“人工智能導(dǎo)論”課程的教學(xué)與實(shí)踐改革探索

徐新黎　王萬良　楊旭華

摘要：為了提高“人工智能導(dǎo)論”課程的教學(xué)質(zhì)量，協(xié)調(diào)好教與學(xué)的雙邊關(guān)系，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，從教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教材、教學(xué)方法、考核方式等方面進(jìn)行了探討和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：人工智能；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

人工智能(AI)是二十世紀(jì)五十年代后期興起的利用計(jì)算機(jī)模擬人類智能活動(dòng)去求解問題的學(xué)科，與空間技術(shù)、原子能技術(shù)一起被譽(yù)為二十世紀(jì)三大科學(xué)技術(shù)成就，目前廣泛應(yīng)用于專家系統(tǒng)、機(jī)器翻譯、語音識(shí)別、文字識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器人、電子游戲等方面，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展以及許多高新技術(shù)產(chǎn)品中的核心技術(shù)。

為了適應(yīng)人工智能技術(shù)日益廣泛的需要，國內(nèi)外高校普遍開設(shè)了“人工智能”方面的課程，特別是作為計(jì)算機(jī)方面專業(yè)的核心課程之一。我校自從1993年開始為自動(dòng)化專業(yè)本科生開設(shè)“智能控制”選修課，1996年為自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等專業(yè)本科生開設(shè)“人工智能導(dǎo)論”、“人工智能及其應(yīng)用”課程。目前，我校軟件學(xué)院、信息學(xué)院、機(jī)電學(xué)院都開設(shè)了“人工智能導(dǎo)論”課程，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、數(shù)字媒體技術(shù)、自動(dòng)化、機(jī)械制造與自動(dòng)化等許多專業(yè)本科生的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，也是面向包括人文社科等全校所有專業(yè)的公選課之一，其目的是使學(xué)生了解人工智能的基本概念和基本原理，初步學(xué)習(xí)和掌握人工智能的基本技術(shù)和前沿內(nèi)容，拓寬知識(shí)面，啟發(fā)思路，為學(xué)生提供最基本的人工智能技術(shù)和有關(guān)問題的入門性知識(shí)，提高學(xué)生應(yīng)用開發(fā)軟件的能力和水平，為今后在相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用奠定更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，建設(shè)好“人工智能導(dǎo)論”課程具有重要意義和很廣的受益面。

由于人工智能是交叉學(xué)科，涉及面廣、內(nèi)容抽象、不易理解，學(xué)生往往有望而生畏的感覺，在教學(xué)過程中，老師教、學(xué)生學(xué)都比較吃力。為了更好地實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)，提高本課程的教學(xué)質(zhì)量，協(xié)調(diào)好教與學(xué)的雙邊關(guān)系，使學(xué)生由望而生畏的感覺，變?yōu)橛杏糜腥さ母杏X，根據(jù)已有人工智能課程在教學(xué)與實(shí)踐方面的經(jīng)驗(yàn)和方法，結(jié)合“人工智能導(dǎo)論”課程的近幾年教學(xué)實(shí)踐，對課程的教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、考核方式等方面進(jìn)行了探索總結(jié)。

