農(nóng)業(yè)院校工科研究生課程“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”改革與實(shí)踐
——以沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)為例

張旭東，徐 威，徐 偉

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，遼寧 沈陽 110866）

伴隨人工智能、深度學(xué)習(xí)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人等新技術(shù)的挑戰(zhàn)，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命深入推進(jìn)，國家對新農(nóng)科、新工科建設(shè)提出了新要求，要求培養(yǎng)復(fù)合型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型高級專業(yè)人才［1］。研究生是大學(xué)生中的特殊群體，研究生教育是高等教育中的最高層級教育［2］，因此，研究生特別是規(guī)模較大的碩士生培養(yǎng)有其特有的規(guī)律，其教育教學(xué)內(nèi)容和方式也應(yīng)隨時(shí)代發(fā)展和國家要求而變化?！叭斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)”這門課程在一定程度上反映了現(xiàn)代人工智能等新技術(shù)的發(fā)展成就和最新成果，2018年被列入沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利工程專業(yè)碩士、農(nóng)業(yè)水土工程學(xué)術(shù)碩士等研究生培養(yǎng)方案，同時(shí)也作為本校相關(guān)工科研究生專業(yè)的選修課，并于2019年正式開課。作為一門面向工科（包括水利學(xué)院、農(nóng)業(yè)工程學(xué)院、信息與電氣學(xué)院）新開設(shè)的研究生課程，“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”課程通過幾輪的教學(xué)實(shí)踐，在內(nèi)容選擇、教學(xué)方法、持續(xù)改進(jìn)方面進(jìn)行了一些探索和嘗試，可為其他類似新工科、新農(nóng)科研究生課程的開設(shè)提供思路與借鑒，具有一定的實(shí)踐價(jià)值和理論意義。

一、線上線下教學(xué)有機(jī)結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

早在2016年，教育部印發(fā)的《關(guān)于中央部門所屬高校深化教育教學(xué)改革的指導(dǎo)意見》中提出，要推動(dòng)校內(nèi)校際線上線下混合式教學(xué)改革［3］。線上教學(xué)作為一種教學(xué)補(bǔ)充手段，造就了教學(xué)模式改革契機(jī)，為高校教育教學(xué)改革提供了一種新視角［4］。線上教學(xué)突破了時(shí)空限制，具有能夠讓學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)、多次反復(fù)學(xué)習(xí)、充分共享名師名課等明顯的優(yōu)點(diǎn)。然而，線上教學(xué)也存在一些不足，如師生交流不如線下教學(xué)方便和直接、缺乏教師現(xiàn)場督促、課堂紀(jì)律松散、學(xué)習(xí)效率低等［5］。因此，線上線下教學(xué)有機(jī)結(jié)合才能發(fā)揮兩種教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)。調(diào)查研究表明，有76.5%的高校教師愿意在疫情發(fā)生后采用“線上+線下”混合式教學(xué)，45.9%的高校教師愿意繼續(xù)采用線上教學(xué)［6］，這說明“線上+線下”混合式教學(xué)已得到大部分教師的認(rèn)可，有可能成為近階段主流的教學(xué)模式。

在講授“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”課程中，線上和線下內(nèi)容比例設(shè)置為1∶1，充分發(fā)揮線下和線上教學(xué)方式的優(yōu)勢。線上教學(xué)內(nèi)容按教學(xué)大綱的要求進(jìn)行，并且根據(jù)各個(gè)專業(yè)適當(dāng)加以擴(kuò)充，以滿足研究生的不同研究方向和研究內(nèi)容的需求。對于比較簡單的內(nèi)容和學(xué)生容易理解的內(nèi)容則采用線上學(xué)習(xí)，如：本課程基于Python語言實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，Python是較容易上手的高級程序設(shè)計(jì)語言，因此對于基礎(chǔ)語法、變量類型、各種語句、內(nèi)置函數(shù)和循環(huán)等采用線上教學(xué)。線下教學(xué)則主要對線上學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行答疑，或者安排課程中共性的且大家均有興趣的內(nèi)容，這樣才能使線上教學(xué)和線下教學(xué)更好地融合，激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。因?yàn)楸鹃T課程的授課對象是土木工程、水利工程、農(nóng)業(yè)水利和信息與電氣工程專業(yè)的學(xué)生，涉及不同的專業(yè)，本門課程主要作為研究生的科研工具和方法，具有知識(shí)內(nèi)容發(fā)展更新速度比較快的特點(diǎn)，因此，采取的措施為：在開課伊始給學(xué)生列出參考教材和相關(guān)書目清單，發(fā)布主流參考教材中的案例目錄，讓學(xué)生自主選取比較關(guān)心和感興趣的案例，教師統(tǒng)計(jì)后根據(jù)多數(shù)學(xué)生的意見，選擇學(xué)生關(guān)注比較多的3～5個(gè)案例在課堂上進(jìn)行詳細(xì)講解。

