研究性教學在人工智能課程教學中的探索與實踐

張彥鐸　李　迅　魯統(tǒng)偉

摘要：本文從計算機專業(yè)人工智能課程的自身特點和實際需要出發(fā)，為了課程教學和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高，根據(jù)研究性教學的規(guī)律，在課程教學實踐中深入實施研究性教學，并取得良好的教學效果，對其他課程的研究性教學實踐有積極的啟示。

關鍵詞：研究性教學；人工智能課程；計算機專業(yè)

中圖分類號：G642文獻標識碼：B

為了探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有效途徑，以研究性教學(研究性學習)理論研究為指導、以機器人足球技術為平臺、以計算機專業(yè)課程和實踐教學環(huán)節(jié)為對象，開展了一系列理論探索與教學實踐。在此基礎上，逐步樹立了學生實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教育教學理念，形成了典型創(chuàng)新平臺(機器人足球)上的突出特色，取得了眾多的人才培養(yǎng)成效。

1指導思想

2005年教育部發(fā)布的旨在提高我國本科教育質(zhì)量的教高[2005]001號文中提出明確要求：“積極推動研究性教學，提高大學生的創(chuàng)新能力”，為課題研究指明了主要方向。

實踐能力的提高和探索精神的加強，作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)中相互聯(lián)系、相互促進的兩個重要方面，是圍繞研究性教學進行理論研究和教學實踐的主要目的。充分利用機器人足球這一典型實踐與創(chuàng)新平臺，在傳統(tǒng)課程和實踐環(huán)節(jié)的教學中積極鼓勵和引導學生自主的尋找、發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，成為開展研究性教學實踐的主要途徑。

同時，在政策、機制方面的保證，教師對教學工作的高度投入和教學理念的逐步更新，是取得成果的主要基礎。

2研究性教學

在歷史上，研究性教學三次大規(guī)模的倡導，見證了現(xiàn)代大學本質(zhì)含義的演變。第一次發(fā)生在18世紀末至19世紀初的歐洲，代表人物是盧梭，把人的精神從中世紀的蒙昧、迷信、盲從中解放出來，讓理性的光輝照亮人的心靈。第二次發(fā)生于19世紀末至20世紀初的美國，主要倡導者有杜威、康茨等人，使大學適應了工業(yè)化時代和社會民主化的發(fā)展要求。第三次發(fā)生于20世紀50年代末至70年代的美歐諸國及亞洲的韓國、日本等，以美國的布魯納為代表，雖然適應了“冷戰(zhàn)”時期的科技、軍事與空間競爭的需要，但不可避免地因世界政治、經(jīng)濟與軍事格局的改變而消退。

20世紀90年代至今，世界各國都把教學方式的轉(zhuǎn)變視為教育課程改革的重要內(nèi)容。歐洲的“主題探究”與“設計學習”活動、日本的“綜合學習時間”，法國90年代初開始的“研究性學習課程”、美國的“以項目為中心學習”和“以問題為中心學習”、我國香港的“終身學習、全人發(fā)展”，都驗證了“研究性教學”順應了世界課程改革的發(fā)展趨勢，符合時代發(fā)展的要求。

一方面，現(xiàn)代意義的研究性教學是當代教學改革、創(chuàng)新人才培養(yǎng)的必然要求。

首先，從教學理念的角度，其教學的目的是培育個性健康發(fā)展的人，而不僅是理性的人，也不僅僅強調(diào)智力的卓越性；其教學的內(nèi)容要面向?qū)W生的整個生活與科學世界，而不僅面向?qū)W生的學科和知識結(jié)構；其教學的出發(fā)點是認為每個學生的學習都是其獨特個性的體現(xiàn)，課程的內(nèi)容結(jié)構也應遵循每個學習者學習方式的獨特性，而不是追求普遍的通用于所有學生的模式。

再者，從知識觀的角度，它強調(diào)了緘默知識在學生實踐與創(chuàng)新中的重要作用，并密切了顯性知識與緘默知識的內(nèi)在聯(lián)系；它突出了私人知識在學生知識體系中的地位，促進了社會知識與私人知識之間的相互轉(zhuǎn)化；它注重人類知識內(nèi)容的整體性、發(fā)現(xiàn)過程的重要性和為“創(chuàng)”而知的目的性，并加速了由“小知”向“大知”(強調(diào)整體、重視過程、旨在創(chuàng)新)的過渡過程。

最后，從主體觀的角度，它有利于學生從“邊際人”(傳統(tǒng)教學理論是基于青少年學生不成熟的假設和規(guī)定而建立的)到“年輕的成人”(自我調(diào)控、自己賦予自己活動的意義、自我超越以及成為自己的主人)、從“不成熟的認識主體”到“知識的批判者與生產(chǎn)者”、從“受教育者”到“學習者”的轉(zhuǎn)變。

