基于“立地頂天”教學理念的人工智能課程建設

王 艷

（北京物資學院 信息學院 , 北京 101149）

0 引言

近年來，隨著深度學習、大數(shù)據(jù)等支撐人工智能的關(guān)鍵技術(shù)得以突破，人工智能以前所未有的速度與態(tài)勢迅猛發(fā)展，其應用逐步滲透到人類生活的很多領(lǐng)域。2017年7月20日國務院發(fā)布的《關(guān)于新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[1]更是將人工智能提升到國家戰(zhàn)略的高度；10月，人工智能被寫進黨的十九大報告。同時，生物芯片、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、自動駕駛、情感機器人等高端事物的層出不窮，人類已迎來了弱人工智能向強人工智能轉(zhuǎn)變的新時代[2]。在這種時代背景下，社會發(fā)展急需人工智能領(lǐng)域的人才，而現(xiàn)實卻是具備人工智能理念與技術(shù)的綜合應用型人才的稀缺。

人工智能教學不僅僅要從計算機專業(yè)的角度去教授學生人工智能的理論知識，培養(yǎng)學生開發(fā)智能系統(tǒng)的能力，讓學生具備“立地”的能力，更要結(jié)合時代背景，培養(yǎng)學生的智能情感與態(tài)度及智能倫理于一體的智能素養(yǎng)，同時讓學生開拓廣闊的國際視野，清晰領(lǐng)域前沿，能夠獨立思考，具有自覺利用智能理論及技術(shù)解決實際問題的意識與能力，發(fā)展學生“頂天”的潛力。因此，將“立地頂天”教學理念融入人工智能課程建設的實踐中具有重要的理論意義與實用價值。

1 人工智能課程建設發(fā)展現(xiàn)狀

教育部2018年4月制定了《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》[3]，明確提出要“支持高校在計算機科學與技術(shù)學科設置人工智能學科方向，推進人工智能領(lǐng)域一級學科建設”“加大人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)力度”。在此背景下，對于人工智能教育的思考與教學模式的探究進入了一個嶄新階段，許多專家學者對人工智能教育提出了思考[4-6]，為高等教育中的人工智能專業(yè)建設提出了很多嶄新的觀點[7-9]，這些思考與觀點引領(lǐng)了我國高校人工智能教育的方向，促進了高校人工智能教育的發(fā)展。同時在此背景下涌現(xiàn)出一批對人工智能課程創(chuàng)新的探討與實踐[10-12]，這些項目的研究有的是從教學大綱入手，研究如何設置和編排教學內(nèi)容，能夠讓學生更好地掌握和理解人工智能的基本原理及相關(guān)技術(shù)；有的研究是通過翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，主要以人類的多元智能為參照，從多元智能空間結(jié)構(gòu)的技術(shù)實現(xiàn)程度、時序結(jié)構(gòu)的技術(shù)框架達成度等方面來分析人工智能的研究現(xiàn)狀及未來的發(fā)展趨勢。

誠然，這些課題或項目的研究在一定程度上大大促進了人工智能教育，但在某種程度上凸顯出一些弊端。作為高校本科學生，他們將是我國高端應用型人才的主要來源，在人工智能迅速滲透到人們工作、生活各個領(lǐng)域的背景下，人類要想在這個時代中生存、發(fā)展就必須具備掌控甚至超越這個時代的基本素養(yǎng)，因此探索一種高效易行的人工智能課程的教學模式勢在必行。

綜上所述，本科院校人工智能課程的建設要綜合考慮學生的學情、學生的興趣、學生未來發(fā)展相關(guān)智能素養(yǎng)的培養(yǎng)[13]，既要教授學生人工智能的基本原理、基本方法及技術(shù)，又要開拓學生對人工智能及其發(fā)展的視野與認識，具備運用所學知識自主規(guī)避人工智能風險的能力。因此“立地頂天”的教學理念適合普通本科院校教育。

2 基于“立地頂天”教學理念的人工智能課程建設

2.1 精選教學內(nèi)容

人工智能的基本理論包括狀態(tài)空間圖的搜索技術(shù)，與或圖搜索及博弈樹，謂詞邏輯及歸結(jié)原理，知識表示，機器學習，智能計算等內(nèi)容。以上教學內(nèi)容是人工智能理論與技術(shù)的基本理論，為人工智能深入研究夯實基礎，無法再進行刪減。作為專業(yè)選修課，人工智能課程是32-48學時，對于教學內(nèi)容應根據(jù)學情精心設計，否則不但無法在指定時間內(nèi)完成既定的教學內(nèi)容，而且學生會感受到學習過程枯燥無味，缺乏興趣。上述教學內(nèi)容中，狀態(tài)空間圖的搜索較為簡單，主要介紹深度優(yōu)先與廣度優(yōu)先搜索策略及部分啟發(fā)式搜索算法，考慮到研究生的學習能力一般較強，這部分可以課堂簡單介紹，主要通過引導學生課下設計具體案例及解決方案深入理解并掌握。但搜索算法中的A*算法是人工智能領(lǐng)域中的一個具有可納性的基本的啟發(fā)式搜索算法，是今后人工智能算法開發(fā)的基礎，需要課堂著重講解并給出學生相應的具體案例，讓其運用所學知識解決。與或圖及博弈樹是人工智能領(lǐng)域中的重要基礎，這部分內(nèi)容在解決實際問題及競技對弈類游戲中有廣泛應用，因此需要著重講授。但考慮到課時限制，可以通過引導學生課后分組完成類似于跳棋、五子棋等簡單棋類游戲的開發(fā)來加強學生對理論的理解及增強學生學習興趣。謂詞邏輯及歸結(jié)原理大部分內(nèi)容在人工智能的選修課程——離散數(shù)學的數(shù)理邏輯部分有所介紹，但對于有些學校計算機專業(yè)學生而言，由于沒有開設離散數(shù)學課程，所以不能省略，可以通過課上講解理論、課下完成趣味推理或刑偵判斷等類似案例的方式加強學生對理論的理解與提升運用理論解決實際問題的能力。知識表示是知識工程和自然語言理解的基礎，考慮到學生不同的研究方向，這部分只介紹比較常用的產(chǎn)生式系統(tǒng)、語義網(wǎng)絡、框架等知識表示方法。機器學習是當前人工智能領(lǐng)域一個比較熱門的研究方向，可能會成為一部分學生將來的研究課題，因此需要著重將機器學習部分的基本框架及幾種常用的機器學習的思想講授。同樣，計算智能也是當前的一個研究熱門，要著重將幾種常用的算法思想向?qū)W生講授。為了避免理論性過強，后面這幾部分教學內(nèi)容需要精選案例，讓學生在課下實踐中掌握相關(guān)方法與技能。