二、指導(dǎo)學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生操作能力

“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”課程的最終目的是培養(yǎng)研究生運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程解決科學(xué)研究中面臨的實(shí)際問題的能力，編程的魅力不僅在于編碼，更重要的價(jià)值還體現(xiàn)在問題解決過程及思維能力的延伸，以及在此過程中對學(xué)習(xí)者觀察、反思和結(jié)構(gòu)性思考等無形技能的培養(yǎng)［7］。因此，僅通過傳統(tǒng)的教師講、學(xué)生聽的單向教學(xué)模式，很難實(shí)現(xiàn)該目的，必須重視學(xué)生的動(dòng)手操作能力。本門課的線下教學(xué)中，要求學(xué)生自帶電腦，教師在課上幫助學(xué)生解決其在線上學(xué)習(xí)過程中所遇到的疑難問題。比如，在學(xué)習(xí)過程中，需要用Python和TensorFlow 2.0搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的環(huán)境和平臺(tái)，但是在安裝這些軟件和環(huán)境配置時(shí)，由于每個(gè)學(xué)生的個(gè)人電腦硬件和軟件環(huán)境不同，會(huì)遇到各種各樣的版本不兼容問題，首次接觸Python和TensorFlow的學(xué)生會(huì)感到非常困惑，這些情況在課堂中師生可以面對面解決。另外，有些學(xué)生本科期間并沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專業(yè)的相關(guān)知識(shí)，沒有編程經(jīng)驗(yàn)，基礎(chǔ)比較薄弱，比如，發(fā)現(xiàn)學(xué)生常常在代碼中將中文和英文符號混用，或者將簡單的字母拼寫錯(cuò)誤而導(dǎo)致程序運(yùn)行中斷，有經(jīng)驗(yàn)的教師在線下教學(xué)中非常容易解決這些問題，同時(shí)還可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和動(dòng)手能力；但如果解決不好，就會(huì)令學(xué)生充滿挫敗感，從而導(dǎo)致對整門課程喪失興趣。本門課程的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握或應(yīng)用最前沿的編程工具和算法，然而教材或者參考資料往往給出的是算法的偽代碼，通常需要修改才能夠運(yùn)行，所以通過教師課上當(dāng)面逐一點(diǎn)撥和指導(dǎo)，學(xué)生能自己修改并運(yùn)行，快速掌握要領(lǐng)，提高動(dòng)手操作能力并體會(huì)學(xué)習(xí)和動(dòng)手的快樂。

三、精心選用制作課件，提高課堂教學(xué)效果

線上教學(xué)中，注重知識(shí)點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)和核心內(nèi)容，精心選用和制備教學(xué)視頻，在教學(xué)過程中能夠激發(fā)學(xué)生的興趣。在“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的概述部分中，為使學(xué)生整體把握人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理，采用了由西瓜視頻和科普中國聯(lián)合出品，中國人民大學(xué)附屬中學(xué)教師李永樂制作的一系列科普視頻中的兩段：《機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——機(jī)器能像人一樣思考嗎？》《卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——人臉識(shí)別啥原理？》；在講神經(jīng)元與感知機(jī)、梯度下降法實(shí)現(xiàn)線性回歸、TensorFlow的自動(dòng)求導(dǎo)機(jī)制時(shí)，采用中國慕課網(wǎng)中西安科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院牟琦教師團(tuán)隊(duì)制作的教學(xué)視頻；在實(shí)際操作過程中，針對Python模塊、包和庫的安裝、波士頓房價(jià)數(shù)據(jù)和鳶尾花數(shù)據(jù)集的下載等容易出錯(cuò)的關(guān)鍵問題，采用EV錄屏軟件和Premiere軟件自己剪輯制作了相關(guān)的教學(xué)視頻。教學(xué)的課件包括PPT、視頻、案例，這些構(gòu)成了一整套教學(xué)材料，學(xué)生在觀看視頻的同時(shí)，可以分屏查閱PPT，對于自己不熟悉的關(guān)鍵環(huán)節(jié)可以反復(fù)觀看，并根據(jù)配套的案例進(jìn)行練習(xí)，取得了很好的線上教學(xué)效果。

課前通過QQ群將制備好的教學(xué)視頻和教學(xué)課件發(fā)送給學(xué)生，同時(shí)發(fā)布相關(guān)要求和注意事項(xiàng)，讓學(xué)生做好預(yù)習(xí)和線上學(xué)習(xí)。線下課堂環(huán)節(jié)通過提問、搶答環(huán)節(jié)檢驗(yàn)學(xué)生的線上學(xué)習(xí)效果，通過小組討論和學(xué)生演示強(qiáng)化所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，每次下課前布置需要學(xué)生課后查閱的資料、線下學(xué)習(xí)內(nèi)容和練習(xí)。通過線上線下混合式教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)課程的自由度變大，積極性增強(qiáng)，對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理解和實(shí)際應(yīng)用能力均有提高。

四、主動(dòng)征求學(xué)生意見，持續(xù)改進(jìn)課程教學(xué)

