關(guān)于人工智能專業(yè)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的幾點(diǎn)思考

張玉紅，李培培，胡學(xué)鋼

（合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

人工智能技術(shù)近年來得到了迅猛發(fā)展，根據(jù)艾媒咨詢，預(yù)計(jì)2017年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將會(huì)達(dá)到152億元，增長(zhǎng)率將提高為51.2%，有望到2019年增長(zhǎng)至344.3億元[1]。顯然，工業(yè)界的發(fā)展急需教育領(lǐng)域培養(yǎng)相應(yīng)的專業(yè)人才。2018年4月，教育部研究制訂“高等學(xué)校引領(lǐng)人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”，并研究設(shè)立人工智能專業(yè)，進(jìn)一步完善中國(guó)高校人工智能學(xué)科體系[2]。目前，南京大學(xué)、北京大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等高校已經(jīng)成立人工智能學(xué)院[3]，相應(yīng)的培養(yǎng)方案和課程體系也相繼出臺(tái)。

目前已經(jīng)設(shè)立的人工智能相關(guān)專業(yè)有智能科學(xué)與技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、模式識(shí)別與智能控制等專業(yè)[4]。在相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)方案中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。然而，如何在新的專業(yè)培養(yǎng)方案中合理地調(diào)整、豐富教學(xué)內(nèi)容，從而使學(xué)生能更容易地適應(yīng)人工智能相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)需求是每個(gè)任課教師必須要思考的問題。

1 人工智能專業(yè)體系下對(duì)課程目標(biāo)的要求

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)和信息類專業(yè)體系中的一門基礎(chǔ)課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的算法分析與設(shè)計(jì)能力、程序?qū)崿F(xiàn)能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、計(jì)算思維能力具有重要的作用。在各個(gè)學(xué)校的課程設(shè)置上，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的定位是作為程序設(shè)計(jì)語言的后續(xù)課程，專業(yè)課如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等的前置課程，在學(xué)生的整體培養(yǎng)過程中處于承上啟下的關(guān)鍵位置。

在已有的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)組織能力、程序?qū)崿F(xiàn)能力、算法設(shè)計(jì)能力以及計(jì)算思維能力。以合肥工業(yè)大學(xué)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)為例，在C++程序設(shè)計(jì)語言課程后開設(shè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程，并基于C++語言講授數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程。課程內(nèi)容主要包括棧、隊(duì)列、線性表、樹、圖等常用的數(shù)據(jù)模型，同時(shí)介紹遞歸、查找和排序技術(shù)[5-8]。課程的講解有助于提升學(xué)生對(duì)實(shí)際問題的抽象和建模能力、程序設(shè)計(jì)能力以及對(duì)算法的分析和改進(jìn)能力，同時(shí)在講授的過程中，零星地穿插計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)以及內(nèi)存存儲(chǔ)方面的知識(shí)，有助于學(xué)生對(duì)機(jī)器存儲(chǔ)和機(jī)器代碼內(nèi)部執(zhí)行過程的理解。課程體系和教學(xué)內(nèi)容兼顧軟件設(shè)計(jì)和初步的硬件知識(shí)，兼顧數(shù)據(jù)的底層存儲(chǔ)和頂層程序設(shè)計(jì)，覆蓋的知識(shí)具有較全面的專業(yè)基礎(chǔ)性，對(duì)學(xué)生后續(xù)專業(yè)方向的選擇也具有較好的普適性。

與原有的計(jì)算機(jī)、信息類專業(yè)相比，智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)在知識(shí)層面上具有更強(qiáng)的應(yīng)用領(lǐng)域和理論方法的針對(duì)性，而在能力和思維訓(xùn)練上具有更高層次的要求，也就是對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)更“?！?、更“精”。為適應(yīng)新的培養(yǎng)目標(biāo)，課程的目標(biāo)以及教學(xué)體系也必須作出相應(yīng)的調(diào)整。

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體系在基礎(chǔ)課程的安排上與原有計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)相差不大，但在后續(xù)的專業(yè)課程中具有較大的變化?？傮w來說，新的專業(yè)體系減小了偏底層、偏硬件體系的課程比重，如體系結(jié)構(gòu)、編譯原理等課程，強(qiáng)化了數(shù)據(jù)分析相關(guān)領(lǐng)域課程，如數(shù)據(jù)挖掘[9-10]、自然語言理解、機(jī)器視覺、智能機(jī)器人系統(tǒng)、信息檢索與推薦、最優(yōu)化方法、情感計(jì)算等。這些課程大多側(cè)重于對(duì)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域各種類型數(shù)據(jù)的處理與分析。

作為一門從基礎(chǔ)向?qū)I(yè)過渡的關(guān)鍵課程，為了更好地為后續(xù)課程奠定專業(yè)基礎(chǔ)，可以從知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)3方面對(duì)本課程的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

