人工智能與機(jī)器視覺通識(shí)類課程建設(shè)探討

戚瑋瑋 鄭樹彬 李立明

摘? 要：為貫徹落實(shí)國家關(guān)于高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃，探索“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式，開展了人工智能與機(jī)器視覺通識(shí)類課程建設(shè)。課程建設(shè)以人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)和人工智能學(xué)科體系建設(shè)為目標(biāo)。針對(duì)人工智能理論性強(qiáng)、人工智能系統(tǒng)復(fù)雜的學(xué)科特點(diǎn)，課程以機(jī)器視覺為切入點(diǎn)開展人工智能的教學(xué)，側(cè)重案例教學(xué)、編程教學(xué)等方式，幫助學(xué)生理解人工智能的理論基礎(chǔ)、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題和設(shè)計(jì)開發(fā)的能力。

關(guān)鍵詞：人工智能? 機(jī)器視覺? 案例教學(xué)? 編程教學(xué)

中圖分類號(hào)：G434 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）02（c）-0188-04

Discussion on the Construction of General Courses of Artificial Intelligence and Machine Vision

QI Weiwei? ZHENG Shubin? LI Liming

（School of Urban Railway Transportation， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai， 201620 China）

Abstract： In order to implement the national artificial intelligence innovation action plan for colleges and universities， and explore the "Artificial intelligence + X" talent training model， the construction of artificial intelligence and machine vision general courses has been carried out. The curriculum construction aims at the cultivation of talents in the field of artificial intelligence and the construction of artificial intelligence discipline system. In view of the academic characteristics of artificial intelligence and the complexity of artificial intelligence system， take machine vision as the breakthrough point to artificial intelligence teaching， focusing on case teaching， programming teaching and helping students understand the theoretical basis， realization and application of artificial intelligence. Students' learning enthusiasm is inspired. Students' ability to understand and solve practical problems is cultivated. Students' ability of designing and development is improved.

Key Words： Artificial intelligence; Machine vision; Case teaching; Programming teaching

近年來，隨著深度學(xué)習(xí)模型在算法層取得突破，大數(shù)據(jù)的發(fā)展，以及運(yùn)算芯片的研發(fā)，人工智能技術(shù)從理論研究走向工業(yè)應(yīng)用和民用領(lǐng)域，行業(yè)進(jìn)入全面爆發(fā)期，人工智能迎來第三次高潮。人工智能正在引發(fā)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，因其在科技發(fā)展過程中的重要作用以及為產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展帶來的巨大機(jī)遇，世界各國紛紛將人工智能上升至國家戰(zhàn)略高度，以此搶抓人工智能發(fā)展的重大戰(zhàn)略機(jī)遇，保持本國研發(fā)前沿性和獨(dú)創(chuàng)性[1]。在此背景下，人工智能領(lǐng)域的人才培養(yǎng)成為高校的發(fā)展趨勢(shì)和重要任務(wù)。2017 年 7月《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》發(fā)布，系統(tǒng)闡述了新一代人工智能的內(nèi)涵，并繪制了2030年前我國人工智能的發(fā)展藍(lán)圖，其中明確提出“加快培養(yǎng)聚集人工智能高端人才”、“建設(shè)人工智能學(xué)科”和“形成‘人工智能 +X復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)新模式”[2]。2018年4月，教育部印發(fā)了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，將完善人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系作為三大任務(wù)之一，并且提出“加強(qiáng)人工智能領(lǐng)域?qū)I(yè)建設(shè)、加強(qiáng)人工智能領(lǐng)域才培養(yǎng)、構(gòu)建人工智能多層次教育體系”。另外，該行動(dòng)計(jì)劃指出應(yīng)加快人工智能在教育領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，利用智能技術(shù)支撐人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新、教學(xué)方法的改革、教育治理能力的提升，構(gòu)建智能化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化、終身化的教育體系。因此，在本科階段，開設(shè)通識(shí)類的人工智能課程非常有必要[3]。

1? 人工智能與機(jī)器視覺通識(shí)類課程建設(shè)的需求分析

1.1 人工智能通識(shí)類課程存在的問題

近年來，隨著人工智能在各行業(yè)廣泛應(yīng)用，該領(lǐng)域人才需求呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，人才供給總量卻嚴(yán)重不足，盡管各高校已經(jīng)認(rèn)識(shí)到人工智能人才需求和培養(yǎng)的緊迫性，人工智能系列通識(shí)課程成為所有高校各個(gè)專業(yè)特別是理工科學(xué)生的必修課程。但是由于人工智能是涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、語言學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科，大多數(shù)高校人工智能尚未形成自己獨(dú)特的課程體系[4-5]。人工智能相關(guān)基礎(chǔ)課程的開設(shè)，大多是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、軟件工程、電子通信工程等一級(jí)學(xué)科中，很多其他專業(yè)的學(xué)生由于種種原因可能選修不到這些課程。常規(guī)的人工智能課程多以講解深?yuàn)W抽象的算法為主，并且需要學(xué)生具有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、較強(qiáng)的邏輯思維和編程能力等。對(duì)于本科生來說，難以深刻理解課程中所涉及的抽象的原理和方法，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果欠佳，未達(dá)到課程的培養(yǎng)目標(biāo)[6]。筆者負(fù)責(zé)人工智能基礎(chǔ)專業(yè)課的教學(xué)，對(duì)此深有體會(huì)。