每輪教學(xué)活動(dòng)結(jié)束后，通過在線調(diào)查的方式主動(dòng)征求學(xué)生對課程的反饋意見，讓每位學(xué)生交一份關(guān)于本門課程及教學(xué)的調(diào)查問卷，設(shè)置調(diào)查問卷時(shí)，題目可以是單選或多選，也可以是主觀題如體會(huì)和建議。任課教師根據(jù)學(xué)生合理的建議進(jìn)一步完善教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法。該措施的好處在于，一是給學(xué)生評教和表達(dá)的機(jī)會(huì)，二是教師能夠看到評教的結(jié)果，正視自己在該論教學(xué)活動(dòng)中的長處和不足，也能感受到教改活動(dòng)實(shí)施后學(xué)生的反響，從而形成良性互動(dòng)。

在學(xué)生反饋的體會(huì)與意見中，有學(xué)生表示喜歡該門課程的教學(xué)模式，特別是搶答問題的方式，能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，活躍上課氣氛。對于進(jìn)度和難度的反饋中，有學(xué)生反映進(jìn)度和難度適中，也有學(xué)生反映進(jìn)度較快且內(nèi)容較難，原因可能是學(xué)生的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力不同。有學(xué)生建議，可以讓各位同學(xué)在第一堂課時(shí)將自己的研究方向與自己的論文需要做什么寫下來，這樣就可以根據(jù)每位學(xué)生的特點(diǎn)對其歸類，進(jìn)行針對性的課程講解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。我們認(rèn)為此建議非常好，本門課程就是希望各位學(xué)生把在本門課程學(xué)習(xí)到的知識(shí)應(yīng)用到他們目前正在做的課題之中。有學(xué)生希望多布置作業(yè)，采用多種考核形式，該條建議可適當(dāng)考慮，因?yàn)椴糠盅芯可目蒲腥蝿?wù)較重，需要做大量的田間和室內(nèi)試驗(yàn)，能夠用來認(rèn)真完成各門課程的時(shí)間有限。個(gè)別學(xué)生認(rèn)為可減少課程內(nèi)容，有針對性地研究1～2個(gè)案例，加強(qiáng)實(shí)踐，達(dá)到舉一反三的效果。也有的學(xué)生建議增加師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，如建立小組集體討論，推薦學(xué)生PPT匯報(bào)發(fā)言或?qū)嶋H操作等。這些意見大多數(shù)都是非常中肯的，有些失之偏頗的地方，鑒于反饋意見學(xué)生的認(rèn)知的局限性，教師應(yīng)平和客觀地看待這些意見，抓住主要問題，在下一輪的教學(xué)中進(jìn)行改進(jìn)。

五、體會(huì)和建議

通過4年的“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”研究生課程教學(xué)改革與實(shí)踐，主要有以下體會(huì)和建議。

重視研究生開設(shè)的課程。對于開設(shè)的研究生課程，可根據(jù)學(xué)科發(fā)展和科技成果的進(jìn)展與突破靈活調(diào)整，但只要開設(shè)就應(yīng)重視，只有領(lǐng)導(dǎo)和教師重視研究生教學(xué)，學(xué)生才會(huì)重視；要摒棄重科研、輕教學(xué)的觀念，重視研究生的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，達(dá)到“以課程助科研”的效果；在教學(xué)人員安排上，盡量安排教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富、責(zé)任心較強(qiáng)的教師授課，并給予新承擔(dān)任務(wù)的年輕教師或缺少課堂經(jīng)驗(yàn)的教師全面指導(dǎo)。

加強(qiáng)研究生課程教學(xué)方法研討。研究生有區(qū)別于本科生的特點(diǎn)，研究生對課程學(xué)習(xí)的目的性、自主性以及能力更強(qiáng)，因此有必要加強(qiáng)對研究生課程的教學(xué)研討，明確課程的教學(xué)目標(biāo)、實(shí)時(shí)調(diào)整重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)設(shè)計(jì)等，盡量將多種形式的互動(dòng)融入授課過程，注重學(xué)生參與、強(qiáng)化互動(dòng)效果，保證課程的先進(jìn)性、實(shí)用性和有效性。

對研究生教學(xué)進(jìn)行全面考核評價(jià)。目前，研究生課程的考核大多數(shù)仍然采用督導(dǎo)員聽課的方式，然而有時(shí)督導(dǎo)員對教學(xué)的內(nèi)容并不熟悉，較難反映教師授課質(zhì)量及整體設(shè)計(jì)。因此，建議將學(xué)生評教落到實(shí)處，在教學(xué)活動(dòng)中，使學(xué)生既成為授課主體也成為授課對象，這樣才可能對研究生授課質(zhì)量進(jìn)行全面考察；也可舉辦一些研究生課程的教學(xué)設(shè)計(jì)大賽等活動(dòng)，促使師生重視教學(xué)、搞好教學(xué)，不斷提升研究生課程的教學(xué)質(zhì)量。