“新工科”背景下人工智能課程教學(xué)改革探索

摘要：圍繞“新工科”背景下人才培養(yǎng)要求，結(jié)合人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃，積極探索“人工智能+X”創(chuàng)新教學(xué)模式。根據(jù)我校自身情況，對人工智能課程教學(xué)過程進(jìn)行探索，運(yùn)用研究型教學(xué)方法將“案例+知識點(diǎn)”進(jìn)行深度融合，創(chuàng)新理論教學(xué)模式，分層次、分階段、循序漸進(jìn)進(jìn)行上機(jī)訓(xùn)練，將理論知識和實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系，學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：新工科;人工智能;教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）33-0111-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

2018年4月2日，教育部辦公廳發(fā)布關(guān)于印發(fā)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》的通知，要求高校重視人工智能與計(jì)算機(jī)、控制、數(shù)學(xué)等多學(xué)科專業(yè)教育的交叉融合[1]，積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，探索將“人工智能+X”的復(fù)合專業(yè)與工程實(shí)踐能力相結(jié)合的人才培養(yǎng)新模式，為我國高科技領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供人才保證。

目前，越來越多的高校本科專業(yè)開設(shè)了人工智能課程[2]，課程內(nèi)容主要涉及人工智能發(fā)展歷程、基本概念、知識表示、推理方法、各種搜索策略、人工智能應(yīng)用領(lǐng)域等。由于人工智能課程具有學(xué)科交叉性強(qiáng)、知識更新快的特點(diǎn)，僅通過教師理論講授，很難讓學(xué)生感悟、認(rèn)識到人工智能課程的價(jià)值。在“新工科”建設(shè)背景下，需要學(xué)生具有較強(qiáng)編程能力、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。如何更好地將人工智能基本原理和基本技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，是教師必須認(rèn)真考慮的問題。本文結(jié)合人工智能課程教學(xué)過程中存在的不足，對人工智能課程理論環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了探索與研究。

1 人工智能課程教學(xué)不足

人工智能課程知識面廣、內(nèi)容抽象且更新快[3]，選用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段和教學(xué)方法，便于學(xué)生理解抽象理論和復(fù)雜算法。傳統(tǒng)的教學(xué)過程存在教學(xué)方法單一，課堂趣味性弱，學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)積極性不高，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容單薄且跨度大等問題[4]。為保障較好的教學(xué)效果，需要教師將多種教學(xué)手段相結(jié)合進(jìn)行理論教學(xué)，分層次、分階段、循序漸進(jìn)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)深度融合，充分發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性，提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力，達(dá)到高質(zhì)量教學(xué)目的。

在教學(xué)過程中，需要學(xué)生理解學(xué)習(xí)人工智能目的和意義、科學(xué)有效的組織教學(xué)，將人工智能的基本原理和復(fù)雜算法融入學(xué)生的日常教學(xué)活動(dòng)中。同時(shí)，作為人工智能課程主講教師，精準(zhǔn)把握教學(xué)內(nèi)容是保證教學(xué)效果和質(zhì)量的重要手段，因此確定教學(xué)內(nèi)容是開設(shè)本課程首先需要考慮的問題。

系統(tǒng)研究國內(nèi)外人工智能課程體系建設(shè)思路，收集整理人工智能應(yīng)用領(lǐng)域的最新研究成果，及時(shí)更新完善教學(xué)內(nèi)容，現(xiàn)將課程教學(xué)內(nèi)容概括如下：

理論環(huán)節(jié)講解人工智能的發(fā)展歷程、基本原理和方法、熱點(diǎn)問題及應(yīng)用領(lǐng)域。

針對非計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科生，可根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)重點(diǎn)講解不用應(yīng)用領(lǐng)域知識，加深學(xué)生理解本課程與相關(guān)專業(yè)的交叉關(guān)系。例如，對生物醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生，通過重點(diǎn)講解生物識別技術(shù)等方面的知識。拓寬學(xué)生的相關(guān)領(lǐng)域知識面，了解相關(guān)主流技術(shù)及發(fā)展趨勢。

