基于學科前沿與實踐應(yīng)用的人工智能課程教學改革研究

胡秀華，王長元，王亞文，陳 芳

（西安工業(yè)大學 計算機科學與工程學院，陜西 西安 710021）

0 引言

作為面向高等學校計算機科學與技術(shù)學科軟件工程等相關(guān)專業(yè)的本科生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，人工智能課程內(nèi)容涉及諸多概念、原理、方法與技術(shù)，目的在于讓學生通過學習來進一步了解并掌握人工智能領(lǐng)域的相關(guān)基礎(chǔ)理論及典型應(yīng)用方向[1-2]。然而，人工智能作為一門前沿性交叉學科，課程內(nèi)容概念抽象、知識面廣，傳統(tǒng)的一成不變的課程教學內(nèi)容與教學方式不能適應(yīng)新時期學生對知識的渴望與需求，妨礙教學目標的實現(xiàn)，更不利于專業(yè)能力培養(yǎng)的達成。

為了取得更好的教學效果，課程負責人與授課教學團隊一直在探索有益的教學內(nèi)容、教學方法和教學手段[3-5]。文獻[6]中先提出了樹立精品意識的重要性，然后從教學內(nèi)容、教材編寫、教學方法以及教學隊伍等方面分析了已有問題并探討了改革方向。文獻[7]從學習和落實科學發(fā)展觀的思路出發(fā)，闡述了現(xiàn)階段課程教學改革的意義、內(nèi)容和具體舉措。文獻[8]給出了以問題智能化求解觀為核心的教學方法，通過理論聯(lián)系實際提高學生學習興趣，并逐步建立課程資源庫，能夠有效提高學生的課程掌握水平。文獻[9]分析了已取得良好教學效果的改革舉措，指出教學內(nèi)容的優(yōu)化、實驗環(huán)節(jié)的改進、教學方法的創(chuàng)新能提高學生學習效果。文獻[10]分析了課程的教學特點，并提出教師要了解學生需求進而優(yōu)化教學內(nèi)容、教學手段與方法，調(diào)動學生積極性。文獻[11]基于典型自動推理系統(tǒng)設(shè)置教學問題，在實例中激發(fā)了學生探索與應(yīng)用符號主義人工智能學派成果的興趣。文獻[12]對課程的教學與實踐進行了探索，給出了教材的選擇，實驗教學的內(nèi)容、方法和手段，以及學生學好該課程的建議。文獻[13]通過問題驅(qū)動式教學法引導學生通過課前問題設(shè)置開展學習，鼓勵學生深入思考并動手解決問題。文獻[14]結(jié)合教學中存在的問題給出了4個方面的改革內(nèi)容，并探討了怎樣構(gòu)建多元化的人才培養(yǎng)模式。文獻[15]提出從案例設(shè)計、問題引導和實踐安排等幾個方面進行探索，強調(diào)了實踐教學改革的重要性。文獻[16]給出了結(jié)合師資教學情況及學生綜合能力情況修訂教學大綱的舉措，并強調(diào)理論與實踐相互轉(zhuǎn)化的重要性。

相關(guān)研究豐富了人工智能課程的講授技巧，一定程度上提高了課程教學效果,但是在智能信息化社會，如何提高課程教學質(zhì)量，建設(shè)滿足知識、能力和素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的人才培養(yǎng)模式要求的人工智能課程教學體系，還需要深入挖掘存在的弊端，在教學內(nèi)容、教學方法、教學手段等方面繼續(xù)探索，不斷創(chuàng)新與完善。

1 問題的提出

人工智能課程先修課多，知識抽象，理論方法更新快且應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?，是公認的理論強而實踐難的一門專業(yè)課，在教學過程中普遍存在著教學內(nèi)容老化、實踐教學環(huán)節(jié)薄弱、教學模式欠妥等典型問題，具體現(xiàn)狀分析如下。

