人工智能課程實驗案例研究與實踐

彭德巍

[摘 要]針對傳統(tǒng)人工智能課程偏重理論，缺乏實驗案例的教學(xué)實際，在研究案例教學(xué)方法基礎(chǔ)上，項目組設(shè)計了基礎(chǔ)知識點案例、綜合應(yīng)用案例、創(chuàng)新實驗案例等多種媒體形式的實驗資源案例庫，并將其應(yīng)用到人工智能課程的課程教學(xué)中，采用啟發(fā)式、交互式和混合式等多種教學(xué)方法，學(xué)生對人工智能的學(xué)習(xí)興趣明顯增強。案例庫豐富了教學(xué)與實驗內(nèi)容，有效地提高了學(xué)生課程參與度與互動性，提高了學(xué)生將人工智能的方法與技術(shù)應(yīng)用到復(fù)雜工程問題中的能力。

[關(guān)鍵詞]人工智能;實驗案例;教學(xué)研究

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）02-0071-04

人工智能是在計算機科學(xué)、控制論、信息論等多學(xué)科研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的綜合性很強的交叉學(xué)科，隨著人工智能方法與技術(shù)的不斷應(yīng)用，該學(xué)科也受到政府、企業(yè)、高校和社會的廣泛關(guān)注[1]。作為計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)重要的專業(yè)課程，目前的人工智能課程偏重理論教學(xué)，具體實例或案例較少，容易使學(xué)生感覺過于理論和抽象而產(chǎn)生厭學(xué)情緒[2]。人工智能是解決復(fù)雜工程問題的重要工具，是許多高新技術(shù)產(chǎn)品的核心技術(shù)[3]。因此，結(jié)合人工智能的廣泛應(yīng)用和課程的知識點，筆者構(gòu)建了多種媒體形式的人工智能案例庫，并在人工智能教學(xué)中進行了實踐，對如何培養(yǎng)學(xué)生的復(fù)雜工程問題能力和創(chuàng)新能力進行了一些探索。

在案例教學(xué)方法中，學(xué)生一般應(yīng)提前掌握課程有關(guān)的基本原理和知識，然后由教師根據(jù)課程教學(xué)目標和能力培養(yǎng)的需要，精心選擇和設(shè)計合適的案例，設(shè)置討論題目，然后由學(xué)生以小組為單位對案例進行小組研討，并將研討結(jié)論在班級內(nèi)進行分享和評價，從而達到培養(yǎng)學(xué)生從工程化角度分析問題的能力[4-5]。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)缺乏完整而規(guī)范的人工智能課程教學(xué)與實驗案例庫，僅有少量高校開展了人工智能課程案例教學(xué)方法的研究。

一、人工智能課程實驗案例庫設(shè)計要求

案例教學(xué)法首先根據(jù)課程教學(xué)目標和能力培養(yǎng)的需要，確定實驗案例庫設(shè)計的基本要求，并在此基礎(chǔ)上開展人工智能課程知識體系的實驗案例庫設(shè)計[6]。在案例教學(xué)法中，案例的選擇和設(shè)計非常關(guān)鍵，也是決定案例教學(xué)效果好壞的決定性因素。因此需要根據(jù)教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容和能力培養(yǎng)要求，精心選擇或設(shè)計合適的案例。

實驗案例庫設(shè)計的基本要求如下：

1.要符合教學(xué)目標，所選擇和設(shè)計的案例要緊扣教學(xué)目標和教學(xué)內(nèi)容，通過案例的分析和討論，加深學(xué)生對所學(xué)基本原理和方法的理解，增強運用理論知識分析和解決復(fù)雜問題的能力。

2.要生動有趣，實驗案例應(yīng)為具有一定深度和廣度的開放性問題，以啟發(fā)學(xué)生獨立自主地思考和研究問題;另外案例不能是一堆文字、數(shù)據(jù)的羅列，應(yīng)該采用多種媒體形式將知識點轉(zhuǎn)化為生動有趣的實驗案例，有利于吸引學(xué)生注意力，提高課堂關(guān)注度。

3.要具有互動性，實驗案例具有互動性是教學(xué)目標得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。案例教學(xué)中的互動包括課堂教學(xué)中教師和學(xué)生之間的互動、小組討論中學(xué)生和學(xué)生的互動、實驗環(huán)節(jié)中學(xué)生和案例之間的互動，這些互動極大地調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性，從而提高學(xué)生綜合分析問題和溝通表達的能力。

4.要融入課程思政。習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)：“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人”。案例庫建設(shè)也必須按照這一指導(dǎo)思想原則融入課程思政，具體的方法在課程教學(xué)活動中，挖掘與梳理人工智能相關(guān)的思政元素，通過在案例中融入課程思政，將思想政治教育以潛移默化的方式融入，讓學(xué)生在掌握專業(yè)知識與提升解決復(fù)雜工程問題能力的同時，樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，提升綜合素養(yǎng)。

