本科人工智能課程創(chuàng)新探討與實(shí)踐

王全+王長元

摘要： 針對人工智能課程內(nèi)容抽象、算法復(fù)雜的特點(diǎn)和我校本科教學(xué)的實(shí)際需求，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，從教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面對本科人工智能課程的教學(xué)改革創(chuàng)新進(jìn)行了探討和總結(jié)。

Abstract： In view of the characteristics of artificial intelligence curriculum， including abstract content and complex algorithm， and the actual needs of undergraduate teaching， combined with teaching practice， this paper discusses and sums up the teaching reform and innovation of undergraduate artificial intelligence curriculum from the teaching system， teaching content， teaching methods and assessment methods.

關(guān)鍵詞： 人工智能；創(chuàng)新；本科

Key words： artificial intelligence；innovation；undergraduate

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0230-02

0 引言

人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，是當(dāng)前科學(xué)技術(shù)中正在迅速發(fā)展、新思想、新觀點(diǎn)、新理論、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的一個(gè)學(xué)科，其屬于一門邊緣學(xué)科，同時(shí)也是多個(gè)學(xué)科交叉而成的一門學(xué)科，包括語言學(xué)、哲學(xué)、心理學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、系統(tǒng)論、信息論、控制論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)等[1]。當(dāng)前人工智能已經(jīng)是很多高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的必修課程，它是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科類各專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，其教學(xué)內(nèi)容主要包括自然語言理解、計(jì)算智能技術(shù)、問題求解和搜索算法、知識表示和推理機(jī)制、專家系統(tǒng)和機(jī)器學(xué)習(xí)等，國內(nèi)外很多大學(xué)都意識到了其重要性，紛紛對其展開了教學(xué)和研究。人工智能課程包含多個(gè)學(xué)科，具有內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)、知識點(diǎn)多等特點(diǎn)，且算法復(fù)雜，但是多數(shù)高校采用的教學(xué)方式仍是傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式，即“教師講、學(xué)生聽”的教學(xué)模式，這種信息單向傳輸教學(xué)模式以教師為主體，學(xué)生只是在被動(dòng)的接收知識；存在過分重視理論教學(xué)，忽視實(shí)踐活動(dòng)教學(xué)的問題，導(dǎo)致教育內(nèi)容無法和社會(huì)接軌；人工智能教材理論性過強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中常常感到枯燥乏味，進(jìn)而對學(xué)習(xí)該課程失去熱情[2]，久而久之，不僅人工智能課程的教學(xué)質(zhì)量和效果無法達(dá)到預(yù)期，甚至學(xué)生還會(huì)產(chǎn)生厭學(xué)心理。針對人工智能課程中現(xiàn)有的各項(xiàng)問題，本文作者結(jié)合自身豐富人工智能教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，參考人工智能課程特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，從多個(gè)方面探討和總結(jié)了人工智能，包括教學(xué)內(nèi)容、教材選擇、教學(xué)方法和考核形式等。

1 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化與更新

人工智能是一門嶄新的學(xué)科。開設(shè)本課程首先是確定教學(xué)內(nèi)容。通常來講，人工智能學(xué)科的內(nèi)容包括兩個(gè)部分，具體：一是知識表示和推理；二是人工智能的應(yīng)用。前者是人工智能的重要基礎(chǔ)，后者主要介紹了幾種人工智能應(yīng)用系統(tǒng)，包括自動(dòng)規(guī)劃和機(jī)器視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)等。另外，課程內(nèi)容中還包括了一些人工智能應(yīng)用的實(shí)例，將實(shí)踐和理論緊密結(jié)合起來[3]。

隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人工智能學(xué)科也取得了較大發(fā)展?；诖?，人工智能學(xué)科也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，更新人工智能教學(xué)大綱，進(jìn)一步完善其教學(xué)內(nèi)容。修訂后的人工智能教學(xué)大綱將人工智能分成兩個(gè)部分，即基礎(chǔ)部分和擴(kuò)展應(yīng)用部分。前者包括計(jì)算智能、搜索原理、知識表示等，后者包括智能機(jī)器人、智能控制、多智能體、自然語言理解、自動(dòng)規(guī)劃、機(jī)器學(xué)習(xí)、知識工程等。

