人工智能技術(shù)背景下生物類課程綜合實(shí)踐新模式探究

李斯+符齊桐+李文璐

摘要：人工智能不僅是一項(xiàng)技術(shù)，更是一種思維方法。我國高校的人工智能課程目前基本停留在單一的課程模式上，將畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新競賽內(nèi)容融入生物學(xué)科的教學(xué)模式尚需探索?；诖耍疚膶?duì)人工智能技術(shù)背景下的生物類課程綜合實(shí)踐新模式進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：人工智能；生物教學(xué)；綜合實(shí)踐

一、人工智能技術(shù)與生物類課程結(jié)合的必要性

20世紀(jì)40年代，基于生物控制論和仿生學(xué)提出的神經(jīng)元數(shù)學(xué)模型，奠定了人工智能的理論基礎(chǔ)。自此，許多研究從物理學(xué)、數(shù)學(xué)和工程計(jì)算中探尋生物學(xué)的蹤跡，試圖從工程研究中獲取一些新的概念和靈感，借助物理學(xué)、工程學(xué)和計(jì)算學(xué)中的概念和相關(guān)技術(shù)，幫助神經(jīng)領(lǐng)域的科學(xué)家理解生物系統(tǒng)的功能。人工智能自此發(fā)展起來。

生命體由大分子組成，如核酸是遺傳信息的載體和蛋白質(zhì)的翻譯工具，而蛋白質(zhì)則是一切生命活動(dòng)的體現(xiàn)者與參與者。針對(duì)這些復(fù)雜生物分子的分析和識(shí)別研究，學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)它們?cè)谏w中的獨(dú)特構(gòu)象和重要功能是當(dāng)代模式識(shí)別所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。所以，將人工智能算法應(yīng)用到識(shí)別生物分子信息中，就是將兩門方興未艾的研究項(xiàng)目結(jié)合到一起，其必將開拓人工智能新的研究應(yīng)用方向，發(fā)現(xiàn)新的生物學(xué)規(guī)律。

二、人工智能技術(shù)與生物類課程綜合實(shí)踐結(jié)合的意義

以人工智能算法為契機(jī)，將生物教學(xué)與數(shù)學(xué)分析相結(jié)合，將有利于培養(yǎng)更適合科技發(fā)展的復(fù)合型人才，其對(duì)促進(jìn)教學(xué)工作、提高教學(xué)質(zhì)量有以下作用和意義：

第一，探究跨專業(yè)的創(chuàng)新競賽模式。以賽促學(xué)，以賽代練，積極組織學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新競賽活動(dòng)，從整體上綜合研討跨學(xué)科創(chuàng)新競賽過程中各因素之間的互相作用及其多樣化的表現(xiàn)形態(tài)，動(dòng)態(tài)把握創(chuàng)新過程的本質(zhì)和規(guī)律，構(gòu)建跨專業(yè)創(chuàng)新教學(xué)的基本框架。

第二，增強(qiáng)畢業(yè)設(shè)計(jì)的教學(xué)效果。畢業(yè)設(shè)計(jì)課題中應(yīng)引入人工智能技術(shù)，提高高通量測(cè)試比例，增加流式細(xì)胞儀、形態(tài)特征數(shù)據(jù)采集、RNA測(cè)序等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比例，提高畢業(yè)設(shè)計(jì)的技術(shù)含量。從組織形式建立人工智能生物研究團(tuán)隊(duì)，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和溝通交流能力，提高畢業(yè)設(shè)計(jì)的育人效果。

第三，提高師資隊(duì)伍的實(shí)踐指導(dǎo)水平?？鐚I(yè)協(xié)同指導(dǎo)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由不同專業(yè)的教師組成指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，為教師提供了相互學(xué)習(xí)和交流的平臺(tái)，有益于提高教師的指導(dǎo)水平。

三、人工智能技術(shù)與生物類課程綜合實(shí)踐結(jié)合的策略

1.開展多學(xué)科、跨專業(yè)的競賽，創(chuàng)新項(xiàng)目組織形式

以大學(xué)生挑戰(zhàn)杯的創(chuàng)新競賽項(xiàng)目為例，選取6名學(xué)生組成競賽團(tuán)隊(duì)，每2人一組共組成3個(gè)小組，其中1個(gè)小組進(jìn)行生物學(xué)研究，另外2個(gè)小組進(jìn)行人工智能的算法研究和與生物實(shí)驗(yàn)對(duì)接，最后各小組之間整合數(shù)據(jù)。教師指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)由2名生物指導(dǎo)教師、2名數(shù)據(jù)分析指導(dǎo)教師組成。這種分角色研究的過程模擬了跨學(xué)科研究的情境模式，不同研究方向的學(xué)生分工協(xié)作完成一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，產(chǎn)生的分歧、相互的補(bǔ)充與協(xié)調(diào)是最寶貴的學(xué)習(xí)資源。

2.引入人工智能的生物類畢業(yè)設(shè)計(jì)課題

將人工智能模型引入畢業(yè)設(shè)計(jì)后，負(fù)責(zé)算法的學(xué)生通過設(shè)計(jì)完成“深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的模型訓(xùn)練，生物研究方向的學(xué)生通過設(shè)計(jì)完成“生物問題+人工智能算法+生物數(shù)據(jù)驗(yàn)證”的人工智能生物學(xué)模型，這不僅可以加深學(xué)生對(duì)人工智能概念的理解，還能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)的運(yùn)用能力。

3.完善畢業(yè)綜合實(shí)踐成績?cè)u(píng)價(jià)體系

（1）創(chuàng)新成果評(píng)價(jià)方式。在創(chuàng)新競賽模式中，3組學(xué)生對(duì)同一個(gè)生物問題進(jìn)行獨(dú)立、背靠背的研究，在最后的評(píng)標(biāo)環(huán)節(jié)，由指導(dǎo)教師和校外專家組成的專家組根據(jù)評(píng)標(biāo)文件的評(píng)價(jià)辦法計(jì)算出綜合得分。該分?jǐn)?shù)是專家集體評(píng)議的結(jié)果，能客觀地反映創(chuàng)新實(shí)踐成果的質(zhì)量。

（2）答辯內(nèi)容全面的覆蓋性。傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯是單專業(yè)教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)問題的考查。如果畢業(yè)設(shè)計(jì)涉及跨專業(yè)的研究，很難保證答辯會(huì)覆蓋全面的研究內(nèi)容?，F(xiàn)在跨專業(yè)指導(dǎo)教師全程參與畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)答辯工作，將保證畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究工作得到全方位的審視。

（3）團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力評(píng)價(jià)的改革?？鐚I(yè)的人工智能生物類研究項(xiàng)目畢業(yè)設(shè)計(jì)，由學(xué)生組成研究實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，彼此之間存在許多需要協(xié)調(diào)的工作。這項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)采用組員間互評(píng)的方式進(jìn)行，能客觀地反映情況。

基金項(xiàng)目：河北工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201704049）；河北工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201710080305）。endprint