高職院校智能制造專業(yè)群《人工智能》通識課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施探索

王亮亮 王家敏 蘇蕤

摘 ? 要：文章旨在提出一種面向高職院校智能制造專業(yè)群、可推廣性較強(qiáng)的《人工智能》通識課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施方案，通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方法、線上與線下相互補(bǔ)的授課模式來提升課程內(nèi)容的趣味性及學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。文章所提出的基于工作過程的高職院?！度斯ぶ悄堋吠ㄗR課程教學(xué)體系，已在作者學(xué)院推廣兩年，受益學(xué)生數(shù)眾多，正在逐步推廣。

關(guān)鍵詞：智能制造;專業(yè)群;人工智能;教學(xué)設(shè)計(jì);實(shí)施

中圖分類號：G423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2020）11-0067-04

一、引言

21世紀(jì)20年代，物品將會進(jìn)入全智能時代，人、物、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)全面融合，人工智能時代將正式到來。[1]和人工智能密切相關(guān)的智能制造類相關(guān)專業(yè)的高職學(xué)生，除了需要掌握智能設(shè)備的使用以外，還需要從更深的層面去理解人工智能技術(shù)和具備人工智能素養(yǎng)，進(jìn)而系統(tǒng)地學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)理論知識，開設(shè)人工智能課程勢在必然。國外人工智能課程開發(fā)較早，始于20世紀(jì)90年代，目前大部分歐洲國家的人工智能課程教學(xué)已覆蓋各個年齡層次。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，從最初集中在少數(shù)相關(guān)專業(yè)的博碩研究生培養(yǎng)階段，到目前一些本科院校逐步設(shè)立了人工智能（系列）課程（學(xué)院），甚至國內(nèi)一些中小學(xué)也相繼設(shè)置了人工智能相關(guān)課程，人工智能被提升到了一個新的歷史高度，而反觀高職階段教育似乎成了人工智能教育發(fā)展的空檔，為了進(jìn)一步提升高職人才適應(yīng)未來產(chǎn)業(yè)需求的能力，團(tuán)隊(duì)依托于省級教改課題“高職院校智能制造專業(yè)群《人工智能》通識課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施的研究”的平臺，致力于開發(fā)《人工智能》精品通識課程，本文將完整細(xì)致地闡釋該課程體系的教學(xué)思路及教學(xué)內(nèi)容。

二、《人工智能》課程在高校層面開設(shè)所面臨的主要問題

近幾年，雖然人工智能課程在高校中的開設(shè)形成了如雨后春筍般的發(fā)展態(tài)勢，但是其覆蓋面仍然有限，大部分學(xué)校《人工智能》課程的開設(shè)僅集中在計(jì)算機(jī)類或控制類專業(yè)，無法滿足人工智能新時代背景下對全體工科學(xué)生的培養(yǎng)要求，同時在現(xiàn)有的學(xué)科體系下，《人工智能》課程相關(guān)的教學(xué)和科研活動目前仍較零散，中國人工智能學(xué)會常務(wù)副理事長、北京郵電大學(xué)教授楊放春曾指出，目前高校的人工智能課程“不是重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)時占比也較少，存在高開低走、碎片化、低水平重復(fù)的問題，嚴(yán)重阻礙了我國智能科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展和智能技術(shù)人才的培養(yǎng)”。

加快發(fā)展智能制造，是培育我國經(jīng)濟(jì)增長新動能的必由之路，是搶占未來經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展制高點(diǎn)的戰(zhàn)略選擇，對推動我國制造業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、打造我國制造業(yè)競爭新優(yōu)勢、實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國具有重要戰(zhàn)略意義。[2]了解人工智能技術(shù)對提升信息安全意識、認(rèn)識并遵循信息社會的行為與道德規(guī)范，具有重要的指導(dǎo)意義。[3]故《人工智能》課程開設(shè)過程中，內(nèi)容實(shí)用化、形式規(guī)范化、資源合理化的問題亟待解決。

三、《人工智能》通識課程教學(xué)體系建設(shè)思路

1.將《人工智能》課程定位為通識課程

因我國人工智能技術(shù)起步較晚，前期《人工智能》課程的內(nèi)容設(shè)置偏重于理論知識，又因其具有知識點(diǎn)多、牽涉面廣等特點(diǎn)，需要學(xué)習(xí)者有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和較強(qiáng)的邏輯思維能力，對數(shù)學(xué)類和計(jì)算機(jī)類基礎(chǔ)知識儲備要求較高，致使無法對其他專業(yè)進(jìn)行通識化教學(xué)。針對目前課程開設(shè)所面臨的問題，同時，為了達(dá)成高職院校應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，打造符合?？茖哟稳瞬排囵B(yǎng)要求的優(yōu)質(zhì)課程，我們將《人工智能》定位為通識課程。