另一方面，研究性教學回應了現(xiàn)代高等教育的本質(zhì)規(guī)定性和時代性的要求。

研究性教學強調(diào)通過問題來進行學習，把問題看做是學習的動力、起點和貫穿學習過程的主線；也強調(diào)通過學習來生成問題，把學習過程看成是問題的尋找、發(fā)現(xiàn)、分析和解決的過程。因此，符合大學教學本質(zhì)上的探索性。

研究性教學超越了接受性的學習，而強調(diào)親自實踐、親自體驗發(fā)現(xiàn)科學真理的認識過程。只有通過實踐內(nèi)化了的知識，才是真正為學生所掌握，才能發(fā)展起知識學習、接受、批判、遷移的能力，促進創(chuàng)新精神和能力的發(fā)展。

研究性教學從學習內(nèi)容、學習方式、活動空間上都具有開放性，這是學生從被動向主動、從消極向積極、從他律向自律轉(zhuǎn)變的前提，而這一轉(zhuǎn)變正是現(xiàn)代大學教學的要求。

這樣，通過研究性教學，學生就可以獲得豐富的知識經(jīng)驗和情感體驗，形成永不滿足、追求卓越的科學態(tài)度和克服困難、超越自我的意志力；通過個性、特長的張揚，獲得一種成功的體驗，進而升華出對自身精神價值的肯定和不斷發(fā)展與完善自我的追求；通過與他人、社會、自然的交流而產(chǎn)生對個人生命價值的肯定和定位，明確自己的使命與責任，從而自覺地使德、智、體、美、勞等得到全面提高和發(fā)展。

3課堂教學中的研究性教學

“人工智能”課程在計算機專業(yè)人才培養(yǎng)方案中占據(jù)著重要的位置。從專業(yè)理論上，它承續(xù)了離散數(shù)學中的邏輯知識；從專業(yè)方法上，是數(shù)據(jù)結(jié)構、算法分析與設計的繼續(xù)：從專業(yè)工具上，是面向?qū)ο蟪绦蛟O計的生動實例。因而以此課程為依托，通過以下四種途徑在傳統(tǒng)課程中實施研究性教學。

(1)提出開放性論題，供學生思考與討論。例如“人工智能會給未來社會帶來什么?”、“人工智能會給我們作為一個物種的人類自身帶來什么?”、“機器人會戰(zhàn)勝人類嗎?”等本身具有開放性的問題，并注意將一些封閉性的問題轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放性的問題。例如將“簡述人工智能的應用領域”這一常見問題轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢埬闩e出一個人工智能現(xiàn)在沒有應用并且將來也無法應用的領域”。

(2)提煉開放性課題，供學生研究與實踐。在搜索與推理技術的教學中，提煉傳統(tǒng)的數(shù)字魔方、華容道和現(xiàn)代的風靡世界的數(shù)獨游戲等課題；在進化計算的教學中，給出經(jīng)典的旅行商為題和指派問題；在自然計算的教學中，推出自動聚類問題等。這些課題，既是經(jīng)典問題，又具有研究上的前沿性。

(3)引入開放性平臺，供學生自由介入與發(fā)揮。我校開展了仿真、半自主、全自主和類人等機器人足球的研究活動，并且本科生一直是其中的主干力量。學生們對這項活動的喜愛，既源于他們對科學技術的向往與期望，又是自身在科學技術上進步的需求。在這樣一個適宜進行研究性學習的開放性的平臺基礎上，衍生了眾多典型的課題，而這些課題大部分是學生在其中研討、實踐了相當長一段時間后自己擬訂的。

(4)引導開放性教學，時間向課后延伸、內(nèi)容向縱深

推進。學生的課程學習還促進了學生對眾多科學技術問題的廣泛興趣、對科學研究工作的內(nèi)在熱情，進而圍繞著人工智能課程，學生自主地進行了眾多的時間、空間、內(nèi)容、深度上的拓展。

以上四種途徑同樣為其他課程(如面向?qū)ο蟪绦蛟O計、數(shù)據(jù)結(jié)構、數(shù)字圖像處理等)所借鑒、應用。

4實踐環(huán)節(jié)中的研究性教學

(1)以機器人足球比賽為基本平臺

機器人足球是現(xiàn)代信息技術的高度集成，又借助于體育的競爭形式，成為學生喜聞樂見的實踐平臺。提煉其中的各種典型課題，如圖像處理、模式識別、搜索與推理、知識表達與處理、機器學習、智能運動控制，等等，進行研究性教學，使學生們能夠分工合作、又能相互競爭。

