任務(wù)驅(qū)動(dòng)型漸進(jìn)式智能計(jì)算課程教學(xué)實(shí)踐

趙彤洲，盧 濤，李曉林，曾祥進(jìn)，李德華

（1.武漢工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.華中科技大學(xué) 人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430074）

1 背 景

智能計(jì)算致力于研究如何借鑒生物智能行為模式并利用數(shù)值計(jì)算方法解決實(shí)際問(wèn)題，現(xiàn)已成為諸多應(yīng)用技術(shù)的理論基石，在計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[1]。智能計(jì)算源于通用計(jì)算，逐步融入了數(shù)學(xué)、生物學(xué)、社會(huì)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等知識(shí)，是對(duì)通用計(jì)算的延續(xù)與升華。同時(shí)，伴隨著人工智能的快速發(fā)展，其計(jì)算形態(tài)也朝著生物智能的縱深演化。智能計(jì)算內(nèi)容的復(fù)雜性導(dǎo)致教師和學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中都面臨一定困難。一方面，智能計(jì)算課程以啟發(fā)式算法理論為主，要求學(xué)生有較強(qiáng)的數(shù)理基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技能；另一方面，由于人工智能發(fā)展迅猛，傳統(tǒng)智能計(jì)算類教材在基礎(chǔ)理論及應(yīng)用實(shí)例上，有部分內(nèi)容無(wú)法跟上快速發(fā)展的節(jié)奏，尤其是深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，更是加劇這一現(xiàn)象[2]。智能計(jì)算課程的教學(xué)，既要繼承傳統(tǒng)啟發(fā)式算法的講授，又要兼顧人工智能最新發(fā)展趨勢(shì)，教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時(shí)有限，同時(shí)教材更新頻度低，且有大量的數(shù)學(xué)理論。綜合這些因素，無(wú)論是學(xué)生學(xué)習(xí)還是教師授課都存在一定困難。因此，圍繞智能計(jì)算課程，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法進(jìn)行探索，分析教學(xué)基礎(chǔ)理論和科研素養(yǎng)培養(yǎng)方法和途徑，構(gòu)建多元化教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生利用智能算法思想解決實(shí)際問(wèn)題的能力，是提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段[3]。

2 教學(xué)內(nèi)容因時(shí)而變

“智能計(jì)算”課程作為人工智能算法類入門基礎(chǔ)課程，致力于培養(yǎng)學(xué)生具備基本智能算法思想并初步掌握人工智能基本技術(shù)，使學(xué)生具備應(yīng)用智能算法思想解決科學(xué)和工程實(shí)際問(wèn)題進(jìn)而提供各類技術(shù)服務(wù)的能力[4]。近年社會(huì)對(duì)人工智能人才及技術(shù)需求不斷提升，高校的智能計(jì)算課程教學(xué)就必須適時(shí)調(diào)整、與時(shí)俱進(jìn)，才能提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，滿足不斷提升的社會(huì)需求。武漢工程大學(xué)從2006 年以來(lái)，本課程的教學(xué)內(nèi)容及實(shí)踐內(nèi)容就不斷調(diào)整，詳情見(jiàn)表1。

從表1 中可見(jiàn)，在人工智能從穩(wěn)步發(fā)展階段到蓬勃發(fā)展的十余年間，人工智能從2010 年開始，從穩(wěn)步發(fā)展進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段，此時(shí)智能計(jì)算授課內(nèi)容增加了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)，2012 年以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的深度學(xué)習(xí)在視頻識(shí)別領(lǐng)域巨大成功后，智能計(jì)算課程增加了反向傳播網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)，即BP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基本原理，同時(shí)增加了相應(yīng)的實(shí)踐內(nèi)容。2016 年3 月，李世石與AlphaGo 對(duì)戰(zhàn)，代表著人工智能發(fā)展的里程碑事件，也意味著人工智能發(fā)展進(jìn)入更高階段，此時(shí)，本課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了較大幅度調(diào)整，從以講授啟發(fā)式算法為主的經(jīng)典智能計(jì)算算法，逐步過(guò)渡到以模式識(shí)別為目標(biāo)的機(jī)器智能類算法。

表1 智能計(jì)算課程教學(xué)內(nèi)容與人工智能發(fā)展?fàn)顟B(tài)的同步調(diào)整

3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)型漸進(jìn)式教學(xué)模式

圍繞“手寫數(shù)字識(shí)別”這一主題，本課程在課堂授課、實(shí)踐教學(xué)兩方面，以實(shí)現(xiàn)手寫數(shù)字識(shí)別任務(wù)為導(dǎo)向，在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下開展了漸進(jìn)式教學(xué)模式探索。手寫數(shù)字識(shí)別任務(wù)，就是讓計(jì)算機(jī)能夠比較準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)人類手寫出來(lái)的阿拉伯?dāng)?shù)字0～9 共計(jì)10 個(gè)數(shù)字，該主題是模式識(shí)別領(lǐng)域非常經(jīng)典的問(wèn)題之一，有著重要的理論研究?jī)r(jià)值以及工業(yè)應(yīng)用前景。選擇該主題作為貫穿課堂教學(xué)的主線，主要基于如下兩點(diǎn)考慮。

