卓越項(xiàng)目管理體系賦能的人工智能教學(xué)改革

馬 超，石小川，張 典

（武漢大學(xué)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，湖北武漢 430072）

0 引言

隨著科技不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)不斷提升，由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。人工智能是計(jì)算機(jī)類專業(yè)新興的一門重要課程［1］，它是自然科學(xué)領(lǐng)域多學(xué)科交叉的綜合學(xué)科，涉及機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論等［2］，需要使用的知識(shí)包括計(jì)算機(jī)科學(xué)、類腦科學(xué)、數(shù)學(xué)、決策等。其前導(dǎo)課程不僅包括高等數(shù)學(xué)、離散數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、C 語(yǔ)言程學(xué)設(shè)計(jì)等傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)類基礎(chǔ)課程，其學(xué)習(xí)還需要掌握一定的泛函分析知識(shí)。由此可見，人工智能課程涉及的內(nèi)容非常廣泛，是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，有許多尚待解決的問(wèn)題需要研究和探討，并具有一定挑戰(zhàn)性［3］。此外，開設(shè)該課程可有效加強(qiáng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力，鍛煉和提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，為學(xué)生將來(lái)所從事的科學(xué)研究工作打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。

人工智能是一門飛速發(fā)展的新學(xué)科，發(fā)展歷史并不久遠(yuǎn)，受到當(dāng)前時(shí)代技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)，許多新的思想、技術(shù)、方法和應(yīng)用層出不窮。因此，對(duì)高等院校人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式更新提出了更高要求。新興學(xué)科的高速發(fā)展，既帶來(lái)了極大機(jī)遇，又伴隨著巨大挑戰(zhàn)，如果最新的研究領(lǐng)域和最熱門的研究方向得不到及時(shí)體現(xiàn)，不僅會(huì)降低學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的興趣，還會(huì)導(dǎo)致課程教學(xué)與社會(huì)需求相互脫節(jié)。從發(fā)展的角度而言，未來(lái)是學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度融合的社會(huì)，無(wú)論工作還是生活中涉及的知識(shí)面都十分廣泛，其中在人工智能領(lǐng)域?qū)?huì)體現(xiàn)得更加明顯。未來(lái)人工智能領(lǐng)域急需高質(zhì)量復(fù)合型人才，需要將不同學(xué)科、不同領(lǐng)域之間的異質(zhì)性知識(shí)與技術(shù)相互融合，因此給人工智能課程的教學(xué)工作提出了更高要求［4］。如何更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，設(shè)計(jì)良好的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及培養(yǎng)模式，一直以來(lái)都是值得思考的問(wèn)題。一方面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，更新緩慢，無(wú)法反映學(xué)科目前的發(fā)展；另一方面，部分學(xué)校甚至沒(méi)有為該課程安排相配套的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致教師重理論而輕實(shí)踐，學(xué)生對(duì)該課程缺少直觀的感受和實(shí)踐參與，不利于培養(yǎng)動(dòng)手能力。

傳統(tǒng)的人工智能實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)，主要偏重于單個(gè)具體模型或算法的設(shè)計(jì)及底層實(shí)現(xiàn)。但經(jīng)過(guò)教學(xué)診斷反饋，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際操作過(guò)程中，部分學(xué)生往往沒(méi)有明確的項(xiàng)目目標(biāo)，主觀能動(dòng)性不強(qiáng)，在分組后嚴(yán)重依賴動(dòng)手能力強(qiáng)的隊(duì)友，即使團(tuán)隊(duì)完成了很多實(shí)驗(yàn)，自身也體驗(yàn)不高。教師也陷于兩難的境地：一方面認(rèn)為預(yù)定的目標(biāo)低估了部分學(xué)生的潛力，忽略了優(yōu)秀學(xué)生的培養(yǎng)；另一方面，大部分學(xué)生自我解決問(wèn)題的能力較弱，遇到問(wèn)題容易退縮。一個(gè)項(xiàng)目組的項(xiàng)目往往主要由個(gè)別隊(duì)員完成，項(xiàng)目的質(zhì)量無(wú)法保證，教師缺少有效的監(jiān)控和管理手段，無(wú)法高質(zhì)量地培養(yǎng)學(xué)生。在很多情況下，教師的管理手段還有待改善，學(xué)生的潛力仍有待提高。因此，有必要針對(duì)人工智能實(shí)驗(yàn)課程中存在的問(wèn)題，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和組織形式兩個(gè)方面進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。

