面向“智慧海洋”的人工智能課程體系建設(shè)研究

呂志勝 封斌 蔣翔 閆瑞瑞

摘? 要：國家海洋戰(zhàn)略和社會發(fā)展對人工智能方面的人才需求日益增長，文章通過分析人工智能課程教育的現(xiàn)狀，研究面向“智慧海洋”的電子信息類專業(yè)人工智能課程體系的建設(shè)，分別從課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式、實踐教學(xué)等方面進(jìn)行闡述，從而為本科院校培養(yǎng)人工智能方向的綜合型、創(chuàng)新型人才提供參考方案。

關(guān)鍵詞：智慧海洋;電子信息類專業(yè);人工智能課程體系

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）07-0088-03

Abstract： The talents in artificial intelligence are demanded increasingly for national marine strategy and social development. Through analyzing the current situation of artificial intelligence curriculum education， we research the construction of artificial intelligence curriculum system for electronic information major oriented to "intelligent ocean".? Then we elaborate the course setting， teaching content， teaching methods， assessment methods， practical teaching and other aspects respectively， so as to provide a reference scheme for undergraduate colleges to cultivate comprehensive and innovative talents in the direction of artificial intelligence.

Keywords： intelligent ocean; electronic information major; artificial intelligence curriculum system

一、概述

近年來，世界各海洋國家高度重視海洋領(lǐng)域技術(shù)和設(shè)備信息化的發(fā)展和建設(shè)，并將“智慧海洋”作為建設(shè)海洋強(qiáng)國的重要戰(zhàn)略。隨之而來的是，與海洋相關(guān)的科學(xué)觀測、資源、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等數(shù)據(jù)日益增多，已成為大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一。如何有效分析、挖掘及利用海洋大數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的豐富信息，是建設(shè)“智慧海洋”必須重點關(guān)注和研究的內(nèi)容。人工智能（Artificial Intelligence，AI）作為電子信息技術(shù)領(lǐng)域近年來的創(chuàng)新方向和研究熱點之一，已在很多行業(yè)取得一定應(yīng)用，這為分析處理海洋大數(shù)據(jù)提供了新的方向。

基于國家海洋戰(zhàn)略和社會發(fā)展對人工智能方向人才的需求，鑒于我校的特色和發(fā)展以及目前我院相關(guān)課程建設(shè)相對滯后的現(xiàn)狀，本文通過研究本科院校的人工智能方面課程建設(shè)的理論，探索面向“智慧海洋”的電子信息專業(yè)人工智能課程體系的建設(shè)。結(jié)合我校的信息與通信工程學(xué)科的發(fā)展目標(biāo)，圍繞“海洋大數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)”這一方向，提出相應(yīng)的課程體系建設(shè)方案和建議，以期能為本科院校培養(yǎng)人工智能方面的人才和相關(guān)知識的普及提供可借鑒的意見。

二、現(xiàn)狀分析

人工智能技術(shù)作為信息技術(shù)的前沿領(lǐng)域，對人類社會的經(jīng)濟(jì)、文化、軍事、工業(yè)等方面的發(fā)展影響日益增強(qiáng)，各種智能機(jī)器人、智能診斷、無人駕駛、智能翻譯等技術(shù)已逐漸應(yīng)用到實際生活中。許多國家已把人工智能列入信息化學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容中，在高等院校甚至中小學(xué)教育中人工智能課程正在逐步推廣。

英國1999年將人工智能課程列為中學(xué)的信息與通訊技術(shù)（ICT）方面的選修課[1]。美國2016年對人工智能的倫理、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、培訓(xùn)、人才培養(yǎng)等做出戰(zhàn)略部署。日本政府2017年制定了人工智能產(chǎn)業(yè)化的分步實施計劃[2]。2017年7月，我國國務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》將人工智能研究提升到國家戰(zhàn)略層面[3]。2018年5月，國內(nèi)中等教育體系首次引入人工智能教材，我國人工智能教育正式邁入基礎(chǔ)教育階段。與此同時，關(guān)于初高中甚至小學(xué)開設(shè)《人工智能》課程的研究也越來越多[4-5]。

