人工智能實踐教學(xué)的創(chuàng)新探索

王旭 周晉 李雙壽

[摘 要] 人工智能正在應(yīng)用到各個領(lǐng)域，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動力，因而急需大量的應(yīng)用型人才。高校是我國人工智能人才培養(yǎng)的主要陣地，開展人工智能實踐教學(xué)是培養(yǎng)人工智能應(yīng)用型人才的重要途徑。由于人工智能應(yīng)用涉及的專業(yè)領(lǐng)域眾多，且學(xué)生的學(xué)科背景迥異，對人工智能產(chǎn)業(yè)缺乏認知，實踐教學(xué)的有效開展面臨著諸多挑戰(zhàn)。清華iCenter在人工智能實踐教學(xué)中，創(chuàng)新設(shè)計了由人工智能產(chǎn)業(yè)導(dǎo)引、應(yīng)用探究、應(yīng)用實踐構(gòu)成的三段式教學(xué)法，并取得了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 人工智能;實踐教學(xué);跨學(xué)科;應(yīng)用型人才

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）04-0073-05? ? [收稿日期] 2020-08-27

一、引言

人工智能的迅速發(fā)展將深刻改變?nèi)祟惿鐣?、改變世界，并正在成為國際競爭的新焦點、經(jīng)濟發(fā)展的新引擎和社會建設(shè)的新機遇。2017年國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》，明確提出要把高端人才隊伍建設(shè)作為人工智能發(fā)展的重中之重，完善人工智能教育體系，加強人才儲備和梯隊建設(shè)[1]。

高校處于科技第一生產(chǎn)力、人才第一資源、創(chuàng)新第一動力的結(jié)合點。2018年教育部發(fā)布了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，提出到2025年高校要在新一代人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)質(zhì)量方面有顯著提升，到2030年高校成為建設(shè)世界主要人工智能創(chuàng)新中心的核心力量和引領(lǐng)新一代人工智能發(fā)展的人才高地[2]。

隨著人工智能在交通、醫(yī)療健康、教育、金融、制造業(yè)等多個領(lǐng)域快速應(yīng)用及發(fā)展，人工智能的應(yīng)用及實施急需大量的應(yīng)用型人才。高校作為人才培養(yǎng)的主要陣地，開展人工智能實踐教學(xué)是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要方法[3，4]。麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等世界一流大學(xué)在本科生人工智能人才培養(yǎng)中，普遍重視人工智能人才實踐能力的培養(yǎng)，并為學(xué)生提供了大量的實踐機會[5]。

二、清華ICenter人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育平臺

（一）平臺介紹

清華iCenter是清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心建設(shè)的服務(wù)于“雙創(chuàng)”教育的跨學(xué)科創(chuàng)客實踐平臺。它聚合學(xué)校和社會相關(guān)創(chuàng)新教育資源，基于“I”的“工業(yè)級（Industry）、學(xué)科交叉（Interdisciplinary）、創(chuàng)新性（Innovation）、國際化（International）和以學(xué)生為主體（I）”，探索新時代的跨學(xué)科創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式。[6，7]

清華大學(xué)人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修專業(yè)始建于2016年，是清華iCenter建設(shè)的人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育平臺。它是清華大學(xué)國家“雙創(chuàng)”示范基地重點工程“清華大學(xué)服務(wù)于‘雙創(chuàng)教育的跨學(xué)科創(chuàng)客實踐平臺”的建設(shè)項目之一，由清華iCenter與清華大學(xué)17個院系共建而成，旨在培養(yǎng)人工智能應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。

（二）培養(yǎng)體系

1.培養(yǎng)目標(biāo)。人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修專業(yè)基于國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，面向全球共性的前沿領(lǐng)域，聚焦人工智能創(chuàng)新應(yīng)用，通過導(dǎo)師指導(dǎo)下的團隊項目實踐和跨界學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握全球化背景下的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論、方法和工具;以創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)為核心，拓展學(xué)生的創(chuàng)新力和領(lǐng)導(dǎo)力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力。

2.培養(yǎng)方案。人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修專業(yè)的培養(yǎng)方案由共同課組、核心實踐模塊、選修課組（含技術(shù)模塊、設(shè)計模塊、商業(yè)模塊）三部分組成（圖1）。其中，“核心實踐模塊”是人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修專業(yè)的核心及特色培養(yǎng)環(huán)節(jié)。在該模塊中，學(xué)生將在智能硬件、機器人、智能交通、智慧醫(yī)療、智慧城市五個領(lǐng)域中選擇一個領(lǐng)域，并開展人工智能創(chuàng)新實踐。

