人工智能技術(shù)課程實踐教學(xué)改革

張永梅 杜治蓉 馬禮

摘? 要： 根據(jù)人工智能技術(shù)課程的教學(xué)情況，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)案例、考核方式、培養(yǎng)實踐能力五個方面探討教學(xué)改革。提出在不斷更新教學(xué)內(nèi)容和“課堂講授-課下輔導(dǎo)”模式的基礎(chǔ)上，加強網(wǎng)絡(luò)資源的利用，增加貫穿整個教學(xué)過程的分組報告，設(shè)計出提高創(chuàng)新能力的教學(xué)案例，開展具有多元考核方式以及循序漸進的動態(tài)實驗設(shè)置模式的實踐教學(xué)改革，以有效地提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 人工智能; 實踐教學(xué); 多元考核方式; 動態(tài)實驗設(shè)置

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1006-8228（2021）02-83-03

Abstract： According to the teaching situation of artificial intelligence technology course， the paper discusses the teaching reform on the teaching content， teaching method， teaching case， examination method and practical ability cultivation. It is proposed that on the basis of constantly updating the teaching content and the mode of "in classroom teaching and after class tutoring"， strengthen the use of network resources， increase the group reports throughout the whole teaching process， design the teaching cases benefiting to improve the innovation ability， and carry out the reform of practical teaching with diversified assessment methods and progressive dynamic experiment setup， in order to effectively improve the teaching effect.

Key words： artificial intelligence; practical teaching; diversified assessment methods; dynamic experiment setup

0 引言

人工智能技術(shù)已經(jīng)成為國家重要發(fā)展戰(zhàn)略[1]。人工智能是計算機學(xué)科的一個分支，得到了學(xué)術(shù)界的廣泛重視，并在機器人、教育、醫(yī)療、交通管理中得到應(yīng)用。在大數(shù)據(jù)時代背景下，人工智能技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用場景不斷拓寬，為人們的生活提供便利。高校是培養(yǎng)人工智能人才的基地，需順應(yīng)時代的要求，與時俱進。2018年教育部印發(fā)的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》[2] 指出要加強高等院校對人工智能創(chuàng)新教育的力度。面對新一代人工智能發(fā)展的機遇，高等院校正在不斷強化基礎(chǔ)研究、學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)方面的優(yōu)勢，促進人工智能與教育深度融合、為教育變革提供新方式[3-4]。人工智能課程改革方面的研究隨著高校人工智能課程的逐漸增加而被廣泛研究[5-6]。

為了滿足社會對應(yīng)用型人工智能人才的需求，本文以北方工業(yè)大學(xué)的人工智能技術(shù)課程為例，分析目前存在的問題，針對這些問題給出教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)案例、實踐能力以及考核方式改革。通過改革，啟發(fā)學(xué)生對人工智能技術(shù)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的知識創(chuàng)新和實踐能力，為今后相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)習及研究奠定基礎(chǔ)。

1 人工智能技術(shù)課程存在問題分析

人工智能技術(shù)課程具有多學(xué)科交叉融合及綜合性、實踐性、前沿性、創(chuàng)新性強的特點，能夠為學(xué)生提供一種新的思維方法和問題求解手段，有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、創(chuàng)新精神、實踐能力和前瞻視野。目前高校開設(shè)的人工智能課程主要面向理工類學(xué)生，以北方工業(yè)大學(xué)為例，共開設(shè)5門人工智能課程，1門面向文科專業(yè)，4門面向理工科學(xué)生，后者包括機械電子專業(yè)、信息與計算機科學(xué)專業(yè)本科生，以及計算機科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)空間安全、電子信息碩士研究生。

人工智能技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容每年基本不變，缺乏新意，對于一些經(jīng)典的算法講解過于粗略，新知識補充不及時。在教學(xué)方法上比較單一，采用課堂講授，課下輔導(dǎo)的教學(xué)模式，不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，學(xué)校開設(shè)的人工智能課程多以試卷形式進行考核，考試內(nèi)容以基本概念和基本原理為主。

人工智能技術(shù)課程是一門計算機科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展最快，知識更新最快，最前沿的學(xué)科之一[7]。因此，在新工科背景下，課程改革需要有新的血液融入，更加注重人工智能技術(shù)課程的教學(xué)。

