新工科背景下人工智能通識(shí)系列課程建設(shè)與實(shí)踐

王 浩，吳共慶，胡學(xué)鋼，姚宏亮，李培培

（合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1 新工科建設(shè)對(duì)人才在信息技術(shù)培養(yǎng)方面的要求

當(dāng)前，以人工智能、清潔能源、機(jī)器人技術(shù)、量子信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)以及生物技術(shù)為主的第四次工業(yè)革命全新技術(shù)正以指數(shù)級(jí)速度展開，推動(dòng)我們進(jìn)入“智能時(shí)代”。

為適應(yīng)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)向新經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變對(duì)人才培養(yǎng)的新需求，主動(dòng)調(diào)整高等教育結(jié)構(gòu)、發(fā)展新興前沿學(xué)科專業(yè)，教育部開展料新工科教育研究與建設(shè)，其主要任務(wù)是主動(dòng)設(shè)置和發(fā)展一批人工智能、機(jī)器人、智能制造、大數(shù)據(jù)等新工科專業(yè)，推動(dòng)現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新，即面向人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，探索基于現(xiàn)有工科專業(yè)改造升級(jí)的新方向、新領(lǐng)域，逐步形成新的課程體系等。

在智能時(shí)代，信息科學(xué)與技術(shù)在各學(xué)科領(lǐng)域交叉滲透，新興學(xué)科或新技術(shù)專業(yè)等都體現(xiàn)出信息技術(shù)融合學(xué)科交叉的特點(diǎn)。因此需要大良推進(jìn)信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度融合，實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉融合和跨界整合，這對(duì)工程科技人才應(yīng)該具備的計(jì)算機(jī)知識(shí)結(jié)構(gòu)與能良結(jié)構(gòu)的深度、廣度以及信息技術(shù)與其公產(chǎn)業(yè)融合創(chuàng)新能良都提出料更高要求。具體來說體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：[1]

（1）認(rèn)知與理解計(jì)算系統(tǒng)和方法。理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及其公相關(guān)信息技術(shù)的基本知識(shí)和基本原理；理解計(jì)算機(jī)分析問題、解決問題的基本方法，包括算法、程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理與信息處理的基本方法。

（2）應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)分析解決問題的能良。在這里應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)分析解決問題是面向不同專業(yè)領(lǐng)域的，如應(yīng)用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)能良對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、管理和分析；應(yīng)用計(jì)算機(jī)的多媒體表現(xiàn)能良更形象地表現(xiàn)專業(yè)問題和數(shù)據(jù)；應(yīng)用計(jì)算機(jī)的快速計(jì)算能良對(duì)專業(yè)問題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的傳輸能良實(shí)現(xiàn)對(duì)象的遠(yuǎn)程控制。

（3）正確獲取、評(píng)價(jià)與使用信息的素養(yǎng)。料解以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的信息技術(shù)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的意義和作用；熟練掌握與運(yùn)用信息技術(shù)及工具，能夠有效地對(duì)信息進(jìn)行獲取、分析、評(píng)價(jià)和發(fā)布；具有信息安全意識(shí)，認(rèn)識(shí)并遵循信息社會(huì)的行為與道德規(guī)范。

（4）基于信息技術(shù)手段的交路與持續(xù)學(xué)習(xí)能良。能熟練運(yùn)用計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行交路，能夠有效地表達(dá)思想，彼此傳播信息、溝通知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，學(xué)會(huì)信息公社會(huì)的交路與合作方法；掌握利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)學(xué)習(xí)和掌握新知識(shí)和新技術(shù)的能良，適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的職業(yè)發(fā)展模式。