2.搭建簡明清晰的《人工智能》課程教學(xué)體系

充分考慮到?？茖哟螌W(xué)生的基礎(chǔ)，結(jié)合智能制造領(lǐng)域內(nèi)專業(yè)群的課程特點(diǎn)及建設(shè)需求，我們從人工智能技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用層面的具體問題出發(fā)，通過全方位、多角度、多層次的教學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)建通俗易懂的課程教學(xué)體系，以期將復(fù)雜高深的人工智能技術(shù)及典型算法以簡明清晰的形式呈現(xiàn)至課堂，來降低學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的難度系數(shù)并提高其學(xué)習(xí)興趣。同時，通過《人工智能》課程與信息化教學(xué)的深度融合，借助職教云教學(xué)平臺，搭建一套完善的教學(xué)體系，從而豐富課程資源，優(yōu)化課程設(shè)計(jì)，將人工智能教學(xué)內(nèi)容模塊化，結(jié)合開發(fā)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目將抽象理論形象化，增加學(xué)生在學(xué)習(xí)《人工智能》通識課程過程中的獲得感。同時，為后續(xù)智能制造專業(yè)群的相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，也為其他院校的智能制造專業(yè)群提供《人工智能》通識課程教學(xué)資源。

3.實(shí)現(xiàn)教學(xué)任務(wù)體系建設(shè)由簡到繁的迭代

本課程體系以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)為目標(biāo)，結(jié)合《人工智能》通識課程的定位及高職院校學(xué)生特點(diǎn)，合理設(shè)置教學(xué)內(nèi)容。擬以工作過程為導(dǎo)向，借助職教云教學(xué)平臺，利用信息化技術(shù)手段，將感知機(jī)、深度學(xué)習(xí)、聚類算法、文本處理共4個教學(xué)模塊，橫向按照知識點(diǎn)由易到難、層層遞進(jìn)的原則，縱向按照由淺入深、由基礎(chǔ)向應(yīng)用、由易到難、由簡及繁的迭代關(guān)系構(gòu)建教學(xué)體系，可有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情及興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工作能力和創(chuàng)新能力，切實(shí)改善教學(xué)效果。

4.促進(jìn)人工智能技術(shù)與?？茖哟稳瞬抛呱瞎ぷ鲘徫缓髴?yīng)用方面有效銜接

在過去，?？茖哟蔚膶W(xué)生就業(yè)崗位大部分為，在諸如生產(chǎn)線之類的工作環(huán)境下從事簡單重復(fù)的勞動，而如今面對全要素生產(chǎn)率的提高、勞動升級換代的推進(jìn)、人工智能技術(shù)的應(yīng)用，簡單重復(fù)勞動的崗位逐漸減少，這給?？茖哟螌W(xué)生的就業(yè)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。

我們期望通過該課程教學(xué)體系的系統(tǒng)實(shí)施，可以為高職智能制造專業(yè)群的學(xué)生提供良好的了解科技前沿的機(jī)會，幫助他們結(jié)合自己所學(xué)專業(yè)，了解人工智能在無人工廠、無人駕駛、無人值守、無人物流等無人系統(tǒng)新工作模式及環(huán)境中的應(yīng)用，并引導(dǎo)學(xué)生大膽暢想人工智能未來在本專業(yè)的應(yīng)用前景，做到了解科技前沿、把握科技動向，從而明確努力目標(biāo)。

四、《人工智能》通識課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置

本課程的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的人工智能和信息技術(shù)素養(yǎng)、計(jì)算思維能力和人工智能技術(shù)應(yīng)用能力，幫助學(xué)生提升信息化時代背景下的職業(yè)適應(yīng)能力，學(xué)會利用人工智能技術(shù)與思維解決專業(yè)行業(yè)的各種復(fù)雜任務(wù)，為今后從事相關(guān)行業(yè)的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時，加強(qiáng)學(xué)生對課堂所學(xué)知識的理解，拓寬學(xué)生的知識面，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。