我國部分高校已單獨設(shè)置人工智能專業(yè)或智能機(jī)器人專業(yè)等。與中等教育不同，高等教育開設(shè)人工智能專業(yè)或課程的目的是強(qiáng)化學(xué)生對相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，因此目前的研究較多側(cè)重于教學(xué)方法的改革[6-9]。另一方面，相對而言，國內(nèi)高校在人工智能相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式等方面較國外高水平大學(xué)存在一定的差距，在實驗環(huán)境和條件、實踐應(yīng)用以及培養(yǎng)創(chuàng)新型人才等方面仍存在一定的提升空間。因此，需要根據(jù)各院校的軟硬件實際情況進(jìn)行相關(guān)課程體系建設(shè)，逐步提升學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

三、課程體系建設(shè)

人工智能的內(nèi)容涉及信息科學(xué)領(lǐng)域多個學(xué)科，包括統(tǒng)計學(xué)習(xí)、模式識別、數(shù)據(jù)挖掘等等，而且人工智能有許多尚待解決的問題需要研究，因此開設(shè)相關(guān)課程具有一定的挑戰(zhàn)性。

結(jié)合我校的信息與通信工程學(xué)科的發(fā)展目標(biāo)，本文圍繞“海洋大數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)”這一方向，開展利用人工智能技術(shù)對海洋數(shù)據(jù)分析處理的課程建設(shè)，擬建設(shè)的人工智能教學(xué)體系的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。具體內(nèi)容包括課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式方法、考核方式、實踐教學(xué)、預(yù)期效果等幾方面。

（一）根據(jù)高校的實際情況，設(shè)置相應(yīng)課程

由于各高等院校的招生層次有所區(qū)別，為了提高不同基礎(chǔ)的各個層次學(xué)生的能力，則需要設(shè)置不同難度的課程。另外，由于實踐應(yīng)用對人工智能相關(guān)課程非常重要，各高校需根據(jù)自身實驗室建設(shè)情況來設(shè)置課程，只有具備相應(yīng)的實驗條件，課程教學(xué)才能達(dá)到預(yù)期的效果，使學(xué)生做到學(xué)以致用。對于應(yīng)用型本科院校，可在設(shè)置高等數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、C語言程學(xué)設(shè)計、Python編程等基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上，設(shè)置傳感器及檢測技術(shù)、數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像識別、數(shù)字音視頻處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘及信息融合等專業(yè)課程。結(jié)合我校的特色及發(fā)展目標(biāo)，還應(yīng)開設(shè)水聲通信原理、水下目標(biāo)識別、海洋數(shù)據(jù)分析等相關(guān)課程。

（二）根據(jù)學(xué)生層次，設(shè)置教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)各院校學(xué)生的自身基礎(chǔ)情況，設(shè)置不同難度的教學(xué)內(nèi)容。以開設(shè)《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程為例：首先應(yīng)簡要介紹機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及當(dāng)前流行的技術(shù)，然后應(yīng)重點通過實例闡明常用基本概念的內(nèi)涵，以及如何利用實踐工具實現(xiàn)常用算法從而達(dá)到預(yù)期功能和目標(biāo)。對本科生而言，公式原理及數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)相對復(fù)雜難度較大，而脫離原理僅講解幾種機(jī)器學(xué)習(xí)工具的使用方法不利于學(xué)生后續(xù)發(fā)展，應(yīng)將基本概念、常用算法與實踐項目操作有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生體會到理論在實際應(yīng)用中的樂趣。

在應(yīng)用型本科院校中，人工智能相關(guān)課程一般是從大三上學(xué)期開始的選修課程，由于課時較少、學(xué)生更關(guān)注實踐應(yīng)用，因此應(yīng)精簡人工智能相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容，在講解基礎(chǔ)所需的理論知識后，對難度較深的理論則概括出其用途、特點及適用范圍，重點則應(yīng)是以案例和項目展示的形式呈現(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生對課程與實際聯(lián)系的認(rèn)識。對于非計算機(jī)和電信專業(yè)的學(xué)生，則需進(jìn)一步簡化其理論知識，以更通俗易懂的項目和示例進(jìn)行科普和推廣。