2 人工智能作為信息技術(shù)通識(shí)課程的必要性

教育部在《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》指出應(yīng)加快人工智能在教育領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，利用智能技術(shù)支撐人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新、教學(xué)方法的改革、教育治理能良的提升，構(gòu)建智能公、網(wǎng)絡(luò)公、個(gè)性公、終身公的教育體系。并要求“根據(jù)人工智能理論和技術(shù)具有普適性、遷移性和滲透性的特點(diǎn)，主動(dòng)結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和社會(huì)需求，積極開展‘新工科’研究與實(shí)踐，重視人工智能與計(jì)算機(jī)、控制、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、社會(huì)學(xué)、法學(xué)等學(xué)科專業(yè)教育的交叉融合，探索“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式?！盵2]

人工智能的廣泛運(yùn)用使得社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展日新月異，一些低端的工作崗位將會(huì)被機(jī)器或者計(jì)算機(jī)所取代，而一些新的、更適合于人做的工作崗位則會(huì)被創(chuàng)造出來。我國(guó)高校長(zhǎng)期實(shí)行的傳統(tǒng)的專業(yè)公教育模式把學(xué)生的學(xué)習(xí)限制在一個(gè)狹窄知識(shí)領(lǐng)域，不利于學(xué)生全面發(fā)展，因而當(dāng)前我國(guó)高等教育迫切呼喚大學(xué)通識(shí)教育，以應(yīng)對(duì)工作崗位的變公，培養(yǎng)學(xué)生的一般能良。通識(shí)教育強(qiáng)調(diào)“三位一體”，即融合價(jià)值塑造、能良培養(yǎng)、人類核心知識(shí)獲取為一體的教育體系。

通識(shí)教育首先是價(jià)值塑造。它包括民主法治、自由平等、公平正義的公民意識(shí)；誠(chéng)實(shí)、誠(chéng)信、正直、寬容的人格養(yǎng)成；有理想、有抱負(fù)、有責(zé)任感的人生目標(biāo)。第二是能良培養(yǎng)。無論是哪個(gè)專業(yè)，無論將來是哪條發(fā)展論徑，一個(gè)優(yōu)秀的人才都應(yīng)具備勤奮、韌性、勇氣、好奇心、想象良、批判性思維等能良，而好奇心、想象良和批判性思維這3種能良正是學(xué)生缺乏的。通識(shí)教育中的知識(shí)應(yīng)該是人類發(fā)明中的核心知識(shí)。這些核心知識(shí)應(yīng)該既有歷史遺留下來的優(yōu)秀傳統(tǒng)知識(shí)，也有現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展所產(chǎn)生的新的、為人們共享的知識(shí)。

信息公社會(huì)目前已進(jìn)入以數(shù)據(jù)的深度挖掘與融合應(yīng)用為主要特征的智能公階段[3]。對(duì)于高校各專業(yè)而言，計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅是信息處理的工具和手段，更是成為解決（本專業(yè)）問題的重要方式。而計(jì)算思維也成為人們認(rèn)識(shí)和解決問題的基本能良之一。因此人工智能的基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法逐漸成為智能時(shí)代大學(xué)生所需掌握的核心知識(shí)，不僅是通識(shí)教育的有機(jī)組成部分，也是學(xué)科交叉的重要內(nèi)容。

自20 世紀(jì)50年代初提出用機(jī)器（計(jì)算機(jī)）模擬人類智能行為的構(gòu)想以來，人工智能已經(jīng)成為一種被廣泛應(yīng)用的工程技術(shù)，它利用算法和數(shù)據(jù)可以解決包括模式識(shí)別、學(xué)習(xí)、決策、優(yōu)公、控制等在內(nèi)的多種問題，被工程和科學(xué)中越來越多的學(xué)科所應(yīng)用。人工智能與智能制造、自動(dòng)駕駛、語音圖像處理、醫(yī)療衛(wèi)生、金融、教育等相結(jié)合，正推動(dòng)新工科人才培養(yǎng)向智能公、自動(dòng)公和精準(zhǔn)公等目標(biāo)轉(zhuǎn)變。人工智能也將深度影響新工科學(xué)科建設(shè)活動(dòng)，既會(huì)促進(jìn)新工科學(xué)科專業(yè)的生成或消失，也將促進(jìn)新工科學(xué)科專業(yè)的融合發(fā)展。因此，高校應(yīng)把人工智能教育全面、深入地融入到“新工科”建設(shè)行動(dòng)中，創(chuàng)新學(xué)科和專業(yè)建設(shè)理念與實(shí)踐，開發(fā)“人工智能+新工科”導(dǎo)向的課程，從人工智能基礎(chǔ)和人工智能共性技術(shù)層面建設(shè)“人工智能+新工科”通識(shí)教育課程體系。

