學(xué)法相結(jié)合、基于Prolog的實驗課程設(shè)計。同時，近幾年出現(xiàn)了不少好的教學(xué)思想和理念，比如結(jié)合基于問題的教學(xué)、大班授課小班討論、實踐技能培養(yǎng)等。有鑒于此，結(jié)合人工智能課程的特點、結(jié)合本校和本課程組的實際情況，本文提出對人工智能實驗課的三點改進。第一，基于基于問題的教學(xué)理念整合實驗內(nèi)容。將過去分散的，獨立的實驗和大作業(yè)整合成四到六個包含作業(yè)和實驗內(nèi)容的問題。然后請學(xué)生通過解決這些問題來學(xué)習(xí)和鞏固相關(guān)內(nèi)容。第二，根據(jù)小班討論的方式改革實驗考核方式。在實踐當(dāng)中，往往每個人的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力差異較大，有時還會各有所長。因此，小班討論的方式有利于相互促進。第三，結(jié)合實踐技能培養(yǎng)的目標(biāo)來更新實驗工具。目前已有的實驗方案甚少考慮將來的實踐，例如在實踐當(dāng)中應(yīng)用Prolog語言就非常少見。本文提出的實驗設(shè)計方案大多基于C++和Java等常用語言，更包括機器人平臺上的通用編程方法，力求讓學(xué)生通過人工智能實驗課能夠提高實踐能力。

在接下里的內(nèi)容中，本文首先分析課程的現(xiàn)狀。然后，在第三節(jié)中將介紹一些新的教學(xué)思想和理念。第四節(jié)將重點闡述對人工智能實驗課的三點改進，最后是本文的總結(jié)。

1課程特點

1.1人工智能課程的內(nèi)容和特點

人工智能是計算機科學(xué)的一個重要分支。它是一門涉及數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)、控制論、信息論、心理學(xué)和哲學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科。本課程作為計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程之一，將著重介紹人工智能研究中最基本的、最經(jīng)典的理論和方法，以及當(dāng)前在這一領(lǐng)域中的研究熱點和成熟應(yīng)用成果，是一門理論與應(yīng)用相結(jié)合的課程。

人工智能課程重在講解如何利用計算機來模擬人腦所從事的感知、推理、學(xué)習(xí)、思考、規(guī)劃等人類智能活動，以解決需要用人類智能才能解決的問題。人工智能涉及自主智能系統(tǒng)的設(shè)計和分析，與軟件系統(tǒng)、物理機器、傳感器和驅(qū)動器有關(guān)，常以機器人或自主飛行器作為例子加以介紹。一個智能系統(tǒng)必須感知它的環(huán)境，與其它Agent和人類交互作用，并作用于環(huán)境，以完成指定的任務(wù)。

人工智能的研究論題包括計算機視覺、規(guī)劃與行動、多Agent系統(tǒng)、語音識別、自動語言理解、專家系統(tǒng)和機器學(xué)習(xí)等。這些研究論題的基礎(chǔ)是通用和專用的知識表示和推理機制、問題求解和搜索算法，以及計算智能技術(shù)等。此外，人工智能還提供一套工具以解決那些用其它方法難以解決甚至無法解決的問題。這些工具包括啟發(fā)式搜索和規(guī)劃算法，知識表示和推理形式，機器學(xué)習(xí)技術(shù)，語音和語言理解方法，計算機視覺和機器人學(xué)等。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠知道什么時候需要某種合適的人工智能方法用于給定的問題，并選擇適當(dāng)實現(xiàn)方法。

1.2本校及課程團隊實際特點

在我校，最早是由計算機學(xué)院智能所的余永權(quán)和曾碧等教授面向計算機專業(yè)本科生進行講授的。課題組從一開始就注重教學(xué)大綱和教學(xué)進度的統(tǒng)一，試卷和評分標(biāo)準(zhǔn)的一致，注意采用多種教學(xué)手段，以利于學(xué)生對這門課程的學(xué)習(xí)，并得到了廣泛的好評。幾年來，計算機學(xué)院一直十分重視本課程的教學(xué)和課程建設(shè)，歷屆擔(dān)任本課程教學(xué)任務(wù)的教師團結(jié)合作，交流教學(xué)心得，相互學(xué)習(xí)，取長補短，始終以高度的責(zé)任心和飽滿的熱情投入教學(xué)。