教學(xué)內(nèi)容的選擇和確定應(yīng)綜合考慮多項(xiàng)因素，不僅要重視基礎(chǔ)知識，也應(yīng)注意推陳出新，隨著科技的進(jìn)步做到與時(shí)俱進(jìn)，同時(shí)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)符合現(xiàn)實(shí)的需求，能夠與社會(huì)接軌，將理論和實(shí)踐緊密結(jié)合起來，只有這樣人工智能課程的教學(xué)質(zhì)量和效果才能事半功倍。

2 教學(xué)策略及教學(xué)方法的改革創(chuàng)新

由于人工智能課程具有算法復(fù)雜、內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)、 知識點(diǎn)多的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足人工智能課程的需求，教師應(yīng)探索更加有效的教學(xué)模式和方法，確保人工智能課程能夠取得良好的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。具體的改革和創(chuàng)新人工智能課程的手段和方法主要包括以下幾個(gè)方面：

2.1 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 無論是經(jīng)驗(yàn)還是常識都在告訴我們每個(gè)人最好的老師就是興趣，學(xué)生只有對某門學(xué)科存在興趣，才會(huì)更加主動(dòng)積極的學(xué)習(xí)該門課程，從而獲得良好的教學(xué)效果。比如，作者在課程的一開始先播放了一段著名導(dǎo)演斯蒂文·斯皮爾伯格的《Artificial Intelligence》的相關(guān)片段，由這個(gè)電影學(xué)生知道了世上存在人工智能的機(jī)器人，學(xué)生們隨著電影情節(jié)的發(fā)展而深深感動(dòng)，與此同時(shí)教師讓學(xué)生思考和談?wù)撊斯ぶ悄苁鞘裁矗垦芯咳斯ぶ悄艿囊饬x在哪里？實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在課堂中加入電影因素，能夠大大提升學(xué)生們的注意力，讓學(xué)生更加專注在教學(xué)任務(wù)中，有效提高了學(xué)生探索人工智能的積極性和主動(dòng)性。此外，在教學(xué)中還可以用動(dòng)畫、視頻、圖片等手段將反映人工智能最新研究和應(yīng)用的成果展示出來，讓學(xué)生更直觀的感受人工智能的奧妙，從而投入更多熱情學(xué)習(xí)人工智能課程。

2.2 面向問題的案例教學(xué)法 案例教學(xué)法是一種以案例為基礎(chǔ)、以能力培養(yǎng)為核心的一種教學(xué)方法[11]。針對學(xué)校學(xué)生特點(diǎn)，我們采取了以下幾種教學(xué)形式實(shí)施案例教學(xué)。①講解式案例教學(xué)：這種案例通過教師的講解，幫助學(xué)生理解抽象的理論知識點(diǎn)。案例的呈現(xiàn)有兩種基本形式：一是“案例—理論”，即先給出教學(xué)案例，然后再講解理論知識；二是“理論—案例”，即教師先講解理論知識，再給出教學(xué)案例；通過情境體驗(yàn)與案例剖析激發(fā)學(xué)生認(rèn)知的興趣，引導(dǎo)學(xué)生對將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容產(chǎn)生注意，有利于教師導(dǎo)入新課。②討論式案例教學(xué)：在課程初期將學(xué)生分成若干學(xué)習(xí)小組，每小組3～4人；教師將提前設(shè)計(jì)好的一題多解的教學(xué)案例以及收集的相關(guān)資料分配給每個(gè)小組，要求學(xué)生在課余時(shí)間通過自學(xué)和組內(nèi)討論的方式給出問題的不同解決方案。③辯論式案例教學(xué)：在課程后期，采取專題辯論的方式對綜合應(yīng)用案例進(jìn)行討論，能有效地啟發(fā)學(xué)生全方位地思考和探索問題的解決方法，加深學(xué)生對人工智能的理解。

2.3 個(gè)性化學(xué)習(xí)與因材施教 在開展課程教育過程中應(yīng)注意對學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化教學(xué)，結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)因材施教。比如，在日常教學(xué)中多觀察學(xué)生情況，鼓勵(lì)那些應(yīng)對教學(xué)任務(wù)后仍存在余力的學(xué)生深入探索較深層次的課程及相關(guān)知識，同時(shí)友善面對學(xué)習(xí)較差的學(xué)生，分析其學(xué)習(xí)過程中面對的困難，有的放矢地采取應(yīng)對措施，幫助其不斷進(jìn)步；在教學(xué)過程中讓學(xué)生以讀書報(bào)告的形式多多思考，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)散性思考問題，鼓勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行深一步的探討，并且教師應(yīng)幫助具有新穎思想或論點(diǎn)的學(xué)生將其智慧以科技論文和發(fā)表文章的形式轉(zhuǎn)化為成果。