二、人工智能課程實驗案例庫詳細設(shè)計

人工智能專業(yè)知識可分為內(nèi)核基礎(chǔ)層、支撐技術(shù)層、平臺系統(tǒng)層和交叉應(yīng)用層4個不同層次[7]。內(nèi)核基礎(chǔ)層包括機器學(xué)習(xí)、知識表示與處理等，支撐技術(shù)層包括模式識別、搜索技術(shù)、計算智能等，平臺系統(tǒng)層包括機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)平臺、人工智能程序設(shè)計等，交叉應(yīng)用層包括多學(xué)科領(lǐng)域的交叉應(yīng)用[8]。將人工智能劃分為這4個層次可確定人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容，并保證案例內(nèi)容的循序漸進。

根據(jù)所確定的教學(xué)目標，教學(xué)內(nèi)容中的重難點，從國內(nèi)外經(jīng)典人工智能教材、科研項目、企業(yè)資源以及國內(nèi)外人工智能網(wǎng)站等多種途徑，收集案例素材，并加以整理，撰寫各知識要點的教學(xué)案例及其相關(guān)內(nèi)容。表1給出基于人工智能知識體系的教學(xué)案例示例。

下面分別從基礎(chǔ)知識點案例、綜合應(yīng)用案例和創(chuàng)新性實驗案例3種類型進行討論。

（一）基礎(chǔ)知識點案例

以遺傳算法實驗案例為例，遺傳算法被廣泛應(yīng)用于組合優(yōu)化、機器學(xué)習(xí)、智能控制、模式識別等領(lǐng)域，是人工智能課程的主要內(nèi)容之一。采用課件PPT和演示程序，由簡單到復(fù)雜，在學(xué)生掌握遺傳算法的基本原理和流程之后，再講解運用基本遺傳算法求解函數(shù)極值問題實驗案例，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)理解遺傳算法的核心思想及其應(yīng)用方法。從國內(nèi)外教材[3]中整理和設(shè)計該案例，同時應(yīng)包括以下內(nèi)容。

章節(jié)：群智能算法。

知識點：遺傳算法。

案例名稱：基于遺傳算法的函數(shù)極值問題。

案例內(nèi)容：利用遺傳算法求解函數(shù)極大值f（x）=x*sin（10*x）+2.0x∈[-1，2]。

案例分析過程：①設(shè)置基本參數(shù);②基本遺傳算法-選擇復(fù)制;③基本遺傳算法-交叉;④基本遺傳算法-變異;⑤迭代100次后結(jié)束。

案例教學(xué)手段：利用遺傳算法求解函數(shù)極大值程序演示（如圖1所示）。

（二）綜合應(yīng)用案例

以搜索技術(shù)中寬度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索、啟發(fā)式搜索和A*算法搜索等方法解決八數(shù)碼問題為例，進行八數(shù)碼問題綜合知識點案例的設(shè)計，該案例包括以下內(nèi)容。

章節(jié)：搜索策略。

知識點：寬度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索、啟發(fā)式搜索和A*算法搜索。

案例名稱：基于各類搜索算法的八數(shù)碼問題求解。

案例內(nèi)容：綜合應(yīng)用寬度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索、啟發(fā)式搜索和A*算法搜索等方法解決八數(shù)碼問題，并分析各搜索方法的優(yōu)劣。

案例分析過程：①設(shè)置八數(shù)碼初始狀態(tài)和目標狀態(tài);②分析初始狀態(tài)和目標狀態(tài)的可達性;③用寬度優(yōu)先搜索求解;④用深度優(yōu)先搜索求解;⑤用啟發(fā)式搜索求解;⑥用啟發(fā)式搜索求解;⑦分析比較各搜索方法的結(jié)果正確性和執(zhí)行效率。

案例教學(xué)手段：八數(shù)碼問題的演示、實現(xiàn)與討論（如圖2所示）。

思考/討論內(nèi)容：啟發(fā)式函數(shù)如何影響搜索效率？任意兩個可達狀態(tài)之間最大的最少移動步驟數(shù)是多少？

（三）創(chuàng)新型實驗案例

人工智能與行業(yè)領(lǐng)域的深度融合將深入影響行業(yè)的各個方面，以人工智能的應(yīng)用案例，進行深入分析，幫助學(xué)生深刻了解人工智能的創(chuàng)新性應(yīng)用場景。

