人工智能課程教學(xué)的探索與實(shí)踐

馬建斌， 李閱歷， 高 媛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071001）

人工智能課程教學(xué)的探索與實(shí)踐

馬建斌， 李閱歷， 高 媛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071001）

《人工智能》是一門重要的計(jì)算機(jī)專業(yè)課，為了提高《人工智能》課程的教學(xué)效果，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，從教材選用、教學(xué)體系及內(nèi)容調(diào)整、教學(xué)方法及教學(xué)手段、實(shí)踐教學(xué)方面對《人工智能》課程教學(xué)進(jìn)行了探討和總結(jié)。

人工智能；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；實(shí)踐教學(xué)

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是一門廣泛的前言和交叉學(xué)科，是研究智能機(jī)器（計(jì)算機(jī)）所執(zhí)行的通常與人類智能有關(guān)的職能行為，如判斷、推理、證明、識別、感知、理解、設(shè)計(jì)、思考、規(guī)劃、學(xué)習(xí)和問題求解等思維活動(dòng)［1］，來解決人類處理的復(fù)雜問題。人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、語言學(xué)等諸多學(xué)科相互交叉，相互滲透而發(fā)展起來的一門新興邊緣學(xué)科，所以，人工智能研究一直處于信息技術(shù)的前沿，它的研究、應(yīng)用和發(fā)展在一定程度上決定著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向，目前，有許多研究成果已經(jīng)進(jìn)入人們的生活，成為信息技術(shù)不可缺少的重要組成部分。在高等院校開展人工智能課程教學(xué)十分必要。

目前，全國大部分高等院校的計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了人工智能這門課，許多名牌高校和研究所擁有獨(dú)立的人工智能研究室，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)于1998年開始為第一屆計(jì)算機(jī)本科生開設(shè)人工智能這門必修課，到目前為止已經(jīng)有十余年的歷史了，由于本校是具有百年歷史的農(nóng)業(yè)院校，農(nóng)學(xué)和園林等專業(yè)迫切需要人工智能理論和方法解決科研中的實(shí)際問題，并有結(jié)合的很好的成功案例，比如：園藝學(xué)院與信息學(xué)院合作開發(fā)了棗專家系統(tǒng)，農(nóng)學(xué)院正在研究農(nóng)作物生長模擬系統(tǒng)等，信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院也有人工智能方面的研究成果，為本課程的開設(shè)提供了典型的教學(xué)案例。筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，從教材選用、教學(xué)體系及內(nèi)容調(diào)整、教學(xué)方法及教學(xué)手段、實(shí)踐教學(xué)等方面對人工智能這門課進(jìn)行了探索。

一 、教材選用

在教學(xué)過程中，教材充當(dāng)重要的角色，所有課程的內(nèi)容都是以教材為模板，本著基礎(chǔ)、適合、實(shí)用的原則，在多種多樣的教材中尋找最合適的，最終選用了由清華大學(xué)出版社出版，中南大學(xué)蔡自興教授主編的教材《人工智能及其應(yīng)用》第三版，本書主要針對計(jì)算機(jī)專業(yè)、信息專業(yè)本科生的學(xué)習(xí)教材，內(nèi)容基礎(chǔ)，難度適中。蔡自興教授借鑒了國內(nèi)外其他專家和作者的最新研究成果，根據(jù)多年教學(xué)和研究經(jīng)驗(yàn)，吸取國內(nèi)外人工智能教材書籍的優(yōu)點(diǎn)和長處，總結(jié)提煉出這本經(jīng)典教材。其所主編的第二版曾獲教育部和省級多項(xiàng)大獎(jiǎng)。2003年3月，在第二版的基礎(chǔ)上，結(jié)合人工智能研究和學(xué)科的最新發(fā)展，對教材內(nèi)容進(jìn)行了增補(bǔ)，出版了第三版，此版教材較全面地介紹了人工智能的基礎(chǔ)知識和技術(shù)，做到了材料新，易于理解，兼顧基礎(chǔ)及其應(yīng)用，特別適合本科生用書，在多年的教學(xué)過程中，受到了學(xué)生們的一致好評，實(shí)踐證明我們所選擇的教材是合適和正確的。

二、教學(xué)體系及內(nèi)容調(diào)整

人工智能所涉及的內(nèi)容十分豐富，涉及面較廣，選好教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生理解基礎(chǔ)知識，又使其了解本領(lǐng)域的具體應(yīng)用，是人工智能課程教學(xué)的主要目的。