（1）可將數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別基礎(chǔ)知識(shí)融會(huì)貫通，并建立初步的人工智能思想基礎(chǔ)。本課程開在大學(xué)三年級(jí)上學(xué)期，先修課程有人工智能、數(shù)字圖像處理，盡管人工智能已經(jīng)在本課程之前開設(shè)，但我校的人工智能課程主要是講授基于符號(hào)的人工智能，而啟發(fā)式算法基礎(chǔ)及機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)容，由后續(xù)的智能計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)課程來(lái)完成?；诜?hào)的人工智能可完成知識(shí)表達(dá)及推理等任務(wù)，數(shù)字圖像處理可完成數(shù)字圖像的灰度變換、濾波等基本任務(wù)[5]。通過(guò)“手寫數(shù)字識(shí)別”任務(wù)，可將圖像處理中的預(yù)處理及灰度變換、人工智能中的知識(shí)表達(dá)綜合運(yùn)用，并賦予智能計(jì)算思想最終完成從圖像到數(shù)字的識(shí)別任務(wù)。以此為契機(jī)，學(xué)生將前序課程融會(huì)貫通，可完成一個(gè)綜合性較強(qiáng)的任務(wù)，對(duì)學(xué)生深刻理解課程體系，提升動(dòng)手能力有重要作用。

（2）便于與工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景結(jié)合，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，縮小課堂教學(xué)與社會(huì)需求之間的距離。選擇手寫數(shù)字識(shí)別這一主題，可以逐步拓展到手寫字母、手寫文字，逐步拓展應(yīng)用廣度和深度，甚至可以到人臉識(shí)別以及通用目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域。在課堂授課過(guò)程中，將選擇手寫數(shù)字識(shí)別的目的明確告知學(xué)生，并圍繞手寫數(shù)字及其拓展領(lǐng)域的相關(guān)場(chǎng)景應(yīng)用給學(xué)生展示，使學(xué)生對(duì)教學(xué)及實(shí)踐目的有非常明確的認(rèn)識(shí)，并對(duì)手寫數(shù)字識(shí)別在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中的作用有清晰的認(rèn)知，可極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。當(dāng)學(xué)生走向工作崗位時(shí)，可以縮短對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的理解，盡快適應(yīng)崗位需求。

圍繞手寫數(shù)字識(shí)別這一任務(wù)，采用漸進(jìn)式教學(xué)方式，逐步拓展深化，過(guò)程如圖1 所示。

主要授課及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1：首先從模板匹配開始，在此介紹了什么是模板，如何將手寫數(shù)字經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化后與模板庫(kù)中的訓(xùn)練樣本比較過(guò)程。在這個(gè)階段，學(xué)生要利用先修課程中的圖像處理知識(shí)將手寫數(shù)字切分并標(biāo)準(zhǔn)化，還要利用人工智能知識(shí)將標(biāo)準(zhǔn)化后的圖像表達(dá)成數(shù)字序列，以便于接下來(lái)通過(guò)距離識(shí)別數(shù)字。該過(guò)程拓展了學(xué)生原來(lái)基于數(shù)字圖像處理對(duì)“特征”概念的內(nèi)涵及外延的理解。

主要授課及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2：在建立了手寫數(shù)字特征后，接下來(lái)將特征與統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論中的最小風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯分類方法相結(jié)合，學(xué)生能較好地理解基本原理，貝葉斯分類實(shí)驗(yàn)大多能輕松完成。該實(shí)驗(yàn)不僅讓學(xué)生深刻理解了貝葉斯統(tǒng)計(jì)識(shí)別基本原理，更讓學(xué)生對(duì)統(tǒng)計(jì)識(shí)別基本思想有了較深刻的體會(huì)。

圖1 手寫數(shù)字識(shí)別任務(wù)漸進(jìn)式教學(xué)方法

主要授課及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3：介紹PCA 主成分分析的主要目的是讓學(xué)生理解降維的思想方法，是從另外一個(gè)角度對(duì)特征提取及識(shí)別基本原理再認(rèn)識(shí)。通過(guò)該內(nèi)容的學(xué)習(xí)，拓展了學(xué)生對(duì)“特征”的理解，從原來(lái)較為形象的模板特征拓展到抽象的向量特征。

主要授課及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4：BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要介紹感知器、BP 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、反向傳播及梯度下降基本原理，目的是讓學(xué)生對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用、結(jié)構(gòu)以及基本原理有初步了解，為后續(xù)深度學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。通過(guò)該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對(duì)運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決識(shí)別問(wèn)題有一定的體會(huì)。在此過(guò)程中，將傳統(tǒng)的智能計(jì)算內(nèi)容，如遺傳算法和蟻群算法應(yīng)用到BP 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化求解過(guò)程中，讓學(xué)生初步具備知識(shí)融合能力。