實(shí)踐環(huán)節(jié)講解人工智能的開發(fā)與應(yīng)用?；谔砉ご髮W(xué)全體大一新生必修Python語言課程，且Python語言具有簡單、嚴(yán)謹(jǐn)、易用的特點(diǎn)[5]，因此在實(shí)踐教學(xué)過程中，運(yùn)用Python語言循序漸進(jìn)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，選用經(jīng)典算法對比學(xué)習(xí)，動(dòng)手編程提高解決實(shí)際問題的能力，通過虛擬仿真環(huán)境加深理解最近研究熱點(diǎn)問題。

2 理論教學(xué)的改革

理論教學(xué)是了解、掌握人工智能基本原理和基本方法重要教學(xué)環(huán)節(jié)。探索高效的理論教學(xué)模式和教學(xué)方法，是保證人工智能課程教學(xué)質(zhì)量的重要手段。本文在教學(xué)過程中融人一系列新的研究性教學(xué)方法，針對非計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生，交叉運(yùn)用案例教學(xué)法、探究式教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法、講座式教學(xué)法進(jìn)行理論教學(xué)，提高課堂效率。

2.1 案例教學(xué)法

案例教學(xué)法是一種經(jīng)典的教學(xué)方法，通過經(jīng)典案例分析、講解、討論等環(huán)節(jié)加深學(xué)生理解復(fù)雜問題。由于人工智能知識更新快，需要不定期更新案例庫才能更好地保證的課堂教學(xué)質(zhì)量。本文根據(jù)人工智能知識體系構(gòu)建教學(xué)案例庫，案例庫中涵蓋理論知識、專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用和當(dāng)前熱點(diǎn)問題。生動(dòng)有趣的案例教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，便于學(xué)生理解抽象知識，特定的案例分析，更便于學(xué)生理解記憶相關(guān)知識點(diǎn)內(nèi)容。

人工智能應(yīng)用廣泛，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)應(yīng)用實(shí)例，例如“圖靈測試”著名的“人機(jī)大戰(zhàn)”等。“深藍(lán)計(jì)算機(jī)戰(zhàn)勝國際象棋世界冠軍”是機(jī)器戰(zhàn)勝人類的經(jīng)典案例案，借助“深藍(lán)”超強(qiáng)的計(jì)算能力，使得計(jì)算機(jī)能戰(zhàn)勝國際象棋世界冠軍。案例分析討論加深理解人工智能的應(yīng)用價(jià)值，感受人工智能影響人類的生活。

知識表示內(nèi)容抽象，通過“猴子和香蕉問題”“梵塔難題”等案例，啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用理論知識對案例進(jìn)行分析和探索，例如，在講解狀態(tài)空間表示方法時(shí)，引入“猴子和香蕉問題”案例，生動(dòng)形象地闡明常量變量定義、初始狀態(tài)表示和目標(biāo)狀態(tài)表示，掌握了知識表示方法需要考慮的主要因素。

2.2 探究式教學(xué)法

“探究”是一種科學(xué)有效的教學(xué)方法。為加深學(xué)生對各個(gè)知識點(diǎn)的掌握，可提前將設(shè)計(jì)好的一些案例和問題發(fā)給學(xué)生，在課堂上科學(xué)合理安排學(xué)生討論和師生互動(dòng)。引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考和學(xué)習(xí)。

探究式教學(xué)模式主要從兩個(gè)方面進(jìn)行，一是“案例+知識點(diǎn)”形式，二是“知識點(diǎn)+案例”形式。針對一些理論性較強(qiáng)的內(nèi)容，運(yùn)用探究式教學(xué)模式更便于理解相關(guān)知識點(diǎn)。例如，在講解寬度、深度優(yōu)先算法及A*算法知識點(diǎn)時(shí)，首先探究“八數(shù)碼難題”求解策略，學(xué)生通過分組討論或個(gè)人匯報(bào)求解過程，加深理解處理具體問題如何使用寬度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索及啟發(fā)式圖搜索策略。

