高年級本科生人工智能課程教學(xué)實踐與探究

嚴(yán)遠(yuǎn)亭，張以文，陳 潔，張燕平

（安徽大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

人工智能（Artif i cial Intelligence）是一門研究如何使計算機模擬人的某些思維過程和智能行為（如學(xué)習(xí)、推理、規(guī)劃等）的綜合性前沿學(xué)科。自1956年人工智能一詞出現(xiàn)以來，對人工智能的研究得到持續(xù)推進。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以Alpha Go、無人駕駛汽車等為代表的一大批人工智能技術(shù)的成功應(yīng)用。人工智能技術(shù)突飛猛進，取得了前所未有的關(guān)注。

人工智能是一門涉及計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)、腦科學(xué)等眾多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。作為計算機學(xué)科一個重要分支，我國不少高校都開設(shè)了人工智能課程[1-2]。該課程的開設(shè)，既能有效提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和開闊前沿技術(shù)視野，又能很好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和技術(shù)創(chuàng)新能力[3]。

人工智能不僅涉及眾多學(xué)科的內(nèi)容，而且發(fā)展十分迅速，這些不但加大了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，而且對人工智能的教學(xué)提出了多方面的挑戰(zhàn)。雖然目前許多高校都開設(shè)了人工智能課程，但是在培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人工智能人才方面，與國外高水平大學(xué)相比，仍然存在一些差距和不足。

1 國內(nèi)人工智能課程存在的不足

1.1 課程設(shè)置

作為一門新興學(xué)科，人工智能發(fā)展十分迅速。新的技術(shù)層出不窮，這就要求人工智能課程的設(shè)置能夠與學(xué)科發(fā)展相適應(yīng)。與國外高水平大學(xué)（如斯坦福大學(xué)、麻省理工大學(xué)等）相比，國內(nèi)高校在人工智能課程體系設(shè)置等方面仍存在著一定的滯后性。

1.2 教學(xué)方法與手段

人工智能課程多學(xué)科交叉且理論性很強，其教學(xué)往往注重對理論知識的講授，而對相關(guān)技術(shù)的實踐能力培養(yǎng)重視不夠；同時，由于人工智能涉及十分廣泛，僅僅在課堂上進行學(xué)習(xí)并不夠，還需要強化學(xué)生在課后的自我學(xué)習(xí)。

1.3 創(chuàng)新能力培養(yǎng)

雖然人工智能課程的教學(xué)在我國高校已開展多年，但是當(dāng)前我國學(xué)者在人工智能頂級學(xué)術(shù) 期 刊（如Artif i cial Intelligence、International Journal of Machine Learning Research等）和頂尖學(xué)術(shù)會議（如IJCAI、AAAI等）上發(fā)表學(xué)術(shù)論文的數(shù)量仍然不是很多；有國際影響力的人工智能領(lǐng)域的人才仍相對較少；在創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面仍然需要進一步加強。

2 人工智能教學(xué)模式改革措施與途徑

針對當(dāng)前人工智能教學(xué)存在的不足，結(jié)合筆者的教學(xué)實踐，可以歸納總結(jié)出圖1所示4個方面的改進內(nèi)容。

2.1 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

圖1 人工智能教學(xué)模式改進措施示意圖

由于人工智能涉及面廣，目前在世界范圍內(nèi)還沒有一個權(quán)威性的、相對統(tǒng)一的學(xué)科設(shè)置。當(dāng)前，圍繞“智能”這一核心，國外高水平大學(xué)從不同層面、不同角度進行課程設(shè)置并開展教學(xué)，對人工智能的理論、方法進行描述[4]?；诋?dāng)前人工智能的發(fā)展和國內(nèi)的實際情況，科學(xué)確定人工智能課程的知識體系，明確教學(xué)內(nèi)容，確保課程教學(xué)內(nèi)容在保持知識體系一脈相承的同時又兼顧學(xué)科的發(fā)展趨勢，是需要遵循的一項基本原則。

就我校的具體情況而言，人工智能是計算機相關(guān)專業(yè)的一門選修課，安排在大三上學(xué)期進行學(xué)習(xí)，因此，在確定教學(xué)內(nèi)容時，我們充分考慮到該課程課時相對較少、學(xué)生往往更關(guān)注技術(shù)應(yīng)用和相關(guān)方法使用的情況，適當(dāng)對授課內(nèi)容進行調(diào)整，著重強調(diào)人工智能發(fā)展歷史、各種技術(shù)的使用方法以及具體應(yīng)用，而對于復(fù)雜的相關(guān)理論的推導(dǎo)和理解方面無需過多強調(diào)。這樣不僅更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且比較契合學(xué)生對人工智能技術(shù)的關(guān)注點。在進行教學(xué)安排時，還可以靈活設(shè)置幾個學(xué)時，在先期授課期間充分征詢學(xué)生意見，了解學(xué)生的興趣點，然后安排適當(dāng)?shù)臅r間對學(xué)生感興趣的技術(shù)進行相關(guān)的講解；也可以邀請計算機企業(yè)中具有豐富從業(yè)經(jīng)驗的AI開發(fā)人員就AI技術(shù)在企業(yè)中的實際應(yīng)用進行介紹。