2調(diào)整與優(yōu)化教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容

“人工智能導(dǎo)論”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、數(shù)字媒體技術(shù)、自動(dòng)化、機(jī)械制造與自動(dòng)化等許多專業(yè)本科生的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，也是面向包括人文社科等全校所有專業(yè)的公選課之一，其研究領(lǐng)域及內(nèi)容十分豐富，涉及的基礎(chǔ)面廣。因此如何選好教學(xué)內(nèi)容，既能使學(xué)生了解本領(lǐng)域的概貌，又能適合學(xué)生的基礎(chǔ)，便于他們在有限的時(shí)間完成學(xué)習(xí)任務(wù)，是一件重要而又困難的事情。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，人工智能學(xué)科又有了新的發(fā)展。為了及時(shí)反映人工智能研究和學(xué)科的最新進(jìn)展，我們修訂了“人工智能導(dǎo)論”的教學(xué)大綱，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步優(yōu)化和更新，極大充實(shí)了各個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)容。我們確定的教學(xué)內(nèi)容主要分為三部分：第1部分為概論，介紹人工智能的基本概念、基本內(nèi)容、主要研究領(lǐng)域及發(fā)展過程；第2部分是知識(shí)表示，推理和搜索技術(shù)，討論幾種常用的知識(shí)表示方法、推理技術(shù)(包括確定性推理方法和不確定推理方法)和搜索求解策略；第3部分是人工智能應(yīng)用研究領(lǐng)域，包括專家系統(tǒng)、自然語言理解、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等的基本概念和方法等。其中第2部分是基礎(chǔ)理論，是人工智能的重要基礎(chǔ)，應(yīng)該循序?qū)W習(xí)。第3部分是人工智能的應(yīng)用，由于每個(gè)研究內(nèi)容都相對獨(dú)立、自成體系且有其專門的學(xué)術(shù)著作研究、熱點(diǎn)，因此針對高等院校的本?？粕鷣碚f，不必循序?qū)W習(xí)，而且結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)可以選擇其中幾個(gè)研究領(lǐng)域。例如對自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生來說，可以選擇專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等，同時(shí)可增加在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，包括專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和進(jìn)化控制等熱點(diǎn)：而對計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)來說，可以選擇專家系統(tǒng)、自然語言理解、機(jī)器學(xué)習(xí)等，并輔以動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)、語音識(shí)別系統(tǒng)、智能機(jī)器人等實(shí)例?？傊褪且盐照n程性質(zhì)和教學(xué)目的，調(diào)整本課程教學(xué)體系，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生以有限的時(shí)間學(xué)到人工智能的基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法。

另外，在選擇和確定教學(xué)內(nèi)容時(shí)必須兼顧基礎(chǔ)知識(shí)和新興技術(shù)，注意與相關(guān)課程(如離散數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、概率論、自動(dòng)控制原理、Matlab系統(tǒng)仿真、面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)等)的鏈接，密切理論與實(shí)際的關(guān)系，通過課堂講授和課外訓(xùn)練，注意學(xué)生能力培養(yǎng)，提高他們的學(xué)習(xí)效果和整體素質(zhì)。

3加強(qiáng)課程立體化建設(shè)和系列教材研究

在課程的立體化建設(shè)中，教材充當(dāng)了地基的角色，所有的課程內(nèi)容安排，無不體現(xiàn)出以教材為基本，以教材為模板。所以本著基礎(chǔ)、實(shí)用的原則，我們先后編著出版了《人工智能及其應(yīng)用》課程教材導(dǎo)論部分概括性強(qiáng)，引人入勝；基礎(chǔ)部分系統(tǒng)全面，敘述深入淺出，循序漸進(jìn)；應(yīng)用部分密切理論與實(shí)際關(guān)系，典型形象。其中第二版在第一版的基礎(chǔ)上，增加了證據(jù)理論、模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論的一些典型應(yīng)用，使學(xué)生能夠更深入地理解和應(yīng)用這些理論；另一方面，又新增了自然語言理解及其應(yīng)用內(nèi)容，以適應(yīng)目前計(jì)算機(jī)翻譯、人機(jī)自然語言交互等技術(shù)日益廣泛應(yīng)用的需要。系列教材適應(yīng)了人工智能導(dǎo)論新課程開設(shè)的需要，反映了人工智能學(xué)科的發(fā)展，為人工智能課程確立了基本框架，發(fā)揮了重要作用。系列教材的問世不僅解決了本校“人工智能導(dǎo)論”課程教學(xué)用書的問題，而且也被各兄弟院校普遍采用，促進(jìn)了該課程的普遍開設(shè)，推動(dòng)人工智能學(xué)科的發(fā)展。

為了配合教材第二版的教學(xué)和自學(xué)，在已有教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)成果積累的基礎(chǔ)上，制作了高質(zhì)量的教學(xué)課件和完整的教學(xué)視頻錄像，并刻錄成光盤隨書供讀者使用；同時(shí)又研究與開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)課程(http：//www.ai.zjut.edu.cn)，以更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，促進(jìn)本課程的教學(xué)改革。