1.2 人工智能與機(jī)器視覺的通識(shí)類課程的優(yōu)勢(shì)

針對(duì)本科生人工智能通識(shí)課教育存在的問題，本科生人工智能通識(shí)類課程不宜繁而復(fù)雜，應(yīng)該以少而精以引導(dǎo)入門為主，以點(diǎn)帶面，通過同學(xué)們經(jīng)典熟知的應(yīng)用帶同學(xué)們切入人工智能學(xué)習(xí)中。機(jī)器視覺是人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域之一，主要通過視覺設(shè)備采集圖像，對(duì)圖像進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別檢測(cè)等任務(wù)。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人視覺在檢測(cè)，人臉識(shí)別、人臉支付、無人駕駛、機(jī)器人等方面應(yīng)用廣泛。相比較于人工智能的其他應(yīng)用分支，機(jī)器視覺更直觀和顯著，更能激發(fā)學(xué)生們學(xué)習(xí)人工智能的興趣。以機(jī)器視覺應(yīng)用為切入點(diǎn)進(jìn)行人工智能的學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生更加深刻理解典型人工智能算法的原理，充分體驗(yàn)人工智能系統(tǒng)的基本過程與方法[7]?？梢允箤W(xué)生對(duì)人工智能和機(jī)器視覺從整體上有一個(gè)清晰全面的系統(tǒng)了解，掌握人工智能和機(jī)器視覺的基本概念，基本原理和基本方法，了解典型人工智能算法在機(jī)器視覺領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)過程，了解人工智能在機(jī)器視覺方面的研究與應(yīng)用的最新進(jìn)展和發(fā)展方向，開闊學(xué)生視野、提高分析解決問題的能力，為將來使用人工智能的相關(guān)方法和理論解決實(shí)際問題奠定初步基礎(chǔ)。

2? 人工智能與機(jī)器視覺通識(shí)類課程內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)對(duì)人工智能通識(shí)課的教學(xué)情況和學(xué)生學(xué)習(xí)情況的調(diào)研，通過分析人工智能思想，方法和技術(shù)現(xiàn)狀，可以在課程教學(xué)中通過4個(gè)模塊構(gòu)建人工智能與機(jī)器視覺的能力知識(shí)和能力結(jié)構(gòu)，主要內(nèi)容見表1[8-9]。教學(xué)目標(biāo)是通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生要對(duì)人工智能和機(jī)器視覺從整體上有一個(gè)較清晰全面的系統(tǒng)了解，能陳述人工智能和機(jī)器視覺的基本概念和基本思想，理解典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)，學(xué)習(xí)人工智能在機(jī)器視覺應(yīng)用中的重要算法，了解典型人工智能算法在機(jī)器視覺領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)過程，充分體驗(yàn)人工智能系統(tǒng)的基本過程與方法，為將來使用人工智能的方法解決相關(guān)實(shí)際問題奠定基礎(chǔ)，形成積極思考、嚴(yán)謹(jǐn)創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度和解決實(shí)際問題的能力。最終達(dá)到的教學(xué)效果，使學(xué)生了解人工智能發(fā)展歷史、主要研究?jī)?nèi)容、研究方法，了解圖像的基本概念，典型的圖像預(yù)處理、特征提取的方法，掌握人工智能典型的機(jī)器學(xué)習(xí)方法在機(jī)器視覺上的應(yīng)用，具備更廣更深的角度，思考問題、解決問題的意識(shí)。開闊的先進(jìn)、高級(jí)控制方法和技術(shù)方面的視野，提升學(xué)生科學(xué)研究的能力。

3? 人工智能與機(jī)器視覺通識(shí)類課程的教學(xué)實(shí)踐

課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)，開設(shè)類型為通識(shí)課，適用層次是本科，主要面向理工科專業(yè)的學(xué)生，先修課程主要包括高等數(shù)學(xué)、概率論、線性代數(shù)、離散數(shù)學(xué)、高級(jí)語言編程等，該課程可以在大學(xué)三、四年級(jí)開設(shè)。選修該課程的學(xué)生對(duì)人工智能和編程技術(shù)有濃厚的興趣，學(xué)習(xí)積極性高，大部分能夠潛心研究人工智能的理論基礎(chǔ)，課上積極參與討論，并積極完成編程實(shí)驗(yàn)，課程受到同學(xué)們的歡迎。同學(xué)們能夠?qū)θ斯ぶ悄苡幸粋€(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)人工智能的基本原理基本方法有了較為深刻的理解，通過機(jī)器視覺的案例，將枯燥的理論學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，讓同學(xué)們了解身邊耳熟能詳?shù)臋C(jī)器視覺應(yīng)用用到了哪些人工智能理論和方法。通過代碼閱讀，了解機(jī)器算法的實(shí)現(xiàn)，通過編寫代碼，提高了編程能力，掌握了設(shè)計(jì)開發(fā)智能系統(tǒng)的基本方法，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3.1 教學(xué)方法