1 卓越項(xiàng)目管理體系的導(dǎo)入

卓越項(xiàng)目管理體系是一套完整的項(xiàng)目管理體系［5］，來(lái)自于現(xiàn)代“管理學(xué)之父”彼得·德魯克提出的管理思想，其中包含戰(zhàn)略目標(biāo)系統(tǒng)、目標(biāo)分解系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)、激勵(lì)系統(tǒng)和支持系統(tǒng)五大部分。2009 年教育部制定了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，并將該計(jì)劃列入《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革發(fā)展計(jì)劃綱要》，目標(biāo)是教育培養(yǎng)大量創(chuàng)新能力強(qiáng)、能夠適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的高質(zhì)量的工程技術(shù)方面人才?！白吭焦こ處煛迸囵B(yǎng)方案架構(gòu)如圖1 所示。

Fig.1 Training program architecture of“outstanding engineers”圖1 “卓越工程師”培養(yǎng)方案架構(gòu)

如圖2 所示，卓越項(xiàng)目管理體系課程由多個(gè)項(xiàng)目組成，是典型的以項(xiàng)目為主導(dǎo)的體系。項(xiàng)目以實(shí)現(xiàn)客戶需求為目標(biāo)，通過(guò)需求概要和項(xiàng)目計(jì)劃將目標(biāo)分解，結(jié)合敏捷開發(fā)模式進(jìn)行過(guò)程管理。項(xiàng)目是課程的基石，一切教學(xué)活動(dòng)都是圍繞著項(xiàng)目管理而展開，因此項(xiàng)目管理的作用至關(guān)重要。卓越項(xiàng)目管理體系課程最早由IBM 公司運(yùn)用于IT 行業(yè)，我國(guó)華為和搜狐暢游都是該體系的受益者。項(xiàng)目管理的重難點(diǎn)不在于成功地完成一個(gè)項(xiàng)目，而在于如何讓老師和學(xué)生們共同進(jìn)步，建立一個(gè)優(yōu)秀的項(xiàng)目管理模式。因此，將在IT 企業(yè)中普遍適用的卓越項(xiàng)目管理體系導(dǎo)入人工智能課程教學(xué)，幫助培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、執(zhí)行能力及團(tuán)隊(duì)精神［6］。同時(shí)，針對(duì)企業(yè)的實(shí)際需求，按照校企聯(lián)合模式，共同制定和實(shí)施培養(yǎng)方案，成立專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)，由企業(yè)領(lǐng)域?qū)＜摇W(xué)校專業(yè)負(fù)責(zé)人、教授組成，負(fù)責(zé)申請(qǐng)培養(yǎng)方案、指導(dǎo)培養(yǎng)模式和確定課程內(nèi)容體系。與企業(yè)共建實(shí)踐教學(xué)模塊，為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)實(shí)際操作性強(qiáng)的培養(yǎng)模式，讓學(xué)生能夠在各種不同的真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐，也在此過(guò)程中了解真實(shí)的企業(yè)需求與項(xiàng)目管理的工作流程。

Fig.2 System architecture of“outstanding project management”圖2 “卓越項(xiàng)目管理”體系架構(gòu)

2 卓越項(xiàng)目管理體系中項(xiàng)目角色在人工智能課程教學(xué)中的轉(zhuǎn)換

在互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)卓越項(xiàng)目管理體系中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)包括多個(gè)不同的角色劃分［7］，主要包括：項(xiàng)目總監(jiān)、項(xiàng)目經(jīng)理、程序員、質(zhì)量保證員與項(xiàng)目總監(jiān)。因此，在人工智能課程教學(xué)中需要對(duì)上述角色劃分進(jìn)行對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換。一般而言，角色轉(zhuǎn)化關(guān)系為：項(xiàng)目總監(jiān)—任課教師、項(xiàng)目經(jīng)理—組長(zhǎng)、程序員—小組成員、質(zhì)量保證員—小組成員。各角色具體負(fù)責(zé)的工作內(nèi)容如下所述。

（1）項(xiàng)目總監(jiān)—任課教師。任課教師作為整個(gè)項(xiàng)目的發(fā)起者和監(jiān)督者，需要從項(xiàng)目立項(xiàng)、需求匯集、開發(fā)規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析、系統(tǒng)開發(fā)與測(cè)試、答辯驗(yàn)收等諸多環(huán)節(jié)中時(shí)刻與組長(zhǎng)保持溝通，及時(shí)發(fā)現(xiàn)阻礙項(xiàng)目推進(jìn)的問(wèn)題并解決。

（2）項(xiàng)目經(jīng)理—項(xiàng)目組組長(zhǎng)。項(xiàng)目組組長(zhǎng)作為整個(gè)項(xiàng)目具體推進(jìn)的實(shí)際負(fù)責(zé)人，需要定期向任課教師匯報(bào)項(xiàng)目進(jìn)展及存在的問(wèn)題，同時(shí)組織項(xiàng)目組成員開展定期討論以保質(zhì)保量地完成項(xiàng)目計(jì)劃。