知識(shí)目標(biāo)：知識(shí)是教學(xué)的基本內(nèi)容，也是能力、素質(zhì)以及文化培養(yǎng)的載體。通過深入、透徹地講解基本知識(shí)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生更高層次能力的培養(yǎng)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的知識(shí)點(diǎn)主要是軟件設(shè)計(jì)中常見的線性表、數(shù)組、樹、圖、廣義表、文件等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其在計(jì)算機(jī)中各種操作的實(shí)現(xiàn)，基本的算法設(shè)計(jì)技術(shù)，并討論有關(guān)運(yùn)算的性能。通過對(duì)這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生能熟練地掌握和使用各種常用結(jié)構(gòu)及其運(yùn)算，同時(shí)了解如何利用這些常用結(jié)構(gòu)表示人工智能相關(guān)專業(yè)后續(xù)課程中涉及的復(fù)雜數(shù)據(jù)。

能力目標(biāo)：通過課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生能根據(jù)具體問題要求，尤其是針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中海量、復(fù)雜類型的數(shù)據(jù)，自行設(shè)計(jì)并構(gòu)建合理的數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

素質(zhì)目標(biāo)：通過對(duì)解決問題的各個(gè)環(huán)節(jié)的嚴(yán)格要求，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、創(chuàng)新思考的能力，如對(duì)問題求解算法性能的嚴(yán)格要求，對(duì)求解算法的測(cè)試用例的充分性要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課程設(shè)計(jì)報(bào)告等的嚴(yán)格規(guī)范等。此外，還需培養(yǎng)學(xué)生對(duì)問題的獨(dú)立思考能力，訓(xùn)練學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

2 新專業(yè)體系下對(duì)課程教學(xué)體系的豐富和提升

面向智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)體系下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)，可以從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段上進(jìn)行改革，提升學(xué)生的能力。

2.1 教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

1）理論知識(shí)。

（1）強(qiáng)化對(duì)模型結(jié)果的多樣操作。由于智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的后續(xù)課程多數(shù)面向的是大規(guī)模數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理多基于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，代碼過程中對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的概念相對(duì)弱化，為此，課程的目標(biāo)任務(wù)中也需要相對(duì)弱化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)內(nèi)容，尤其是對(duì)數(shù)據(jù)間的存儲(chǔ)關(guān)系等。在基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如線性表、樹及圖結(jié)構(gòu)的講解過程中，一方面弱化其底層存儲(chǔ)，另一方面增加對(duì)其操作的描述，其中弱化存儲(chǔ)部分的描述，可基于語言講解其對(duì)結(jié)構(gòu)的代碼描述，對(duì)其底層存儲(chǔ)設(shè)備上的存儲(chǔ)原理可不作介紹；而豐富對(duì)其操作的描述，則是在原有的模型基本操作基礎(chǔ)上，增加與數(shù)據(jù)處理相關(guān)的更多操作，如各個(gè)模型結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的分裂與合并、相似性計(jì)算等，熟悉這些操作有利于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

（2）增加對(duì)多種類型數(shù)據(jù)的表示。后續(xù)課程中涉及的數(shù)據(jù)類型多樣，除了原有課程內(nèi)容中的結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)，還更多地涉及非結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)的復(fù)雜數(shù)據(jù)，包括文本、圖像、網(wǎng)頁、多媒體、高維空間等數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)的復(fù)雜性較高，因此，在課時(shí)的安排上，可以適當(dāng)壓縮相對(duì)簡(jiǎn)單的線性結(jié)構(gòu)課時(shí)，加重后續(xù)復(fù)雜的樹、圖及廣義表結(jié)構(gòu)課時(shí)。此外，需要在課程中加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述和處理。然而，考慮到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程多開設(shè)在大學(xué)第二學(xué)期，學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力還不夠扎實(shí)，可引入部分簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)，如文本、圖像和網(wǎng)頁數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和相關(guān)運(yùn)算描述，增加抽象模型的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，既便于學(xué)生理解學(xué)習(xí)，又可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（3）訓(xùn)練算法分析與設(shè)計(jì)能力。后續(xù)課程多是針對(duì)某一類型或應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的分析和建模為實(shí)際應(yīng)用提供決策支持，這一過程對(duì)算法的設(shè)計(jì)能力以及對(duì)其性能的分析能力是必不可少的，為此，需要在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中加強(qiáng)學(xué)生對(duì)算法性能的分析能力。在教學(xué)過程中，除了講解算法步驟和思想外，還可適當(dāng)增加對(duì)算法的策略、適用范圍、性能等方面的討論，在此基礎(chǔ)上，嘗試引導(dǎo)學(xué)生對(duì)算法的不足之處進(jìn)行簡(jiǎn)單的優(yōu)化或改進(jìn)，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