1）教學內(nèi)容陳舊。

在前期的課程教學中，教學內(nèi)容均依據(jù)教學大綱采用傳統(tǒng)的“精講+略講”形式授課，由教師單方面講解，學生被動聽課，這種教學模式使得學生只能被動接受教師對課程內(nèi)容的安排與講授，削弱了學生學習的主體性與主動性。即使在知識點講授過程中教師設(shè)置一些問題，學生也缺乏互動的積極性，完成課后作業(yè)的過程也是敷衍了事，不對知識點做深刻剖析。

此外，人工智能學科所涉及的原理技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展迅速，新的模型框架及應(yīng)用推廣層出不窮，諸如深度學習等前沿技術(shù)詞語也已經(jīng)成為大家耳熟能詳?shù)拿~。然而，對于本科生來說，他們對這些前沿的技術(shù)也大多止于名詞的認識，而少有時間精力與自主性去深入了解算法的核心或新技術(shù)的應(yīng)用進展，缺乏前沿性思考?？紤]到教材版本中知識更新的速度及該課程動態(tài)應(yīng)用性強的矛盾性，僅僅依靠單一的教材知識講授不能有效涉及相關(guān)的新技術(shù)與新方法，容易使學生局限于傳統(tǒng)技術(shù)，不能及時了解和掌握最新研究方向與成果應(yīng)用，不利于學生創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)。

2）實踐能力培養(yǎng)缺失。

人工智能作為一門具有獨特創(chuàng)新性與應(yīng)用性的課程，內(nèi)容涉及大量的經(jīng)典理論與典型應(yīng)用，存在諸多值得思考的典型問題。而在前期的教學大綱與教學內(nèi)容設(shè)置方面，均忽視了應(yīng)用實現(xiàn)這個環(huán)節(jié)，以至于學生在課程結(jié)束后，也僅僅是知道了幾組概念與原理，忽視了學生動手實踐能力和科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，沒有實現(xiàn)運用理論知識解決實際問題的學習目的。雖然固有的教師傳授模式會通過教學用例或簡單實例進行理論說明，但學生對理論的掌握還是容易受限于表層認識，不易激發(fā)學生的深層興趣，更難于讓學生通過課程學習將基礎(chǔ)理論應(yīng)用到更寬的應(yīng)用實踐中。如何通過這門課程對學生的創(chuàng)新思維與應(yīng)用能力進行培養(yǎng)，值得在后續(xù)教學過程中深刻思考。

3）教學模式與評價方式單一。

在前期教學中，受限于單一的課堂講授式教學模式，對學生的課程考核也僅僅是在課程學時結(jié)束后進行閉卷答題，試卷內(nèi)容主要涉及一些基本概念和基本原理，側(cè)重于理論記憶與公式套用，對于靈活運用理論知識解決實際問題的應(yīng)用型題目則少之又少，同時，實踐性問題也無法通過卷面文字分析來有效呈現(xiàn)。單一的卷面考核方式影響對學生獨立思考問題并解決問題的能力綜合評定，不利于培養(yǎng)和挖掘人才，需要探索多樣化的教學模式與評價體制。

針對上述教學問題，課程小組在前期教學過程中雖然也在課堂原理講授過程中引入了簡單應(yīng)用實例，利用課間時間或課下給學生分享了一些領(lǐng)域前沿或產(chǎn)業(yè)需求現(xiàn)狀，為學生分析當下各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)θ瞬诺募夹g(shù)需求，但也僅限于點到為止，停滯于表面，不能從根本上幫助學生在迷茫中找準方向，讓學生真正理解知識內(nèi)涵并意識到相關(guān)技術(shù)方法的重要性。因此，有必要進行深入有效的課程教學模式改革的研究。

2 基于學科前沿與實踐應(yīng)用的教學改革思路

課程教學改革應(yīng)以學生為中心，以產(chǎn)出為導向，通過探索新的教學模式，實踐新的教學方法，加深學生對人工智能領(lǐng)域相關(guān)研究方向的認識，逐步啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學生的學習興趣，將理論知識轉(zhuǎn)化為應(yīng)用實踐，鍛煉學生的實踐應(yīng)用能力，為培養(yǎng)具備創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的新工科卓越人才奠定基礎(chǔ)。教學改革的整體框架如圖1所示。