(2)以實踐教學環(huán)節(jié)為基本對象

結(jié)合各種環(huán)節(jié)的不同特點，在機器人足球平臺上規(guī)范了一些基本和前沿課題，通過不同工作量和工作難度的建議，供學生在生產(chǎn)實習、畢業(yè)實習、課程設計、畢業(yè)設計等實踐教學環(huán)節(jié)選擇，從而是研究性教學延伸到實踐環(huán)節(jié)之中。

(3)以課外科技活動為重要途徑

對于學有余力的學生，通過課外科技活動的方式，在機器人足球平臺上進行大量的研究實踐，獲得了豐碩的科研成果、比賽成果和人才培養(yǎng)方面的收獲。

因此，在實踐教學之中的研究性教學，充分的印證了“教學相長”的基本規(guī)律，圍繞著機器人足球平臺，不僅進行了卓有成效的研究性教學工作，也使教師科研水平逐步提高。

5實施的效果分析

從2003年以來，武漢工程大學計算機學院參加有關課程學習的學生有728名；參加有關實踐環(huán)節(jié)的學生有274名，其中參加畢業(yè)設計環(huán)節(jié)的學生有52名；指導課外科技活動91人，全校參加機器人足球比賽的人數(shù)達到270余人次。效果體現(xiàn)在學生具有更高的學術追求和學術水平，例如計算機專業(yè)考研率逐年提高，近四年分別為5.1％、9.3％、12.2％30 17.7％，特別是考研學生的復試錄取比例為100％。學生的實踐能力得到社會的認可，就業(yè)率保持在93％左右。04級本科生楊鴻武，畢業(yè)后直接進入美國Worcester Polytechnic Instirnte(WPI)攻讀計算機學科的博士學位。

對以上結(jié)果進行分析，研究性教學的效果如下。

5.1從教學的視角來看

(1)促進了教師對現(xiàn)代教學理念的接受、掌握與運用。構建了從傳統(tǒng)課程教學與實踐教學向研究性教學轉(zhuǎn)變的機制，形成了行之有效的具有吸引力的實踐途徑，衍生的標志性成果也增強了教師對現(xiàn)代教學理念和學生主動學習等方面的信心。

(2)改變了教學與課程分離的狀況。課程與教學的分離，使教學呈現(xiàn)出教師一知識一學生相分離、相對立的局面，成為教學過程中的現(xiàn)實困境。研究性教學的實踐，促進了教學與課程的融合，以問題為中心、以課題為線索，打破了傳統(tǒng)課程只傳授確定性知識的局面；建立了民主的師生關系，使學生成為真正的教學主體。當教學與課程逐漸融合以后，課程就不再會先定于學生而存在，而成為師生共同建構的一種過程。

(3)超越了傳統(tǒng)的教學時空界線。時空的開放性是現(xiàn)代教學的一個重要特點。研究性教學主要是在教師指導下，學生在學習生活與社會生活中進行選擇的結(jié)果，突破了傳統(tǒng)的教學時空界線。學生將不僅在一節(jié)課的有限時間內(nèi)，還可以自由地安排自己的學習時間，也將不再局限在教室之內(nèi)，還可以在實驗室、圖書館等更廣闊的空間中，從而營造了一種動態(tài)、開放、多元的教學環(huán)境。

5.2從學生的視角來看

(1)有利于發(fā)展學生的主體性。研究性教學，帶動了教育觀念的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了以教師為主體向以學生為主體的轉(zhuǎn)變，促進了教學形式從單一型向多樣型的轉(zhuǎn)變，教學內(nèi)容從傳統(tǒng)桎梏中的解放，從而在更深層次上保證了學生的主體性。

(2)有利于智力資源從類主體向個體的轉(zhuǎn)化。研究性教學，由學生自己探索、尋找解決問題的理論與工具支持，使學生在更廣闊的智力資源中、在實踐活動中進行探索，有利于人類智力資源較好地轉(zhuǎn)化成個體的智力資源。

(3)有利于培養(yǎng)學生可持續(xù)發(fā)展的能力。通過研究性教學，學生學會了選題、制定計劃、搜集資料、利用信息、自我調(diào)整、自我評價；學生探究的欲望能夠得到滿足，由此逐步形成對科學、對社會、對自己的積極情感。

(4)有利于學生養(yǎng)成嚴謹務實的良好作風。

6結(jié)束語

研究性學習是現(xiàn)代教育理念的集中體現(xiàn)，反映和回應了時代對教育的需求，必將成為課程與教學運行的重要理念與策略。

希望本文的研究能夠?qū)Ω咝５膭?chuàng)新人才培養(yǎng)具有一定的參考意義，渴望研究性教學能夠從成果形態(tài)轉(zhuǎn)變成高等教育中的一般性教學形態(tài)。