人工智能實踐創(chuàng)新平臺建設(shè)教學實踐問題探討

趙占山 鄭玉娟

摘 ?要：在國家大力推動人工智能與實體經(jīng)濟深度融合的背景下，人們對高校人工智能的教學實踐方式進行了重新思考，從目前學生在人工智能課程學習中普遍存在的理論學不懂、實踐創(chuàng)新能力跟不上、學習興趣和積極性不足等問題入手，分析原因并提出了建設(shè)以學生為中心的實踐創(chuàng)新平臺的解決方案。本文探討了平臺布局、支撐實踐項目、資源配置和管理方式等方面的建設(shè)和改進;目標是通過平臺建設(shè)加強對學生人工智能方面自主學習、實踐創(chuàng)新以及創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：新工科;人工智能;實踐創(chuàng)新

中圖分類號：TP18-4 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）17-0091-03

Abstract：Under the background that the country vigorously promotes the deep integration of artificial intelligence and real economy，the artificial intelligence in universities to rethink the way of teaching practice，starting with the problems that students generally do not understand the theory，fail to keep up with the ability of practice and innovation，lack of interest and enthusiasm in learning artificial intelligence courses，etc.，reason analysis and put forward the construction of student centered practice innovation platform solutions;This paper discusses the platform layout，supporting practical projects，resource allocation and management mode. The goal is to strengthen the cultivation of students’independent learning，practical innovation and entrepreneurial ability in artificial intelligence through platform construction.

Keywords：new engineering;artificial intelligence;practice innovation

0 ?引 ?言

2018年4月教育部印發(fā)《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，文件明確提出多項任務(wù)鼓勵對照國家和區(qū)域產(chǎn)業(yè)需求布點人工智能相關(guān)專業(yè);支持高校在計算機科學與技術(shù)學科設(shè)置人工智能學科方向;加快實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（2.0版）;積極開展“新工科”研究與實踐。在國家政策引導下，全國多所高校已積極布局建設(shè)人工智能項目、優(yōu)化學科布局、制定人工智能學科發(fā)展方案以及迅速成立人工智能專業(yè)或人工智能實驗班。然而，很多高校盡管很快建立了人工智能專業(yè)或?qū)嶒灠?，設(shè)置了人工智能導論、Python語言程序設(shè)計、計算機視覺、計算機學習、語音識別與自然語言處理、智能機器人等相關(guān)課程，但是仍然采用以教師理論授課為主的傳統(tǒng)授課方式，由于人工智能課程涉及理論知識面比較廣且比較深，這導致很多學生感覺課程過于抽象、不容易理解，使學習興趣和學習主動性降低，從而極大影響了“新工科”的建設(shè)質(zhì)量。

針對這個問題，應(yīng)建立一種以學生為中心的人工智能實踐創(chuàng)新平臺，該平臺基于GPU集群資源，設(shè)置了基礎(chǔ)能力培訓、語音和語言處理創(chuàng)新實踐、圖像和視頻處理創(chuàng)新實踐、機器人綜合應(yīng)用實踐三大功能區(qū)，本著以應(yīng)對未來變化，塑造未來為建設(shè)理念;以集成與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑的原則，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，為未來提供智力和人才支撐。以學生為中心的項目式教學涉及創(chuàng)客文化、信息生活環(huán)境、創(chuàng)新環(huán)境、學習方法、生活方式創(chuàng)新等方面的融合，讓學生以主動的、實踐的方式掌握工程認知創(chuàng)新專業(yè)技能，培養(yǎng)學生具備工程認知創(chuàng)新基礎(chǔ)知識、個人能力、團隊合作能力和項目動手能力。