依據(jù)課程目的與特點，結(jié)合人工智能領(lǐng)域中最新研究熱點問題，專注于學生思維能力與應(yīng)用能力的培養(yǎng)，為學生能夠運用所學理論知識解決實際問題打下良好基礎(chǔ)。具體建設(shè)內(nèi)容采取如下思路。

圖1 教學改革整體框架

（1）修訂教學大綱，確定課程教學內(nèi)容，突出教學重點與應(yīng)用難點，啟發(fā)學生從整體上認識基礎(chǔ)原理與實踐應(yīng)用的統(tǒng)一，引導學生真正理解并掌握基礎(chǔ)知識，幫助學生深刻剖析應(yīng)用難點，以在理論學習階段將課程知識點全面掌握各個突破。以現(xiàn)有教學大綱中學時分配為主線，將教材理論教學學時壓縮，在授課階段有步驟地引入相關(guān)領(lǐng)域最新技術(shù)方法，并結(jié)合學術(shù)前沿講解技術(shù)核心思想，同時與學生建立多渠道的交流機制，及時了解學生學習動態(tài)及學習瓶頸，適時地對教學過程進行調(diào)整。

（2）積極引入人工智能學科相關(guān)研究領(lǐng)域的前沿知識，結(jié)合課程教學內(nèi)容適時地給學生分享最新技術(shù)方法，激發(fā)學生學習興趣；同時，精選教材中的經(jīng)典理論算法進行分析，引導學生深刻挖掘算法核心模型的構(gòu)建思路，并鼓勵學生在實現(xiàn)基本算法的基礎(chǔ)上提出改進創(chuàng)新思路。在講授教材中的原理公式時，除了通過簡單計算示例進行分析以外，著重講解實際應(yīng)用案例，突出前沿性與實用性，并通過設(shè)置典型應(yīng)用問題讓學生分組實現(xiàn)不同技術(shù)方法。讓學生做到理論和實踐的統(tǒng)一，更好地應(yīng)用原理技術(shù)解決實際問題，培養(yǎng)科研興趣，提升應(yīng)用能力。

（3）探索多樣化的知識講授方式，改變傳統(tǒng)教學過程中教師單方面講、學生被動接收的模式，通過問題設(shè)置、研討匯報、答辯總結(jié)等途徑激發(fā)學生的主動性與創(chuàng)造性，讓學生以主體地位全面融入課堂學習中。通過理論實踐的融會貫通，讓學生能夠更全面地了解并掌握相關(guān)技術(shù)，更好地認識社會對技術(shù)人才的需求，準確定位自我，并通過學生反饋改善教學思路，提高教學效果。

3 具體教學改革內(nèi)容

采取相關(guān)教學改革模式措施，使學生在具備扎實理論功底的基礎(chǔ)上，以研究領(lǐng)域的前沿問題為牽引，思考如何利用所學知識實現(xiàn)具體應(yīng)用問題的求解，最終實現(xiàn)思維能力和應(yīng)用能力的綜合提升。相關(guān)建設(shè)思路的具體實施方法如下。

3.1 夯實基本理論知識

堅實的理論基礎(chǔ)是開啟創(chuàng)新思維的前提，是進一步應(yīng)用實踐的基礎(chǔ)。依據(jù)修訂的教學大綱研究確定課程教學內(nèi)容，除了依據(jù)選定的國家級規(guī)劃教材為大家講授最基本的概念、原理與技術(shù)以外，還可以為學生推薦相關(guān)參考書籍進行配套學習，如由機械工業(yè)出版社出版的史忠植編著的《人工智能》、電子工業(yè)出版社出版的王萬森編著的《人工智能原理及其應(yīng)用》、清華大學出版社出版的殷建平等譯著的《人工智能——一種現(xiàn)代的方法》（第3版）、清華大學出版社出版的周志華著的《機器學習》等書籍，相關(guān)參考書籍力求與教材內(nèi)容相互補充，挖掘課程內(nèi)容體系的深度，拓寬原理方法學習的廣度。同時，進一步豐富課程配套的授課課件、研討環(huán)節(jié)實例及應(yīng)用模型演示等教學資源，便于學生更好地理解、掌握所學知識。具體教學內(nèi)容體系如圖1中部分模塊所示。

