生成式AI 在人工智能概論課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：生成式人工智能的迅猛發(fā)展已在多領(lǐng)域引起了生產(chǎn)模式的變革。人工智能概論課的性質(zhì)決定其結(jié)合科技發(fā)展前沿更有利于對學(xué)生的培養(yǎng)。因此，進(jìn)行了一種結(jié)合生成式人工智能的教學(xué)應(yīng)用研究。以工科專業(yè)為基礎(chǔ)，課程重心聚焦于夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)知識體系。同時，細(xì)致區(qū)分不同生成式人工智能模型所擅長專業(yè)領(lǐng)域，將其應(yīng)用于課程各個環(huán)節(jié)，確保學(xué)生能夠敏銳洞察科技發(fā)展脈搏，提升自我競爭力，從容面對社會生產(chǎn)模式日新月異的變革浪潮。

關(guān)鍵詞：人工智能概論; 生成式人工智能; 機(jī)械工程; 教學(xué)改革; 課程思政

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）31-0158-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

人工智能（AI） 是一個跨學(xué)科領(lǐng)域，它旨在模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能。其概念歷經(jīng)哲學(xué)思辨、文學(xué)想象，直至現(xiàn)代電子與工程技術(shù)的融合，不斷演進(jìn)發(fā)展[1- 2]。人工智能之研究，旨在深入剖析人類智能的內(nèi)在機(jī)制，并以此創(chuàng)造出智能化機(jī)械或應(yīng)用程序，以賦能我們的生活[3]。這一領(lǐng)域的進(jìn)步不僅推動了科技與經(jīng)濟(jì)前行，更深遠(yuǎn)地影響著社會結(jié)構(gòu)、文化傳承乃至軍事戰(zhàn)略，展現(xiàn)出無與倫比的全面影響力[4]。

人工智能概論作為新興智能制造工程專業(yè)一門專業(yè)必修通識課程，旨在讓學(xué)生在已有專業(yè)基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上通過學(xué)習(xí)，對人工智能從整體上有一個較清晰全面的系統(tǒng)了解。課程著重于傳授人工智能的基本概念、原理與方法，使學(xué)生洞悉其研究與應(yīng)用的前沿動態(tài)與發(fā)展脈絡(luò)。同時，課程也致力于拓寬學(xué)生的知識視野，提升其解決問題的能力，為將來借助人工智能解決實(shí)際問題打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

生成式人工智能（Generative AI） 是一種基于深度學(xué)習(xí)的人工智能技術(shù)，通過學(xué)習(xí)大量數(shù)據(jù)并生成新內(nèi)容。這種技術(shù)應(yīng)用范圍非常廣泛，包括但不限于文本、圖片、聲音、視頻和代碼生成[5]。特別是自Chat GPT被推出以來，國內(nèi)外各類生成式人工智能模型井噴式推出，并由此使AI使用由專業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向廣大人民群眾[6]。但也要看到，正是由于其在近一年多時間的爆發(fā)式發(fā)展，也出現(xiàn)了許多有關(guān)生成內(nèi)容真實(shí)與虛假性、在一定道德理念下的觀點(diǎn)偏激性等問題[7]。

人工智能概論課程性質(zhì)決定其需要緊跟技術(shù)發(fā)展的時效性，如何將生成式人工智能合理有效地引入人工智能概論課程教學(xué)中，使其正向推動教學(xué)成果，將是當(dāng)前亟須探索的問題[8]。

1 課程章節(jié)設(shè)置與AI 應(yīng)用設(shè)計(jì)