1 ?建設(shè)目標

平臺整體定位是為學生提供的人工智能技術(shù)應(yīng)用、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)實踐平臺，該平臺需依賴于強大的設(shè)備計算能力和豐富的理論研究成果，服務(wù)于學生在人工智能領(lǐng)域的自主學習、自主實踐以及在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力與綜合實踐能力方面的培養(yǎng)。致力于在競賽獲獎、培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊、發(fā)表教學科研論文、申請專利或軟著、孵化創(chuàng)業(yè)公司、科普教材領(lǐng)域產(chǎn)出成果，根據(jù)定位設(shè)計了如圖1所示的功能框架圖。

通過圖1可以看出，學生的創(chuàng)新實踐活動依賴于GPU設(shè)備和基于這些設(shè)備的人工智能理論研究成果，這也是本平臺設(shè)計的特點，也就是讓教師或研究生去完成項目理論研究和計算模型設(shè)計，由學生集中精力去完成實踐項目的應(yīng)用開發(fā)，這樣可以讓學生對人工智能類項目有一個整體和感性的認識，不至于陷入較為復雜的理論學習中找不到方向;同時也可以讓他們能夠迅速做出成果，進而獲得成就感、產(chǎn)生學習興趣。另外通過圖1可以看出，上層的語音和語言、圖像視頻和機器人等設(shè)備將不承擔分析計算功能，而只作為信息感知和行為執(zhí)行的終端，計算功能將由GPU集群去完成，這就需要實現(xiàn)這些功能的設(shè)備具備聯(lián)網(wǎng)功能。

平臺建設(shè)的具體目標還包括以下幾類：

（1）成為人工智能相關(guān)課程教學的重要基地。平臺建設(shè)的一個重要目的就是對人工智能導論、Python語言程序設(shè)計、計算機視覺、計算機學習、語音識別與自然語言處理、智能機器等課程的支撐作用，一方面，學生在學習基本的人工智能基礎(chǔ)理論同時，以“體驗知識、用知識”的方式創(chuàng)新性地學習專業(yè)知識;另一方面，考慮學生學習特點，在傳統(tǒng)知識驗證、項目學習的基礎(chǔ)上，融入動手實踐和創(chuàng)新環(huán)節(jié)。

（2）搭建大學生自主創(chuàng)新、自主設(shè)計的重要基地。讓學生在實驗室有效的管理下，能夠以項目流程的方式進行智能檢測、信息融合、智能信息處理等智能系統(tǒng)相關(guān)的項目創(chuàng)新實踐。培養(yǎng)學生的團隊合作能力、探究能力、創(chuàng)新能力。

（3）成為學科建設(shè)、創(chuàng)新性研究人才培養(yǎng)的基地。學科發(fā)展直接關(guān)系到學生技術(shù)學習、理論學習的方向和目標，為此，從學科角度來考慮平臺的建設(shè)，進行創(chuàng)新性課題研究，對于學生的專業(yè)學習、專業(yè)取向都有非常大的作用。

（4）成為高校教學模式革新、創(chuàng)新人才培養(yǎng)的示范基地，促進學校教學模式全面教學改革。在傳統(tǒng)專業(yè)課程的基礎(chǔ)上融入動手實踐與創(chuàng)新環(huán)節(jié)是每個學校都在嘗試的工作，平臺在課程教學、項目創(chuàng)新設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、探索性科研項目實施方式、項目內(nèi)容等多方面體現(xiàn)特色，注重人才專業(yè)技能、動手能力及創(chuàng)新能力培養(yǎng)，目標是成為高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)的示范基地。

2 ?建設(shè)方案

2.1 ?平臺布局

平臺將人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用劃分為大數(shù)據(jù)、感知、理解、機器人和自動駕駛等不同分類，按照人工智能技術(shù)的應(yīng)用熱度，將具體應(yīng)用領(lǐng)域排列在時間維度上。如表1所示。

