新一代人工智能浪潮下的深度學(xué)習(xí)課程開設(shè)路徑分析

蘆碧波，鄭艷梅，陳艷麗，朱世松

（河南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作 454003）

0 引 言

人工智能技術(shù)將對人類社會發(fā)展產(chǎn)生長遠(yuǎn)而深刻的影響，也得到了國家的高度重視和社會的廣泛關(guān)注。2017 年7 月，國務(wù)院發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》（國發(fā)[2017]35 號），從國家戰(zhàn)略的高度確定了我國人工智能發(fā)展的指導(dǎo)思想、基本原則和戰(zhàn)略目標(biāo)。隨后，2018 年4 月，教育部發(fā)布了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新計(jì)劃》（教技[2018]3 號文，下稱創(chuàng)新計(jì)劃），提出“完善人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系”的目標(biāo)，到2020 年，基本完成適應(yīng)新一代人工智能發(fā)展的高?？萍紕?chuàng)新體系和學(xué)科體系的優(yōu)化布局，設(shè)置并推進(jìn)人工智能領(lǐng)域一級學(xué)科建設(shè)。這一計(jì)劃迅速得到了多個(gè)高校的相應(yīng)，掀起了人工智能教育的高潮。目前，清華大學(xué)、吉林大學(xué)、中國人民大學(xué)等38所知名高校先后建立了人工智能學(xué)院和研究院，42 所高校申請了人工智能本科專業(yè)。

人工智能技術(shù)自1956 年提出以來，經(jīng)過長期的發(fā)展后終于跨越三次低潮，迎來了今天的第三輪高潮。深度學(xué)習(xí)是點(diǎn)燃此輪人工智能技術(shù)革命的突破性技術(shù)，也是當(dāng)前人工智能教育和人才培養(yǎng)的核心。經(jīng)過近年的深入研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，深度學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)初步形成了一套完整的體系，包括理論基礎(chǔ)、計(jì)算框架、應(yīng)用案例等內(nèi)容。但目前，大部分高校尚未將深度學(xué)習(xí)作為一門獨(dú)立的課程納入高校人才培養(yǎng)體系，限制了人工智能技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

文獻(xiàn)[1-3]建議在人工智能類課程中引入深度學(xué)習(xí)的相關(guān)內(nèi)容，對課程的實(shí)施方案、授課內(nèi)容等給出了初步建議，并討論了如何在教學(xué)中更好開展深度學(xué)習(xí)中卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)。文獻(xiàn)[4]中考慮了在新一代人工智能學(xué)科中設(shè)置深度學(xué)習(xí)相關(guān)課程和實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[5]利用人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)對清華大學(xué)電子信息學(xué)科的媒體與認(rèn)知課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行升級和改造，并取得了良好的效果。文獻(xiàn)[6]介紹了南京郵電大學(xué)利用深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)對遙感測繪領(lǐng)域的遙感原理與方法進(jìn)行課程改革的經(jīng)驗(yàn)，有效地提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

由于目前人工智能尚未成為一級學(xué)科，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)教師在高校中不僅承擔(dān)著學(xué)習(xí)、應(yīng)用和研究深度學(xué)習(xí)等新一代人工智能技術(shù)的責(zé)任，也應(yīng)責(zé)無旁貸地承擔(dān)起傳播的責(zé)任。為了促進(jìn)學(xué)科交叉和融合、盡快推動(dòng)新一代人工智能技術(shù)的落地，傳播的對象除了計(jì)算機(jī)、控制、電子等專業(yè)學(xué)生外，也應(yīng)該將生物、測繪、機(jī)械、金融等潛在應(yīng)用學(xué)科專業(yè)的學(xué)生包括在內(nèi)，探索“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式。

1 深度學(xué)習(xí)課程在高校開設(shè)面臨的困難

專業(yè)人才培養(yǎng)方案決定了人才培養(yǎng)的整個(gè)課程體系。課程設(shè)置和開課時(shí)間在新生入學(xué)前就確定下來，形成了一套完備的課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)體系，體現(xiàn)出很好的前驅(qū)后續(xù)關(guān)系。每門課程都有對應(yīng)的課程大綱，確定該課程的教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)安排。上述內(nèi)容確定后，需要在4年的本科教學(xué)環(huán)節(jié)中保持相對穩(wěn)定。為了及時(shí)更新知識結(jié)構(gòu)和教學(xué)內(nèi)容，很多高校會每隔1-3 年后進(jìn)行下一輪修訂，結(jié)合技術(shù)發(fā)展與社會需求，經(jīng)過廣泛調(diào)研和充分論證后合理增刪和設(shè)置課程。上述模式經(jīng)過多年的教學(xué)和人才培養(yǎng)實(shí)踐檢驗(yàn)，具有良好的育人效果。