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)課程教育蓬勃發(fā)展，涌現(xiàn)出以Coursera、edX、網(wǎng)易公開課等為代表的一大批MOOC資源[5-6]。MOOC中有相當(dāng)一部分與人工智能課程相關(guān)的熱門資源，教師在日常教學(xué)過程中可以精選1～2節(jié)課的相關(guān)內(nèi)容在課堂上讓學(xué)生學(xué)習(xí)，并就相關(guān)的問題進行交流討論；另外，還可以選擇部分經(jīng)典的課程讓學(xué)生課后自學(xué)，既能擴大學(xué)生的選擇面，又能開闊學(xué)生的學(xué)習(xí)視野。教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化的構(gòu)成如圖2所示。

圖 2 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化的構(gòu)成示意圖

2.2 實踐能力培養(yǎng)

本科生高年級階段的教學(xué)與低年級的相比，具有一些新的特點：一方面，高年級本科生在經(jīng)過低年級階段的學(xué)習(xí)之后，有一定的專業(yè)積累，迫切希望能夠?qū)W習(xí)本專業(yè)的前沿技術(shù)與知識以及了解本專業(yè)的發(fā)展前景；另一方面，部分高年級本科生會選擇繼續(xù)攻讀研究生，因此在教學(xué)中還必須注重科研素質(zhì)的培養(yǎng)。

人工智能課程教學(xué)內(nèi)容中包括不少經(jīng)典問題和熱門方法，如漢諾塔問題、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹、手寫字符識別等。單純講解這些經(jīng)典問題相對抽象，學(xué)生很難理解。為了增強學(xué)生對此類方法的理解，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情，對于一些簡單的問題（如漢諾塔問題），可以在課堂上現(xiàn)場編程演示；對另外一些問題（如手寫字符識別），則可以通過事先準(zhǔn)備好的演示程序進行課堂上的演示。引入Matlab等仿真軟件進行此類案例的演示，能夠更加直觀地展現(xiàn)此類問題的過程和結(jié)果，增強教師與學(xué)生的交互，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對相關(guān)理論的理解，從而提高其學(xué)習(xí)積極性。

近年來，我校開展小學(xué)期教學(xué)的工作，每年6月底至7月初開始為期4周的小學(xué)期課程，在此期間主要以綜合項目訓(xùn)練為主，著力提高學(xué)生的實踐能力；此外，還開展了面向高年級學(xué)生的“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目”，鼓勵學(xué)生進行團隊申報，對入選的項目配以指導(dǎo)教師并給予經(jīng)費支持。人工智能課程的教學(xué)應(yīng)該和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目緊密結(jié)合起來，教師通過擬定合適的題目，鼓勵感興趣的學(xué)生積極參加申報，并對相關(guān)項目給予指導(dǎo)。這不僅能充分提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性和創(chuàng)新意識，還能增強其應(yīng)用實踐能力。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目在我校已經(jīng)取得了較好的成果，涌現(xiàn)出以“口袋小安”為代表的一批優(yōu)秀成果，該項目于2017年底成功獲得了某上市公司500萬元投資和1 000萬元創(chuàng)投發(fā)展基金。

2.3 科研能力培養(yǎng)

在現(xiàn)代化建設(shè)過程中，創(chuàng)新型人才發(fā)揮著重要作用。近年來，我國研究生招生規(guī)模逐年擴大，相當(dāng)一部分高年級本科生選擇攻讀研究生。加強對高年級本科生科研素質(zhì)的培養(yǎng)是為我國研究生教育輸送人才的一項重要舉措。

人工智能是近年來計算機相關(guān)學(xué)科當(dāng)中最為活躍的研究領(lǐng)域，其涵蓋范圍廣、影響范圍大，如機器學(xué)習(xí)、模式識別、群體智能等都是當(dāng)前的研究熱點。在教學(xué)中增強對學(xué)生科研素質(zhì)的培養(yǎng)，可以激發(fā)學(xué)生的研究意識和研究興趣，從而為學(xué)生以后從事科研工作奠定堅實的基礎(chǔ)。具體而言，在日常教學(xué)過程中，對于特定的問題（如當(dāng)前十分熱門的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），不但要介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出、發(fā)展、低潮、復(fù)興的發(fā)展歷史，而且要對各個階段背后深層次的原因進行剖析，在介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢的同時也要指出其存在的不足；同時對其他能夠在某一方面彌補神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不足的技術(shù)也要進行相關(guān)的介紹，如隨機梯度下降方法能夠從一定程度上避免BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)梯度下降可能造成的局部最優(yōu)問題。另外，對當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也要進行相關(guān)的介紹，如對深度學(xué)習(xí)主流的CNN、DBN等技術(shù)進行相應(yīng)的介紹和分析，對Tensorf l ow、Theano、Keras等主流的深度學(xué)習(xí)框架進行介紹，而且最好能就其中一種框架的使用方法進行具體說明，從而更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