包括主教材、電子教案、教學(xué)視頻錄像、網(wǎng)絡(luò)課程及教學(xué)資料庫等在內(nèi)的課程立體化建設(shè)符合二十一世紀(jì)高校教學(xué)的要求，支持教師提高教學(xué)手段現(xiàn)代化的水平，更貼合學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

4改革與創(chuàng)新教學(xué)模式和教學(xué)方法

在“人工智能導(dǎo)論”課程教學(xué)的過程中，我們積極探索教學(xué)新路，經(jīng)過數(shù)年辛勤試驗(yàn)，結(jié)合蔡自興教授等對人工智能課程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對課程的教學(xué)模式和教學(xué)方法進(jìn)行了如下一些的改革與創(chuàng)新。

(1)通過多種途徑激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

“興趣是最好的老師”，“人工智能導(dǎo)論”課程的學(xué)習(xí)效果，直接受到學(xué)生興趣和參與意識(shí)的影響。由于這是一門導(dǎo)論性前沿課程，一般來說，學(xué)生開始學(xué)習(xí)興趣很大。但是，當(dāng)一些學(xué)生開始接觸到抽象概念和算法時(shí)，往往感到不易接受。我們通過各種途徑和方法，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，鼓勵(lì)學(xué)生參與課堂討

論、布置讀書報(bào)告和課外實(shí)驗(yàn)、以問題為導(dǎo)向的啟發(fā)式教學(xué)、專題討論／辯論等形式。特別，我們精心組織和準(zhǔn)備了模糊控制技術(shù)及其應(yīng)用、智能機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用、智能交通、BCI(腦機(jī)交互接口)等專題，以及智能調(diào)度軟件、語音識(shí)別系統(tǒng)、動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)、足球機(jī)器人比賽、機(jī)器人軌跡跟蹤、倒立擺的智能控制等課內(nèi)演示，使學(xué)生擴(kuò)大了眼界，增加了感性知識(shí)，達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的與效果。

(2)面向問題的啟發(fā)式教學(xué)

人工智能中的許多問題，有的似是而非，有的引人入勝。在教學(xué)中，有意識(shí)的提出相關(guān)問題，提請學(xué)生思考，鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的猜想和解決方案。然后逐步進(jìn)入教材中的解決方案，啟發(fā)學(xué)生求解這些問題，并進(jìn)行分析和比較，從而強(qiáng)化了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)意識(shí)和參與意識(shí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。例如，在講到比較抽象的“遺傳算法”時(shí)，提出“遺傳算法如何用于優(yōu)化計(jì)算?”這一問題。針對該問題，先從“達(dá)爾文的生物進(jìn)化論”入手，討論“遺傳”、“變異”和“選擇”作用；然后通過一個(gè)簡單的例子，從特殊到一般地啟發(fā)學(xué)生思考“遺傳”、“變異”和“選擇”的實(shí)現(xiàn)，最終讓學(xué)生與教師一起導(dǎo)出遺傳算法用于優(yōu)化計(jì)算的基本步驟。這樣，學(xué)生不但從中學(xué)習(xí)了遺傳算法，而且得到一次邏輯思維的訓(xùn)練，取得很好的教學(xué)效果。

(3)課堂辯論與交互式教學(xué)

組織課堂辯論，討論的議題包括人工智能的應(yīng)用前景和其他比較等有爭議的問題。學(xué)生對這些問題展開了激烈的爭論，激發(fā)了學(xué)習(xí)潛能，明確了學(xué)習(xí)目標(biāo)。例如，為了加深學(xué)生對智能機(jī)器人內(nèi)涵的理解，我們組織了“機(jī)器智能能否超過人類智能”的辯論會(huì)。會(huì)前正反雙方結(jié)合本課程內(nèi)容及其相關(guān)知識(shí)，認(rèn)真進(jìn)行準(zhǔn)備；辯論會(huì)上正反雙方唇槍舌戰(zhàn)，激烈爭辯，氣氛熱烈。辯論后，學(xué)生余意未盡，討論熱情不減。無論是哪一方獲勝，都達(dá)到了預(yù)期的效果。教學(xué)中我們還注意采用了多種交互式策略，如課堂上教師提問可鼓勵(lì)或指定學(xué)生提問，也可由學(xué)生自由地就某個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行主題發(fā)言后老師點(diǎn)評等。