人工智能技術(shù)的興起已經(jīng)得到了社會的廣泛認(rèn)可，很多學(xué)生對深度學(xué)習(xí)技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習(xí)興趣，部分優(yōu)秀學(xué)生利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，在科技競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽中屢獲佳績。在傳統(tǒng)機(jī)制下，目前的在校生無法通過課堂獲得深度學(xué)習(xí)的知識和技術(shù)，限制了學(xué)生的成長。同時(shí)，深度學(xué)習(xí)的相關(guān)內(nèi)容迭代速度較快、應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，而相關(guān)技術(shù)發(fā)展無法在人才培養(yǎng)方案中及時(shí)體現(xiàn)，在人工智能人才日益增長的社會需求和滯后的人工智能人才培養(yǎng)體系之間產(chǎn)生了一個(gè)巨大的鴻溝。

目前，全國多所頂尖高校已經(jīng)建立了38 所人工智能學(xué)院和人工智能研究院，42 所高校在2018 年申請了人工智能專業(yè)。考慮到學(xué)生培養(yǎng)過程，這些學(xué)生按照正常學(xué)制在4-5 年后方能完成本科階段的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)周期相對較長，且覆蓋學(xué)生范圍有限。

2 深度學(xué)習(xí)技術(shù)的開課路徑分析

深度學(xué)習(xí)是新一代人工智能的核心技術(shù)，盡快在高校內(nèi)開設(shè)相關(guān)課程，不僅可以加速人工智能人才培養(yǎng)速度，同時(shí)也可以有效地促進(jìn)新工科建設(shè)。由于各個(gè)高校之間在教學(xué)資源、教學(xué)組織等方面存在差異，因此應(yīng)該因地制宜，采用靈活有效的方式實(shí)施。

2.1 獨(dú)立式開課

深度學(xué)習(xí)技術(shù)涉及內(nèi)容較多，獨(dú)立開課是一個(gè)理想的課程開設(shè)方式。標(biāo)準(zhǔn)的做法是在培養(yǎng)方案中獨(dú)立開設(shè)一門內(nèi)容完整、理論與實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排合理的深度學(xué)習(xí)課程。作為人工智能或者計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的一門專業(yè)課，開課時(shí)間安排在大二下學(xué)期或者大三的黃金時(shí)間段較為合適[3]。在教學(xué)實(shí)踐中，最好安排獨(dú)立的課程設(shè)計(jì)或者實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，利用案例或者實(shí)際問題進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生充分感受利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)解決實(shí)際問題的完整流程，訓(xùn)練學(xué)生解決實(shí)際的復(fù)雜工程問題的能力。采用此方式的優(yōu)點(diǎn)在于行之有效且易于實(shí)施，缺點(diǎn)在于人才培養(yǎng)周期較長。

對于未設(shè)置人工智能專業(yè)的高校，為了迎接技術(shù)的快速迭代，及時(shí)向?qū)W生介紹人工智能和深度學(xué)習(xí)的最新技術(shù)，可以通過開設(shè)本科生公選課或者研究生公選課的方式傳播深度學(xué)習(xí)知識。利用公選課開設(shè)獨(dú)立的深度學(xué)習(xí)課程，至少有如下幾個(gè)方面的益處。

1）開設(shè)可行性較高，易于申請和設(shè)置。

部分高校在人才培養(yǎng)方案中會為公選課預(yù)留出部分學(xué)分，以拓展學(xué)生在知識結(jié)構(gòu)方面的寬度。與人才培養(yǎng)方案中的必修課和選修課相比，可以根據(jù)需要在開課之前進(jìn)行申請，開設(shè)相對比較容易。

2）縮短人才培養(yǎng)周期，迅速拓展深度學(xué)習(xí)技術(shù)傳播的范圍。

由于公選課本身的特點(diǎn)，學(xué)生年級跨度大、來源廣、數(shù)量多、熱情高，這些特點(diǎn)對于傳播一門社會關(guān)注度高、未來前景好、應(yīng)用范圍廣的新技術(shù)而言是非常有利的。

