人工智能課程實踐教學改革探討和研究

秦記峰，任東海

（黃河科技學院 大數(shù)據(jù)與智能技術學院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

近幾年，隨著人工智能技術在各行各業(yè)的推廣和應用，社會對人工智能人才的需求持續(xù)增長，對人工智能人才解決實際應用問題和創(chuàng)新能力的要求不斷提高。在學校實驗教學中心的支持下，筆者深入調(diào)研了國內(nèi)外人工智能實驗教學模式[1]，認真解讀教育部在《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》中強調(diào)的人工智能專業(yè)實踐教學規(guī)范，在人工智能專業(yè)課程實驗教學如何滿足應用型人才培養(yǎng)目標問題上，進行了深入探索和研究，充分利用大數(shù)據(jù)技術平臺與工程實踐實驗教學的深度融合，以改革實驗教學方法為切入點，構(gòu)建人工智能應用實驗平臺，開展多種形式的實驗室開放項目，積極鼓勵學生參加學科競賽，建設滿足應用型人才的多元實驗室評價體系；以項目需求驅(qū)動教學和學習內(nèi)容，提升學生的主動學習能力、工程實踐能力和人工智能思維能力。

1 改革實驗教學方法

人工智能專業(yè)課程涉及知識面多，學科交叉融合度高、內(nèi)容抽象、算法復雜、理論枯燥，導致學生學習基本理論積極性不高，進而造成理論教學效果差[2]。另外，培養(yǎng)應用型人工智能專業(yè)人才的需求對實驗教學提出了新要求。因此，探索和研究基于人工智能專業(yè)課程的實踐實驗教學方法和教學模式勢在必行。

1.1 循序漸進，由簡入難

在充分掌握學情的情況下，結(jié)合教學大綱和教學目標，設置實驗內(nèi)容，從簡單入手，循序漸進，逐步增加實驗難度。這種教學方法更容易調(diào)動學生的學習積極性。

在課程入門實驗中，由教師提供一些現(xiàn)成的實驗模塊或者代碼片段，讓學生在此基礎上進行實驗，使學生集中關注關鍵算法或?qū)嶒灹鞒汰h(huán)節(jié)，避免一開始就陷入復雜的細節(jié)中，從而打擊學生的積極性。在學生對某課程或某學科有一定了解和認知的基礎上，教師設計綜合性的實驗項目，增強學生系統(tǒng)集成能力和解決復雜問題的能力。例如，在圖像處理與模式識別課程實驗入門階段，教師建立課程實驗框架，每次實驗學生只新增一個函數(shù)或在指定函數(shù)中實現(xiàn)算法。采用這種設計教學方法，可以讓學生抓住主要矛盾和算法關鍵環(huán)節(jié)，更容易看到實驗結(jié)果和某種算法在圖像處理中起到的作用，進而增強學生的實驗參與度。隨著學習的深入，我們增加實驗內(nèi)容的難度，讓學生實現(xiàn)一些模式識別算法，綜合利用之前所做的實驗內(nèi)容，熟練掌握數(shù)字圖像處理的基本處理流程，進而實現(xiàn)比較復雜的模式識別算法。在此過程中學生可以提高解決實際問題的能力。

采用循序漸進、由簡入難的實驗教學方法，從課程教學成效上看，明顯促進了學生參與實驗的積極性，提高了學生掌握學科知識的水平，并增強了學生處理相應問題的實際能力。

1.2 集中教學，兼容層次

傳統(tǒng)工科實驗教學大多采用集中式教學方法，該方法能夠確保與課堂教學保持同步，便于統(tǒng)一進度和統(tǒng)一管理。但是這種集中式實驗教學模式不利于兼顧不同層次學生的要求，也不能充分重視學生的個性發(fā)展。為了更好地培養(yǎng)學生的實踐能力，需充分考慮集中式教學與學生個體差異之間的統(tǒng)一性和差異性，在同一批次學生中采用集中式教學和差異性教學相互交叉的實驗教學模式，提高實驗教學環(huán)節(jié)的整體質(zhì)量。