1.本課程理論教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置

課程內(nèi)容設(shè)置擬以工作過程為導(dǎo)向，構(gòu)建高職院校《人工智能》通識課程教學(xué)體系。橫向按照知識點(diǎn)由易到難、層層遞進(jìn)的原則，設(shè)置四個技術(shù)模塊——感知機(jī)、深度學(xué)習(xí)、聚類算法、文本處理;縱向按照由淺入深、由基礎(chǔ)向應(yīng)用的迭代關(guān)系，設(shè)置三個教學(xué)步驟——基礎(chǔ)知識講解、原理簡介及模型應(yīng)用?；诠ぷ鬟^程的高職院校《人工智能》通識課程教學(xué)體系如圖1所示。

該體系共分為四個模塊，分別為感知機(jī)模塊、深度學(xué)習(xí)模塊、聚類算法模塊和自然語言處理模塊，每個模塊橫向均可實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體教學(xué)過程，縱向滿足由理論基礎(chǔ)向模型應(yīng)用、由易到難的教學(xué)迭代過程。

（1）感知機(jī)模塊

該模塊的教學(xué)以人工智能的起源及發(fā)展歷程為切入點(diǎn)，以生物神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)及信號傳遞過程的講解引入M-P神經(jīng)元模型的構(gòu)建，進(jìn)一步闡述感知機(jī)的工作原理，并通過深度講解支持向量機(jī)算法，闡釋線性分類器的原理及應(yīng)用，最后通過“人臉分類”實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并幫學(xué)生鞏固本模塊所學(xué)知識。

（2）深度學(xué)習(xí)模塊

該模塊從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)的關(guān)系引入，介紹了深度學(xué)習(xí)的發(fā)展歷程，并通過詳解深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念，闡述了卷積運(yùn)算的原理和在圖像處理技術(shù)中的實(shí)際意義，最后通過“人臉識別”實(shí)驗(yàn)中的“數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)和模型訓(xùn)練”部分驗(yàn)證并幫學(xué)生鞏固了本模塊所學(xué)知識。

（3）聚類算法模塊

該模塊通過對典型監(jiān)督學(xué)習(xí)算法的知識回顧，結(jié)合“鳶尾花分類”的經(jīng)典案例，對比歸納出無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法的基本原理;通過闡釋聚類算法和分類算法的區(qū)別，引入K均值聚類算法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步理解無監(jiān)督學(xué)習(xí)的特點(diǎn);最后利用“人臉識別”實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本模塊所學(xué)知識，加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解。

（4）自然語言處理模塊

該模塊以自然語言的概念為切入點(diǎn)，列舉了自然語言處理的發(fā)展歷程;通過分詞、句法分析、語義分析、語言認(rèn)知模型和知識圖譜構(gòu)建等，闡述了自然語言處理技術(shù)的基本原理和工作過程，并講解利用“詞袋模型”、“主題模型”實(shí)現(xiàn)自然語言處理技術(shù)的原理及該項(xiàng)技術(shù)在機(jī)器翻譯、信息檢索、情感分析、社會媒體處理等領(lǐng)域的應(yīng)用。

此外，我們還設(shè)置了綜合應(yīng)用與綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K（包括智能機(jī)器人、自動駕駛和無人機(jī)、智慧城市、基于人臉識別的車載情緒檢測報警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目）及考核模塊。各模塊具體教學(xué)內(nèi)容與要求如表1所示。

2.本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置

針對該課程的教學(xué)內(nèi)容，我們開發(fā)了4個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)一為圖像分類項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)二為圖像識別項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)三為自然語言處理項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)四為綜合項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，旨在以任務(wù)為驅(qū)動，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，將理論知識與技能操作緊密結(jié)合，加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生實(shí)踐動手能力。

3.本課程教學(xué)資源的建設(shè)

針對理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，我們認(rèn)真編寫了16次課（32學(xué)時）的課程教案及學(xué)案，制作相應(yīng)的教學(xué)課件，搜集、整理、制作與課程相關(guān)的音視頻教學(xué)資源、案例、題庫，上傳平臺以供教學(xué)與自學(xué)參考。針對每次教學(xué)，均完善設(shè)置三個環(huán)節(jié)，即課前平臺自學(xué)、課中混合教學(xué)、課后任務(wù)拓展。實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體、線上線下相結(jié)合的教學(xué)目的，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情及興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工作能力和創(chuàng)新能力，切實(shí)改善教學(xué)效果。

（1）課程教案與學(xué)案設(shè)計(jì)

