林業(yè)院校人工智能課程教學(xué)的思考

陳愛(ài)斌　蔡自興　李建軍

摘要：近年來(lái)隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的快速普及，我國(guó)傳統(tǒng)林業(yè)開(kāi)始向智慧林業(yè)邁進(jìn)，人工智能課程教學(xué)在林業(yè)院校越來(lái)越受到師生的歡迎。文章總結(jié)并分析目前林業(yè)院校人工智能課程的教學(xué)現(xiàn)狀以及存在的主要問(wèn)題，結(jié)合作者十多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和林業(yè)院校專業(yè)特色，在教學(xué)形式變化、教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法改革等方面對(duì)林業(yè)院校人工智能課程教學(xué)提出一些建議。

關(guān)鍵詞：林業(yè)院校；人工智能；課程教學(xué)

1背景

近年來(lái)，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的快速普及，互聯(lián)網(wǎng)跨界融合創(chuàng)新模式進(jìn)入林業(yè)領(lǐng)域，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)推動(dòng)信息化與林業(yè)深度融合，開(kāi)啟了智慧林業(yè)的大門。我國(guó)林業(yè)信息化、智能化建設(shè)逐步走上了有序、快步發(fā)展的軌道，取得了重要的進(jìn)展。

2011—2013年，國(guó)家林業(yè)局先后開(kāi)展了中國(guó)林業(yè)信息化體制機(jī)制研究和中國(guó)智慧林業(yè)發(fā)展規(guī)劃研究，在此基礎(chǔ)上出臺(tái)了《國(guó)家林業(yè)局關(guān)于進(jìn)一步加快林業(yè)信息化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》和《中國(guó)智慧林業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)》。2012—2013年，在深入研究的基礎(chǔ)上，林業(yè)局編制了《中國(guó)林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展框架設(shè)計(jì)》，2016年3月正式發(fā)布了《“互聯(lián)網(wǎng)+”林業(yè)行動(dòng)計(jì)劃》。

國(guó)家林業(yè)局制定的《中國(guó)智慧林業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)》指出，信息化、智能化在林業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)從零散的點(diǎn)的應(yīng)用發(fā)展到融合的、全面的創(chuàng)新應(yīng)用。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的逐步應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)林業(yè)資源的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和管理，更透徹地感知生態(tài)環(huán)境狀況、遏制生態(tài)危機(jī)，更深入地監(jiān)測(cè)預(yù)警事件、支撐生態(tài)行動(dòng)、預(yù)防生態(tài)災(zāi)害。

人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)中涉及研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用智能機(jī)器的一個(gè)重要分支。國(guó)際上，人工智能的研究已取得長(zhǎng)足的進(jìn)展；在國(guó)內(nèi)，也呈現(xiàn)出極好的發(fā)展勢(shì)頭，人工智能已得到迅速的傳播與發(fā)展，并促進(jìn)了其他學(xué)科的發(fā)展。我國(guó)已有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的科技人員和大學(xué)師生從事不同層次的人工智能的研究與學(xué)習(xí)，人工智能已成為一個(gè)受到廣泛重視并有著廣闊應(yīng)用潛能的龐大的、交叉的前沿學(xué)科。特別是經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，智能技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)成為各行業(yè)創(chuàng)新的重要生長(zhǎng)點(diǎn)，其廣泛的應(yīng)用前景日趨明顯，如智能機(jī)器人、智能化機(jī)器、智能化電器、智能化樓宇、智能化社區(qū)、智能化物流等，對(duì)人類生活的方方面面產(chǎn)生了重要的影響。

近年來(lái)，人工智能已經(jīng)在智慧林業(yè)相關(guān)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，例如，在智能機(jī)器人的應(yīng)用方面，已經(jīng)有大量的嫁接機(jī)器人、水果采摘機(jī)器人、農(nóng)藥噴灑機(jī)器人、果實(shí)分檢機(jī)器人等投入使用；在專家系統(tǒng)的應(yīng)用方面，森林病蟲(chóng)害診斷專家系統(tǒng)、病蟲(chóng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)、林產(chǎn)品生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)、專家咨詢和人員培訓(xùn)專家系統(tǒng)等也得到了廣泛應(yīng)用。