人工智能的發(fā)展歷程涉及多個學(xué)科的早期探索，如問題解決、學(xué)習(xí)、知識表示、推理、語言理解、翻譯等領(lǐng)域[2]。近年來，以深度學(xué)習(xí)為核心的人工智能技術(shù)取得重大突破[9]，標(biāo)志著人工智能進(jìn)入全新階段[10]。深度學(xué)習(xí)的突破帶來了許多前所未有的機(jī)會與挑戰(zhàn)，如自動駕駛、醫(yī)療診斷、自然語言處理等領(lǐng)域的發(fā)展。未來，人工智能將在各個領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，同時也需要認(rèn)真思考如何更好地引導(dǎo)和監(jiān)管其發(fā)展，確保其造福人類。

如機(jī)械等工科專業(yè)學(xué)生，對于軟件編程等知識學(xué)習(xí)深度比計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生要淺，對于人工智能概論課程的教授更偏向于基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)。因此，進(jìn)行如表1所示教學(xué)章節(jié)設(shè)置。

盡管如ChatGPT等國外大型語言模型目前受地域限制而在國內(nèi)無法直接使用，但國內(nèi)也已推出了許多生成式AI模型，如Kimi、秘塔AI搜索、360AI搜索、文心一言、豆包等。這些AI模型各有特色與相對擅長的應(yīng)用領(lǐng)域，可根據(jù)課程需要，選取其中單個或多個模型進(jìn)行課堂展示與應(yīng)用?？傮w應(yīng)用方案如圖1所示。不論是總結(jié)文獻(xiàn)、美化文案、搜索引擎、還是情感分析、程序編寫等領(lǐng)域，這些AI模型都有著廣泛的應(yīng)用前景，可為課堂教學(xué)和學(xué)術(shù)研究提供便利和支持。將這些AI模型引入課堂，不僅有助于提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識，也有助于教師更靈活、更高效地進(jìn)行教學(xué)。通過這些AI模型的使用，可以使課堂更加生動有趣，提升教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生打開更廣闊的學(xué)習(xí)空間。

AI在各章節(jié)教學(xué)過程中的應(yīng)用設(shè)計(jì)如下。

1.1 人工智能的概念、內(nèi)容方法與發(fā)展概況

在第一章節(jié)的教學(xué)中，結(jié)合360AI搜索、文心一言和秘塔AI搜索，進(jìn)行關(guān)于人工智能概念與發(fā)展歷史的對話。通過360AI搜索整理出思維腦圖，使用秘塔AI 生成查詢結(jié)果演示文稿，深入學(xué)習(xí)相關(guān)概念的同時，體驗(yàn)智能搜索在整合網(wǎng)絡(luò)資源上的強(qiáng)大能力，感受不同AI模型之間的差異。這個過程也能培養(yǎng)學(xué)生審視問題和結(jié)果的能力，培養(yǎng)多角度思維。之后，再通過各模型進(jìn)行“人工智能研究內(nèi)容”以及其應(yīng)用領(lǐng)域等課程內(nèi)容的搜索展示，并且可以讓學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)內(nèi)容的智能查詢過程中。由于各模型檢索整合資源的不同，給出的結(jié)果也會不同，這就需要教師以自身所用教材為基準(zhǔn)，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的矯正與正式定義。通過這種教學(xué)方式，不僅能夠幫助學(xué)生深入了解人工智能領(lǐng)域的知識，還可以讓他們通過實(shí)踐體驗(yàn)智能搜索的便捷與高效。同時，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和多樣化思考方式，使其具備更廣闊的視野和更強(qiáng)大的解決問題的能力。教師的引導(dǎo)和矯正也非常重要，確保學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中掌握正確的知識和方法。

1.2 圖搜索與問題求解

第二章節(jié)著重介紹狀態(tài)圖搜索相關(guān)的概念，包括狀態(tài)圖、搜索方式、策略與算法等內(nèi)容。教師以教材為基礎(chǔ)，結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)講解，引導(dǎo)學(xué)生深入理解這些概念。同時，將迷宮問題、梵塔問題和旅行商問題等實(shí)際案例作為求解對象，通過文心一言等模型引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行求解過程的理解和求解程序編寫。通過這類學(xué)習(xí)安排，學(xué)生不僅可以了解狀態(tài)圖搜索的基本原理，還能夠在實(shí)際問題中應(yīng)用所學(xué)知識進(jìn)行解決。經(jīng)歷編寫程序的過程，學(xué)生將加深對狀態(tài)圖搜索問題求解方法的理解，并在總結(jié)交流中驗(yàn)證自己的程序設(shè)計(jì)能力。