時刻樹立以學生為本的教學理念，授課過程中注重利用學生感興趣的問題逐步引出新的知識結(jié)構(gòu)，選取動物識別典型應(yīng)用系統(tǒng)，將其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)作為各章節(jié)中概念講解及原理剖析的實例載體，通過貫穿課程體系內(nèi)容最終完成應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)的演示，增強學生對理論知識運用于實際開發(fā)的直觀理解，為后續(xù)學生自主解決實際問題提供借鑒性思路。此外，課后與學生積極交流，了解他們在章節(jié)學習中遇到的困惑，找準學生思維短板，在后續(xù)課程教學過程中有針對性地鞏固已學知識，讓學生在閉環(huán)回路中掌握扎實的理論基礎(chǔ)，通過對內(nèi)容整體的系統(tǒng)了解，為后續(xù)的創(chuàng)新思維意識培養(yǎng)與能力強化奠定根基。

3.2 培養(yǎng)實踐應(yīng)用能力

為了更好地實現(xiàn)學與用的并舉，在教學過程中，將基本理論知識講解與當前學術(shù)界與工業(yè)界正在研究與使用的前沿問題與技術(shù)結(jié)合起來，使學生在掌握基本理論的基礎(chǔ)上，了解并運用基礎(chǔ)知識解決實際問題。引導學生充分利用網(wǎng)絡(luò)資料，多關(guān)注一些與人工智能領(lǐng)域相關(guān)的前沿技術(shù)與應(yīng)用產(chǎn)品，了解其功能實現(xiàn)的核心方法，比如與我們生活息息相關(guān)的智能手機的指紋解鎖技術(shù)、線上支付的人臉識別技術(shù)、攝像設(shè)備的場景理解技術(shù)、家具的智能自主控制等，以及關(guān)乎平安城市的安全隱患智能排查、智慧醫(yī)療的遠程共享專家資源等，其中的某些細微之處都可以為學生課外創(chuàng)新大賽選題及研究提供良好的指導性思路，也可以讓學生在繼續(xù)深造、擇業(yè)乃至就業(yè)中準確定位自我，這也是教學模式改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。具體實踐應(yīng)用體系如圖1中部分模塊所示。

在課程相關(guān)領(lǐng)域抽取10類經(jīng)典研究問題，設(shè)置實訓練習項目，內(nèi)容涉及傳統(tǒng)機器學習算法與熱點深度學習技術(shù)，將其中所使用的核心算法框架或模型結(jié)構(gòu)與課程內(nèi)容結(jié)合起來，通過課前提供學習參考資料、課中研討交流和課后匯報總結(jié)的方式，有意識地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，使學生明白如何將所學理論與生活實際中面臨的應(yīng)用問題聯(lián)系起來，初步構(gòu)建解決問題的研究思路，為后續(xù)動手實踐奠定基礎(chǔ)。

