人工智能原理及應(yīng)用課程思政的探索與實(shí)踐

付明磊，張文安

（浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310023）

隨著2017 年7 月國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》和2018 年4 月教育部印發(fā)的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》深入貫徹實(shí)施，我國(guó)高校的人工智能專業(yè)建設(shè)獲得了歷史性機(jī)遇。在近四年教育部公布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果》中，我國(guó)分別有35 所（2018 年度）、180 所（2019 年度）、130 所（2020年度）和95 所（2021 年度）高校獲批了人工智能專業(yè)，合計(jì)440 所高校。此外，智能科學(xué)與技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)、智能制造等與人工智能技術(shù)密切相關(guān)的新專業(yè)也在大量獲批建設(shè)。

為了響應(yīng)新形勢(shì)，很多教學(xué)團(tuán)隊(duì)在人工智能類課程建設(shè)方面進(jìn)行了卓有成效的教學(xué)研究和實(shí)踐探索[1-3]。同時(shí)，以百度為代表的國(guó)內(nèi)人工智能企業(yè)連續(xù)開設(shè)全國(guó)高校深度學(xué)習(xí)師資培訓(xùn)班，并且推出AI Studio 等優(yōu)秀的實(shí)踐開發(fā)平臺(tái)，解決了大多數(shù)高校面臨的人工智能類課程缺少統(tǒng)一開發(fā)環(huán)境與計(jì)算資源匱乏的難題[4-6]。

與此同時(shí)，面向人工智能類課程的課程思政研究與實(shí)踐獲得了越來越多教學(xué)團(tuán)隊(duì)的關(guān)注和重視[7-10]，成為人工智能類課程教學(xué)過程中不可或缺的核心環(huán)節(jié)。課程思政的教育目標(biāo)是在專業(yè)課程上融合思政元素的學(xué)習(xí)，將社會(huì)主義核心價(jià)值觀滲透在課程的各個(gè)角落，讓學(xué)生對(duì)思想品德教育進(jìn)行更深層次地理解與吸收，不斷培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力和素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)情懷，使學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀[7]。

人工智能原理及應(yīng)用課程主要介紹人工智能領(lǐng)域中常用機(jī)器學(xué)習(xí)模型和深度學(xué)習(xí)模型，以及這些模型在數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理等領(lǐng)域中的應(yīng)用案例。課程采用“原理-模型-代碼-案例”的教學(xué)思路，使學(xué)生學(xué)會(huì)思辨思維，運(yùn)用哲理性思想觀點(diǎn)掌握以機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能模型的設(shè)計(jì)原則，加強(qiáng)學(xué)生理論和實(shí)際相結(jié)合的能力。

一 課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容

人工智能原理及應(yīng)用課程的教學(xué)目標(biāo)包括以下內(nèi)容。

目標(biāo)1：培養(yǎng)學(xué)生掌握和理解人工智能的基礎(chǔ)概念和方法，重點(diǎn)掌握機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)中的典型算法模型，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問題的分析解決能力，建立辯證思維，激發(fā)科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和開拓創(chuàng)新精神。

目標(biāo)2：通過課程案例和綜合實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論，對(duì)算法和模型進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，獲得合理有效的結(jié)論并最終撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，增強(qiáng)學(xué)生的自學(xué)意識(shí)和創(chuàng)新能力。

目標(biāo)3：了解人工智能領(lǐng)域的國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)、研究熱點(diǎn)，了解人工智能倫理及其安全邊界，了解人工智能技術(shù)和人類的互補(bǔ)性，在應(yīng)用人工智能技術(shù)時(shí)能充分考慮其對(duì)人類社會(huì)所帶來的潛在影響，具備跨文化交流的語言和書面表達(dá)能力，能就人工智能領(lǐng)域的專業(yè)問題，在跨文化背景下進(jìn)行基本溝通和交流。

本課程是自動(dòng)化專業(yè)選修課，共計(jì)40 課時(shí)，其中32課時(shí)為理論教學(xué)，8 課時(shí)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本課程教學(xué)內(nèi)容分為4 個(gè)部分。

第一部分是人工智能簡(jiǎn)史與開發(fā)基礎(chǔ)（8 課時(shí)），主要講授人工智能的發(fā)展歷程與應(yīng)用場(chǎng)景、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)、Python 庫操作復(fù)習(xí)、常見的深度學(xué)習(xí)框架、AI Studio 開發(fā)平臺(tái)飛槳服務(wù)平臺(tái)和工具組件，其中第一部分涉及2 個(gè)案例，分別是EasyDL 平臺(tái)操作和Python 爬蟲與數(shù)據(jù)分析。

第二部分是機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)（8 課時(shí)），主要講授機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展歷程、分類模型、回歸模型、聚類模型、集成學(xué)習(xí)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)模型評(píng)估方法等，其中，第二部分涉及4 個(gè)案例，分別是2 個(gè)線性回歸案例、1 個(gè)支持向量機(jī)案例和1個(gè)聚類案例。