隨著人工智能在智慧林業(yè)中的廣泛應(yīng)用，涉林企業(yè)和事業(yè)單位對(duì)智能型林業(yè)高技術(shù)人才的需求也在不斷加大。為了適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)智能型人才的需求，自2003年起，國(guó)內(nèi)諸多林業(yè)高等院校在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科階段、林業(yè)相關(guān)專業(yè)的研究生階段陸續(xù)開(kāi)設(shè)人工智能課程，同時(shí)不斷加大人工智能課程的比重，因此，人工智能課程教學(xué)對(duì)于林業(yè)院校顯得越來(lái)越重要。

2林業(yè)院校人工智能課程教學(xué)現(xiàn)狀

林業(yè)院校開(kāi)設(shè)人工智能課程的專業(yè)不多，但有不斷增加的趨勢(shì)。以中南林業(yè)科技大學(xué)為例，該校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)自2003年起就開(kāi)設(shè)了人工智能課程，所用教材一直是蔡自興教授主編的《人工智能及其應(yīng)用》；另外，面向部分專業(yè)的碩士和博士研究生開(kāi)設(shè)了人工智能相關(guān)課程，如農(nóng)業(yè)碩士的農(nóng)業(yè)信息化領(lǐng)域研究生開(kāi)設(shè)了人工智能技術(shù)，森林經(jīng)理和森林培育兩個(gè)專業(yè)的博士研究生開(kāi)設(shè)了人工智能與專家系統(tǒng)。

針對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)，人工智能課程主要使用蔡自興教授主編的《人工智能及其應(yīng)用》教材施教，但由于課時(shí)數(shù)僅有32學(xué)時(shí)，關(guān)于人工智能的一些高級(jí)應(yīng)用，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等，采用專題的形式組織教學(xué)。該專業(yè)沒(méi)有設(shè)置實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，僅在理論課堂上演示了一些仿真軟件，如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境。

針對(duì)農(nóng)業(yè)碩士的農(nóng)業(yè)信息化領(lǐng)域研究生和森林經(jīng)理及森林培育兩個(gè)專業(yè)的博士研究生，教學(xué)計(jì)劃安排的學(xué)時(shí)數(shù)為40學(xué)時(shí)，沒(méi)有指定教材，僅給學(xué)生列了蔡自興教授的《人工智能及其應(yīng)用——研究生用書(shū)》等幾本參考教材。課堂主要以專題的形式組織教學(xué)，每一講除了相關(guān)的理論以外，還介紹一些工程實(shí)踐應(yīng)用的例子，讓研究生能夠了解這些人工智能算法如何在實(shí)際中得到具體應(yīng)用。

3林業(yè)院校人工智能課程教學(xué)存在的問(wèn)題

全國(guó)各高等院校的人工智能課程教學(xué)都或多或少地存在一些問(wèn)題，林業(yè)院校更有區(qū)別于其他類型院校的顯著特征，而且林業(yè)院校開(kāi)設(shè)該課程教學(xué)相對(duì)較晚，因此林業(yè)院校的人工智能課程教學(xué)存在更多的問(wèn)題。

（1）師資短缺。在林業(yè)院校，林學(xué)相關(guān)專業(yè)開(kāi)設(shè)該課程往往由林學(xué)相關(guān)專業(yè)的教師主講。這些非計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的教師雖然曾從事過(guò)人工智能個(gè)別算法或領(lǐng)域研究，但不具備全面的人工智能相關(guān)專業(yè)知識(shí)，在講授不熟悉的人工智能知識(shí)點(diǎn)時(shí)顯得力不從心。

（2）教學(xué)內(nèi)容專業(yè)性不強(qiáng)。人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，一般的人工智能教材都比較適合計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生使用，但是農(nóng)業(yè)信息化、森林經(jīng)理、森林培育等專業(yè)的學(xué)生不管是專業(yè)基礎(chǔ)還是行業(yè)應(yīng)用背景均與計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生不同，如果我們?nèi)匀话雌胀ǖ慕滩氖┙?，教學(xué)內(nèi)容就缺乏林科特色，顯得專業(yè)性不強(qiáng)，無(wú)法吸引學(xué)生的聽(tīng)課興趣。

（3）教學(xué)難度過(guò)大。林業(yè)院校涉林專業(yè)的學(xué)生一般只有計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)、C語(yǔ)言等簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)課程基礎(chǔ)，缺乏算法思想。而人工智能課程涉及很多高級(jí)、復(fù)雜的算法，不論從算法思想，還是從算法實(shí)現(xiàn)和算法應(yīng)用，對(duì)非計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)難度過(guò)大。因此，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求上要做一些取舍。