我校開展的“安徽大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃項目”通過指導(dǎo)教師申請立項，指導(dǎo)教師與學(xué)生雙向選擇的方式進行。該項目的開展取得了不錯的成績，如2011年共有146名學(xué)生參加大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃項目，其中有85人考取碩士研究生，占參與學(xué)生總數(shù)的58%，在校期間，他們以第一作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文60篇，其中SCI、EI和CSCD分別收錄7篇、4篇和6篇；參與發(fā)表論文24篇，其中SCI、EI和CSCD分別收錄14篇、1篇和 2篇；申請發(fā)明專利7項，獲實用新型專利1項。

本科生群體非常具有創(chuàng)新潛力，需要指導(dǎo)教師積極引導(dǎo)。人工智能課程教師可以通過合適的選題申報該項目，在指導(dǎo)本科生參與科研項目研究并獲得預(yù)期效果的同時，也能從項目實施過程中得到許多啟發(fā)。師生的交流互動，能幫助教師更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題并及時加以指導(dǎo)解決。這不僅能夠提升學(xué)生的理論與實踐相結(jié)合能力，還可以提高教師的指導(dǎo)水平，有效實現(xiàn)教學(xué)相長。大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新精神，促使其更早、更多地接受科學(xué)研究基本訓(xùn)練，創(chuàng)造優(yōu)秀拔尖人才脫穎而出的條件，實現(xiàn)科研資源與本科生人才培養(yǎng)的有機結(jié)合。

2.4 考核方式創(chuàng)新

人工智能課程理論性強、內(nèi)容涵蓋范圍廣。傳統(tǒng)的單一通過試卷考核的方式對此課程適用性不是很好，因此，對該課程的考核要本著以學(xué)生為中心的理念，設(shè)置多元化的考核方式，這有利于鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)。在教學(xué)過程中，鼓勵學(xué)生積極發(fā)言提問和發(fā)表個人看法，有助于活躍課堂氣氛、引導(dǎo)學(xué)生自由思考；此外，平時的出勤率、隨堂作業(yè)也可以納入最后考核的參考指標(biāo)。學(xué)生可以通過PPT的形式匯報MOOC學(xué)習(xí)的成果，或者自主選擇人工智能某一個技術(shù)并匯報自我學(xué)習(xí)的收獲等，這些都可以作為考核的重要考慮因素；允許學(xué)生通過自我編程實現(xiàn)一些驗證性的設(shè)計，如經(jīng)典的手寫字符識別、車牌識別等；對于從事人工智能相關(guān)研究課題的學(xué)生，也可以以階段性的成果作為考核的參考指標(biāo)。總之，為使學(xué)生通過這門課程的學(xué)習(xí)能有所收獲并兼顧學(xué)生的個性化發(fā)展，教師不必拘泥于某一兩種固定的形式，而應(yīng)該建立一個多元化的考核形式。

3 多元化、長周期的能力培養(yǎng)

在人工智能課程教學(xué)過程中，對學(xué)生實踐能力和科研素質(zhì)的培養(yǎng)是核心目標(biāo)。前文總結(jié)的培養(yǎng)措施之間并不是相互孤立的，一種措施的作用是多元化的，如大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃項目、畢業(yè)設(shè)計等都具有多元化、長周期的特征。多元化指的是措施功能的多元，如人工智能的教學(xué)還可以和畢業(yè)設(shè)計聯(lián)系起來，教師可以在充分了解學(xué)生意愿和興趣點的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)給出相關(guān)研究點和大致的研究內(nèi)容，給學(xué)生以一個較長的時間開展相關(guān)工作，通過定期的交流溝通，發(fā)現(xiàn)不足，不斷完善，從而形成一個高質(zhì)量的畢業(yè)設(shè)計，不必局限在大四學(xué)年才進行畢業(yè)設(shè)計的研究工作。相關(guān)設(shè)計的內(nèi)容也可以根據(jù)學(xué)生的興趣，以實踐性為主，也可以偏研究性。長周期指的是這些措施的開展往往需要有一個相對長的時間，才能在學(xué)生能力提升上取得較好的效果，如大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃項目往往都需要兩年的時間，對于大三的學(xué)生來說這基本貫穿了其之后本科階段的求學(xué)生涯。

4 結(jié) 語

我們雖然探討人工智能課程在本科教學(xué)中4個方面的改革措施并就如何建立多元化、長周期的能力培養(yǎng)模式進行闡述，但是仍然存在不足。當(dāng)前人工智能的發(fā)展面臨著諸如動態(tài)任務(wù)、非確定性任務(wù)、多領(lǐng)域任務(wù)等難題，如何引導(dǎo)學(xué)生對相關(guān)問題進行思考，激發(fā)學(xué)生的探索熱情，發(fā)揮青年學(xué)生的創(chuàng)造力，對于解決人工智能面臨的關(guān)鍵問題具有十分重要的意義。希望在之后的教學(xué)實踐與探索中，針對此類關(guān)鍵問題，不斷完善教學(xué)手段和方法，將人工智能課程的教學(xué)改革推向新的發(fā)展。