教案的設(shè)計(jì)重難點(diǎn)突出，結(jié)構(gòu)緊湊;學(xué)案的設(shè)計(jì)針對智能制造專業(yè)群不同專業(yè)背景、不同學(xué)情的學(xué)生，有對應(yīng)的任務(wù)導(dǎo)學(xué)單。教案、學(xué)案設(shè)計(jì)如圖2、3所示。

（2）課件制作

配套課件的制作，要求邏輯清晰、深入淺出，符合學(xué)生的特點(diǎn)及接受能力。

（3）視頻資源

教學(xué)資源、案例的整理及制作，緊貼課程內(nèi)容，新穎、實(shí)用性強(qiáng);科學(xué)原理化繁為簡，微課視頻、案例、動畫等信息化教學(xué)資源，將抽象問題形象化，利于學(xué)生對相關(guān)知識的掌握，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（4）題庫建設(shè)

以職教云信息化教學(xué)平臺為依托，完善《人工智能》課程教學(xué)體系的搭建及教學(xué)過程實(shí)施。橫向各模塊皆有測試題，覆蓋到每個知識點(diǎn);縱向由易到難，深入探知科學(xué)原理;目前題庫還在建設(shè)和擴(kuò)充中，單項(xiàng)選擇、多項(xiàng)選擇、判斷題等客觀題型可隨機(jī)組合抽取測試題，配以答案解析，利于知識點(diǎn)的精準(zhǔn)學(xué)習(xí)及鞏固。

同時，線上教學(xué)平臺的評價功能面向《人工智能》課程教學(xué)過程中的所有環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)教師對學(xué)生學(xué)習(xí)效果及學(xué)生對教師授課情況的全過程全方位互評，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的同時，授課教師也可及時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)并適當(dāng)調(diào)整教學(xué)思路，有效提高整個課程教學(xué)過程中的師生溝通率。

我們充分利用職教云教學(xué)平臺的優(yōu)勢，深入探討有關(guān)信息化教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施的問題，為高職院?！度斯ぶ悄堋吠ㄗR課程構(gòu)建一套完善的教學(xué)流程體系，對包括如何導(dǎo)入、如何設(shè)計(jì)、如何創(chuàng)設(shè)情境、如何處理突發(fā)事件、如何組織學(xué)生等方面，進(jìn)行多維度、多層次的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，鼓勵學(xué)生獨(dú)立思考，激發(fā)其學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新意識。

4.本課程教學(xué)實(shí)施成效

山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造與服務(wù)學(xué)院于2018年9月面向本學(xué)院全體2018級學(xué)生開設(shè)了《人工智能》通識課程，這在全省高職院校中，應(yīng)數(shù)首例。經(jīng)過一年多的實(shí)踐探索，課程體系也逐步完善與成熟，目前已面向我校智能制造與服務(wù)學(xué)院2018級和2019級機(jī)電一體化技術(shù)、電氣自動化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)、冷鏈物流技術(shù)與管理等12個專業(yè)共2000余名學(xué)生開設(shè)了《人工智能》通識課程。該課程不僅培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，儲備了一定的就業(yè)創(chuàng)業(yè)本領(lǐng)，也在實(shí)踐動手能力方面得到了一定的提升，自該課程開設(shè)以來，我院學(xué)生在各類相關(guān)大賽中取得了豐碩的成果，僅2019年度，我校智能制造專業(yè)群學(xué)生在各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲得一、二、三等獎共計(jì)62項(xiàng)。

五、結(jié)束語

本課程體系的構(gòu)建從智能制造領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用層面的具體問題出發(fā)，合理設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，將復(fù)雜高深的人工智能技術(shù)及典型算法以簡明清晰的形式呈現(xiàn)至課堂，降低了該專業(yè)群學(xué)生學(xué)習(xí)此課程的難度系數(shù)并提高其學(xué)習(xí)興趣。此外，結(jié)合該課程在其他兄弟院校教學(xué)過程中遇到的問題、總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，通過與信息化教學(xué)方法的深度融合，借助職教云教學(xué)平臺，搭建了一套完善的教學(xué)體系，豐富課程資源，優(yōu)化課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加了學(xué)生的獲得感，有效突破了實(shí)際教學(xué)過程中的瓶頸，確保學(xué)生在本課程的學(xué)習(xí)過程中能夠?qū)W有所得，學(xué)有所用。

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（編輯：王天鵬）