三、人工智能實踐教學(xué)

（一）教學(xué)設(shè)計

人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修專業(yè)的核心培養(yǎng)環(huán)節(jié)是核心實踐模塊，其做法是交叉學(xué)科的學(xué)生團隊在跨專業(yè)導(dǎo)師團隊的指導(dǎo)下，圍繞人工智能的典型應(yīng)用場景，合作開展人工智能創(chuàng)新實踐。人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修根據(jù)創(chuàng)新實踐項目特點，靈活開設(shè)了智能硬件等五個實踐領(lǐng)域。

人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修專業(yè)的學(xué)生廣泛分布于全校各個院系。因?qū)I(yè)背景的差異，他們對人工智能的認知程度參差不齊，并普遍缺乏人工智能產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗。針對學(xué)生特點，為讓各專業(yè)學(xué)生快速、有效地開展人工智能應(yīng)用實踐，清華iCenter設(shè)計了人工智能實踐的三段式教學(xué)法（圖2）。

1.階段一：人工智能產(chǎn)業(yè)導(dǎo)引。通過本環(huán)節(jié)，引導(dǎo)各學(xué)科學(xué)生走進人工智能產(chǎn)業(yè)，建立對人工智能產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用場景的準(zhǔn)確認知，建立對智慧醫(yī)療、智能交通、智慧城市等不同領(lǐng)域的概念認知和感性認識。

2.階段二：人工智能應(yīng)用探究。引導(dǎo)學(xué)生在人工智能產(chǎn)業(yè)認知的基礎(chǔ)上，通過發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，思考可能的解決辦法，具備能夠深入探究一個特定的人工智能應(yīng)用領(lǐng)域的能力。

3.階段三：人工智能應(yīng)用實踐。指導(dǎo)學(xué)生在人工智能應(yīng)用探究的基礎(chǔ)上，選擇該領(lǐng)域的具體問題和產(chǎn)品方向，開展應(yīng)用實踐，即針對人工智能應(yīng)用探究環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)問題，提出解決辦法并付諸實施。

在教學(xué)實踐中，人工智能實踐的三段式教學(xué)法分別以“人工智能產(chǎn)業(yè)導(dǎo)引”課程以及“人工智能創(chuàng)新實踐”系列課程為載體開展。

（二）教學(xué)內(nèi)容

人工智能實踐三段式教學(xué)各階段所包含的教學(xué)內(nèi)容如圖3所示。

1.階段一：人工智能產(chǎn)業(yè)導(dǎo)引。面向人工智能入門和產(chǎn)業(yè)認知，該階段包含團隊共建、平臺導(dǎo)覽、產(chǎn)業(yè)認知、共學(xué)共研四個教學(xué)單元。

2.階段二：人工智能應(yīng)用探究。面向特定領(lǐng)域的縱深研究，該階段包含應(yīng)用產(chǎn)品深入分析、文獻調(diào)研、學(xué)習(xí)專利申請、產(chǎn)業(yè)導(dǎo)師交流與指導(dǎo)、產(chǎn)業(yè)走訪與調(diào)研等多個環(huán)節(jié)。

3.階段三：人工智能應(yīng)用實踐。面向問題及方案的解決與實踐，該階段包含組隊及選題研究、開題答辯、原型設(shè)計與實施、中期匯報、方案修正及完善、成果匯報及展示等多個環(huán)節(jié)。

（三）人工智能產(chǎn)業(yè)導(dǎo)引課程

“人工智能產(chǎn)業(yè)導(dǎo)引”課程是人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修專業(yè)首個學(xué)期的必修課，也是人工智能實踐三段式教學(xué)法第一階段的實施載體。它通過團隊共建、平臺導(dǎo)覽、產(chǎn)業(yè)認知、共學(xué)共研四個環(huán)節(jié)的交互作用，帶領(lǐng)學(xué)生走進智能硬件、機器人、智能交通、智慧醫(yī)療、智慧城市等多個領(lǐng)域，逐步深入了解并思考人工智能的可能應(yīng)用及對各領(lǐng)域帶來的變革，并開拓學(xué)生的思路，為接下來在階段二和階段三開展應(yīng)用探究和應(yīng)用實踐奠定認知基礎(chǔ)和團隊基礎(chǔ)。