選課學(xué)生覆蓋范圍至少包含大三和大四兩個(gè)年級（部分學(xué)?？梢詳U(kuò)大到大二），學(xué)習(xí)之后可以很快進(jìn)行應(yīng)用，有效縮短了人才培養(yǎng)周期；公選課學(xué)生來自不同的專業(yè)和學(xué)院，有效拓展了深度學(xué)習(xí)知識傳播半徑和范圍；公選課容量一般較大，可以迅速擴(kuò)大深度學(xué)習(xí)知識傳播人群的數(shù)量，讓更多的學(xué)生了解和認(rèn)識深度學(xué)習(xí)技術(shù)；學(xué)生在選擇公選課的時(shí)候具有多種選擇。因此可以推斷，選擇深度學(xué)習(xí)作為公選課的學(xué)生對課程內(nèi)容有較好的興趣和熱情，有利于教學(xué)活動(dòng)的組織和實(shí)施。

3）迅速造就無限可能的X，促進(jìn)“人工智能+X”的融合和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的落地。

人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，在計(jì)算機(jī)行業(yè)和傳統(tǒng)行業(yè)之間形成了明顯的技術(shù)代差。智聯(lián)招聘數(shù)據(jù)顯示，目前51%的存量人工智能人才來自于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)。這些人才雖然有較好的信息技術(shù)基礎(chǔ)，但是對實(shí)際應(yīng)用場景缺乏深入了解，影響了深度學(xué)習(xí)技術(shù)的落地。

公選課可以使不同專業(yè)的學(xué)生了解并掌握深度學(xué)習(xí)技術(shù)，并從人工智能的視角重新審視各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際問題，結(jié)合各自專業(yè)背景、開展有效的工程與技術(shù)之間的融合，在“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式中快速造就無限可能的X，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)技術(shù)在垂直領(lǐng)域的快速應(yīng)用。

在具體的教學(xué)實(shí)踐中，開設(shè)深度學(xué)習(xí)公選課也取得了較好的實(shí)際效果。筆者為所在學(xué)校第一次開設(shè)了在深度學(xué)習(xí)全校研究生公選課，選課學(xué)生來自計(jì)算機(jī)、電子、資環(huán)等6 個(gè)學(xué)院。中國科學(xué)院大學(xué)研究生院第一次開設(shè)了深度學(xué)習(xí)公選課，選課學(xué)生達(dá)到了數(shù)百人。

雖然開設(shè)深度學(xué)習(xí)公選課具有上述的優(yōu)勢，但在實(shí)施過程中也存在一些問題尚待解決。首先，公選課學(xué)生的知識基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力參差不齊，這對教師深度學(xué)習(xí)的理解和教學(xué)藝術(shù)是一個(gè)挑戰(zhàn)；其次，公選課學(xué)時(shí)有限、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少或者無實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，無法形成有效的動(dòng)手能力培養(yǎng)機(jī)制。一個(gè)可行的解決方案是鼓勵(lì)學(xué)生在課余時(shí)間利用線上資源開展學(xué)習(xí)，利用線上學(xué)時(shí)彌補(bǔ)線下學(xué)時(shí)的不足。目前，各大在線教學(xué)平臺開放了深度學(xué)習(xí)的MOOC 課程，同時(shí)部分高校的選修課已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全部線上授課，這也為學(xué)生學(xué)習(xí)深度學(xué)習(xí)技術(shù)提供了新的途徑。最后，由于公選課學(xué)生專業(yè)較為分散，教師無法對學(xué)生在結(jié)課后進(jìn)行有效指導(dǎo)，也無法與后續(xù)課程進(jìn)行有效而緊密的銜接形成一個(gè)完整的知識體系。為了解決此問題，可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，建立人工智能或者深度學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)興趣小組，繼續(xù)指導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)，提高學(xué)生的科技創(chuàng)新水平。

2.2 嵌入式開課

嵌入式開課是指通過局部調(diào)整授課內(nèi)容的方式，將深度學(xué)習(xí)內(nèi)容引入到人工智能導(dǎo)論、機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識別、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)字圖像處理、機(jī)器視覺等現(xiàn)有相關(guān)課程中。嵌入式開課不僅需要協(xié)調(diào)好深度學(xué)習(xí)內(nèi)容與其他內(nèi)容的銜接和學(xué)時(shí)比例分配，也要積極協(xié)調(diào)、爭取教務(wù)部門的支持。這種開課方式的優(yōu)點(diǎn)在于形式靈活，可以讓學(xué)生及時(shí)快速地接觸到最新的技術(shù)進(jìn)展，缺點(diǎn)是由于學(xué)時(shí)有限，只能選擇性地講解深度學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，無法形成較為固定的教學(xué)體系和內(nèi)容，教學(xué)效果更多地依賴于教師的教學(xué)水平。