第三部分是深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)（16 課時(shí)），主要講授神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定義及其結(jié)構(gòu)、BP 算法、深層網(wǎng)絡(luò)的傳播過程、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)、門控循環(huán)單元、注意力機(jī)制、常用的注意力機(jī)制模塊和模型調(diào)優(yōu)策略，其中第三部分涉及11 個(gè)案例，為多層感知機(jī)、深度網(wǎng)絡(luò)DNN、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

第四部分是人工智能應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)（8 課時(shí)），主要講授深層網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)與代碼實(shí)現(xiàn)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代碼實(shí)現(xiàn)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的代碼實(shí)現(xiàn)和超參數(shù)調(diào)優(yōu)方法，其中第四部分涉及4 個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，分別是車牌識(shí)別、圖像分割U-Net、YOLO-v3（AI 識(shí)蟲）和使用注意力機(jī)制的LSTM 的機(jī)器翻譯。

上述教學(xué)內(nèi)容中涉及的課程案例和綜合實(shí)驗(yàn)見表1，實(shí)驗(yàn)的開發(fā)環(huán)境為百度AI 平臺(tái)中的EasyDL 和AI Studio，深度學(xué)習(xí)框架為飛槳，代碼全部用Python3 編寫。

表1 人工智能原理及應(yīng)用的課程案例與綜合實(shí)驗(yàn)

二 思政元素的提煉與融入

人工智能原理及應(yīng)用課程的教學(xué)目標(biāo)不僅包含了機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)中的基本模型和算法，而且強(qiáng)調(diào)發(fā)現(xiàn)和挖掘?qū)W科背景和專業(yè)知識(shí)中思政元素，并將其深度融入理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

本課程綜合考慮課程大綱明確的知識(shí)、能力、素質(zhì)要求，以及課程相關(guān)的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，在四個(gè)部分的教學(xué)內(nèi)容中分別設(shè)置科學(xué)精神、家國(guó)情懷、辯證唯物、知行合一、工匠精神、文化自信、愛崗敬業(yè)和創(chuàng)新開拓等8 個(gè)思政元素，見表2。同時(shí)，根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容和案例特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了思政元素的融入形式。

表2 人工智能原理及應(yīng)用的思政元素及其融入形式

思政元素的提煉與融入可以來源于榜樣的力量、時(shí)事政治、哲學(xué)元素、愛國(guó)主義情懷和人文精神[10]，也可以結(jié)合高校自身的辦學(xué)特色與傳承[7]，以及地區(qū)的經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)。比如，本課程在人工智能簡(jiǎn)史中不僅介紹著名科學(xué)家和清華大學(xué)評(píng)選出的人工智能全球最具影響力學(xué)者榜單中的著名學(xué)者，還介紹了本學(xué)院在人工智能領(lǐng)域的知名校友事跡和優(yōu)秀畢業(yè)生事跡。這些“身邊”的榜樣對(duì)于學(xué)生們更容易產(chǎn)生共鳴和觸動(dòng)，激發(fā)其求學(xué)求知熱情。杭州是數(shù)字經(jīng)濟(jì)非常活躍和發(fā)達(dá)的城市，擁有大批人工智能領(lǐng)域的優(yōu)秀企業(yè)。因此，在介紹課程案例和綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景與應(yīng)用前景時(shí)，課程還會(huì)結(jié)合這些企業(yè)的主營(yíng)業(yè)務(wù)和核心產(chǎn)品。這樣的思政元素融入形式不僅“潤(rùn)物細(xì)無聲”，而且對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生們的制度自信、文化自信、愛崗敬業(yè)和創(chuàng)新開拓是“干貨滿滿”的。

三 課程思政的實(shí)施路徑

為實(shí)現(xiàn)課程思政與專業(yè)知識(shí)的深度融合，有效提升課程思政對(duì)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)等全方位的培養(yǎng)效果，本課程針對(duì)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課后知識(shí)拓展設(shè)計(jì)了3 條課程思政的實(shí)施路徑。

（一）案例分析式教學(xué)模式

人工智能類課程涉及到的知識(shí)點(diǎn)眾多，一般包括知識(shí)、知識(shí)表示、搜索策略、邏輯推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和知識(shí)圖譜等，同時(shí)涉及到的應(yīng)用背景跨度大，往往要求學(xué)生具有較扎實(shí)的數(shù)學(xué)知識(shí)（線性代數(shù)、數(shù)學(xué)分析、概率統(tǒng)計(jì)、最優(yōu)化方法等）和一定的編程能力（Python 編程）。但是作為專業(yè)課程，往往只有32 課時(shí)或者40 課時(shí)。因此，在有限的課時(shí)內(nèi)，面向自動(dòng)化專業(yè)或者非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，本課程的理論教學(xué)選擇機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)作為其核心知識(shí)點(diǎn)，采用案例分析式教學(xué)方法，不僅講授基本的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)模型原理，更加強(qiáng)調(diào)從模型到代碼的實(shí)現(xiàn)過程，提高學(xué)生的模型參數(shù)調(diào)試和應(yīng)用能力。

