農(nóng)林院?！叭斯ぶ悄堋闭n程體系建設(shè)研究

朱婷婷 倪超

摘要：人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，開(kāi)啟了各行業(yè)的信息化與智能化之門。然而，相比發(fā)達(dá)國(guó)家的高校教育，我國(guó)的人工智能教育還處在起步階段，與實(shí)際工程需求相比還有很大差距，尤其是在工科發(fā)展和投入相對(duì)較小的農(nóng)林院校。因此，本課題開(kāi)展農(nóng)林院校人工智能課程體系建設(shè)方面的研究，重點(diǎn)分析國(guó)內(nèi)農(nóng)林院校在人工智能課程體系建設(shè)方面存在的主要問(wèn)題，并結(jié)合南京林業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)給出了一種解決問(wèn)題的實(shí)踐途徑，為農(nóng)林院校建立健全人工智能課程體系提供新的思路，進(jìn)而提高高校新工科人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：農(nóng)林院校;人工智能;課程體系;特色教學(xué);自動(dòng)化專業(yè)

1 問(wèn)題的提出

在信息爆炸、科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的新時(shí)代，人工智能技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、區(qū)塊鏈等新技術(shù)，加速了各行業(yè)的信息化和智能化發(fā)展。相比工業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)林的信息化和智能化進(jìn)程還比較慢，但我國(guó)出臺(tái)了多項(xiàng)政策推進(jìn)農(nóng)林業(yè)信息化的發(fā)展，目前已取得了不錯(cuò)的進(jìn)展[1]。

人工智能的快速發(fā)展和運(yùn)用，得力于各大高校對(duì)相關(guān)人才的培養(yǎng)和技術(shù)的研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各高校如清華大學(xué)、南京大學(xué)、東南大學(xué)等，先后成立了專門的人工智能學(xué)院。人工智能在工科類高校得到了較好的發(fā)展，已培養(yǎng)了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的大學(xué)師生和科技人員，從事不同層次的人工智能相關(guān)研究與學(xué)習(xí)，人工智能或互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)也已成為廣大電子信息類學(xué)生就業(yè)的首選。同時(shí)，人工智能作為一門交叉性前沿學(xué)科，其發(fā)展也促進(jìn)了其他學(xué)科的發(fā)展[2]，綜合運(yùn)用到各行業(yè)，成為各行業(yè)創(chuàng)新的重要生長(zhǎng)點(diǎn)，對(duì)我們生活的方方面面產(chǎn)生了重要的影響。

相比工科類或綜合類高校，國(guó)內(nèi)農(nóng)林高校的人工智能專業(yè)發(fā)展相對(duì)較晚，目前還處于起步階段。目前，國(guó)內(nèi)農(nóng)林高等院校在自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)科學(xué)等本科階段以及相關(guān)專業(yè)的研究生階段陸續(xù)開(kāi)設(shè)人工智能方面課程（如人工智能導(dǎo)論、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等），同時(shí)不斷加大該類課程的比重[3]。但是，在農(nóng)林院校工科學(xué)科基礎(chǔ)相對(duì)薄弱的情況下，具有高度綜合性和交叉性的人工智能特色學(xué)科，其教學(xué)和科研活動(dòng)大多散落在其他多個(gè)一級(jí)學(xué)科中[4]，缺乏統(tǒng)一有效的規(guī)劃，這嚴(yán)重制約了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，難以培養(yǎng)農(nóng)林類復(fù)合創(chuàng)新型技術(shù)人才，不利于促進(jìn)農(nóng)林業(yè)信息化和智能化的發(fā)展，因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)和完善農(nóng)林院校的人工智能課程體系的建設(shè)[5]。

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多所農(nóng)林高校的調(diào)研，分析了目前國(guó)內(nèi)農(nóng)林院校人工智能課程體系建設(shè)中普遍存在的問(wèn)題，并結(jié)合農(nóng)林院校中“雙一流”大學(xué)——南京林業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的人工智能課程體系建設(shè)的多項(xiàng)舉措，提出了一種解決問(wèn)題的實(shí)踐途徑。