（四）人工智能創(chuàng)新實踐系列課程

人工智能創(chuàng)新實踐系列課程，是人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修專業(yè)第二、第三學(xué)期開展的必修課，是人工智能實踐三段式教學(xué)法中的階段二（應(yīng)用探究）和階段三（應(yīng)用實踐）的實施載體。它根據(jù)人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修專業(yè)的五個領(lǐng)域劃分，由智能硬件、機器人、智能交通、智慧醫(yī)療、智慧城市五個系列的課組構(gòu)成（表1），分別在兩個學(xué)期連續(xù)開展。

通過人工智能實踐系列課程學(xué)習(xí)，學(xué)生將充分體驗、深刻理解并深入研究某一領(lǐng)域中的現(xiàn)存問題，從而反思現(xiàn)狀，認識行業(yè)背景，了解產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。通過動手實踐解決方法和產(chǎn)品方案，學(xué)習(xí)和掌握人工智能技術(shù)及交叉領(lǐng)域結(jié)合問題的處理方法。

1.智能硬件專業(yè)創(chuàng)新實踐。本領(lǐng)域的創(chuàng)新實踐，主要針對智慧生活、工作、學(xué)習(xí)、健康、交通、環(huán)境等領(lǐng)域的需求，以人機交互設(shè)計與智能科技為依托，以產(chǎn)業(yè)化為導(dǎo)向，探索智能硬件產(chǎn)品的未來方向。通過創(chuàng)新實踐，學(xué)生將學(xué)會運用嵌入式產(chǎn)業(yè)最新的技術(shù)工具，掌握智能硬件的設(shè)計方法和基本技能，完成一款智能硬件產(chǎn)品原型的設(shè)計與實現(xiàn)，并嘗試實踐其市場化的推廣，從而全面提高學(xué)生在智能硬件領(lǐng)域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力。

2.機器人專業(yè)創(chuàng)新實踐。本領(lǐng)域的創(chuàng)新實踐主要針對服務(wù)、娛樂、教育、軍事等方面的需求，以機器學(xué)及人工智能技術(shù)等前沿技術(shù)為依托，以產(chǎn)業(yè)化為導(dǎo)向，探索具有創(chuàng)新性的機器人產(chǎn)品設(shè)計與原型技術(shù)并實現(xiàn)技術(shù)向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化。創(chuàng)新實踐注重銜接和綜合運用團隊成員跨界學(xué)習(xí)人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修專業(yè)所開設(shè)課程的理論知識和專業(yè)技能，要求項目團隊完成用戶調(diào)研、需求分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、原型開發(fā)、實驗驗證和初創(chuàng)企業(yè)策劃等六個實踐環(huán)節(jié)，全面提高學(xué)生在機器人領(lǐng)域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力。

3.智能交通專業(yè)創(chuàng)新實踐。本領(lǐng)域的創(chuàng)新實踐針對智慧城市背景下人們?nèi)找骖l繁而又個性化的出行需求，以及日益突出的交通擁堵、交通安全及交通污染問題，從管理決策者、運營維護者及參與使用者的不同視角，探索智能交通領(lǐng)域包括模式、服務(wù)、設(shè)計等在內(nèi)的產(chǎn)品發(fā)展方向。創(chuàng)新實踐以完成一種新型交通出行手段/技術(shù)/商業(yè)模式開發(fā)為目標(biāo)，要求項目團隊結(jié)合社會需求和科技發(fā)展的趨勢，探索智能交通領(lǐng)域的未來方向，并通過指導(dǎo)學(xué)生團隊完成用戶調(diào)研、需求分析、系統(tǒng)設(shè)計和初步的原型開發(fā)以及產(chǎn)品市場推廣，全面提高學(xué)生在智能交通領(lǐng)域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力。

4.智慧醫(yī)療專業(yè)創(chuàng)新實踐。本領(lǐng)域的創(chuàng)新實踐針對廣大人民對健康、高質(zhì)量生活的向往和老齡化社會對疾病精準(zhǔn)高效的預(yù)防和診療需求，以人工智能、生物醫(yī)學(xué)工程和基礎(chǔ)臨床醫(yī)學(xué)為依托，探索遠程、智能和精準(zhǔn)的疾病預(yù)防和診療技術(shù)和應(yīng)用模式。創(chuàng)新實踐以學(xué)生為中心，以完成一項智慧醫(yī)療項目為目標(biāo)，關(guān)注學(xué)生的創(chuàng)新激情，幫助學(xué)生了解醫(yī)療健康技術(shù)產(chǎn)業(yè)趨勢，認識該領(lǐng)域的前沿創(chuàng)新，開展智能技術(shù)與醫(yī)療健康的交叉的科研活動及產(chǎn)品開發(fā)，全面提高學(xué)生在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力。