人工智能是整個計算機科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展最陜、知識更新最快的學(xué)科之一。任課教師緊跟時代脈搏，積極開展科學(xué)研究和應(yīng)用實踐，不斷更新知識結(jié)構(gòu)，充實教學(xué)內(nèi)容。并且，針對反映近年人工智能領(lǐng)域的快速變化的模糊控制、機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘等熱點技術(shù)展開教學(xué)研討，厚積而薄發(fā)，并已出版了多本專著，如：《神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊邏輯控制》，《模糊控制技術(shù)與模糊家用電器》，《單片機模糊邏輯控制》，《計算機接口與通信》，《單片機在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用》等。近三年來課題組共獲得兩項國家基金，四項省基金的資助。

2新的教學(xué)思想和理念

2.1基于問題的教學(xué)

教學(xué)模式指在一定的教學(xué)思想指導(dǎo)下為保持某種教學(xué)任務(wù)的相對穩(wěn)定而具體的教學(xué)活動結(jié)構(gòu)。目前主要的教學(xué)模式包括：LBL教學(xué)模式（lecture-based learning，LBL）、CBL教學(xué)模式（ease-based learning，CBL）、PBL（problem-based learning，PBL）教學(xué)模式等。其中，CBL是最傳統(tǒng)的教學(xué)方法，以傳授知識為教學(xué)目標(biāo)，強調(diào)學(xué)科知識的系統(tǒng)性和完整性。它使學(xué)生形成邏輯清晰、條理簡明的知識結(jié)構(gòu)，但是不能很好地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。CBL首先要求篩選典型案例，通過對案例的講解，讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的過程中，學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)知識。PBL的教學(xué)設(shè)計有幾個固定的環(huán)節(jié)，組織小組、設(shè)置問題、行動進展、結(jié)果匯報和反饋。它強調(diào)學(xué)習(xí)者之間的交流合作、多種學(xué)習(xí)途徑的整合及外部支持與引導(dǎo)在解決問題中的作用。它以學(xué)生為主導(dǎo)，鍛煉學(xué)生自主解決問題的能力和團隊協(xié)作能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高實踐中人際溝通協(xié)調(diào)能力，實現(xiàn)主動學(xué)習(xí)。

2.2大班授課小班討論

“大班授課、小班討論”是研究性學(xué)習(xí)的簡稱。研究性學(xué)習(xí)是以“學(xué)習(xí)活動”的形式呈現(xiàn)，即學(xué)生在教師指導(dǎo)下生活中選題，用科研方式主動獲取知識解決問題的學(xué)習(xí)活動。它是一種以學(xué)生自主性、探索性為主的學(xué)習(xí)方式。它以“學(xué)會學(xué)習(xí)”為總目標(biāo)指導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式，強調(diào)為用而學(xué)，圍繞解決實際問題學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生主動獲取知識、重視實踐。它使學(xué)生在思考如何解決實際問題的同時學(xué)會關(guān)注社會和人生。這是實現(xiàn)知識、能力和素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的有效途徑。一般來說，這種教學(xué)需要課對課程重新劃分，將課程內(nèi)容分為精講部分、略講部分、自學(xué)部分以及研討部分。

2.3實踐技能培養(yǎng)

高校計算機類專業(yè)大學(xué)生實踐技能培養(yǎng)目前仍然依賴于實驗課程教學(xué)。但是，高校計算機類專業(yè)的知識更新較快，給我們帶來了很大壓力。實踐技能培養(yǎng)與實驗教學(xué)體系相結(jié)合，是實踐技能培養(yǎng)體系的基石。實驗教學(xué)不只是理論教學(xué)的附屬環(huán)節(jié)。中共中央國務(wù)院在《關(guān)于深化教育改革全面推進素質(zhì)教育的決定》中明確指出：“實施素質(zhì)教育，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力為重點?！睂σ?、二年級學(xué)生來說，實踐技能培養(yǎng)是打基礎(chǔ)階段；對已經(jīng)具有一定學(xué)科知識基礎(chǔ)的二、三年級學(xué)生，應(yīng)該注重學(xué)生實踐技能及創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。我們可以將實驗教學(xué)分為設(shè)計性、研究性、應(yīng)用性實驗3類，對高年級學(xué)生著重培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新能力。