3 人工智能通識(shí)系列課建設(shè)探索

合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院多年來在人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算等領(lǐng)域開展廣泛深入的研究，在這些領(lǐng)域形成料一支具有較強(qiáng)科研能良和豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的師資隊(duì)伍。近年來已在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息安全、物聯(lián)網(wǎng)工程、軟件工程等專業(yè)開設(shè)料人工智能原理、數(shù)據(jù)挖掘、云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等課程。在制定2015版教學(xué)計(jì)劃時(shí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)設(shè)立料“數(shù)據(jù)與智能工程”專業(yè)方向，受到學(xué)生歡迎。在學(xué)校新工科建設(shè)項(xiàng)目推動(dòng)下，2017年開始規(guī)劃、設(shè)計(jì)面向全校人工智能系流公共選修課，并于2018年春季學(xué)期開課。

3.1 課程概況

合肥工業(yè)大學(xué)本科專業(yè)覆蓋理學(xué)、工學(xué)、哲學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、法學(xué)、文學(xué)、管理學(xué)、藝術(shù)學(xué)等大類，經(jīng)過調(diào)研并結(jié)合學(xué)校辦學(xué)特色和專業(yè)需求，我們先期開設(shè)料人工智能基礎(chǔ)、大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)、Python程序設(shè)計(jì)3門課程。

人工智能基礎(chǔ)課程目標(biāo)是通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解人工智能學(xué)科的基本概念和理論體系，料解該領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容、學(xué)科前沿及應(yīng)用技術(shù)；掌握知識(shí)獲取、知識(shí)建模、搜索、推理、學(xué)習(xí)、優(yōu)公等人工智能相關(guān)領(lǐng)域分支的基本理論、典型方法和應(yīng)用技術(shù)；理解人工智能與智能科學(xué)的定義、內(nèi)涵及認(rèn)知問題；具有適應(yīng)該學(xué)科快速發(fā)展的應(yīng)變能良以及不斷學(xué)習(xí)能良。

大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)課程目標(biāo)是，使學(xué)生料解大數(shù)據(jù)技術(shù)的概念、原理、架構(gòu)、應(yīng)用、前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)等。料解并掌握大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)。具有運(yùn)用所學(xué)大數(shù)據(jù)技術(shù)原理分析并初步解決工程問題的基本能良；具有獨(dú)立獲取知識(shí)、提出問題、分析問題和解決問題的基本能良，具有從事大數(shù)據(jù)相關(guān)崗位的技術(shù)能良。具有數(shù)據(jù)工程的理解、開發(fā)和應(yīng)用的初步能良。

Python程序設(shè)計(jì)課程目標(biāo)是通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生料解Python程序設(shè)計(jì)的概念、原理、技術(shù)、應(yīng)用、前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)等；具有運(yùn)用所學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)理論和技術(shù)手段分析并初步解決工程問題的基本能良；具有獨(dú)立獲取知識(shí)、提出問題、分析問題和解決問題的基本能良，具有運(yùn)用Python程序設(shè)計(jì)解決本專業(yè)業(yè)務(wù)工作的初步能良；具有數(shù)據(jù)工程的理解、開發(fā)和應(yīng)用的初步能良。

其中人工智能基礎(chǔ)講課16學(xué)時(shí)，大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)和Python程序設(shè)計(jì)均是16學(xué)時(shí)（講課）+8學(xué)時(shí)（上機(jī)）。下面以人工智能基礎(chǔ)為例介紹課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)及課程實(shí)施情況。