(4)個(gè)性化學(xué)習(xí)與因材施教

在本課程教學(xué)過程中注意對學(xué)生因材施教和個(gè)性化教學(xué)。例如，通過組織學(xué)生進(jìn)行讀書報(bào)告的形式，鼓勵(lì)學(xué)生從多方面、多角度考慮問題，多提新穎思想，有意識(shí)地鼓勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生探討比較深層的內(nèi)容，并輔導(dǎo)優(yōu)秀學(xué)生將其成果以科技論文和發(fā)表文章的形式轉(zhuǎn)化為成果。又如，在教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，注意要求學(xué)習(xí)有余力和興趣的學(xué)生選作部分探索性、創(chuàng)新性的功課和實(shí)驗(yàn)(選學(xué)內(nèi)容，如模糊控制器的設(shè)計(jì)、進(jìn)化控制等)，從而引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮個(gè)性優(yōu)勢，達(dá)到因材施教的目的。同時(shí)注意分析學(xué)習(xí)較差的學(xué)生的具體困難，進(jìn)行有針對性的指導(dǎo)。

(5)多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的使用

本課程在PPT演示文稿和網(wǎng)絡(luò)課程上，采用了大量的多媒體表現(xiàn)形式，如視頻、動(dòng)畫、聲音和圖像等。目的在于使得人工智能抽象的知識(shí)形象化，便于學(xué)生理解。例如，課內(nèi)讓學(xué)生在線觀看涂曉媛博士的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫“人工魚”的錄像片段、人工生命Floy中生命智能體在環(huán)境中不斷的適應(yīng)進(jìn)化構(gòu)成演示等，有助于加深學(xué)生對所學(xué)知識(shí)的理解，促進(jìn)教學(xué)水平的提高，激發(fā)了學(xué)生對課程的興趣，使學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)得到增強(qiáng)。此外，隨教材附贈(zèng)的教學(xué)光盤和開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)課程(http：//www.ai.zjut.edu.cn)提供了學(xué)生課外自學(xué)用的高質(zhì)量的電子課件、完整的教學(xué)視頻錄像、豐富的實(shí)驗(yàn)和案例資料等，以更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。

(7)理論與實(shí)踐結(jié)合

在教學(xué)內(nèi)容安排上，注意理論聯(lián)系實(shí)際，適時(shí)布置一些人工智能實(shí)驗(yàn)給學(xué)生進(jìn)行課外練習(xí)。設(shè)計(jì)的課外實(shí)驗(yàn)包括產(chǎn)生式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，歸結(jié)反演實(shí)驗(yàn)，主觀Bayes推理網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，A搜索實(shí)驗(yàn)，以及基于Maltab工具箱的模糊控制位置跟蹤系統(tǒng)、兩車追趕模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別仿真、遺傳算法優(yōu)化計(jì)算等實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)踐和參與，保持學(xué)習(xí)興趣，有助于學(xué)生對人工智能基本概念和難點(diǎn)的理解，掌握基本方法和技術(shù)，為從事智能系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)打下基礎(chǔ)，從而達(dá)到教學(xué)目的。例如，我們組織學(xué)生參觀我們的研究生綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室，觀看機(jī)器人臂取物、倒立擺控制、語音識(shí)別軟件、指紋識(shí)別軟件、智能調(diào)度軟件等演示，密切理論與實(shí)際的關(guān)系。

我們在教學(xué)改革實(shí)踐中探索的這些教學(xué)方法，有利于充分激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，有利于鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮獨(dú)立思考和創(chuàng)新思維，有利于多方位培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