主要授課及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容5：交叉熵代價(jià)函數(shù)用于改進(jìn)BP 網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率緩慢的問(wèn)題，該內(nèi)容的引入是為了讓學(xué)生了解深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)。主要目的是讓學(xué)生對(duì)深度學(xué)習(xí)中常見(jiàn)的交叉熵代價(jià)函數(shù)、損失函數(shù)、過(guò)擬合和欠擬合等問(wèn)題有初步了解，并能按照給出的案例進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)。

綜上所述，授課及實(shí)驗(yàn)的五個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，全部以完成“手寫數(shù)字識(shí)別”任務(wù)為目標(biāo)，通過(guò)不同方法完成識(shí)別任務(wù)，讓學(xué)生對(duì)“特征”有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，理解并初步掌握了典型特征提取方法和識(shí)別方法。上述每個(gè)內(nèi)容安排一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采取逐個(gè)檢查方式，讓學(xué)生講解算法思路和代碼，嚴(yán)格把控實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

4 面向應(yīng)用場(chǎng)景的課程項(xiàng)目

當(dāng)經(jīng)過(guò)上述5 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，學(xué)生已經(jīng)初步具備解決識(shí)別類問(wèn)題的能力。為鞏固并深化教學(xué)效果，本課程期末安排了人臉識(shí)別大作業(yè)，學(xué)生以3～4 人為一組共同協(xié)作完成識(shí)別任務(wù)，最終以論文報(bào)告和小組答辯形式實(shí)施考核。人臉識(shí)別任務(wù)是典型的面向應(yīng)用場(chǎng)景需求的課程項(xiàng)目，該課題與應(yīng)用場(chǎng)景緊密結(jié)合，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，且人臉識(shí)別技術(shù)發(fā)展日臻成熟，參考資源豐富，有利于學(xué)生通過(guò)查閱資料采用各類方法實(shí)現(xiàn)。本課程通過(guò)前期實(shí)驗(yàn)已經(jīng)積累一定基礎(chǔ)，學(xué)生對(duì)完成任務(wù)既有濃厚興趣，又充滿信心。人臉識(shí)別領(lǐng)域有多個(gè)專門數(shù)據(jù)集以及國(guó)際通用評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生完成后可以上傳代碼測(cè)試自己算法的性能優(yōu)劣。通過(guò)該大作業(yè)，讓學(xué)生在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，面向?qū)嶋H應(yīng)用場(chǎng)景，完成具有一定挑戰(zhàn)性的任務(wù)，不但提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和技能，更重要的是縮短了學(xué)校教學(xué)與工業(yè)應(yīng)用之間的距離，使得學(xué)生今后深入開展深度學(xué)習(xí)研究和應(yīng)用智能算法解決實(shí)際問(wèn)題奠定一定基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語(yǔ)

我校的智能計(jì)算課程在教學(xué)及實(shí)踐內(nèi)容上的不斷變化，目的就是為培養(yǎng)符合時(shí)代發(fā)展的、滿足社會(huì)需求的人工智能人才。我校智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)從2006 年招收本科生開始，智能計(jì)算一直是本專業(yè)課程體系中的關(guān)鍵支撐性課程，且在人工智能發(fā)展強(qiáng)勁趨勢(shì)下越來(lái)越突出。2015 年我校智能專業(yè)獲批湖北省“戰(zhàn)略性新興（支柱）產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃”，成為我校重點(diǎn)培育本科專業(yè)，在此背景下，智能計(jì)算課程教學(xué)應(yīng)在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量上發(fā)揮更大作用。

通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的漸進(jìn)式教學(xué)，學(xué)生受益匪淺。本課程實(shí)踐內(nèi)容得到學(xué)生們的普遍歡迎，也成為他們寫在簡(jiǎn)歷里的重要實(shí)踐經(jīng)歷。由于本專業(yè)學(xué)生對(duì)智能計(jì)算基礎(chǔ)理論掌握較好，且有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，受到用人單位的歡迎，現(xiàn)有用人單位已經(jīng)提出預(yù)定學(xué)生的需求。

盡管智能計(jì)算課程采用的教學(xué)模式讓學(xué)生有較高滿意度，但是，在教學(xué)過(guò)程中因?yàn)槭艿綄W(xué)時(shí)少、學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)薄弱、教材更新趕不上技術(shù)發(fā)展速度等因素制約，在教學(xué)過(guò)程中對(duì)理論闡述不夠深入透徹，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不夠，為完成上述教學(xué)任務(wù)需要教師額外增加輔導(dǎo)學(xué)時(shí)，諸如此類問(wèn)題都是下一步教學(xué)改革需要思考的方向。