1.3 知識表示與機(jī)器推理

對于第三章節(jié)內(nèi)容，通過AI對話等方式，讓學(xué)生自主地進(jìn)行檢索學(xué)習(xí)，熟悉一階謂詞、產(chǎn)生式規(guī)則、知識圖譜等重要概念。教師依據(jù)教材內(nèi)容，進(jìn)行相關(guān)概念的統(tǒng)一，并詳細(xì)講解謂詞使用規(guī)則、語義網(wǎng)絡(luò)使用規(guī)則等內(nèi)容。同時結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例，加深學(xué)生對知識表示的理解。之后，運(yùn)用教材中的實(shí)例，讓AI展示謂詞形式的表達(dá)、語義網(wǎng)絡(luò)的展示以及不確定性知識的表達(dá)；與學(xué)生進(jìn)行交流，檢驗(yàn)AI模型生成結(jié)果的合理性并提出改進(jìn)建議。通過這種方式，學(xué)生將能夠更加深入地理解知識表示與推理的概念，培養(yǎng)他們的邏輯思維和解決問題的能力。這種互動式的學(xué)習(xí)方式不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也促進(jìn)了他們對知識表示相關(guān)技術(shù)的深度理解與應(yīng)用能力的提升。

1.4 機(jī)器學(xué)習(xí)與知識發(fā)現(xiàn)

在第四章節(jié)中，通過Kimi、秘塔Ai等進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)、符號學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)等概念的檢索與脈絡(luò)發(fā)展查詢。在課堂上，通過交流討論的方式講解機(jī)器學(xué)習(xí)的原理，并結(jié)合教材示例對各種學(xué)習(xí)方法進(jìn)行更詳細(xì)的解析和鞏固。接著，組織學(xué)生利用各種AI模型工具來演示不同的學(xué)習(xí)模型，并搭建相應(yīng)的模型架構(gòu)。通過這一系列活動，學(xué)生們不僅僅能夠理解理論知識，還能夠?qū)嶋H應(yīng)用到實(shí)踐中，提高他們在人工智能領(lǐng)域的綜合能力和技能。

1.5 機(jī)器感知與語言交流

在第五章節(jié)中，安排學(xué)生通過各種AI工具自主學(xué)習(xí)模式識別、自然語言處理等概念。課堂上，引入Kimi進(jìn)行科研文獻(xiàn)總結(jié)，同時利用文心一言等AI模型進(jìn)行圖片內(nèi)容描述、圖片畫質(zhì)增強(qiáng)與畫幅拓展等任務(wù)，幫助學(xué)生體驗(yàn)當(dāng)前AI技術(shù)的感知能力。通過結(jié)合教材示例，深入講解模式識別系統(tǒng)的工作原理、不同的模式識別方法、自然語言處理技術(shù)以及各類語言模型。通過實(shí)際操作和理論學(xué)習(xí)，學(xué)生們可以更好地理解AI技術(shù)在現(xiàn)代社會中的重要性，同時也提高了他們的實(shí)際操作能力和批判性思維。

1.6 人工智能應(yīng)用系統(tǒng)

第六章節(jié)安排學(xué)生搜集各領(lǐng)域已應(yīng)用的人工智能系統(tǒng)，并進(jìn)行整理分享，教師則結(jié)合學(xué)生的分享材料進(jìn)行解讀和總結(jié)?；诮滩膬?nèi)容，教師對人工智能系統(tǒng)進(jìn)行分類和結(jié)構(gòu)分析，例如按專家系統(tǒng)、Agent系統(tǒng)和智能機(jī)器人等類型進(jìn)行整體歸類。通過這種互動式的教學(xué)方式，學(xué)生能夠更深入思考和理解人工智能在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，激發(fā)對人工智能技術(shù)的興趣和熱情。