2.3 追加式開課

為了給學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)提供更多的機(jī)會，部分高校采用了追加式開課的方法，即利用周末等節(jié)假日時(shí)間為學(xué)生增加深度學(xué)習(xí)的相關(guān)課程。這樣的開課方式可以很好地規(guī)避人才培養(yǎng)方案的限制，授課內(nèi)容和學(xué)時(shí)也可以得到有效保障，在學(xué)生中受歡迎程度較高。由于涉及學(xué)生組織、教師授課、教學(xué)場地、實(shí)驗(yàn)條件等方面的安排和協(xié)調(diào)，追加式開課不僅要求課程負(fù)責(zé)人具有較好的協(xié)調(diào)和組織能力，同時(shí)也需要得到學(xué)校相關(guān)部門在政策、資金、人員和場地等方面的大力支持。

據(jù)目前了解的情況，中國科學(xué)院大學(xué)、河南理工大學(xué)等高校采用公選課的形式獨(dú)立開設(shè)了相關(guān)課程。在河南理工大學(xué)開設(shè)的研究生公選課中，選修學(xué)生不僅來自計(jì)算機(jī)、測繪、電氣等與信息技術(shù)結(jié)合較為緊密的學(xué)院，也有來自能源、資環(huán)、物電、機(jī)械等傳統(tǒng)技術(shù)相關(guān)學(xué)院，在更廣泛的領(lǐng)域中傳播了深度學(xué)習(xí)技術(shù)。河北科技大學(xué)在原有大數(shù)據(jù)課程的基礎(chǔ)上，將深度學(xué)習(xí)技術(shù)嵌入其中，受到學(xué)生的歡迎。另有部分高校已經(jīng)計(jì)劃開展利用暑期時(shí)間進(jìn)行深度學(xué)習(xí)課程的開設(shè)。

3 深度學(xué)習(xí)課程的師資培養(yǎng)

與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)等專業(yè)的傳統(tǒng)課程相比，深度學(xué)習(xí)技術(shù)的內(nèi)容較新且迭代速度很快，對現(xiàn)有高校的師資儲備、實(shí)驗(yàn)平臺等方面帶來了新的挑戰(zhàn)。普通高校中掌握深度學(xué)習(xí)技術(shù)的教師數(shù)量有限，暫時(shí)無法支撐短期大規(guī)模開課的要求。解決深度學(xué)習(xí)師資方面的問題，可以從線下培訓(xùn)和線上培訓(xùn)兩個(gè)途徑入手。

1）結(jié)合新工科建設(shè)，開展線下師資培訓(xùn)。

與新工科建設(shè)結(jié)合、與企業(yè)結(jié)合進(jìn)行線下師資培訓(xùn)是深度學(xué)習(xí)課程師資培訓(xùn)的主要途徑。教育部設(shè)立了產(chǎn)學(xué)合作育人項(xiàng)目，為新工科建設(shè)搭建平臺。教育部產(chǎn)學(xué)合作育人項(xiàng)目的開設(shè)增強(qiáng)了高校教師學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動(dòng)性，為高校教師積極主動(dòng)學(xué)習(xí)深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)提供了強(qiáng)勁的內(nèi)部動(dòng)力。

為了更好地促進(jìn)行業(yè)企業(yè)與高校的融合，在教育部、工業(yè)和信息化部的共同指導(dǎo)下，中國軟件行業(yè)協(xié)會牽頭成立了信息技術(shù)新工科產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，聯(lián)盟下設(shè)的各個(gè)工作委員會采取了“高校+企業(yè)”牽頭的組織模式，充分發(fā)揮企業(yè)在數(shù)據(jù)和行業(yè)應(yīng)用方面的優(yōu)勢，促進(jìn)高校與企業(yè)的深度融合。谷歌、百度、微軟、IBM 等國內(nèi)外業(yè)界巨頭不僅為產(chǎn)學(xué)協(xié)同育人項(xiàng)目提供了新工科建設(shè)、課程改革、師資培訓(xùn)等項(xiàng)目供高校教師申請，而且在技術(shù)、人員、資金和技術(shù)方面對深度學(xué)習(xí)線下師資培訓(xùn)活動(dòng)進(jìn)行大力支持，提供了良好的外部資源。