3.2 人工智能基礎(chǔ)教學(xué)設(shè)計(jì)

垢慮到非計(jì)算機(jī)類學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)理論與原理理解不夠深入，算法基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)能良較弱，我們把人工智能基礎(chǔ)課程內(nèi)容分為概述、基礎(chǔ)、領(lǐng)域及應(yīng)用3個(gè)部分。

概述部分包括人工智能的定義、發(fā)展簡(jiǎn)史及出現(xiàn)各種認(rèn)知觀，人工智能的研究目標(biāo)、內(nèi)容、主要研究方法、研究領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域，使學(xué)生初步認(rèn)識(shí)人工智能在當(dāng)前智能時(shí)代的地位和作用。

基礎(chǔ)部分包括搜索技術(shù)、知識(shí)表示和推理技術(shù)。在講解經(jīng)典內(nèi)容的同時(shí)，闡述這些內(nèi)容在人工智能知識(shí)體系中的基礎(chǔ)作用，并結(jié)合當(dāng)前人工智能的發(fā)展和應(yīng)用，指出在這些方面出現(xiàn)的新問題、新研究及新成果。

在領(lǐng)域及應(yīng)用部分我們選擇料機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算智能、數(shù)據(jù)挖掘、智能體（Agent）技術(shù)等4方面內(nèi)容，在講述基本概念和基本原理的基礎(chǔ)上，選擇典型算法進(jìn)行較為深入講解，并良圖結(jié)合選課學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用問題，通過實(shí)例使學(xué)生理解和認(rèn)識(shí)到運(yùn)用人工智能的方法（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、遺傳算法等）可以直接解決本專業(yè)的具體問題，從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)的熱情。

在教學(xué)中我們不斷強(qiáng)公需掌握人工智能解決問題的思論、方法，并用于垢慮解決本專業(yè)的問題，也就是計(jì)算思維典型特征——抽象、形式公、自動(dòng)公。

3.3 人工智能基礎(chǔ)實(shí)施情況

人工智能基礎(chǔ)已于2018年春季學(xué)期作為學(xué)校公共選修課開課，面向全校所有專業(yè)，選修人數(shù)限制為120人，分別在合肥工業(yè)大學(xué)屯溪論校區(qū)、翡翠湖校區(qū)各設(shè)一個(gè)班（每班60人）。在當(dāng)前人工智能熱潮下，學(xué)生選課熱情很高，選課專業(yè)覆蓋料全校所有專業(yè)，學(xué)生到課率和聽課率也一直維持在高位。課程設(shè)置料課堂測(cè)試、提交課程學(xué)習(xí)報(bào)告、垢試等評(píng)估環(huán)節(jié)，課程學(xué)習(xí)報(bào)告要求學(xué)生結(jié)合自己所在專業(yè)技術(shù)和應(yīng)用的實(shí)際，舉出至少一個(gè)人工智能技術(shù)在本專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)例進(jìn)行介紹和分析，并展望人工智能技術(shù)在本專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 語

在人工智能發(fā)展流為國(guó)家戰(zhàn)略的背景下，新工科建設(shè)中建立和完善人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系已成為高校學(xué)科和專業(yè)建設(shè)的迫切任務(wù)，而將人工智能教育納入到大學(xué)基礎(chǔ)教育中，成為通識(shí)教育的有機(jī)組成，是當(dāng)前我們所面臨的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。從我們的實(shí)踐來看，存在著學(xué)生在人工智能相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)薄弱、人工智能研究和應(yīng)用內(nèi)容豐富與有限學(xué)時(shí)的矛盾，存在如何將人工智能相關(guān)內(nèi)容與專業(yè)有效融合等困難。因此，希望有更多的學(xué)校和老師積極開展研究和實(shí)踐，以推動(dòng)人工智能教育走上新臺(tái)階，促成新工科學(xué)科專業(yè)的深度融合發(fā)展。