2 人工智能技術(shù)課程改革具體舉措

人工智能技術(shù)課程教學(xué)改革應(yīng)以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，通過更新教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)方法及創(chuàng)新考核方式，加深學(xué)生對人工智能領(lǐng)域相關(guān)研究方向的認識，逐步培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，激發(fā)學(xué)生對學(xué)習的興趣，將理論知識轉(zhuǎn)換為實踐技術(shù)，提高學(xué)生的實踐能力，為培養(yǎng)具備創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的新工科卓越人才奠定基礎(chǔ)。

⑴ 更新教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)目前存在的問題，人工智能技術(shù)課程采用蔡自興等編寫的《人工智能及其應(yīng)用（第5版）》教材，該書全面介紹了人工智能的相關(guān)技術(shù)及最新研究動態(tài)等，在前一版的基礎(chǔ)上增加了專家系統(tǒng)的設(shè)計方法、基于Web專家系統(tǒng)的開發(fā)工具以及深度學(xué)習等內(nèi)容，目前基本教學(xué)內(nèi)容包括七章，具體如表1所示。

人工智能技術(shù)發(fā)展迅速，相應(yīng)的課程內(nèi)容也應(yīng)該動態(tài)變化，授課時將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入教學(xué)過程，結(jié)合課程基本教學(xué)內(nèi)容分享給學(xué)生最新的技術(shù)方法;同時，精選教材中的經(jīng)典算法進行詳細分析，引導(dǎo)學(xué)生挖掘算法核心模型的構(gòu)建思路，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。例如在講授專家系統(tǒng)時，適當?shù)匾胫R圖譜的相關(guān)知識，講解機器學(xué)習中，除了介紹深度學(xué)習，還加入強化學(xué)習，深度強化學(xué)習的內(nèi)容，拓寬知識面;在自然語言理解章節(jié)，加入自動問答系統(tǒng)的介紹。

⑵ 優(yōu)化教學(xué)方法

為了更好地鼓勵研究生自主高效地參與到學(xué)習過程中，在“課堂講授-課下輔導(dǎo)”模式的基礎(chǔ)上，增加網(wǎng)絡(luò)資源的利用以及分組報告貫穿整個教學(xué)過程。具體來說，利用MOOC、國家精品課程以及人工智能微信公眾號（AI）等平臺查漏補缺，進一步了解人工智能最新技術(shù)。利用校園網(wǎng)，及時發(fā)布國際化的、最前沿的、最新的相關(guān)國際學(xué)術(shù)、活動和競賽，增強學(xué)生的國際化視野，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和國際化交流水平。

分組報告則是從課程開始分組（按照學(xué)生研究方向進行分組），在課程的教學(xué)過程中，每個小組以團隊的形式進行學(xué)習匯報，例如在機器學(xué)習這章，學(xué)生可以結(jié)合自己小組的研究方向，以圖像處理為例，可以選擇貓狗分類，或者新冠肺炎與流行感冒的分類，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行學(xué)習，最后以報告的形式展示學(xué)習成果。分組報告激發(fā)了學(xué)生對人工智能技術(shù)的學(xué)習興趣，有效提高了學(xué)生的自主研究能力和創(chuàng)新能力。

⑶ 提出并設(shè)計提高創(chuàng)新能力的教學(xué)案例

人工智能技術(shù)以機器學(xué)習，特別是深度學(xué)習為核心，算法的突破是人工智能發(fā)展的核心，我們提出并設(shè)計提高創(chuàng)新能力的教學(xué)案例，及時將最前沿的科研學(xué)術(shù)成果不斷充實到課堂，彌補原有課程知識與最新研究之間的“斷層”，提高學(xué)生的學(xué)習興趣，提升人才培養(yǎng)能力和水平。將深度學(xué)習與機器視覺融合及應(yīng)用，提出基于深度學(xué)習的目標跟蹤方法、目標識別方法，以及視頻車輛和人群異常檢測方法，體現(xiàn)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展。