解決人工智能應(yīng)用的前提需要把處理的問題進(jìn)行知識表示，即人工智能的基本處理單元是知識，人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)以知識為主線，以知識表示、搜索及推理為基石進(jìn)行組織。課程教學(xué)內(nèi)容分為兩個(gè)部分：第一部分是基礎(chǔ)理論和基本方法，包括知識表示方法（狀態(tài)空間法、問題規(guī)約法、謂詞邏輯法、語義網(wǎng)絡(luò)法、框架表示和劇本表示），搜索推理技術(shù)（搜索理論、消解原理和規(guī)則演繹系統(tǒng)）；第二部分為人工智能技術(shù)的高級應(yīng)用，包括神經(jīng)計(jì)算、模糊計(jì)算、進(jìn)化計(jì)算、專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)規(guī)劃、自然語言理解，另外，為了充實(shí)人工智能的教學(xué)內(nèi)容，雖然教材中沒有提及，知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘部分的內(nèi)容被補(bǔ)充進(jìn)來。筆者為課程每一節(jié)都準(zhǔn)備了教學(xué)案例，來激發(fā)學(xué)生解決實(shí)際問題的興趣。圖1為部分教學(xué)案例內(nèi)容。

圖1 《人工智能》課程部分教學(xué)案例

三、教學(xué)方法及手段

（一）教學(xué)方法

根據(jù)多年人工智能課程的教學(xué)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)本課程所采用的教學(xué)方法包括以下幾點(diǎn)。

1.通過多種途徑激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 人工智能是一門涉及研究性的課程，當(dāng)學(xué)生遇到抽象的概念或算法時(shí)，往往感到很難接受。興趣是最好的老師，為此，在教學(xué)過程中通過多種途徑和方法，激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，包括讓學(xué)生們觀看有關(guān)人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用視頻，專題討論等形式。

2.面向案例的啟發(fā)式教學(xué) 圖1為人工智能教學(xué)中的部分案例，在教學(xué)中，首先提出學(xué)生感興趣的案例，通過課堂討論或課后作業(yè)的形式，鼓勵(lì)學(xué)生們解決案例中的問題，然后通過課堂講解解決方案，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)化學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)意識和參與意識，提高學(xué)生們解決實(shí)際問題的能力和學(xué)習(xí)的積極性。

3.課堂辯論與交互式教學(xué) 一般在第三次課安排學(xué)生一次課程辯論，時(shí)間為一節(jié)課，題目是“人工智能是否能超越人類智能”，學(xué)生對這個(gè)問題展開了激烈的爭論，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)中還注意采用了多種交互式策略，如課堂教師提問，學(xué)生就某個(gè)知識點(diǎn)進(jìn)行主題發(fā)言后老師點(diǎn)評等。教師還通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)上交互，方式包括E－mail、BBS、Web和FTP等交談和交換文件。

4.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，實(shí)驗(yàn)課安排學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)四個(gè)人工智能問題，包括：傳教士和野人過河問題、三階梵塔問題、八數(shù)碼難題啟發(fā)式搜索問題、遺傳算法求某函數(shù)最值問題。通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，使學(xué)生們加強(qiáng)對知識的理解，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)。

（二）教學(xué)手段

為了提高教學(xué)效果，在教學(xué)過程中采用了多媒體教學(xué)課件和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)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)教學(xué)的交互性、情景化和虛擬實(shí)驗(yàn)等，以學(xué)生為主體，構(gòu)筑人工智能課程的現(xiàn)代教學(xué)模式。采用的教學(xué)手段包括：

1.多媒體教學(xué) 抽象的概念、算法和過程可以通過動(dòng)畫和視頻等多媒體手段表現(xiàn)出來，人工智能的歷史、人物和前景可以通過聲音和圖像展示，多媒體教學(xué)手段可以使學(xué)生們更容易理解課堂教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。

2.利用PowerPoint撰寫教案 為了使學(xué)生們更容易理解，教師更容易講授，精心組織演示文稿內(nèi)容，做到圖文并茂，提綱挈領(lǐng)。在講解博弈問題的搜索策略時(shí)，可以把下棋、打牌的方法加以歸納，將搜索的過程制作成連續(xù)的Flash課件，這樣就直觀地展示了計(jì)算機(jī)進(jìn)行思維的過程和特點(diǎn)。

