工程認(rèn)證背景下基于對分課堂的人工智能課程改革

鄧 娜，王春枝，葉志偉，張明武，肖 亮

（湖北工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢430068）

0 引 言

以2016年6月2日我國正式成為《華盛頓協(xié)議》簽約國為良好契機(jī)，各大高校都順應(yīng)形勢積極申報工程專業(yè)認(rèn)證[1]。根據(jù)中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會網(wǎng)站統(tǒng)計，截至2017年12月12日，我國已有781個高校工程專業(yè)通過了認(rèn)證，涉及159所高校，涵蓋計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、紡織工程、地質(zhì)工程、機(jī)械工程和生物工程等51門工程類專業(yè)[2]。工程教育認(rèn)證促使我國的高等教育與國際接軌，全面提高工程類本科畢業(yè)生的各項工程能力，使其成為國際認(rèn)可的高素質(zhì)人才，同時促進(jìn)高等教育教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量。

工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對工程類本科畢業(yè)生提出了12條畢業(yè)要求，包括工程知識、問題分析、研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個人和團(tuán)隊、溝通、項目管理以及終身學(xué)習(xí)等，這不僅需要我們將這些畢業(yè)要求寫進(jìn)培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方案中去，更重要的是，需要思考如何改進(jìn)教學(xué)過程，讓學(xué)生真正達(dá)到這些要求。

1 人工智能課程教學(xué)現(xiàn)狀

人工智能是一門交叉學(xué)科，涉及數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、心理學(xué)、語言學(xué)、控制論、機(jī)械學(xué)等多門學(xué)科，還是一門不斷發(fā)展的學(xué)科，涉及不同的研究學(xué)派，包括符號主義、聯(lián)結(jié)主義和行為主義。2017年7月國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》將人工智能提高到國家戰(zhàn)略發(fā)展層面上[3]，因此，如何為國家輸送高素質(zhì)高能力的人工智能人才成為高校計算機(jī)類教育者亟待解決的問題。

為培養(yǎng)學(xué)生對人工智能的興趣，使其了解和掌握人工智能基本的研究方法，并為部分學(xué)生的進(jìn)一步深造夯實基礎(chǔ)，湖北工業(yè)大學(xué)開設(shè)了面向軟件工程專業(yè)的人工智能選修課，總共32學(xué)時，包括22學(xué)時的理論教學(xué)和10學(xué)時的上機(jī)實踐。目前教學(xué)現(xiàn)狀如下：①人工智能研究流派多，研究分支龐雜，在短短22個理論學(xué)時里面講授所有的內(nèi)容是不現(xiàn)實的，因此，教師應(yīng)有側(cè)重地選擇授課內(nèi)容。②與其他專業(yè)必修課不同的是，人工智能是一門較前沿的課程，最新的理論、方法大多以論文，尤其是外文論文的形式出現(xiàn)。因此對教授課程的老師提出了語言能力的要求。③人工智能相關(guān)的操作語言眾多，例如Python、R、Prolog、Lisp語言等，不同的語言適合不同的研究流派或問題領(lǐng)域。因此，教師應(yīng)根據(jù)實際情況選擇操作語言。

2 對分課堂的特點

為解決傳統(tǒng)教學(xué)教師滿堂灌、學(xué)生被動式學(xué)習(xí)的問題，文獻(xiàn)[4]提出對分課堂的理念，即將課堂時間一分為二，一半時間由教師來講授，一半時間交給學(xué)生進(jìn)行討論。與傳統(tǒng)的以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式相比，對分課堂有著如下特點。針對教師而言：①由于教師授課時間壓縮為原來的一半，因此，教師需要精煉講授內(nèi)容，突出重點難點。②教師需要精心設(shè)計討論的問題，討論的問題不僅要有寬度，還要有深度。在寬度上，問題的解決需要學(xué)生掌握較全面的知識；在深度上，問題應(yīng)能激發(fā)學(xué)生的求知欲，促使學(xué)生主動查閱資料。③教師可以在學(xué)生討論的過程中，及時了解學(xué)生對知識的掌握情況，適時調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和安排。針對學(xué)生而言： ①對分課堂能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。在傳統(tǒng)教學(xué)中，大部分學(xué)生可能只有在期末考試前才能有學(xué)習(xí)的壓力和動力。然而，在對分課堂，由于每次討論前都需要學(xué)生自主學(xué)習(xí)，包括搜集資料、思考問題、總結(jié)歸納等，因此，對分課堂能讓學(xué)生緊跟教學(xué)進(jìn)度，主動溫故知新。②能極大地鍛煉學(xué)生的表達(dá)和交流能力。③學(xué)生能在討論以及教師的點評中，發(fā)現(xiàn)自己的薄弱環(huán)節(jié)，查缺補(bǔ)漏，也能借鑒同小組內(nèi)其他同學(xué)解決問題的方式方法，取長補(bǔ)短。