機器人的未來趨勢是自動化、智能化，需要在不確定的環(huán)境中自主決策。提出并設(shè)計智能化機器人的相關(guān)算法，具體包括研究機器人運動規(guī)劃方法，將基于多模態(tài)信息感知與人機交互研究機器人定位技術(shù)及運動規(guī)劃方法，給出最佳路徑和角度，完成目標位置坐標計算。提出并設(shè)計基于機器學(xué)習的機器人協(xié)調(diào)控制方法，協(xié)調(diào)控制機器人，實現(xiàn)基于少量樣本的機器人高效學(xué)習。

⑷ 創(chuàng)新考核方式

人工智能技術(shù)課程覆蓋范圍廣，交叉性強，不容易理解，由于獨特的學(xué)科特性，傳統(tǒng)的單一試卷考核方式對其適應(yīng)性不好。我們采取多元化的考核方式，即考核總成績=課堂出勤+課程作業(yè)+實驗+分組匯報+期末論文的形式進行考核。期末論文主要是利用本課程所學(xué)方法或者學(xué)生自學(xué)的前沿技術(shù)解決與學(xué)生研究方向一致的實際或者理論問題。

將分組匯報也列入考核范圍，匯報主要形式是PPT展示，學(xué)生將自己的學(xué)習成果制作成PPT，在課堂上進行展示和答辯。展示的內(nèi)容可以是人工智能領(lǐng)域的一個具體應(yīng)用場景（如車牌識別、手寫數(shù)字識別、機器人路徑規(guī)劃等）進行自主設(shè)計和開發(fā)。這種多元化考核方式有效提升了學(xué)生的表達能力和科研能力。

⑸ 培養(yǎng)實踐能力

人工智能技術(shù)是一門理論性和實踐性都很強的課程，實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)對該課程尤為重要。人工智能技術(shù)課程主要通過上機實驗，以及參加教師的科研項目來培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、算法設(shè)計能力和編程能力，不僅涉及程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計等學(xué)習過的知識，還涉及到最新的人工智能技術(shù)和方法，綜合性比較強。我們采取分章節(jié)、分層次、循序漸進的動態(tài)上機實踐，推薦采用Python作為編程語言，將創(chuàng)新性作為培養(yǎng)目標，鼓勵學(xué)生勇于打破常規(guī)的思維，創(chuàng)造性地完成實驗內(nèi)容，并解決理論或者實際問題。主要實驗內(nèi)容及更新實驗如表2所示。

人工智能技術(shù)實驗注重理論與實踐的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的編程能力。循序漸進式動態(tài)實驗設(shè)置形式，根據(jù)人工智能技術(shù)前沿和更新的教學(xué)內(nèi)容及時更新實驗內(nèi)容。實踐證明，這樣的實驗設(shè)置方式更能有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維模式，提高學(xué)生的實踐能力。

3 結(jié)束語

人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，各行各業(yè)都需要“人工智能+”型人才。隨著社會人才需求量增加，對人才本身素質(zhì)的要求也在不斷增加。本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)案例、考核方式、實踐能力五個方面進行探討，給出目前課程存在的問題及具體改進方法，明顯提高了學(xué)生的自主研究能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻（References）：

[1] 夏小娜，戚萬學(xué)，禹繼國等.學(xué)習分析視角下的課程群體協(xié)作行為——以“高級軟件工程”課程為例[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù)，2018.28（9）：48-54

[2] 王婷婷，任友群.人工智能時代的人才戰(zhàn)略——《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》解讀之三[J]. 遠程教育雜志，2018.36（5）：54-61

[3] 袁廣林.人工智能時代高等教育變革[J].國家教育行政學(xué)院學(xué)報，2019.8：11-17

[4] 黎加厚.人工智能時代的教育關(guān)鍵在于“育人”[J].人民教育，2019.11：134-135

[5] 周立凡，夏瑜，嚴衛(wèi).基于藍墨云班課的《人工智能》課程教學(xué)改革與實踐[J].電腦知識與技術(shù)，2019.15（25）：124-125

[6] 馮驥.人工智能課程教學(xué)實踐與探索研究[J].電腦知識與技術(shù)，2019.15（17）：126-136

[7] 張永梅，馬禮，吳攀.《人工智能技術(shù)》教學(xué)與實踐[J].電腦知識與技術(shù)，2014.16：3865-3866