5運(yùn)用多樣化的教學(xué)手段和考核方式

5.1多樣化的教學(xué)手段

采用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，構(gòu)筑“人工智能導(dǎo)論”課程的現(xiàn)代教學(xué)模式，是本課程的主要特點(diǎn)之一。教學(xué)過程中采用了多媒體教學(xué)課件和網(wǎng)絡(luò)課程相結(jié)合的方法，充分利用多媒體的豐富表現(xiàn)形式，利用網(wǎng)絡(luò)課程的交互性、情景化等，進(jìn)行教學(xué)。采用的方法包括：

(1)抽象知識(shí)內(nèi)容的多媒體表示

通過動(dòng)畫和視頻來演示抽象的概念、算法和過程，包括機(jī)器人軌跡跟蹤、機(jī)器人臂取物、足球機(jī)器人比賽、倒立擺控制、“人工魚”等錄像片段，以及智能調(diào)度軟件、語音識(shí)別系統(tǒng)、指紋識(shí)別系統(tǒng)、動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)等軟件演示。

(2)通過PPT撰寫教案

精心編制PPT，組織好課件內(nèi)容，做到圖文并茂，提綱挈領(lǐng)，便于學(xué)生理解，便于教師講授。

(3)開發(fā)與應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)課程

“人工智能導(dǎo)論”網(wǎng)絡(luò)課程較好的實(shí)現(xiàn)了交互性、在一定程度上實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)過程的情景化。在交互性方面，通過網(wǎng)絡(luò)課程的課堂練習(xí)和章節(jié)練習(xí)，評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并給學(xué)生提出學(xué)習(xí)建議。在情景化方面，采用了在線答疑形式，使得學(xué)習(xí)過程豐富有趣。

(4)先進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的觀摩與演示

利用我們的研究成果等有利條件，有針對性地對學(xué)生進(jìn)行成果演示(包括智能調(diào)度軟件、語音識(shí)別系統(tǒng)、指紋識(shí)別系統(tǒng)、動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)等軟件)，使學(xué)生知道學(xué)了有用，而且很有用，很有趣，很有意義，從而進(jìn)一步誘導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固了課堂所學(xué)知識(shí)，提高了教學(xué)質(zhì)量。

教學(xué)效果通過上述先進(jìn)的現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，不僅極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，而且也取得很好的實(shí)際教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。

5.2作業(yè)、考試等教改舉措

(1)改革作業(yè)方式與方法

改變過去那種單純的書面習(xí)題作業(yè)，發(fā)展成為必須交給教師評閱的書面家庭作業(yè)、不必交給教師的課外思考題目、口頭布置的思考題或閱讀材料以及大型作業(yè)等。其中上交作業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，教師批閱后的作業(yè)也通過網(wǎng)絡(luò)返回給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)呈交和返回的網(wǎng)絡(luò)化。

(2)改革考試方式與方法

如何對本課程的考試方式進(jìn)行改革一直是我們探索的問題。我們綜合考慮課堂出勤情況(10％)、平時(shí)正式作業(yè)成績(20％)和期末課程考試(70％)，進(jìn)行綜合評分。期末考試有時(shí)采用綜合試題考試，出幾個(gè)大題目讓學(xué)生選擇其中幾個(gè)進(jìn)行開卷筆試，當(dāng)面交卷后評分；有時(shí)采用課外開卷論文結(jié)合或口試面試。最近，我們還對部分學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H問題提問等進(jìn)行考核。我們正進(jìn)一步改革、試驗(yàn)和探索，使考試成為衡量與培養(yǎng)創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和提高課程教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

6結(jié)束語

本文是我們以精品課程培育為目標(biāo)，對“人工智能導(dǎo)論”課程在教學(xué)內(nèi)容、教材、教學(xué)方法、教學(xué)手段、考核方式等方面進(jìn)行了探討，總結(jié)了該課程在教學(xué)和實(shí)踐方面的一些教改舉措。這些舉措符合二十一世紀(jì)高校教學(xué)的要求，可以支持教師提高教學(xué)手段現(xiàn)代化的水平，同時(shí)更貼合學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。通過認(rèn)真落實(shí)這些舉措，使學(xué)生更好地掌握人工智能的基本概念、基本理論和基本技術(shù)，提高實(shí)踐動(dòng)手能力，達(dá)到本課程預(yù)期的教學(xué)效果。