3 對分課堂對工程認(rèn)證的適用性

工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力，解決復(fù)雜工程問題又要求具備扎實的工程知識、問題分析能力、深度研究能力、團(tuán)隊協(xié)作能力以及終身自主學(xué)習(xí)習(xí)慣等，這些不太容易在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中培養(yǎng)出來，但與對分課堂有很好的契合度：①教師在對分課堂的講授部分會精煉理論內(nèi)容，突出重點難點，為學(xué)生打下堅實的工程知識基礎(chǔ)；在討論環(huán)節(jié)，教師通過提出問題或讓學(xué)生做試題的形式考查學(xué)生對工程知識的掌握程度。②教師布置的討論任務(wù)需要學(xué)生自主去查閱資料、分析問題、解決問題、總結(jié)歸納問題，在這個過程中，學(xué)生的問題分析能力和深度研究能力得到鍛煉，也幫助他們養(yǎng)成良好的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。此外，查閱資料經(jīng)常涉及英文文獻(xiàn)，同時提升了學(xué)生的英文水平，為工程認(rèn)證與國際接軌做好鋪墊。③教師有時布置的任務(wù)需要學(xué)生以小組的形式共同完成，在任務(wù)完成的過程中，學(xué)生的表達(dá)交流能力和團(tuán)隊協(xié)作能力得到了提高。

4 教學(xué)過程設(shè)計案例

以謂詞邏輯的歸結(jié)演繹推理為例，介紹基于對分課堂的教學(xué)設(shè)計過程（見表1）。假設(shè)每次課2課時，每節(jié)課45分鐘。

在這個案例中，共分成3個時間段。在上課前3天，教師給學(xué)生布置討論問題。為解決這些問題，學(xué)生自主復(fù)習(xí)、預(yù)習(xí)或查閱資料。在第一節(jié)課，教師花5分鐘時間復(fù)習(xí)上次課的內(nèi)容：將謂詞邏輯化為子句集，再一次強(qiáng)調(diào)這部分內(nèi)容的重要性，因為化子句集是歸結(jié)演繹推理的一個重要步驟，然后以一個具體的自然語言描述的問題為例，講解謂詞邏輯的歸結(jié)演繹推理過程。由于學(xué)生已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)習(xí)，所以教師可以在跟學(xué)生互動的過程中，了解學(xué)生的掌握程度，適時調(diào)整授課節(jié)奏。在第二節(jié)課的前20分鐘，學(xué)生以5～8人小組為單位，討論教師布置的3個問題：①鍛煉學(xué)生的總結(jié)歸納能力，要求學(xué)生總結(jié)出歸結(jié)演繹推理的4個步驟。②考察學(xué)生的思辨能力，在大部分教材中沒有提及量詞去掉順序的影響，但存在量詞和全稱量詞去掉順序的不一樣卻會導(dǎo)致完全不同的語義。因此，希望學(xué)生通過查資料和思考研究來解決這個問題。③檢查學(xué)生應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力。在學(xué)生討論的過程中，教師可以旁聽學(xué)生的討論過程，控制討論流程和進(jìn)度。在第二節(jié)課的后20分鐘，教師從每組中選一名或多名代表闡述觀點和問題的解決辦法。為使每位學(xué)生都有表達(dá)的機(jī)會，并且打破“積極的學(xué)生總是積極的，不積極的學(xué)生總是不積極的”的陋習(xí)，教師可以隨機(jī)來選擇學(xué)生。在第二節(jié)課的最后5分鐘，教師對該課的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，對學(xué)生討論的情況進(jìn)行點評，強(qiáng)調(diào)學(xué)生容易出錯和值得進(jìn)一步思考的地方。這兩節(jié)課在時間上被分為兩部分，一部分以教師為主導(dǎo)，講授知識；另一部分以學(xué)生為主導(dǎo)，分組討論。這正是對分課堂與傳統(tǒng)教學(xué)模式最大的不同。

表1 基于對分課堂的人工智能課程教學(xué)設(shè)計過程

在用傳統(tǒng)的教學(xué)模式對歸結(jié)演繹推理這一章節(jié)進(jìn)行授課時，大多是教師用PPT或黑板進(jìn)行演示，學(xué)生在下面看和聽。由于歸結(jié)演繹推理步驟復(fù)雜，涉及理論多，學(xué)生很容易聽得云里霧里。這個案例體現(xiàn)出來的對分課堂模式能讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)相關(guān)理論，在課堂上落到實處，真正掌握推理的方法，并在討論和教師總結(jié)環(huán)節(jié)中查漏補(bǔ)缺，進(jìn)一步強(qiáng)化知識。

2017年下半年筆者首次運用對分課堂的模式對人工智能課程進(jìn)行教學(xué)改革，取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到提高，動手分析能力也得到鍛煉，團(tuán)隊協(xié)作能力和表達(dá)能力都有所提升。

5 結(jié) 語

工程認(rèn)證要求學(xué)生有問題分析、深度研究、團(tuán)隊協(xié)作的能力以及終身自主學(xué)習(xí)習(xí)慣等，這些不太容易在傳統(tǒng)教學(xué)模式中培養(yǎng)出來，而人工智能又是一門多流派、多操作語言的前沿課程，使用對分課堂對人工智能課程傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行改革，課堂上一半的時間由教師主導(dǎo)、一半的時間由學(xué)生主導(dǎo)，使學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力得到鍛煉和培養(yǎng)，更符合中國學(xué)生的特質(zhì)和課堂“國情”。