通過研究和探討人工智能學科的特點和應用型學院學生的能力，我們在實驗課程上制訂面向全體學生并兼容不同層次學生的實驗內(nèi)容和實驗要求，從而達到集中教學和兼容不同層次的教學目的。例如，在圖像處理與模式識別課程中，教師在充分了解學生對某種算法掌握程度的情況下，設計2～3 種實驗操作手冊，按照不同學習層次，設計實驗內(nèi)容和實驗要求。掌握程度好的學生，獨立完成某種圖像處理算法；掌握程度一般的學生，完成關鍵核心算法，把算法補充完整，最終實現(xiàn)實驗目的；掌握程度較差的學生，實驗手冊主要講解算法流程和具體實現(xiàn)過程，讓學生掌握了解具體算法后，補充少量的代碼，最終實現(xiàn)實驗效果。采用差異性教學模式作為集中式教學模式的補充，使不同層次的學生都能掌握某種技能，也使同一批次學生做到同步，實現(xiàn)應用型能力的提升。

1.3 項目驅(qū)動，團隊協(xié)作

根據(jù)人工智能專業(yè)課程具有算法復雜、處理流程繁瑣的特點，結(jié)合應用型人才培養(yǎng)要求，在設計一門課程的實驗項目時，至少有1～2 個實驗項目按照具體項目需求進行設計。以項目驅(qū)動的實驗，要求學生以3～5 人為單位組成小組，分工合作，定期匯報方案和進度，教師分階段對學生的實驗技能進行評價和分類指導。

通過項目驅(qū)動的實驗教學方法，學生熟悉和掌握工程項目開發(fā)和設計的流程，綜合利用所學知識的能力，培養(yǎng)了學生自主協(xié)作的應用能力。例如，在圖像處理與模式識別課程中，最后一次實驗為“燃氣表字符識別”等綜合性項目。在課程中期，教師把相關實驗題目分發(fā)給學生或?qū)W生自主選題，要求學生進行項目分析、項目設計、項目實現(xiàn)、項目測試、項目驗收等實驗環(huán)節(jié)的設計，實驗指導教師可以在實驗設備、實驗方案、實驗手段以及實驗檢測方法的選取上有針對性地從實驗方法學的角度給予學生指導和建設性意見。

按照應用型人工智能人才培養(yǎng)目標，通過項目驅(qū)動、團隊協(xié)作的教學形式，讓學生盡早接觸實際項目開發(fā)流程，培養(yǎng)學生實際動手能力和轉(zhuǎn)換知識能力，提高學生的自主創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力，增強社會競爭力。

2 搭建實驗教學平臺軟硬件

在完善實驗教學內(nèi)容和實驗教學方法的情況下，還需要配套的實驗軟硬件環(huán)境的支撐。按照應用型人工智能人才培養(yǎng)目標的要求，建設應用型實驗平臺，可以起到事半功倍的效果。

在建設人工智能實驗教學軟硬件環(huán)境時，應結(jié)合目前大數(shù)據(jù)與人工智能深度融合的趨勢，以社會對應用型人才能力的要求作為出發(fā)點，從實驗教學內(nèi)容、實驗教學方法、實驗人數(shù)、教學經(jīng)費和教學場地等方面作為落腳點，有計劃地建設大數(shù)據(jù)環(huán)境下的人工智能應用型實驗平臺。在實驗室建設上，一方面充分考慮教學和科研相互促進的目的，有選擇地將一些科研成果服務于課程實驗教學中，更好地服務學生；另一方面充分調(diào)動教師的積極性和創(chuàng)造性，根據(jù)課程編寫配套的實驗指導手冊，并結(jié)合實驗平臺開發(fā)和配置具體實驗環(huán)境和資源。

黃河科技學院大數(shù)據(jù)與智能技術學院在大數(shù)據(jù)和人工智能實驗教學軟硬件平臺建設上取得了一定的成果。兩年來，在堅持“應用型教育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)”“自編與選用相結(jié)合”等精神的指導下，面向人工智能專業(yè)課程體系改革和建設的需求上，自編實驗操作手冊和講義十幾部，例如《Python 語言實驗操作手冊》《圖像處理與模式識別實驗項目手冊》《機器學習概論實驗教學講義》《大數(shù)據(jù)導論實驗教程》《深度學習與神經(jīng)網(wǎng)絡基礎實驗講義》等。在硬件實驗平臺方面，采用引進和自主開發(fā)的方式，已經(jīng)建設了阿里云大數(shù)據(jù)與人工智能實驗平臺、動態(tài)模式識別實驗室、圖像處理實驗平臺等，在實際實驗教學過程中起到了很好的效果，得到了師生的好評。

3 開展開放性實驗項目和組織學科競賽

為充分利用實驗室資源，發(fā)揮實驗室在應用型人才培養(yǎng)中的重要作用，促進實驗教學改革，鼓勵和支持學生課余時間參加開放實驗教學及課外學科競賽，學院開展了開放性實驗項目，組織學院教師從科研項目中抽離一些內(nèi)容和題目，讓學生進行課外實驗，以此提高學生的實踐能力。