2.2 “立地”教學理念下案例設計

人工智能的基本理論和技術(shù)是培養(yǎng)具有智能素養(yǎng)的應用型人才的基礎，但僅僅通過課堂講授不僅由于課時限制而無法完成相應教學內(nèi)容，而且學生學起來也非?？菰锓ξ叮鼰o法真正將所學知識融入具體的應用中，因此在確保教學內(nèi)容“立地”的前提下實用性、趣味性、代表性較強的案例設計必不可少。根據(jù)各章節(jié)內(nèi)容，需要設計課堂案例，以促進學生對所學知識和技術(shù)的理解與掌握，同時為了密切配合課堂所講內(nèi)容，充分利用課余時間，引導學生課下自己設計或以分組模式完成課下案例，以加強對所學知識的復習與鞏固，并熟悉人工智能知識與技術(shù)的實際應用場景。

人工智能課程教學內(nèi)容課堂及課下案例如表1所示。

表1 人工智能各章節(jié)所選案例

2.3 “頂天”教學理念下多元化教學模式實踐研究

僅僅掌握了人工智能的基本理論及技術(shù)對于當代研究生而言是遠遠不夠的，高校畢業(yè)生是我國高端應用型人才的主要來源，應清晰領(lǐng)域前沿，具有廣闊國際視野，能夠獨立思考，具有自覺利用智能理論及技術(shù)解決實際問題且具有較高的智能素養(yǎng)。因此，在傳授人工智能基本理論及技術(shù)的同時，必須讓學生緊跟時代節(jié)奏，清晰明確人工智能的發(fā)展及瓶頸。這樣，需要挑選一些與人工智能技術(shù)相關(guān)的案例或觀點，通過討論、辯論、翻轉(zhuǎn)課堂等教學模式進行交流，促進學生對人工智能技術(shù)及發(fā)展的認識，提高學生學習興趣。同時可以引導和組織學生積極參與世界機器人大會等人工智能相關(guān)的展會實習，不但能夠使學生開闊視野，同時還能增強學生學習的成就感，明確學習人工智能的方向。前期的教學經(jīng)歷表明，探究式、討論式、寫作式等合適的多元化教學模式能夠大大提高學生學習及探究的興趣，明顯提升教學效果。

2.4 多元化過程性考核設計

過程性考核是對學生所學知識的檢驗，也是對教師教學模式及教學過程的檢驗?！傲⒌仨斕臁苯虒W理念下的人工智能課程主要讓學生通過理解與掌握人工智能的基本理論及相關(guān)技術(shù)，能夠自覺利用所學知識解決實際問題，并具有國際視野。在過程性考核中，學生平時所掌握的知識、技能必須能夠得以體現(xiàn)，因此可以采用期末與平時成績相結(jié)合的方式，期末考試采用開卷形式，考試題目與平時課堂及課下案例類似，只有掌握了相關(guān)理論與技術(shù)才能靈活運用解決問題。同時為了體現(xiàn)平時學習效果，將“頂天”理念下的相關(guān)話題讓學生分組或獨立以論文形式完成，突出本組或自己的思想，同時讓學生在論文撰寫技巧及規(guī)范上得以提升，培養(yǎng)學生與他人合作的工作作風。對于平時任務完成較好的小組或個人，給予一定的獎勵。

3 結(jié)語

總體上“立地頂天”教學理念下的人工智能課程建設取得了一定成果，通過精選教學內(nèi)容，精心設計教學案例，實踐多元化教學模式，完善多元化過程性考核評價體系等教學手段，使得不同層次的學生在課時非常有限的狀態(tài)下均有不同的收獲，符合既定的課程目標，讓學生了解和掌握了人工智能的基本技術(shù)、基本原理及發(fā)展趨勢，并將在他們今后的工作中有所應用。除此之外，由于這門課程具有融合多門學科知識的特征，使得部分學生對人工智能相關(guān)應用領(lǐng)域的知識產(chǎn)生了濃厚的興趣，開闊了學生的就業(yè)前景。

今后，要進一步精化教學內(nèi)容，努力提升教學案例的趣味性及實用性，以增強學生的學習興趣，從而愿意在課下拿出更多的時間學習和研究人工智能的相關(guān)知識，密切關(guān)注人工智能的發(fā)展勢態(tài)，為今后學生的工作或?qū)W習儲備更多的知識與技能，為我國科技發(fā)展輸送高水平的應用型人才。