運(yùn)用探究式教學(xué)模式，學(xué)生對人工智能理論知識有了更深入的認(rèn)識和感悟。通過分析問題、主動(dòng)學(xué)習(xí)、理解問題、解決問題等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，加深學(xué)生記憶和掌握理論知識。通過各種文獻(xiàn)資料的查閱、思考和研究，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，為人工智能相關(guān)課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

2.3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是培養(yǎng)學(xué)生小組協(xié)作能力有效的教學(xué)方法。學(xué)生以任務(wù)為中心，在完成任務(wù)過程中去分析、討論、解決問題。

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能應(yīng)用中熱門的研究領(lǐng)域，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性比較高。為了讓學(xué)生加深對該領(lǐng)域的了解，可以根據(jù)專業(yè)不同劃分小組，每個(gè)小組根據(jù)自己專業(yè)需要了解兩種熱門算法，并對比算法差異，最后通過論文或者答辯形式進(jìn)行討論學(xué)習(xí)。

2.4 講座式教學(xué)法

講座式教學(xué)是一種拓寬學(xué)生視野的有效教學(xué)方法。為了加深學(xué)生理解人工智能前沿知識，根據(jù)專家的研究背景材料，學(xué)生提前了解相關(guān)研究領(lǐng)域，講座環(huán)節(jié)通過講解與討論結(jié)合，深入理解人工智能領(lǐng)域知識在特定工程領(lǐng)域的應(yīng)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如在機(jī)器視覺領(lǐng)域中利用醫(yī)學(xué)影像技術(shù)進(jìn)行醫(yī)療診斷的講座，學(xué)生通過聆聽、思考、提問、交流等方式加深理解該講座領(lǐng)域相關(guān)知識。

交叉運(yùn)用以上4種教學(xué)方法，加深理解記憶人工智能相關(guān)理論知識。同時(shí)，人工智能課程也是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，只有將理論知識與實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行深度融合，才更便于學(xué)生理解人工智能的相關(guān)知識。

3 實(shí)踐教學(xué)的改革

基于“新工科”背景下，對培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力提出了更高的要求。實(shí)踐教學(xué)是有效培養(yǎng)學(xué)生工程能力的重要手段。為了學(xué)生更好運(yùn)用人工智能所學(xué)知識，需要教師精心安排與課程教學(xué)相配套的實(shí)踐環(huán)節(jié)。本文根據(jù)人工智能課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分層次、分階段、循序漸進(jìn)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程能力。

3.1深度、廣度優(yōu)先搜索和A*算法

教師講授深度、廣度優(yōu)先搜索和A*算法，在學(xué)生深入理解算法理論基礎(chǔ)上，讓學(xué)生在模擬環(huán)境中運(yùn)用三種方法求解“八數(shù)碼難題”。通過算法模擬理解三種方法是如何一步一步解決具體問題，熟悉三種算法流程。運(yùn)用Python語言的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、函數(shù)、類等相關(guān)語法知識，讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)現(xiàn)以上算法，掌握Py-thon語言設(shè)計(jì)程序基礎(chǔ)知識，感受三種算法在處理實(shí)際問題的優(yōu)劣，為隨后更加復(fù)雜的人工智能實(shí)驗(yàn)做鋪墊。通過問題求解策略的比較，理解人工智能課程中問題求解相關(guān)知識。

3.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)手寫數(shù)字識別

隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本方法和原理非常必要，本實(shí)驗(yàn)選取經(jīng)典BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)手寫數(shù)字識別，熟悉BP算法流程，實(shí)現(xiàn)過程需要搭建服務(wù)器和用戶界面，運(yùn)用Python語言代碼實(shí)現(xiàn)手寫數(shù)字識別，通過友好的用戶界面，使學(xué)生直觀感受到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的手寫數(shù)字識別效果。