而且，教學(xué)內(nèi)容需要緊跟時代的發(fā)展，更新相關(guān)知識和技術(shù)，對于復(fù)雜的理論，去繁就簡，使學(xué)生理解相關(guān)技術(shù)的思想和實現(xiàn)思路，注重其功能和應(yīng)用，達(dá)到“學(xué)以致用”的目的。例如，結(jié)合水聲通信的內(nèi)容與人工智能技術(shù)為學(xué)生講解水下信號檢測的簡單應(yīng)用示例，或結(jié)合聲納探測和數(shù)據(jù)融合的技術(shù)講解水下目標(biāo)探測的應(yīng)用示例等，都能加深學(xué)生對理論聯(lián)系實際應(yīng)用的體會，從而促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)動力。

（三）根據(jù)課程特點，改進(jìn)教學(xué)方式方法

國內(nèi)各高校相關(guān)課程主要采用講座方式或傳統(tǒng)教學(xué)方式。前者有利于學(xué)生開闊視野、了解最前沿的技術(shù)和進(jìn)展，但對提高學(xué)生的實踐動手能力有所欠缺;后者通常是學(xué)生被動學(xué)習(xí)，對培養(yǎng)動手能力和解決實際問題能力等方面不盡人意。因此，需要探索新的教學(xué)方式方法。

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新激情，從以下兩個方面改進(jìn)教學(xué)模式：（1）通過相關(guān)領(lǐng)域的最新應(yīng)用、研究，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，促進(jìn)師生互動，并結(jié)合教師的科學(xué)研究成果和體會對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行講解，從而使得學(xué)生開闊視野，拓寬知識面，提升創(chuàng)新精神、思維及創(chuàng)新能力。（2）以問題引導(dǎo)的方式結(jié)合項目驅(qū)動的方式，提高學(xué)生的獨立思考和動手解決問題的能力。例如，在講解了基本概念和常用方法后，教師給出應(yīng)用場景的需求和問題，讓學(xué)生主動思考并提出對策和方法;在講解了編程操作語言Python和實踐平臺Kaggle的基本使用后，設(shè)置相應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，使學(xué)生主動完成簡易的項目，做到主動與被動學(xué)習(xí)相結(jié)合。

在教學(xué)安排時，應(yīng)重點以具體應(yīng)用示例講解各課程中相關(guān)技術(shù)的使用方法，而復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論、公式推導(dǎo)等難度較深不易理解的內(nèi)容安排較少課時簡要介紹即可。還可靈活設(shè)置幾個機(jī)動學(xué)時，對學(xué)生感興趣的技術(shù)進(jìn)行專題講解，或邀請相關(guān)行業(yè)具有豐富經(jīng)驗的AI工作人員開展專題講座。

在教學(xué)資源方面，可借助網(wǎng)絡(luò)課程資源，如騰訊課堂、網(wǎng)易公開課、MOOC資源等。在教學(xué)過程中，教師可根據(jù)教學(xué)計劃安排，精選部分內(nèi)容讓學(xué)生學(xué)習(xí)并討論;部分經(jīng)典課程可讓學(xué)生分組自學(xué)并分享心得，從而掌握查找文獻(xiàn)、資料的方法，培養(yǎng)自我學(xué)習(xí)的習(xí)慣和解決實際問題的能力。

（四）構(gòu)建多元化考核方式

由于人工智能課程理論較難、內(nèi)容覆蓋面廣，因此傳統(tǒng)的考核方式不再適用，需要設(shè)置多元化的考核方式。

考核成績可包含以下指標(biāo)：（1）教學(xué)過程中，鼓勵引導(dǎo)學(xué)生提問和發(fā)表個人看法，對回答問題正確、提出建設(shè)性對策或能提出有深度問題的行為均計入考核成績中;（2）平時出勤情況、隨堂作業(yè)及測試等也計入考核成績;（3）學(xué)生對人工智能某個專題、技術(shù)進(jìn)行自學(xué)，如語音識別、人臉識別和手寫識別等，并通過編程實現(xiàn)來驗證其功能，以PPT或論文的形式匯報結(jié)果，根據(jù)完成情況評定成績;（4）對參與人工智能實際相關(guān)項目或研究課題的學(xué)生，可對其階段性成果評定成績。