由表1 可知，本課程利用EasyDL 和AI Studio 平臺(tái)提供的開發(fā)環(huán)境和免費(fèi)的計(jì)算資源，共安排了17 個(gè)教學(xué)案例。這些案例和實(shí)驗(yàn)全部基于國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的百度AI平臺(tái)和飛槳框架開發(fā)和調(diào)試，非常有利于提高學(xué)生們的民族自信心和自豪感，培養(yǎng)學(xué)生們的家國(guó)情懷。此外，這些案例和實(shí)驗(yàn)來源于日常生活，有利于激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。在案例分析式教學(xué)的過程中，數(shù)據(jù)、原理、模型、代碼實(shí)現(xiàn)了有機(jī)結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生們辯證唯物的哲學(xué)觀和知行合一的職業(yè)觀。在模型參數(shù)調(diào)試、模型訓(xùn)練和測(cè)試的過程中，學(xué)生們非常直觀地體驗(yàn)到了堅(jiān)持不懈、精益求精的工匠精神。

（二）集思廣益式項(xiàng)目分享

本課程非常重視培養(yǎng)學(xué)生的人工智能方法應(yīng)用能力，并安排了4 個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)。此外，考慮到參加課程學(xué)習(xí)的學(xué)生處于大三下學(xué)期，其中部分優(yōu)秀的同學(xué)是參加“互聯(lián)網(wǎng)+”“挑戰(zhàn)杯”“全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽”“全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽”等高水平學(xué)科競(jìng)賽的主力軍，還有部分同學(xué)參與到學(xué)院教師的科研項(xiàng)目，并且撰寫和發(fā)表了學(xué)術(shù)論文，因此本課程邀請(qǐng)這些參加學(xué)科競(jìng)賽和教師科研項(xiàng)目的優(yōu)秀同學(xué)分享其項(xiàng)目中涉及人工智能的研究工作。

這些集思廣益式的項(xiàng)目分享一方面拓展了學(xué)生們的知識(shí)面，鍛煉了其學(xué)以致用的專業(yè)能力；另一方面，項(xiàng)目分享中那些精彩的作品視頻、經(jīng)典論文工作復(fù)現(xiàn)、思想碰撞的火花激發(fā)了學(xué)生們勇于探索、不懼挑戰(zhàn)的創(chuàng)新精神。

（三）競(jìng)賽激勵(lì)式創(chuàng)新鍛煉

除了理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，本課程還鼓勵(lì)學(xué)生們關(guān)注并積極參加與課程內(nèi)容高度相關(guān)的“中國(guó)高校計(jì)算機(jī)大賽人工智能創(chuàng)意賽”。在過去3 年內(nèi)，參與本課程學(xué)習(xí)的學(xué)生在“人工智能創(chuàng)意賽”的全國(guó)總決賽上獲得了2項(xiàng)一等獎(jiǎng)、2 項(xiàng)二等獎(jiǎng)、3 項(xiàng)三等獎(jiǎng)，多項(xiàng)華東賽區(qū)獎(jiǎng)項(xiàng)，競(jìng)賽成績(jī)斐然。人工智能創(chuàng)意賽進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生們的創(chuàng)新意識(shí)，提升其人工智能創(chuàng)新實(shí)踐應(yīng)用能力，并且培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。

四 結(jié)束語

人工智能原理及應(yīng)用課程以機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)作為其核心知識(shí)點(diǎn)，采用案例分析式教學(xué)方法，在人工智能簡(jiǎn)史與開發(fā)基礎(chǔ)、機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和人工智能應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)四部分教學(xué)內(nèi)容融入科學(xué)精神、家國(guó)情懷、辯證唯物、知行合一、工匠精神、文化自信、愛崗敬業(yè)和創(chuàng)新開拓8 個(gè)思政元素。課程針對(duì)理論教學(xué)設(shè)計(jì)了案例分析式教學(xué)模式課程思政的實(shí)施路徑，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)了集思廣益式項(xiàng)目分享課程思政的實(shí)施路徑，針對(duì)課后知識(shí)拓展設(shè)計(jì)了競(jìng)賽激勵(lì)式創(chuàng)新鍛煉課程思政的實(shí)施路徑。課程將思政教育融入專業(yè)課程培養(yǎng)的點(diǎn)點(diǎn)滴滴中，實(shí)現(xiàn)專業(yè)技能與思政教育的同步提升，有利于培養(yǎng)既具有良好的專業(yè)素質(zhì)，又具有堅(jiān)定的社會(huì)主義建設(shè)理念的工程技術(shù)人才。