2 農(nóng)林院校人工智能課程體系存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題

2019年，南京林業(yè)大學(xué)自動(dòng)化系課題組成員分赴北京林業(yè)大學(xué)、東北林業(yè)大學(xué)、福建農(nóng)林科技大學(xué)等國(guó)內(nèi)多所農(nóng)林高校實(shí)地走訪，就農(nóng)林院校人工智能課程體系和人才培養(yǎng)體系建設(shè)問(wèn)題，與各高校工科學(xué)院、教務(wù)處等相關(guān)職能部門展開(kāi)了較為深入的調(diào)研。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，工程類專業(yè)建設(shè)在農(nóng)林院校面臨發(fā)展困境。因?yàn)檗r(nóng)林院校的學(xué)校發(fā)展思路一般以農(nóng)林學(xué)科為主，致使工程學(xué)科長(zhǎng)期得不到應(yīng)有的重視，相比綜合院校，農(nóng)林院校的工程學(xué)科基礎(chǔ)普遍較薄弱。人工智能作為工程學(xué)科中新的學(xué)科，其課程體系在農(nóng)林院校普遍存在如下四個(gè)問(wèn)題。

2.1 專業(yè)學(xué)科師資短缺

由于農(nóng)林院校工科投入相對(duì)較少，且相關(guān)工程項(xiàng)目申請(qǐng)缺乏條件優(yōu)勢(shì)，因此人才引進(jìn)和師資建設(shè)難度較大，尤其是高水平領(lǐng)軍人才缺失，進(jìn)而導(dǎo)致工科科研能力不足，人工智能學(xué)科的科研產(chǎn)出與新技術(shù)、新經(jīng)濟(jì)融合不夠，其工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮。

此外，人工智能學(xué)科的教師經(jīng)常面臨兼顧共性的同時(shí)又要突出農(nóng)林特色的問(wèn)題，對(duì)其與新工科、新農(nóng)科建設(shè)結(jié)合方面的思考不夠深入[6]。這主要是因?yàn)樾逻M(jìn)人才大多數(shù)是信息類人工智能學(xué)科的專業(yè)人才，掌握且可熟練運(yùn)用人工智能技術(shù)，但缺乏農(nóng)林方面的專業(yè)知識(shí)，且難以獲得大量的相關(guān)數(shù)據(jù)，因此難以在農(nóng)林院校中發(fā)揮人工智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

2.2 農(nóng)林特色教材匱乏

目前出版的人工智能課程方面的教材主要分兩類，一類針對(duì)信息計(jì)算機(jī)專業(yè)，重點(diǎn)介紹人工智能技術(shù)涉及的相關(guān)算法原理、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等;另一類針對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)，具有較強(qiáng)的普適性和科普性，著重講解人工智能技術(shù)的應(yīng)用，通常以日常生活遇到的問(wèn)題（如房?jī)r(jià)、購(gòu)物、影視推薦等）為案例。對(duì)農(nóng)林院校的本科生而言，前者內(nèi)容過(guò)于深?yuàn)W，后者其實(shí)驗(yàn)案例未和農(nóng)林業(yè)相結(jié)合，缺乏農(nóng)林業(yè)類特色，未充分利用農(nóng)林院?，F(xiàn)有的資源和特殊背景。因此，在未充分開(kāi)設(shè)相關(guān)計(jì)算機(jī)類基礎(chǔ)課程的情況下，農(nóng)林院校工科類直接使用現(xiàn)有的教材，增加了農(nóng)林院校學(xué)生學(xué)習(xí)的課業(yè)負(fù)擔(dān)，也增加了院校在工科建設(shè)上投入的成本。

2.3 人工智能課程難度大

人工智能課程內(nèi)容涉及很多高級(jí)、復(fù)雜的算法，需要具有一定的編程能力，掌握一定的算法理論和架構(gòu)相關(guān)知識(shí)，對(duì)非計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)難度過(guò)大[7]。例如，深度學(xué)習(xí)算法在人工智能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，且取得了不錯(cuò)的研究成果，但對(duì)于沒(méi)有編程基礎(chǔ)和系統(tǒng)算法學(xué)習(xí)的本科生而言，很難通過(guò)一兩門課程掌握該類算法的設(shè)計(jì)和靈活運(yùn)用。

此外，農(nóng)林院校的主管部門通常重點(diǎn)發(fā)展農(nóng)業(yè)或林業(yè)特色學(xué)科，部分通識(shí)課程向農(nóng)林專業(yè)傾斜，導(dǎo)致部分工科院系難以深入開(kāi)設(shè)交叉性強(qiáng)的人工智能課程。各農(nóng)林院校之間以及工科院系與學(xué)校主管部門的思想難以統(tǒng)一，人工智能課程難以形成合理統(tǒng)一的體系架構(gòu)。