（3）程序員—項(xiàng)目組成員。作為人工智能課程教學(xué)實(shí)踐的重要一環(huán)，系統(tǒng)開發(fā)工作由項(xiàng)目組所有成員按照開發(fā)計(jì)劃以功能模塊為單位落實(shí)到每個(gè)人，進(jìn)行功能開發(fā)和性能調(diào)優(yōu)。

（4）質(zhì)量保證員-項(xiàng)目組成員。除了完成功能模塊開發(fā)外，項(xiàng)目組成員還必須盡力保障所開發(fā)功能模塊的質(zhì)量。具體的質(zhì)量保證手段包括但不限于：?jiǎn)卧獪y(cè)試、集成測(cè)試、魯棒性測(cè)試、性能測(cè)試等。

3 導(dǎo)入卓越項(xiàng)目管理體系的人工智能課程教學(xué)過(guò)程建構(gòu)

人工智能課程涉及的教學(xué)內(nèi)容較多，知識(shí)點(diǎn)之間關(guān)系復(fù)雜，國(guó)內(nèi)原創(chuàng)性的教材并不多，大多是以翻譯國(guó)外早期教材為主，內(nèi)容側(cè)重于講述基本概念、經(jīng)典算法和應(yīng)用，內(nèi)容枯燥無(wú)味，并且與當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用相互脫節(jié)。因此，在教授學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)外，還應(yīng)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)［8］。雖然近年來(lái)，很多高校針對(duì)人工智能教學(xué)的規(guī)劃與探討層出不窮［9］，并設(shè)立了人工智能專業(yè)［10］，但仍然在理論結(jié)合實(shí)踐的銜接環(huán)節(jié)存在不足之處［11］。

首先，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要集中在解空間/狀態(tài)空間搜索等類型的模型和算法的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，針對(duì)近年來(lái)較前沿的模型和任務(wù)（如：深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)、表征學(xué)習(xí)等）相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為缺乏的情況，要結(jié)合當(dāng)前人工智能模型和算法研究的前沿?zé)狳c(diǎn)與從事人工智能業(yè)務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的實(shí)際需求，選取部分具有代表性的模型和算法對(duì)現(xiàn)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行更新［12］。

將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置為開放式、可選擇的項(xiàng)目形式，各項(xiàng)目小組選擇自身感興趣的項(xiàng)目題材。并針對(duì)所選題材進(jìn)行討論，了解所用模型和算法的原理、功能，根據(jù)項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)模塊，該過(guò)程可視為項(xiàng)目的立項(xiàng)過(guò)程。學(xué)生參與了從選題到討論，再到原理學(xué)習(xí)和應(yīng)用了解，最后到需求分析與目標(biāo)確定的每個(gè)環(huán)節(jié)，因此對(duì)于項(xiàng)目的了解程度和目標(biāo)有著更明確的認(rèn)識(shí)［13-14］，這也是與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課的區(qū)別所在。在完成項(xiàng)目立項(xiàng)工作后，由任課教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)充分考慮學(xué)生在項(xiàng)目中工作的參與度、創(chuàng)意性、可行性、完整性等技術(shù)性環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，分別進(jìn)行評(píng)分并給出反饋意見，項(xiàng)目組根據(jù)評(píng)審報(bào)告意見進(jìn)行修改，未通過(guò)評(píng)審的項(xiàng)目組需重新再審。

其次，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課組織形式多采用一人一模型或算法的方式，該方式不利于學(xué)生理解具體模型或算法在不同場(chǎng)景下的適用度。因此，應(yīng)考慮在控制實(shí)驗(yàn)難度的前提下，適當(dāng)要求每一位學(xué)生在多個(gè)場(chǎng)景（如：不同數(shù)據(jù)集）下嘗試實(shí)現(xiàn)并對(duì)比不同模型或算法的表現(xiàn)，由此進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生理解不同類型的模型或算法在不同場(chǎng)景下的適用度。

結(jié)合卓越項(xiàng)目管理體系，在人工智能課程教學(xué)過(guò)程中采用項(xiàng)目導(dǎo)向的方式引導(dǎo)學(xué)生將課堂上所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中［15］，從而進(jìn)一步提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。具體而言，以24 個(gè)學(xué)時(shí)的教學(xué)安排為例，可依照以下步驟進(jìn)行。

（1）項(xiàng)目立項(xiàng)（2 學(xué)時(shí)）。撰寫項(xiàng)目立項(xiàng)含義、原型開發(fā)以及可交付成果形式的《項(xiàng)目立項(xiàng)說(shuō)明書》；安排各小組召開項(xiàng)目小組會(huì)議，在《項(xiàng)目立項(xiàng)說(shuō)明書》中確定所選項(xiàng)目并將項(xiàng)目任務(wù)分配落實(shí)到每一位小組成員。