3.網(wǎng)絡(luò)教學(xué) 為了更好地實(shí)現(xiàn)師生交互，采用向?qū)W(xué)習(xí)，通過因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)形式，為學(xué)生提供充分教學(xué)資源，通過E－mail、BBS等手段，與學(xué)生進(jìn)行交流，并給學(xué)生提出學(xué)習(xí)建議。

四、實(shí)踐教學(xué)

實(shí)驗(yàn)課是教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生對前面所學(xué)的理論知識有一個(gè)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，是綜合素質(zhì)提高的重要環(huán)節(jié)。人工智能課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是讓學(xué)生們通過實(shí)驗(yàn)課實(shí)踐人工智能的經(jīng)典算法，從而使學(xué)生們更好地掌握知識。

人工智能教學(xué)計(jì)劃安排了16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課，通過編程實(shí)現(xiàn)傳教士和野人過河問題、三階梵塔問題、八數(shù)碼難題啟發(fā)式搜索問題、遺傳算法求某函數(shù)最值問題四個(gè)人工智能問題，要求學(xué)生們獨(dú)立完成這4個(gè)實(shí)驗(yàn)題目，并書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。上述的4個(gè)實(shí)驗(yàn)題目是必選的，根據(jù)學(xué)生們編程能力的不同，還安排了動(dòng)物識別專家系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)題目，是為那些編程能力較好的學(xué)生提供的選修題目，大多數(shù)學(xué)生很好地完成了4個(gè)實(shí)驗(yàn)題目，有個(gè)別同學(xué)還較好地完成了額外的選修題目。

通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們動(dòng)手實(shí)踐課堂講述的內(nèi)容，加深了對概念和算法的理解。另外，學(xué)生們通過實(shí)驗(yàn)表示出進(jìn)一步探討的興趣，有些能力較強(qiáng)學(xué)生，實(shí)驗(yàn)后意猶未盡，有的結(jié)合人工智能課程內(nèi)容，在課外嘗試編寫算法軟件，有的要求做人工智能方面的畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生的研究興趣與研究能力有相當(dāng)?shù)奶岣摺?/p>

五、結(jié)束語

人工智能是計(jì)算機(jī)本科專業(yè)一門很重要的專業(yè)課，筆者結(jié)合人工智能課程的教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)了幾年來教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，從教材選用、教學(xué)體系及內(nèi)容調(diào)整、教學(xué)方法及教學(xué)手段、實(shí)踐教學(xué)四個(gè)方面對人工智能課程教學(xué)進(jìn)行了探討和總結(jié)。從學(xué)生的反饋來看，筆者所總結(jié)的教學(xué)實(shí)踐具有明顯的教學(xué)效果。但仍有許多方面做得不夠好，通過以后的教學(xué)過程中不斷總結(jié)成功的經(jīng)驗(yàn)，吸取失敗的教訓(xùn)。

［1］ 蔡自興，徐光佑.人工智能及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［2］ 路小英，周桂紅，趙艷，等.高等農(nóng)業(yè)院?！度斯ぶ悄堋氛n程的教學(xué)研究與實(shí)踐［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)林教育版），2007，9（4）：66－68.

［3］ 陳峰，文運(yùn)平.淺談人工智能課程的教學(xué)［J］.消費(fèi)導(dǎo)刊，2006（12）：123，

［4］ 陳愛斌.《人工智能》課程教學(xué)的實(shí)踐與探索［J］.株洲工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，20（6）：137－139.

［5］ 李春貴，王萌，何春華.基于案例教學(xué)的“人工智能”教學(xué)的實(shí)踐與探索［J］.學(xué)科建設(shè)與學(xué)科交流，2008（9）：53－54.

［6］ 張廷，楊國勝.“人工智能”課程教學(xué)的實(shí)踐與探索［J］.課程與教學(xué)，2009（11）：133－134.

Teaching exploration and practice onArtificialIntelligencecourse

MA Jian－bin，LI Yue－li，GAO Yuan

（College of Information Science and Technology，Baoding，071001）

ArtificialIntelligenceis one important specialized course.To improve the teaching effect of the course ofArtificialIntelligence，combining with the practice of the teaching，four aspects of the teaching links were discussed，including textbooks chosen，teaching arrangement and contents，teaching methods and means，practical teaching.

artificial intelligence；teaching contents；teaching methods；practical teaching

G 642

A

1008－6927（2011）03－0330－03

2010－11－15

馬建斌（1978－），男，博士，講師，從事人工智能課程的教學(xué)工作。

（

劉雪春）