除此之外，還存在諸如缺少實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、教學(xué)手段單一、教學(xué)案例缺乏等其他普遍性問(wèn)題。

4林業(yè)院校人工智能課程教學(xué)改革建議

通過(guò)分析林業(yè)院校人工智能課程教學(xué)存在的問(wèn)題，結(jié)合自己近十余年來(lái)從事人工智能教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，我們提出了一些改革建議。

（1）推行專題式教學(xué)，解決師資缺乏的問(wèn)題。在師資缺乏的情況下，由一名教師完成整個(gè)人工智能課程教學(xué)比較困難，同時(shí)，可能有多名教師分別在人工智能的不同方面進(jìn)行過(guò)深入研究。因此，可以將該課程按章節(jié)分成各個(gè)不同的模塊，每一個(gè)模塊設(shè)一個(gè)專題，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專題、專家系統(tǒng)專題、機(jī)器學(xué)習(xí)專題等，再由多名教師分別承擔(dān)自己熟悉的專題進(jìn)行講授。這樣既可以解決一位教師的知識(shí)不足，又可以讓各位教師結(jié)合自己的科研將每一個(gè)熟悉的專題講授得更加詳細(xì)、更加有趣。

（2）教學(xué)內(nèi)容與涉林專業(yè)緊密結(jié)合，解決專業(yè)性不強(qiáng)的問(wèn)題。事實(shí)上，人工智能的各領(lǐng)域應(yīng)用在林業(yè)行業(yè)都能找到對(duì)應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例。例如，林果采摘機(jī)器人就是機(jī)器人在林業(yè)中的應(yīng)用；林火識(shí)別和林木病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)就是模式識(shí)別在林業(yè)中的應(yīng)用；林火蔓延預(yù)測(cè)可以用到隱馬爾科夫模型；PAID50專家系統(tǒng)平臺(tái)就是專家系統(tǒng)在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用典范等。因此，在教學(xué)過(guò)程中，我們可以考慮將人工智能知識(shí)與林業(yè)應(yīng)用結(jié)合進(jìn)行講解，這樣學(xué)生更容易接受也更樂(lè)意接受。更進(jìn)一步，如果能夠結(jié)合這些林業(yè)應(yīng)用編寫(xiě)一本《人工智能及其林業(yè)應(yīng)用》教材，將會(huì)更加適合涉林專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程。

（3）應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真軟件解決教學(xué)內(nèi)容難度大的問(wèn)題。非計(jì)算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)較差，編程能力不強(qiáng)，算法訓(xùn)練不足，對(duì)各種人工智能高級(jí)算法難以理解，更難以編程實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這個(gè)實(shí)際問(wèn)題，我們可以主動(dòng)提供一些相關(guān)算法的計(jì)算機(jī)仿真軟件，在課堂上通過(guò)演示這些仿真軟件，讓學(xué)生直觀地理解算法，甚至能夠通過(guò)仿真軟件應(yīng)用這些算法解決本專業(yè)相關(guān)的問(wèn)題。例如可以開(kāi)發(fā)如圖1和圖2所示的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法仿真軟件，通過(guò)該仿真可以把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、訓(xùn)練時(shí)的權(quán)值偏差變化、訓(xùn)練過(guò)程中總誤差的變化等信息完全呈現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生通過(guò)這個(gè)仿真過(guò)程就不難理解BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，甚至可以使用這個(gè)仿真軟件來(lái)解決本專業(yè)相關(guān)的一些問(wèn)題。

5結(jié)語(yǔ)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+林業(yè)”、智能制造、智慧林業(yè)等的不斷發(fā)展和不斷普及，林業(yè)智能化和其他行業(yè)智能化一樣迫切，培養(yǎng)更多的智能型高技術(shù)林業(yè)人才是社會(huì)賦予林業(yè)院校的歷史使命，林業(yè)院校將會(huì)有越來(lái)越多的涉林專業(yè)開(kāi)設(shè)人工智能相關(guān)課程。我們通過(guò)總結(jié)林業(yè)院校人工智能教學(xué)過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題，提出了一些教學(xué)改革思路和建議。如果我們?cè)谝院蟮慕虒W(xué)過(guò)程中能夠結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、及時(shí)改革教學(xué)方法，林業(yè)院校的人工智能教學(xué)必將走上一個(gè)新的臺(tái)階，對(duì)其他院校的人工智能教學(xué)改革的參考意義也將是深遠(yuǎn)的。

（編輯：孫怡銘）