內(nèi)部動(dòng)力和外部資源共同為深度學(xué)習(xí)師資培訓(xùn)搭建了長期穩(wěn)定、運(yùn)行有序的平臺。2018 年，信息技術(shù)新工科產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟下屬的人工智能協(xié)同育人工作委員會、人工智能教育工作委員會、教育培訓(xùn)工作委員、人工智能與認(rèn)知計(jì)算工作委員會等多個(gè)委員會分別在北京、合肥、廣州、哈爾濱、濟(jì)南、南京、成都等地組織了9 次人工智能和深度學(xué)習(xí)方面的師資培訓(xùn)，取得了較好的培訓(xùn)效果，為高校深度學(xué)習(xí)課程的開設(shè)儲備了基礎(chǔ)師資。據(jù)了解，后續(xù)的師資培訓(xùn)將繼續(xù)開展，形式更加多樣，模式更為成熟。

2）利用慕課資源，開展線上師資培訓(xùn)。

深度學(xué)習(xí)技術(shù)內(nèi)容豐富、應(yīng)用廣泛，在線下師資培訓(xùn)短短的幾天內(nèi)完全掌握具有一定難度，需要合理利用線上資源作為補(bǔ)充，將線上教學(xué)與線下培訓(xùn)進(jìn)行有效融合。線上資源的介入不僅有助于提高師資培訓(xùn)的效果，也能顯著減少高校在師資培訓(xùn)方面的費(fèi)用和支出。此外，由于線上師資培訓(xùn)形式靈活，也可以提高參加培訓(xùn)的高校教師數(shù)量和覆蓋范圍，使更多的高校教師關(guān)注深度學(xué)習(xí)技術(shù)，并應(yīng)用在教學(xué)和科研實(shí)踐中。

4 深度學(xué)習(xí)的計(jì)算框架

深度學(xué)習(xí)技術(shù)主要利用了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。與傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，以深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)在學(xué)習(xí)理論、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)容量、算法設(shè)計(jì)、優(yōu)化技巧等方面有了長足的發(fā)展，形成了一套完整龐大的計(jì)算體系。CNN、RNN 等常用的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，而新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也層出不窮。為了進(jìn)行高效的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，通用的計(jì)算平臺也必不可少，使用這些平臺降低了學(xué)習(xí)和使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)的門檻，有效提高了深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的搭建速度和計(jì)算效率。

目前常用的計(jì)算框架有TensorFlow、Caffe、MXNet、Pytorch、Keras 和PaddlePaddle 等。TensorFlow 是谷歌推出的計(jì)算框架，也是當(dāng)前的主流框架，很多深度學(xué)習(xí)模型和算法都在其上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，生態(tài)豐富，使用廣泛，但是上手使用相對困難。Keras 架構(gòu)靈活，簡潔易用，案例豐富。PaddlePadddle 是百度公司提供的深度學(xué)習(xí)開源框架，相關(guān)文檔均為中文撰寫，閱讀方便，封裝較好，代碼簡單，比較符合中國人的使用習(xí)慣，并且提供了一站式開發(fā)平臺AI Studio，其中的高校版專為高校師生教學(xué)提供教學(xué)服務(wù)。在實(shí)際的教學(xué)中，綜合考慮生源資質(zhì)、所學(xué)專業(yè)、編程能力、外語水平等方面實(shí)際情況，建議使用TensorFlow、Keras 或PaddlePaddle 開展深度學(xué)習(xí)的教學(xué)。

5 結(jié) 語

深度學(xué)習(xí)是此輪人工智能革命的核心技術(shù)，該課程的開設(shè)對于完善人工智能人才培養(yǎng)體系、培養(yǎng)人工智能人才具有重要的意義。該課程目前在高校中開設(shè)較少。為此，筆者對深度學(xué)習(xí)課程開設(shè)給出了獨(dú)立式開課、嵌入式開課、追加式開課3 種建議，并分析了各種開課方式的優(yōu)缺點(diǎn)。良好的師資是深度學(xué)習(xí)開課必不可少的條件，我們結(jié)合新工科建設(shè)和教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，對如何培養(yǎng)深度學(xué)習(xí)課程的師資力量進(jìn)行了討論，并對計(jì)算框架的選擇給出了中肯的建議。