3.1.1 基于案例的教學(xué)方法

人工智能的知識(shí)體系比較龐大，理論和方法比較抽象，一些經(jīng)典的智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，知識(shí)基礎(chǔ)有限的本科生來說，在學(xué)時(shí)有限的情況下，有些內(nèi)容無法進(jìn)行深入的原理講解和實(shí)踐教學(xué)。鑒于這種情況，結(jié)合知識(shí)內(nèi)容不同，教學(xué)過程以基于機(jī)器視覺的城市軌道車輛檢測(cè)系統(tǒng)、人臉識(shí)別、無人駕駛、足球機(jī)器人等學(xué)生耳熟能詳?shù)陌咐胧?，讓學(xué)生探究這些案例中的人工智能理論和方法的應(yīng)用。對(duì)這些案例的機(jī)器視覺系統(tǒng)盡心剖析分解，了解整個(gè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)搭建、圖像采集、圖像處理、特征提取、機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)行特征進(jìn)行分類等各個(gè)環(huán)節(jié)。一方面能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神，另一方面運(yùn)用了從特殊到一般、再從一般到特殊的學(xué)習(xí)方法，遵循實(shí)踐-理論-實(shí)踐的脈絡(luò)，讓學(xué)生從特定應(yīng)用實(shí)例中體會(huì)人工智能理論和方法的功能，然后再去學(xué)習(xí)理論和方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，歸納總結(jié)人工理論和方法的特點(diǎn)以及常見的應(yīng)用場(chǎng)合，讓學(xué)生充分體驗(yàn)人工智能系統(tǒng)的基本方法的實(shí)現(xiàn)過程。

3.1.2 基于編程的教學(xué)方法

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，編程是對(duì)專業(yè)知識(shí)和理論的最好實(shí)踐手段。理解人工智能的原理和方法，編程實(shí)現(xiàn)是一個(gè)很好的途徑。本課程以Python語言為開發(fā)工具，以Pycharm作為開發(fā)環(huán)境，要求學(xué)生學(xué)習(xí)掌握Python中的基本操作、數(shù)據(jù)類型、控制和循環(huán)語句，掌握Python常用庫，了解OpenCV圖像處理庫。鑒于部分選課學(xué)生大都有程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，利用6個(gè)學(xué)時(shí)進(jìn)行Python語言應(yīng)用預(yù)備教學(xué)。通過講解案例涉及到的中圖像處理以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法的代碼，展示代碼運(yùn)行的效果，讓同學(xué)們直觀感受機(jī)器視覺的處理、實(shí)現(xiàn)過程及處理后的結(jié)果。并讓同學(xué)們編寫實(shí)現(xiàn)其中的部分代碼，作為小實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)一些圖像處理、特征提取、機(jī)器學(xué)習(xí)算法的代碼，并傳授給學(xué)生設(shè)置斷點(diǎn)調(diào)式程序的方法和技巧，提高同學(xué)們的編程能力。通過案例和編程相結(jié)合的教學(xué)，一方面讓學(xué)生了解了人工智能理論和方法的實(shí)現(xiàn)，另一方面激發(fā)了同學(xué)們的編程興趣，提高了同學(xué)們的編程能力，為同學(xué)們以后設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人工智能系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

3.2 存在問題及對(duì)策

由于人工智能的理論和方法比較抽象和復(fù)雜，理論基礎(chǔ)涉及到很多數(shù)學(xué)知識(shí)，部分?jǐn)?shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)普遍存在困難。由于教學(xué)學(xué)時(shí)有限，部分編程基礎(chǔ)弱的學(xué)生在編程實(shí)踐時(shí)存在一定的困難，需要對(duì)課程目標(biāo)和考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步評(píng)估，并據(jù)此重構(gòu)部分教學(xué)內(nèi)容。

4? 結(jié)語

自2019年秋季學(xué)期，學(xué)校開設(shè)人工智能基礎(chǔ)課程，初步探索了普及性人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容，經(jīng)過2輪課程教學(xué)實(shí)踐，梳理了教學(xué)知識(shí)體系，并通過教學(xué)實(shí)踐探索了人工智能基礎(chǔ)的教學(xué)方法。在此基礎(chǔ)上，在2020年春季學(xué)期，結(jié)合自身科研方向，開設(shè)了人工智能與機(jī)器視覺通識(shí)課程，以機(jī)器視覺為切入點(diǎn)進(jìn)行人工智能學(xué)習(xí)，下一步需要總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，凝練教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)案例，完善案例代碼，使人工智能通識(shí)教育課程體現(xiàn)更強(qiáng)的學(xué)科融合和工程性特質(zhì)，支撐人工智能通識(shí)課教育的開展。

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