5.智慧城市專業(yè)創(chuàng)新實踐。本領(lǐng)域的創(chuàng)新實踐針對城市、建筑、環(huán)境、景觀、水務(wù)、能源等應(yīng)用場景，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及泛在IoT網(wǎng)絡(luò)等，小尺度關(guān)注智慧家居、智能建筑設(shè)計、智能電力及能效需求側(cè)管理、設(shè)備管理及建筑節(jié)能等，中尺度聚焦智慧化城市環(huán)境、景觀、智能新能源發(fā)電的設(shè)計、監(jiān)測與管理，大尺度探索城市大數(shù)據(jù)的挖掘及智慧化、系統(tǒng)化應(yīng)用，總體基于前瞻性視角，以產(chǎn)業(yè)化為導(dǎo)向，強調(diào)參與性、創(chuàng)新性、應(yīng)用性，探索多尺度的人居環(huán)境問題的創(chuàng)新解決策略。創(chuàng)新實踐致力于學(xué)生創(chuàng)新能力的持續(xù)成長和價值提升，學(xué)生通過智慧城市專業(yè)的創(chuàng)新實踐，能夠運用智慧城市認知與新數(shù)據(jù)方法，開發(fā)出智慧城市建設(shè)模型，并初步提出建造智慧城市與智能公共空間與設(shè)施的方案，從而全面提高在智慧城市領(lǐng)域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力。

（五）教學(xué)支撐

為支撐跨學(xué)科人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)體系充分實施，清華iCenter與17個院系共建了由40余名校內(nèi)導(dǎo)師組成的師資團隊，并形成了穩(wěn)定的跨學(xué)科交叉教師團隊的工作氛圍和工作機制。

為支撐人工智能實踐有效開展，清華iCenter針對五個領(lǐng)域分別建設(shè)了智能硬件實驗室、機器人實驗室、智能交通實驗室、智慧醫(yī)療實驗室、智慧城市實驗室等五個實驗室。各實驗室不僅向?qū)W生提供學(xué)習(xí)空間、實踐場地、實驗材料與設(shè)備以及加工服務(wù)，還配備了專業(yè)、充足的實驗室?guī)熧Y隊伍，以支持學(xué)生開展創(chuàng)新實踐和實驗。

四、教學(xué)實施

截至目前，人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修專業(yè)已開展四屆，培養(yǎng)學(xué)生近200余名。通過調(diào)查人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修專業(yè)的學(xué)生的學(xué)習(xí)意向可知，91%的學(xué)生對繼續(xù)深入學(xué)習(xí)人工智能抱有濃厚的興趣。從學(xué)生分布看，廣泛分布于全校30個院系，涵蓋工科、理科、文科、醫(yī)科、設(shè)計等各大學(xué)科（圖4）。

隨著人工智能實踐三段式教學(xué)法的實施，學(xué)生對核心模塊人工智能創(chuàng)新實踐的滿意度，從初始的35%上升至80%（圖5），開展創(chuàng)新實踐項目50余項。伴隨人工智能實踐的開展，學(xué)生發(fā)表的專利、論文、參賽獲獎數(shù)目達30余項。

五、總結(jié)

人工智能已跨界到各領(lǐng)域，成為產(chǎn)業(yè)升級的重要驅(qū)動力?；谌斯ぶ悄艿膭?chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力是當(dāng)代學(xué)生重要的競爭能力之一，也是學(xué)生服務(wù)于國家及社會發(fā)展需求的重要素養(yǎng)。清華大學(xué)iCenter創(chuàng)建了人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔修專業(yè)，并創(chuàng)新設(shè)計了人工智能實踐的三段式教學(xué)法，科學(xué)引導(dǎo)各專業(yè)學(xué)生有效開展人工智能應(yīng)用實踐，并結(jié)合各自的專業(yè)優(yōu)勢尋找創(chuàng)新的解決辦法，取得了良好的教學(xué)效果和一定的社會影響。

參考文獻

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