總之，為使學(xué)生學(xué)有所得且兼顧學(xué)生的特長和發(fā)展，應(yīng)建立一個多元化靈活的考核形式。

（五）建設(shè)相關(guān)實驗室，適時調(diào)整實驗、實訓(xùn)內(nèi)容

人工智能相關(guān)課程的設(shè)置，最終目標(biāo)是為了將所學(xué)的知識應(yīng)用到實際生活中。此類課程在教學(xué)過程中，實驗及實踐部分通常占據(jù)較大部分，因此教學(xué)實驗室建設(shè)是整個課程體系中非常重要的部分。在校內(nèi)實踐教學(xué)相關(guān)實驗室的建設(shè)中，應(yīng)充分考慮到相關(guān)課程的目標(biāo)，模擬實際應(yīng)用場景和生產(chǎn)環(huán)境，使其不但能實踐基礎(chǔ)性實驗的內(nèi)容，且具備完成綜合性、創(chuàng)新型實驗的條件。并與相關(guān)企業(yè)聯(lián)合，實踐產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的教學(xué)，實驗、實訓(xùn)內(nèi)容與時俱進(jìn)，適時調(diào)整和更新，從而加深學(xué)生對人工智能相關(guān)理論和技術(shù)的理解，提高學(xué)生解決實際應(yīng)用中各種問題的能力和二次開發(fā)能力。

（六）明確課程體系建設(shè)最終要達(dá)到的效果

通過學(xué)習(xí)人工智能體系課程，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)新事物新技術(shù)的思維和能力，不斷提升學(xué)生分析、解決實際問題的能力，為學(xué)生將來從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)等工作奠定基礎(chǔ)。

1. 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

在日常教學(xué)過程中增強(qiáng)對學(xué)生科研素質(zhì)的培養(yǎng)，對于特定的問題——如當(dāng)前十分熱門的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢后，也需指出其適用范圍及局限性，同時對其他改進(jìn)型技術(shù)進(jìn)行相關(guān)介紹，如為改善BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易陷入局部最優(yōu)的現(xiàn)象而提出的隨機(jī)梯度下降方法。并介紹當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況，如深度學(xué)習(xí)主流的CNN、DBN等，說明深度學(xué)習(xí)框架的使用方法和各自的特點，從而使學(xué)生更好地了解前沿技術(shù)的發(fā)展，激勵學(xué)生的創(chuàng)新思維。

2. 培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力

為了增強(qiáng)學(xué)生對人工智能相關(guān)課程中的各種經(jīng)典方法的理解，如漢諾塔問題、遺傳算法、決策樹等，可選擇簡單問題在課堂上現(xiàn)場演示其實現(xiàn)過程，對復(fù)雜問題則可通過事先準(zhǔn)備的程序演示其功能和效果。對學(xué)生存在的疑問及時交流討論，激發(fā)學(xué)生的興趣，加深學(xué)生對相關(guān)理論的理解，提高其學(xué)習(xí)積極性。鼓勵、指導(dǎo)學(xué)生參加各種與“海洋信息處理”相關(guān)的學(xué)科競賽以及參與、申報各種相關(guān)的項目，不斷提升實踐能力。

四、結(jié)束語

本文通過分析人工智能課程的教育現(xiàn)狀，結(jié)合我校的特色、現(xiàn)狀和發(fā)展方向，圍繞“海洋大數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)”這一方向，給出了本科院校電子信息類專業(yè)人工智能課程體系的建設(shè)方案，為培養(yǎng)綜合型、創(chuàng)新型人才提供可借鑒的意見。由于人工智能相關(guān)技術(shù)的發(fā)展日新月異，因此在教學(xué)過程中應(yīng)適時更新調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和實驗實訓(xùn)內(nèi)容，使不同層次的學(xué)生都能學(xué)有所得、學(xué)有所悟、學(xué)以致用。

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