1.7 智能計(jì)算機(jī)與智能化網(wǎng)絡(luò)

在第七章節(jié)中，以近年不斷涌現(xiàn)的各類帶有AI處理功能的手機(jī)端和桌面端CPU芯片和專門用于AI計(jì)算的算力芯片為例，引入智能計(jì)算機(jī)的教學(xué)。通過展示生活中已經(jīng)存在的各種聯(lián)網(wǎng)家用電器及其協(xié)同控制，說明智能設(shè)備組網(wǎng)的原理與應(yīng)用。以360AI瀏覽器為例，進(jìn)行智能化網(wǎng)絡(luò)與智能Web相關(guān)概念、結(jié)構(gòu)和其關(guān)鍵技術(shù)的講授。之后，讓學(xué)生根據(jù)開課以來使用各類AI模型的感受，進(jìn)行網(wǎng)上信息智能化檢索和推薦系統(tǒng)的討論學(xué)習(xí)。通過這種方式，學(xué)生將有機(jī)會深入了解人工智能在日常生活中的應(yīng)用，以及它對未來社會的影響。教師將引導(dǎo)他們思考人工智能技術(shù)的發(fā)展趨勢，并探討如何更好地利用這些技術(shù)來解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題。

1.8 人工智能編程語言與開發(fā)平臺

在第八章節(jié)中，以使用文心一言進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)圖片爬取的Python程序編寫為例，進(jìn)行人工智能編程語言與開發(fā)平臺的講授。引導(dǎo)學(xué)生使用AI應(yīng)用進(jìn)行編程語言種類及應(yīng)用領(lǐng)域的信息聚合與學(xué)習(xí)。之后，介紹PROLOG語言，再重點(diǎn)講授Python語言。最后，通過布置例題，讓學(xué)生運(yùn)用編程類AI模型解決實(shí)際問題。通過這種任務(wù)設(shè)計(jì)，不僅可以提高學(xué)生對Python編程語言的掌握能力，還可以培養(yǎng)他們獨(dú)立解決問題的能力和創(chuàng)新思維。

2 生成式AI 與課程思政結(jié)合設(shè)計(jì)

現(xiàn)今我國的總體國力提升明顯，人民生活水平不斷提升，但當(dāng)下國際發(fā)展形勢由穩(wěn)趨亂，我們正經(jīng)歷百年未有之大變局[11]。大學(xué)作為學(xué)子步入社會前的關(guān)鍵階段，尤其需要培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷和愛國意識，同時也要注重培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作態(tài)度[12]。生成式AI的快速發(fā)展，也附帶出現(xiàn)了其所產(chǎn)生信息的真實(shí)性和未完善的倫理道德問題。因此，在將生成式AI融入人工智能概論課程的教學(xué)過程中，也要注重實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的思政教育。以下為所列舉的3項(xiàng)實(shí)施例。

2.1 國家歸屬感

生成式AI是人工智能的一個細(xì)分領(lǐng)域，就如同我們在國家中所隸屬于某個行政區(qū)域一樣。生成式AI 的進(jìn)步促進(jìn)人工智能的發(fā)展，而我們自身不斷的提升最終會使我們國家更加繁榮，也會使我們擁有更加有利的發(fā)展環(huán)境。如上所述，在對學(xué)生進(jìn)行人工智能、生成式AI以及后續(xù)課程中的機(jī)器學(xué)習(xí)所包含的符號學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等內(nèi)容教授時，通過類比的方式，提升學(xué)生的國家歸屬感。通過這類教育，能夠培養(yǎng)出更多具備責(zé)任感和國家意識的人才，為國家的長遠(yuǎn)發(fā)展注入新的活力和動力。