2）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的案例。

結(jié)合上述理論知識(shí)點(diǎn)的擴(kuò)展和修正，進(jìn)一步擴(kuò)充和完善理論模型的應(yīng)用案例，在理解理論模型的同時(shí)，利用案例使學(xué)生熟悉、強(qiáng)化模型的實(shí)際應(yīng)用。

以數(shù)組為例，在講解中，可結(jié)合文本和圖像處理任務(wù)，對(duì)文本和圖像的數(shù)據(jù)讀入格式進(jìn)行案例講解，結(jié)合數(shù)據(jù)分析中常用的一些數(shù)據(jù)的預(yù)處理進(jìn)行數(shù)組操作的講解，豐富數(shù)組這一簡(jiǎn)單模型的功能性。此外，還可設(shè)計(jì)基于圖結(jié)構(gòu)的社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用案例、基于廣義表的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)應(yīng)用案例等。

案例1：基于文本的bag-of-words方法[11]，實(shí)現(xiàn)從海量文本文件的數(shù)據(jù)讀入任務(wù)，包括數(shù)據(jù)讀入，低頻詞、停用詞過濾等預(yù)處理，計(jì)算等操作。

案例2：對(duì)海量圖片文件的各種數(shù)據(jù)格式讀入，并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，如變色、灰化、鈍化、銳化等操作。

案例3：基于圖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的社交網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建和簡(jiǎn)單操作。

3）計(jì)算思維的訓(xùn)練。

人工智能和大數(shù)據(jù)分析專業(yè)對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)提出了更高的要求，因此，在該課程的教學(xué)實(shí)施過程中，在基本的教學(xué)內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)傳授過程中，應(yīng)尤其重視對(duì)學(xué)生從低層到高層的能力和思維的培養(yǎng)以及由思維到實(shí)現(xiàn)的貫通過程。

在各個(gè)模型知識(shí)點(diǎn)的講解過程中，注重不同模型與不同算法間的聯(lián)系和區(qū)別。對(duì)模型和算法之間相同和不同點(diǎn)的對(duì)比和分析，讓學(xué)生對(duì)算法設(shè)計(jì)的基本思路和框架有初步的認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)算法進(jìn)行一定的歸納，從而加強(qiáng)學(xué)生對(duì)模型設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)的思維訓(xùn)練。

案例1：對(duì)于二叉樹的應(yīng)用可結(jié)合諸多劃分類方法如二分查找等進(jìn)行講解，從解空間的劃分較多來講解算法設(shè)計(jì)以及算法性能的提升方法。

案例2：在圖結(jié)構(gòu)的基本算法中，如dfs、bfs、prim等算法，通過對(duì)比分析算法的思路，提煉遍歷算法在問題求解中的重要性，引導(dǎo)學(xué)生基于遍歷算法對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行算法設(shè)計(jì)與改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

2.2 教學(xué)手段的改革

在傳統(tǒng)的課堂講授教學(xué)方式和手段基礎(chǔ)上，增加學(xué)生研討環(huán)節(jié)，活躍課堂氣氛，同時(shí)增加學(xué)生講解和互評(píng)環(huán)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生獨(dú)立解決問題及團(tuán)隊(duì)交流的能力。

結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，可以給出一些具體有趣的問題和案例，引導(dǎo)學(xué)生圍繞課堂的基本模型對(duì)問題的求解算法進(jìn)行研討，并鼓勵(lì)學(xué)生綜合研討結(jié)果，對(duì)模型和算法進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行講解，同時(shí)進(jìn)行有針對(duì)性的點(diǎn)評(píng)。

案例1：圖結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)劃分問題——可結(jié)合社交網(wǎng)絡(luò)中的好友關(guān)系、距離等對(duì)圖中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的群組劃分[9-10]。

案例2：路徑推薦問題——基于圖模型進(jìn)行最短路徑推薦。以智能交通領(lǐng)域?yàn)槔?，如何?duì)路徑增加時(shí)間、距離、擁堵、路燈等多因素來計(jì)算基于多因素加權(quán)的最短路徑。

3 結(jié) 語

合肥工業(yè)大學(xué)2018年獲批成立智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，旨在培養(yǎng)具有腦與認(rèn)知科學(xué)、信息科學(xué)、智能科學(xué)、現(xiàn)代科學(xué)方法學(xué)的基本理論知識(shí)，掌握計(jì)算機(jī)、智能系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)、信息處理、自動(dòng)控制、系統(tǒng)優(yōu)化的基本技能，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技能分析和解決實(shí)際問題的高級(jí)復(fù)合型人才。筆者對(duì)人工智能相關(guān)專業(yè)建設(shè)條件下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)體系進(jìn)行了深入的思考，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等角度對(duì)課程建設(shè)提出了若干建議，并擬定了一些示例供參考。后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)課堂教學(xué)方式進(jìn)行深入思考和改進(jìn)，以更好地改革新專業(yè)培養(yǎng)體系下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程，促進(jìn)學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的提高。