為了達(dá)到較好的上機(jī)效果，將存在一定的難度的搭建小型服務(wù)器和用戶接口代碼提前準(zhǔn)備好，僅將構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分代碼留給學(xué)生完成。實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生通過瀏覽器直接訪問數(shù)字識別界面，并對輸出數(shù)字進(jìn)行測試。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與簡單的實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，加深理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳播、誤差的計(jì)算、梯度的計(jì)算以及參數(shù)的更新過程。從實(shí)驗(yàn)過程中可以看出，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，有較強(qiáng)的成就感，為人工智能課程中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分后續(xù)知識學(xué)習(xí)起了很好的鋪墊作用。

3.3 人工智能復(fù)雜應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

利用國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺（ www. ilab-x.com）的實(shí)驗(yàn)空間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)基于古鎮(zhèn)人流視頻分析實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，通過監(jiān)控?cái)z像頭數(shù)據(jù)采集古鎮(zhèn)人流視頻數(shù)據(jù)，利用已訓(xùn)練好深度學(xué)習(xí)模型對視頻中的人物特征（年齡、性別、軌跡）進(jìn)行提取，其次可以選擇時(shí)間段和播放進(jìn)度觀察并記錄人流特征，方便學(xué)生參考。在三維場景中，可以通過鼠標(biāo)右鍵拖拽視角，W-S-A-D控制前后左右移動(dòng)。

通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M了解深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際復(fù)雜工程中的應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有的學(xué)生主動(dòng)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)和書籍，了解實(shí)現(xiàn)原理，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索研究人工智能領(lǐng)域科學(xué)前沿知識。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)表明：分層次、分階段、循序漸進(jìn)進(jìn)行上機(jī)訓(xùn)練，有助于學(xué)生對人工智能知識的深入理解，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題能力。實(shí)踐環(huán)節(jié)中學(xué)生間協(xié)作交流，提高學(xué)生溝通能力、邏輯分析能力，更有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 結(jié)語

針對非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)，本文在人工智能課程教學(xué)中精心設(shè)計(jì)了教學(xué)內(nèi)容，多種教學(xué)方法融合進(jìn)行理論教學(xué)環(huán)節(jié)、循序漸進(jìn)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，探索出一套基于理論與實(shí)踐相結(jié)合的人工智能教學(xué)模式。通過探究人工智能經(jīng)典案例和熱點(diǎn)問題，啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)理論知識，課程中配合了針對性較強(qiáng)的思考問題和課堂練習(xí)，使學(xué)生快速掌握所學(xué)理論知識。結(jié)合理論知識循序漸進(jìn)進(jìn)行編程實(shí)戰(zhàn)，幫助學(xué)生深刻、準(zhǔn)確地用實(shí)踐方式掌握理論知識，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力。前沿領(lǐng)域的實(shí)戰(zhàn)模擬，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索人工智能相關(guān)研究領(lǐng)域知識，教學(xué)效果顯著。探究人工智能課程理論與實(shí)踐的結(jié)合教學(xué)模式，對“新工科”建設(shè)中，新一代人工智能人才培養(yǎng)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部關(guān)于印發(fā)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》的通知[EB/OL].http：//www.cac.gov.cn/2018-04/1 1/c_1 122663 790.htm，2018-04-11.

[2]王萬良，人工智能導(dǎo)論[M]-4版.北京：高等教育出版社，2017.

[3]周惠巍，林曉惠，王健，等.新工科建設(shè)中人工智能課程教學(xué)模式研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2019（11）：45-46.

[4]王艷霞，段正杰，孫廣華，等.“人工智能”課程實(shí)戰(zhàn)教學(xué)改革研究[J].中國信息技術(shù)教育，2015（8）：107-108.

[5]趙涓涓，強(qiáng)彥.Python機(jī)器學(xué)習(xí)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

【通聯(lián)編輯：王力】

作者簡介：趙靜麗（1985-），女，山西襄汾人，碩士，研究方向：人工智能。