2.4 注重綜合能力培養(yǎng) 在研究型教學(xué)中任務(wù)驅(qū)動(dòng)是一種常用的教學(xué)方法，其中心導(dǎo)向是任務(wù)，學(xué)生在完成任務(wù)的同時(shí)也在吸收和掌握知識。通常來講，該教學(xué)方法的步驟是：教師提出任務(wù)→師生共同分析以得出完成任務(wù)的方法和步驟→適當(dāng)講解或自學(xué)、協(xié)作學(xué)習(xí)→完成任務(wù)→交流和總結(jié)?！盵3]該教學(xué)模式不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識，還能夠培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，提高其綜合實(shí)力。不僅如此，由于該教學(xué)模式通常是以小組協(xié)作的方式進(jìn)行，教師給出研究范圍，學(xué)生自愿結(jié)組并選擇具體的題目，經(jīng)過分析和討論后以程序設(shè)計(jì)或者論文的形式協(xié)作完成研究。由此可知，學(xué)生是在以團(tuán)隊(duì)的力量解決問題，這十分考驗(yàn)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，對于學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神的培養(yǎng)至關(guān)重要，且在完成任務(wù)的過程中學(xué)生需要查閱大量的資料，久而久之學(xué)生收集資料和創(chuàng)新能力勢必會(huì)得到提升。

2.5 采用啟發(fā)式教學(xué) 人工智能的很多問題都較為抽象，對學(xué)生理解力的要求較高，因此，在實(shí)際的教學(xué)過程中教師應(yīng)有意識的就課程內(nèi)容提出相關(guān)問題，讓學(xué)生自己獨(dú)立思考，鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的想法和解決方案。然后回歸到課程上，對比分析教材上的解決方案和學(xué)生自己的解決方案，如此不僅培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考的能力，也增加了學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的意識，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。比如，在講到較為抽象的“遺傳算法”時(shí)，先提出一個(gè)問題，即“遺傳算法如何用于優(yōu)化計(jì)算？”，然后從“達(dá)爾文的生物進(jìn)化論”入手，討論“遺傳”、“變異”和“選擇”作用，之后舉例分析，啟發(fā)學(xué)生思考“遺傳”、“變異”和“選擇”的實(shí)現(xiàn)，最后師生一起導(dǎo)出遺傳算法用于優(yōu)化計(jì)算的基本步驟。如此既完成了教授遺傳算法的目的，也鍛煉了學(xué)生邏輯思維的能力，教學(xué)效果良好[4]。

3 作業(yè)和考核方式的改革創(chuàng)新

過去的課程作業(yè)都是單一書面習(xí)題作業(yè)，發(fā)展至今，課程作業(yè)形式已經(jīng)發(fā)生了變化，更加豐富多樣，包括必須交給教師評閱的書面家庭作業(yè)和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。其中通過網(wǎng)絡(luò)就可以完成上交作業(yè)，并且教師批閱作業(yè)后也可以通過網(wǎng)絡(luò)返回給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化。課程的考核方式較之以前也發(fā)生了較大變化，加強(qiáng)了平時(shí)思維能力的考核，更加注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?dòng)手能力的培養(yǎng)，不再是絕對的一次考試定成績，而是在總評成績中加入30%的平時(shí)成績，如此不僅減輕了學(xué)生的期末負(fù)擔(dān)，也迫使學(xué)生更加重視平時(shí)的學(xué)習(xí)思考，有利于課程教學(xué)質(zhì)量的提升。

4 結(jié)束語

本文是以提高教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，從教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面對本科人工智能課程的教學(xué)改革進(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。作為該課程的授課教師應(yīng)始終保持對教學(xué)內(nèi)容的不斷更新、教學(xué)方法的多樣化，才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們的思維創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的能力，最終提高本課程的教學(xué)質(zhì)量。從學(xué)生的反饋來看，作者所總結(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，今后將繼續(xù)在教學(xué)過程中不斷總結(jié)成功的經(jīng)驗(yàn)，吸取失敗的教訓(xùn)。

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