2.4 特色實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)少

在農(nóng)林院校中，工程學(xué)科大多屬弱勢(shì)學(xué)科，人力和資金投入不足，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和空間嚴(yán)重不足。同時(shí)，人工智能課程又屬于新興課程，其課程實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室需要考慮計(jì)算能力、數(shù)據(jù)集、算法及框架[8]，而大多數(shù)農(nóng)林院校還沒(méi)有配置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，導(dǎo)致理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)聯(lián)系不緊密，缺乏對(duì)科學(xué)研究和實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

此外，由于專業(yè)師資和特色教材的匱乏，人工智能課程在農(nóng)林院校中還處于起步階段，課程內(nèi)容未與農(nóng)林院校自身優(yōu)勢(shì)較好地融合，從而缺少與農(nóng)林相關(guān)的創(chuàng)新特色實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

3 農(nóng)林院校人工智能課程體系建設(shè)的實(shí)踐途徑

針對(duì)上述農(nóng)林院校中人工智能課程體系存在的四大主要問(wèn)題，必須加強(qiáng)農(nóng)林院校人工智能課程體系建設(shè)，突破發(fā)展困境，建設(shè)的突破口主要在于課程平臺(tái)、課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)踐這四個(gè)方面。下面以南京林業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)人工智能課程體系建設(shè)為例，提出農(nóng)林院校人工智能課程體系的建設(shè)途徑。

3.1 “由普到精”的課程平臺(tái)

南京林業(yè)大學(xué)自動(dòng)化類包括自動(dòng)化專業(yè)和測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，在機(jī)械電子工程學(xué)院下進(jìn)行培養(yǎng)，修業(yè)四年。第一年實(shí)施通識(shí)教育，按照自動(dòng)化大類培養(yǎng)，其中包含計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，為后續(xù)人工智能課程提供預(yù)備知識(shí)。第一學(xué)年末按照“志愿優(yōu)先，成績(jī)排序”原則進(jìn)行專業(yè)分流，后三年按照專業(yè)培養(yǎng)。學(xué)生分別進(jìn)入自動(dòng)化專業(yè)和測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，執(zhí)行相應(yīng)專業(yè)培養(yǎng)方案。自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生進(jìn)入大三后，課程主要為專業(yè)教育和拓展教育，包括學(xué)科與專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心與專業(yè)特殊課程和集中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，其中選修課又分模式識(shí)別方向和控制工程方向，有針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域某些復(fù)雜工程問(wèn)題的理解、分析和解決能力。

為了學(xué)生更好地掌握必要的理論知識(shí)，并鍛煉其編程能力，南京林業(yè)大學(xué)開(kāi)展了線上線下結(jié)合的教學(xué)方式。自動(dòng)化專業(yè)的本科生除了通過(guò)線下課堂教學(xué)，在通識(shí)教育中掌握人工智能課程所需的基礎(chǔ)知識(shí)，設(shè)計(jì)相關(guān)上機(jī)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)一定的編程能力，還在專業(yè)教育中根據(jù)個(gè)人選擇的專業(yè)方向，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)人工智能相關(guān)課程，保證完成培養(yǎng)大綱規(guī)定的學(xué)分。同時(shí)，基于“雨課堂”“超星”等平臺(tái)，開(kāi)設(shè)了線上課程和慕課，學(xué)生可以針對(duì)自己的專業(yè)方向，尤其是模式識(shí)別方向的本科生，有選擇地學(xué)習(xí)人工智能相關(guān)課程，且可以針對(duì)自己薄弱的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行多次學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮信息網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)。線上線下結(jié)合的教學(xué)形式，讓學(xué)生在線下課堂掌握必要的基礎(chǔ)知識(shí)，在線上課程復(fù)習(xí)和深入學(xué)習(xí)人工智能專業(yè)知識(shí)，進(jìn)而彌補(bǔ)了農(nóng)林院校工科學(xué)生相關(guān)知識(shí)缺少而導(dǎo)致直接學(xué)習(xí)人工智能課程難的問(wèn)題。

3.2 “共性與特色”的課程設(shè)置

南京林業(yè)大學(xué)2020版最新自動(dòng)化類本科人才培養(yǎng)方案的教學(xué)計(jì)劃進(jìn)程表，包含人工智能導(dǎo)論、模式識(shí)別基礎(chǔ)、數(shù)字圖像處理、Python程序設(shè)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)、農(nóng)林信息化工程等專業(yè)核心與專業(yè)特殊課程，這些課程不僅包含傳統(tǒng)的人工智能課程，而且增加了其在農(nóng)林類領(lǐng)域應(yīng)用的講解。如機(jī)器學(xué)習(xí)課程中增加了“木材缺陷識(shí)別”“地板木質(zhì)識(shí)別”等和林業(yè)生產(chǎn)加工有關(guān)的案例，打造具有林業(yè)特色的自動(dòng)化類“人工智能”課程體系。