3對課程的改進

目前的很多改革也在朝PBL的方向發(fā)展。另一方面，還有不少踢出要反轉(zhuǎn)課堂的，其實也是增加主動性和討論性。同時，也有不少課程改革討論考核方式的轉(zhuǎn)變。實驗教學(xué)的改革正式方興未艾，多種形式的培養(yǎng)學(xué)生實踐能力更是重點。有鑒于此，自2011年以來，課題組響應(yīng)學(xué)校號召積極學(xué)習(xí)PBL。

課題組在有限的范圍和符合客觀條件要求的前提下逐步開展相關(guān)改革：首先將課程的引入以及例題的設(shè)置改成學(xué)生探索性解決問題的過程。具體來說就是對于一般性的作業(yè)，取出部分內(nèi)容簡單適合建立感性認識的，提前一節(jié)課布置。盡管這樣做會有部分學(xué)生無所適從，但是經(jīng)過幾次訓(xùn)練之后，學(xué)生探索知識內(nèi)在結(jié)構(gòu)的能力得到了極大的提高。然后，針對本課程不同分支間的聯(lián)系，我們推出了在條件允許情況下類似課程設(shè)計的大作業(yè)。這類大作業(yè)作為學(xué)期的最后一次作業(yè)，能夠體現(xiàn)知識點之間關(guān)聯(lián)性和實用性。盡管受制于作業(yè)本身形式的限制，它仍然打破了課程不同分支間的壁壘，讓學(xué)生能夠活學(xué)活用，深入掌握工程科學(xué)應(yīng)用的精髓。最后，課題組正在嘗試一種競選作業(yè)的方式，來結(jié)合機器人和仿真平臺，利用提問演示的方式提供PBL教學(xué)中必要的問題及解決方式展示。競選作業(yè)就是讓有興趣的學(xué)生，以自愿參加為原則的，為機器人和仿真平臺編寫程序。教師給出要求和模擬器，學(xué)生自由組隊參加，最后教師從中選取一到兩個加載演示。盡管上述活動在客觀條件限制下，參加的人數(shù)有限，但在目前不具備專用實驗室，缺少足夠的實驗設(shè)施的情況下，它是很好的推動PBL的方式。

在上述教學(xué)改革的過程中，課題組實際上對人工智能實驗課做了三點改進。第一，基于問題的教學(xué)理念整合實驗內(nèi)容。將過去分散的，獨立的實驗和大作業(yè)整合成四到六個包含作業(yè)和實驗內(nèi)容的問題。然后請學(xué)生通過解決這些問題來學(xué)習(xí)和鞏固相關(guān)內(nèi)容。第二，根據(jù)小班討論的方式改革實驗考核方式。在實踐當(dāng)中，往往每個人的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力差異較大，有時還會各有所長。因此，小班討論的方式有利于相互促進。第三，結(jié)合實踐技能培養(yǎng)的目標(biāo)來更新實驗工具。目前已有的實驗方案甚少考慮將來的實踐，例如在實踐當(dāng)中應(yīng)用Prolog語言就非常少見。本文提出的實驗設(shè)計方案大多基于C++和Java等常用語言，更包括機器人平臺上的通用編程方法，力求讓學(xué)生通過人工智能實驗課能夠提高實踐能力。

4結(jié)論

目前人工智能課程教學(xué)過于依賴基于講義的教學(xué)。同時，已經(jīng)出現(xiàn)了很多先進的教學(xué)思想，比如基于問題的教學(xué)、大班授課小班討論、實踐技能培養(yǎng)等。本文在回顧現(xiàn)狀與新的方式方法后，提出在人工智能課程教學(xué)中增加和改進實驗課程的觀點。主要包括三點：基于基于問題的教學(xué)理念整合實驗內(nèi)容，根據(jù)小班討論的方式改革實驗考核方式，結(jié)合實踐技能培養(yǎng)的目標(biāo)來更新實驗工具。