3.3 拓寬知識講授方式

考慮到課程應(yīng)用性強的特點，與之前傳統(tǒng)的教師在課堂上單方面講授方式不同，后續(xù)課程教學方面采取3 種授課方式：精講、研討和報告。人工智能課程一共設(shè)置48 學時，課時分配設(shè)置為精講課36 學時，研討課4 學時，報告課8學時。精講課是采用傳統(tǒng)方式對基本概念、理論與方法進行詳細講解，突出重點與難點，讓學生深刻認識到掌握基礎(chǔ)知識的必要性；研討課將研究前沿及熱點問題與所講解的基本理論及方法結(jié)合起來，針對具體應(yīng)用案例，由教師分析相關(guān)理論基礎(chǔ)并介紹研討內(nèi)容，列出討論要點組織，學生依據(jù)課程內(nèi)容及課外參考文獻的學習了解圍繞討論要點進行認真思考并交流研討，應(yīng)用研討環(huán)節(jié)課時節(jié)點的設(shè)置與相應(yīng)的理論講解相對應(yīng)。報告課為前期大作業(yè)內(nèi)容的匯報答辯，依據(jù)前期的分組設(shè)置有序進行研究原理分析及程序?qū)嶒灲Y(jié)果演示，并上交文檔報告，在此過程中，其他組別的同學可以學習了解到匯報人的新思路、新觀點，也可以就疑惑難點提出問題尋求解答。該項環(huán)節(jié)有助于學生在互動中啟發(fā)思維，在實踐中提升應(yīng)用能力；也能讓教師發(fā)現(xiàn)應(yīng)用難點，以便在后續(xù)課程講授時有針對性地深刻剖析原理方法，還可有效發(fā)掘有獨特思維的學生以進一步有效指導。具體課程講授模式如圖1中部分模塊所示。

多種授課方式并舉可以有效改變傳統(tǒng)模式下教師講、學生被動聽的局面，增強學生的主體性以及積極主動性。同時，新的教學模式對應(yīng)了新的考核方式，可以通過平時研討成績、大作業(yè)成績和閉卷考試成績綜合成績對學生表現(xiàn)進行評價，從而能更全面地反映學生對知識的理解掌握的程度和實踐應(yīng)用的水平。

4 教學成果分析

為了進行教學成果的分析和比較，選取西安工業(yè)大學2015級與2016級軟件工程專業(yè)兩個不同教學班的學生作為實驗分析對象，其中2015級學生采用了原有教學模式，2016級學生采用了改革的教學模式。

依據(jù)教學過程中涉及的考核要點，對學生的教學內(nèi)容掌握情況、課外知識了解情況、應(yīng)用問題解決情況、課堂互動表現(xiàn)等多方面表現(xiàn)展開調(diào)研，通過對兩個教學班的學生進行問卷調(diào)查分析，得出總結(jié)情況如圖2和圖3所示。

依據(jù)圖2和圖3的調(diào)查結(jié)果以及考核成績的綜合表現(xiàn)，兩種教學模式的教學成果分析見表1。

圖2 2015級學生（71人）問卷調(diào)查結(jié)果

圖3 2016級學生（78人）問卷調(diào)查結(jié)果

表1 教學成果分析

通過對學生的調(diào)查結(jié)果和課程評價小組的反饋可知，原教學模式中所反映出來的問題促使課程小組亟待采取改革措施，新改革的教學模式能夠更加符合學生對知識的需求。相關(guān)舉措可以在一定程度上激發(fā)學生自主地挖掘興趣點，積極完成教學過程中的各項任務(wù)，尤其是對學科前沿及相關(guān)應(yīng)用有了更多的了解，在查閱資料并編程實現(xiàn)的過程中鍛煉了設(shè)計開發(fā)及文檔撰寫能力，綜合素養(yǎng)得到了提升，學生滿意度相對較高，教學效果較好，但是學生在主動挖掘問題及知識交流方面仍待進一步提高，以后工作中會繼續(xù)探討更有效的改革方案。

5 結(jié)語

信息時代對人才的培養(yǎng)提出了越來越高的要求，筆者在分析人工智能課程教學過程中存在的諸多問題的基礎(chǔ)上，給出了課程教學模式改革的具體思路。相關(guān)舉措可以做到充分利用網(wǎng)絡(luò)提供的豐富教學與科研資源，使學生能夠在學科前沿領(lǐng)域及相關(guān)研究方向接觸到更多技術(shù)與方法，并基于應(yīng)用問題進行深入分析與思考，有效培養(yǎng)創(chuàng)新思維與應(yīng)用實踐能力。