此外，相關(guān)任課教師與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師一起，結(jié)合科研項(xiàng)目、挑戰(zhàn)杯、創(chuàng)青春競(jìng)賽，深入挖掘各課程之間的交叉與聯(lián)系[9]，對(duì)單一性實(shí)驗(yàn)課程與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，并編寫相關(guān)農(nóng)林特色人工智能教材和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)，從專業(yè)模塊和課程群層次考慮綜合知識(shí)的運(yùn)用，構(gòu)建跨課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

3.3 “虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院擁有現(xiàn)代林業(yè)技術(shù)裝備國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，注重虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)理念，設(shè)計(jì)具有農(nóng)林業(yè)特色的自動(dòng)化虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真手段，對(duì)農(nóng)林業(yè)需要大場(chǎng)地、長(zhǎng)周期、高危害的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，進(jìn)行原理和技術(shù)的直觀呈現(xiàn)，提高人工智能方面專業(yè)授課的直觀性和趣味性，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的密切結(jié)合?！疤搶?shí)結(jié)合”手段將生硬的理論知識(shí)與實(shí)例操作相結(jié)合，學(xué)生更加容易掌握和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)。

同時(shí)，在虛擬仿真教學(xué)實(shí)施的過(guò)程中，注重教與學(xué)的融合，建立及時(shí)的跟蹤和反饋機(jī)制，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、如實(shí)記錄問(wèn)題并解決問(wèn)題，不斷提高虛擬仿真教學(xué)的質(zhì)量，提升其應(yīng)用價(jià)值。

3.4 “以賽促學(xué)”的創(chuàng)新實(shí)踐

一方面，通過(guò)校級(jí)、省級(jí)的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，培育和選拔優(yōu)秀學(xué)生;另一方面，申請(qǐng)協(xié)同育人項(xiàng)目，聯(lián)合企業(yè)打造科研實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力提供基礎(chǔ)設(shè)施條件。近三年，南京林業(yè)大學(xué)自動(dòng)化系成功申請(qǐng)產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目五項(xiàng)，構(gòu)建了產(chǎn)教融合、校企合作的良好生態(tài)。協(xié)同育人通過(guò)項(xiàng)目制，拉近學(xué)校與企業(yè)的距離，使學(xué)校了解社會(huì)需求，使企業(yè)將學(xué)校作為其培養(yǎng)人才的基地，達(dá)到雙贏的結(jié)果[10]。在此基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生參加各類電子信息類比賽，如“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、“藍(lán)橋杯”全國(guó)軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽等。通過(guò)各類比賽，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力，以及解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。圍繞“中國(guó)制造2025”對(duì)高層次人才的需求，在智能機(jī)電系統(tǒng)與機(jī)械、電氣、控制等知識(shí)體系的綜合運(yùn)用，系統(tǒng)考慮課程群之間的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)項(xiàng)目比賽等多種形式培養(yǎng)綜合性農(nóng)林類工科專業(yè)人才。

4 結(jié)語(yǔ)

在人工智能技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)代，人工智能課程體系建設(shè)在農(nóng)林院校主要存在師資短缺、教材無(wú)特色、課程難度大、特色實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)少四大問(wèn)題。針對(duì)這四大問(wèn)題，本文以南京林業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的人工智能課程體系建設(shè)為例，從課程平臺(tái)、課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)踐四個(gè)方面，詳細(xì)介紹了人工智能課程體系建設(shè)的實(shí)踐途徑。通過(guò)“分層培養(yǎng)、層層遞進(jìn)、逐步提高”夯實(shí)工程基礎(chǔ)，建立專業(yè)特色鮮明、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)遞進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)體系，形成了桌面虛擬、仿真訓(xùn)練、虛實(shí)結(jié)合、校企聯(lián)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)新模式，旨在為其他農(nóng)林院校的工科建設(shè)提供新思路。

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作者簡(jiǎn)介：朱婷婷（1989—），女，江蘇鹽城人，工學(xué)博士，副主任，講師，系本文通訊作者，研究方向：模式識(shí)別與智能系統(tǒng)、林業(yè)信息化。

倪超（1979—），男，江蘇江都人，工學(xué)博士，教授，副院長(zhǎng)，博士生導(dǎo)師，研究方向：人工智能與林業(yè)信息化。