2.2 民族自豪感

科學(xué)研究的不斷進(jìn)步和社會各行業(yè)大數(shù)據(jù)的支撐，是人工智能發(fā)展的重要基石。近年，我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展持續(xù)向好，各領(lǐng)域的科學(xué)研究也不斷獲得突破，并促使軍工實(shí)力持續(xù)增強(qiáng)，這在國際局勢動亂加劇的當(dāng)下，為人們的安穩(wěn)生活給予了強(qiáng)大保障。也正是基于此，使得人們擁有了生成式人工智能發(fā)展的海量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也是短期內(nèi)就有繁多的各類AI模型推出的底層原因。課程教學(xué)過程中，再將最新的AI技術(shù)發(fā)展信息作為實(shí)例講解，提升學(xué)生的民族自豪感。通過了解我國在人工智能領(lǐng)域的持續(xù)突破以及國際局勢，學(xué)生將更加珍惜自己所擁有的學(xué)習(xí)機(jī)會，珍惜國家為他們提供的發(fā)展空間。

2.3 認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)求是

電子終端的各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)離不開對應(yīng)應(yīng)用的有效運(yùn)行，與之對應(yīng)的，則是切實(shí)可用的編程程序。近期，生成式AI在程序編寫領(lǐng)域有了很大發(fā)展，課程中所使用的示例問題均可通過生成式AI模型進(jìn)行初步編寫。然而，并非所有由AI模型編寫的程序都是完全正確的，因此需要對程序進(jìn)行驗(yàn)證。教師在授課過程中，拋出示例問題，再讓學(xué)生或者和學(xué)生一起使用AI應(yīng)用進(jìn)行問題求解程序編寫。編寫完成后，通過程序運(yùn)行和代碼分析，驗(yàn)證所獲得程序是否可用以及是否可以進(jìn)一步優(yōu)化。這一過程涵蓋了問題分析、AI編程需求拆解與需求陳述，到程序運(yùn)行驗(yàn)證、問題排查、調(diào)試與優(yōu)化，最終到解決示例問題并做總結(jié)。這樣的教學(xué)方式不僅提升了學(xué)生的編程能力，更能夠培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)和求是精神。

3 結(jié)束語

本文依托機(jī)械工程類智能制造工程專業(yè)的人工智能概論課程，進(jìn)行了一種結(jié)合生成式人工智能的教學(xué)改進(jìn)設(shè)計(jì)、應(yīng)用研究：1） 基于工科專業(yè)特征，確定課程偏向于基礎(chǔ)知識教學(xué)為主；2） 引導(dǎo)學(xué)生使用多類型生成式人工智能模型進(jìn)行本課程相關(guān)概念的搜索與學(xué)習(xí)；3） 分別使用擅長對應(yīng)領(lǐng)域的生成式AI模型進(jìn)行教學(xué)文獻(xiàn)總結(jié)、案例問題求解和應(yīng)用程序編寫；4） 當(dāng)前AI應(yīng)用還需監(jiān)督與糾正，教師應(yīng)以所用教材為基準(zhǔn)，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的矯正與正式定義。

生成式人工智能的迅猛發(fā)展表明其在未來能夠迸發(fā)出的巨大作用，因此，將其引入當(dāng)下的課程教學(xué)中，既能使學(xué)生緊跟科技發(fā)展的步伐，增強(qiáng)自身的競爭力，也能培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷和認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)精神，從而使其更加快速地適應(yīng)正經(jīng)歷劇烈改變的新生產(chǎn)模式。

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【通聯(lián)編輯：王力】

基金項(xiàng)目：江蘇省高等教育教改研究重點(diǎn)課題，面向船舶行業(yè)的機(jī)械類教師教學(xué)與實(shí)踐能力提升路徑研究（2023JSJG172）