2.2 ?制定擬開設(shè)的實踐項目

雖然在上文中設(shè)置了平臺未來應(yīng)用布局，但高校平臺的建設(shè)還必須滿足特定的專業(yè)需求。本平臺設(shè)定的專業(yè)方向主要以計算機類相關(guān)專業(yè)為主，包括計算機科學技術(shù)、人工智能專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)工程、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程、以及其他電氣信息類專業(yè)。根據(jù)平臺的總體功能定位和面向的教學對象，可以參考表2設(shè)定平臺支持的實踐項目，并根據(jù)實踐項目去設(shè)計設(shè)備購置方案。

2.3 ?平臺建設(shè)所需的設(shè)備資源配置

合理完備的設(shè)備資源配置是平臺功能發(fā)揮的重要保障，根據(jù)建設(shè)目標，本文設(shè)計了如圖2所示的設(shè)備資源分類示意圖。

GPU集群設(shè)備使用浪潮GPU集群或者英偉達集群設(shè)備;基礎(chǔ)控制實驗設(shè)備可以配置樹莓派、Arduino開發(fā)套件、傳感器套件、各種電池以及其他常用配件;視頻、圖像實驗系統(tǒng)可以配置深度攝像頭、GPU顯卡、存儲設(shè)備等;語言實驗系統(tǒng)可以配置語音模塊、語音陣列、Mic設(shè)備、音響等設(shè)備;機器人試驗系統(tǒng)可以配置ROS機器人、人形機器人、輪式機器人等設(shè)備;交流研討及成果展示設(shè)備包括配置的智能交互大屏等設(shè)備。除了上述設(shè)備資源，學生在項目實踐中還會用到各種功能接口，例如阿里的語音接口、百度的可視化接口等等，這其中有些也需要購買授權(quán)，因而在申請預算時也需要考慮在內(nèi)。

2.4 ?平臺組織管理方式

該平臺是以學生為中心的實踐創(chuàng)新平臺，因此要發(fā)揮學生的主體地位，體現(xiàn)學生自主管理的特點。根據(jù)這種需求特點我們可以利用學生社團的組織管理優(yōu)勢，以類似于“人工智能協(xié)會”等學生社團為組織載體去實現(xiàn)學生的自主管理。每個社團都有自己的組織管理機構(gòu)，由該管理機構(gòu)協(xié)助平臺負責教師日常運行。積極發(fā)揮教師指導作用與高年級學生“傳幫帶”作用，實施集中培訓和個別指導，針對不同技術(shù)專題成立相應(yīng)集訓營，成立長訓營和集訓營，長訓營功能是對剛?cè)雽W新生進行基礎(chǔ)知識訓練，集訓營主要是針對每場大賽前或具體項目進行集中模擬訓練;完善指導與管理運行機制：對參與實踐活動記錄達到實驗室規(guī)定的基本工作量的同學給予積分獎勵，并且對積分達到標準值的同學提供更多的實踐資源和參與實踐的機會。在社團組織架構(gòu)下可以成立類似的深度學習理論組、視覺圖像組、語音語言組、機器人競賽組、結(jié)構(gòu)設(shè)計組等小組。

3 ?結(jié) ?論

在“新工科”建設(shè)背景下，本文針對高校在人工智能專業(yè)或?qū)W科發(fā)展中遇到的學生實踐機會少、自主性弱、理論學習難度大、學習興趣低等問題，提出建設(shè)以學生為中心的人工智能創(chuàng)新實踐平臺。本文詳細研究和探討了平臺的建設(shè)目的和建設(shè)方案，得出包括平臺布局、平臺實踐項目設(shè)定、平臺建設(shè)所需設(shè)備資源配置、平臺組織管理方式等具體實施辦法，希望通過平臺建設(shè)促進學生在人工智能領(lǐng)域的自主學習、自主實踐以及在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力與綜合實踐能力方面的培養(yǎng)，提高高校“新工科”建設(shè)質(zhì)量。

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作者簡介：趙占山（1980-），男，漢族，山東德州人，副教授，博士，研究方向：計算機控制算法;鄭玉娟（1979-），女，漢族，山東德州人，講師，碩士，研究方向：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。