章節(jié)：人工智能應(yīng)用。

知識點：創(chuàng)新性實驗案例。

案例名稱：活體人臉識別。

案例內(nèi)容：在應(yīng)用人臉識別的場景下，如門禁系統(tǒng)、簽到系統(tǒng)、支付系統(tǒng)等，都存在進行活體人臉識別的需要，而且在移動端、PC端、嵌入式設(shè)備上都有相應(yīng)的需求?；趫D像的活體人臉檢測技術(shù)是不需要人主動配合、成本低廉、安全可靠的一種方式。

案例分析過程：①首先提取圖像的紋理輪廓特征和色彩組成特征，兩類特征提取后進行組合，得到最終的圖像特征。②構(gòu)建SVM分類器，將提取出的真實人臉圖像特征作為正樣本，類別標記為+1;仿冒人臉圖像特征作為負樣本，類別標記為-1。③進行數(shù)據(jù)集選擇，收集國內(nèi)外相應(yīng)數(shù)據(jù)集，與自建數(shù)據(jù)集進行融合。④進行模型訓(xùn)練和工程實現(xiàn)。

案例教學(xué)手段：活體人臉識別案例分析（如圖3所示）。

三、實驗案例教學(xué)的實施

學(xué)生是案例教學(xué)的接受主體。案例教學(xué)必須考慮教學(xué)對象的實際情況，實驗案例可以采用以下三種方式進行教學(xué)實施。

（一）課前自學(xué)

自學(xué)式案例是以案例為載體，實現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容傳遞，希望學(xué)生通過自我學(xué)習(xí)和思考，進而做出分析、判斷。比如緒論中的圖靈測試案例，學(xué)生通過瀏覽Google語音機器人電話預(yù)約訂餐和浙江大學(xué)語音機器人電話廣告推銷案例的音視頻，以及通過瀏覽清華大學(xué)九歌古詩創(chuàng)作系統(tǒng)網(wǎng)站，體會與思考這些系統(tǒng)是否滿足圖靈測試的要求。通過課前案例自學(xué)，能引導(dǎo)學(xué)生對將要學(xué)習(xí)的知識產(chǎn)生注意，有利于提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的關(guān)注度[9]。

（二）課堂講授

案例的課堂講授，能夠幫助學(xué)生掌握抽象的知識點。案例的課堂講授可以采取正向和反向兩種形式，正向是采取“先知識點后案例”，即先講授知識點，再給出相應(yīng)案例;反向是“先案例后知識點”，即先給出案例讓學(xué)生思考，然后再講授相應(yīng)知識點?？梢愿鶕?jù)教學(xué)內(nèi)容的特點選擇案例的不同呈現(xiàn)方式。比如遺傳算法求取函數(shù)極值問題案例，采用后者來實施，學(xué)生通過該實驗案例，可以直觀了解編碼方式、遺傳參數(shù)、遺傳操作、求解過程，為獨立編程完成相關(guān)實驗打下良好基礎(chǔ)[10]。

（三）分組討論

美國教育學(xué)家布魯姆指出，課堂小組討論比教師單純采用講授式教學(xué)方法更能吸引學(xué)生的注意力，活躍學(xué)生的思維。一般在課程開始前就應(yīng)將學(xué)生進行分組，并指定一名組長，每小組4～6人;教師將實驗案例和思考與討論的題目通過組長發(fā)給每個小組成員，要求學(xué)生以分組討論的方式提出解決方案并撰寫相應(yīng)文檔和匯報PPT。在所有小組中選擇3～5個比較有特點的解決方案，以PPT匯報的形式在課堂上進行分享，每個小組的匯報時間控制在10分鐘以內(nèi)。比如搜索求解策略中的八數(shù)碼問題案例，各小組在組內(nèi)討論寬度優(yōu)先、深度優(yōu)先、A*算法的優(yōu)劣以及問題的最大的最少移動步驟數(shù)。通過小組匯報，可促進學(xué)生的競爭意識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

四、結(jié)語

針對目前國內(nèi)人工智能課程教學(xué)中偏重理論、缺乏實驗案例的這一問題，本文提出了人工智能實驗案例庫的建設(shè)要求以及案例教學(xué)—實踐活動—現(xiàn)實應(yīng)用有機融合的案例教學(xué)實踐新思想[11]。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基礎(chǔ)知識點案例、綜合應(yīng)用案例和創(chuàng)新型實驗案例三種類型的實驗案例庫，并開展案例教學(xué)方法的應(yīng)用與實踐，使學(xué)生不僅能夠掌握人工智能的相關(guān)原理與方法，而且具有應(yīng)用這些原理與方法獨立分析、解決復(fù)雜問題的能力，對提高課程教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)人工智能復(fù)合型人才具有十分重要的意義和參考價值[12]。

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[責任編輯：黃緊德]