對于低年級學生，主要訓練其基本技能和實踐能力；對于高年級學生，重在培養(yǎng)其科研意識和科研能力?；A實驗室主要采取全面或預約等形式開放；專業(yè)基礎實驗室和專業(yè)實驗室采取部分實驗內(nèi)容開放、吸收學生參加科研課題或由學生自選題目等靈活多樣的開放形式。開放實驗內(nèi)容要與設計性、綜合性實驗相結(jié)合，與課外科技活動、科研相結(jié)合，研究學科中的新技術、新方法。

為了提高學生的創(chuàng)新能力，學院還積極組織學生參加學科競賽，如“挑戰(zhàn)杯”“藍橋杯”“互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”和“數(shù)學建?！钡荣愂隆?/p>

4 建設多元化實驗評價體系

傳統(tǒng)的學生實驗課程評價以教師為主導，由教師對學生實施評價，學生被動地接受評價及其評價結(jié)果，導致學生參與的主動性、積極性不高。建立多元化的學生實驗評價體系是素質(zhì)教育的必然要求，是因材施教發(fā)展和學生個性的需要，也是高等教育多類型、多規(guī)格、多層次發(fā)展的需要。因此，多元化學生學習評價體系對培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)應用型人才，對構(gòu)建科學的課程實驗考核和學生實驗評價體系，提高課程教學質(zhì)量具有重要的意義。

4.1 形成性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合

目前絕大多數(shù)學校對學生實驗的評價只關注實驗報告這一種評價形式，往往忽視了形成性評價，對學生實驗的實現(xiàn)過程、設計過程、實驗效果缺乏了解和考核。教學的主體和客體之間缺少交流和反饋，不能充分全面了解學生、評價學生，不能很好地反映學生發(fā)展中的需求，而且對學生的實驗狀態(tài)不能正常的檢測評價，使教師忽略了學習者的學習信息，影響實驗效果。

在人工智能專業(yè)實驗教學建設中，要探討多種形式的評價手段，多角度地評價學生的實驗效果[3]。比如，在圖像處理與模式識別課程的個人形式實驗項目中，根據(jù)實驗過程中學生的表現(xiàn)情況、實驗代碼完成情況、實驗結(jié)果等進行考核，并通過學生自評和互評方式進行綜合評價；在小組形式的實現(xiàn)項目中，采用小組內(nèi)學生自評和互評方式相結(jié)合的方式，教師對小組內(nèi)所做階段性成果的驗收進行過程評價，并在小組答辯環(huán)節(jié)考察各位學生的表現(xiàn)情況進行綜合評價。采用這種多元評價體系，可以充分激發(fā)學生的自律性和自主學習的積極性。

4.2 差異性和激勵性原則并重

由于在教學方法中采用集中教學、兼容層次的模式，為了兼顧評價公平性，不同層次的實驗項目在評價標準上也要體現(xiàn)出差異性，體現(xiàn)出每位學生為實現(xiàn)自我發(fā)展所付出的努力程度和難易程度[2]。一般采用難度越大的實驗內(nèi)容，則評價成績越高，反之則越低。為了激勵學生的創(chuàng)造性和積極性，對于有創(chuàng)新或創(chuàng)意的算法實現(xiàn)的實驗項目，可以給予加分的激勵原則，從而實現(xiàn)對不同層次學生的兼顧又不失公平性，同時鼓勵學生積極創(chuàng)新。

在實驗課程中，鼓勵學生小組之間展開競賽，通過小組之間的比賽可以起到互相交流、互相鼓勵和相互促進的作用。同時，可以在比賽中小組之間相互發(fā)現(xiàn)問題，相互學習各自的優(yōu)點，從而提高實驗質(zhì)量，優(yōu)化實驗過程的目的。

5 結(jié) 語

人工智能專業(yè)是一門快速發(fā)展的綜合性前沿學科，實踐教學對于提高學生的創(chuàng)新性和實踐能力至關重要。除了通過上述講到的實驗教學方法、平臺建設、開放性實驗項目和組織學科競賽、構(gòu)建多元化實驗評價體系等方面進行研究和探討外，還應與國內(nèi)外同行進行廣泛的交流，借鑒國內(nèi)外人工智能專業(yè)實踐教學的先進經(jīng)驗，更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實際動手能力。