（2）項(xiàng)目需求匯集（3 學(xué)時(shí)）。首先由任課教師講解需求管理的含義和需求規(guī)格說(shuō)明書的定義與結(jié)構(gòu)，其中重點(diǎn)介紹功能性需求、非功能性需求、需求分級(jí)管理等；其次，各小組依據(jù)《項(xiàng)目立項(xiàng)說(shuō)明書》討論后完成對(duì)應(yīng)的《需求規(guī)格說(shuō)明書》。

（3）項(xiàng)目開發(fā)規(guī)劃（2 學(xué)時(shí)）。項(xiàng)目開發(fā)規(guī)劃過(guò)程是了解項(xiàng)目需求后，制定項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)行計(jì)劃，計(jì)劃內(nèi)容包括工作周期、分組計(jì)劃、編碼計(jì)劃和測(cè)試計(jì)劃。在項(xiàng)目計(jì)劃過(guò)程中，需要編寫《項(xiàng)目開發(fā)計(jì)劃表》。

（4）系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)（3 學(xué)時(shí)）?；凇缎枨笠?guī)格說(shuō)明書》對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的總體架構(gòu)、模塊劃分、功能/性能列表進(jìn)行可行性分析與設(shè)計(jì)，同時(shí)形成包括工作計(jì)劃、人員分工、編碼規(guī)范和測(cè)試計(jì)劃在內(nèi)的項(xiàng)目開發(fā)計(jì)劃，從而最終形成《系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書》。

（5）系統(tǒng)開發(fā)與測(cè)試（12 學(xué)時(shí)）。系統(tǒng)開發(fā)與測(cè)試過(guò)程以《系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書》為指導(dǎo)，任課教師需要對(duì)照《項(xiàng)目開發(fā)計(jì)劃表》定時(shí)檢查系統(tǒng)編碼（模塊和功能）和測(cè)試（功能測(cè)試與性能測(cè)試）任務(wù)的進(jìn)度；若在項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程中遇到問(wèn)題和困難，需要及時(shí)協(xié)調(diào)小組成員安排技術(shù)討論，群策群力解決問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中提升自身專業(yè)技能的運(yùn)用能力；當(dāng)系統(tǒng)開發(fā)與測(cè)試工作完成后，需要形成《系統(tǒng)開發(fā)與測(cè)試文檔》。

（6）項(xiàng)目答辯驗(yàn)收（2 學(xué)時(shí)）。完成上述工作后，各項(xiàng)目組應(yīng)準(zhǔn)備幻燈片對(duì)所完成的項(xiàng)目進(jìn)行全方位的介紹，講述內(nèi)容包括但不限于：小組情況、項(xiàng)目動(dòng)機(jī)、系統(tǒng)架構(gòu)、模塊組織、關(guān)鍵代碼、運(yùn)行效果、經(jīng)驗(yàn)收獲、總結(jié)致謝等內(nèi)容；項(xiàng)目評(píng)委需結(jié)合項(xiàng)目文檔及現(xiàn)場(chǎng)答辯表現(xiàn)對(duì)小組成員進(jìn)行綜合評(píng)分，并形成《項(xiàng)目驗(yàn)收?qǐng)?bào)告》存檔；項(xiàng)目答辯通過(guò)后，項(xiàng)目小組成員需要撰寫《項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告》并錄入項(xiàng)目庫(kù)以備下一屆學(xué)生參考、學(xué)習(xí)。

為了驗(yàn)證在人工智能課程教學(xué)中引入卓越項(xiàng)目管理體系的實(shí)際效果，本文以本專業(yè)2018 級(jí)、2019 級(jí)和2020 級(jí)人工智能課程學(xué)生期末成績(jī)作為分析依據(jù)。2018 級(jí)和2019 級(jí)人工智能課程仍采取教師課堂授課的方式，而2020級(jí)人工智能課程中不僅包含了課程授課方式還引入了基于前述卓越項(xiàng)目管理體系的實(shí)踐教學(xué)方式。圖3 為2018級(jí)、2019 級(jí)和2020 級(jí)人工智能課程平時(shí)作業(yè)按照主題劃分的平均得分情況。圖4 為2018 級(jí)、2019 級(jí)和2020 級(jí)人工智能課程期末考試按照主題劃分的平均得分率情況（考慮三次期末試卷各主題絕對(duì)總分不一致，故采用平均得分率進(jìn)行對(duì)比分析）。從圖3-圖4 的對(duì)比分析中可見，在所有人工智能教學(xué)主題上，2018 級(jí)和2019 級(jí)學(xué)生的教學(xué)效果相差不大，而2020 級(jí)無(wú)論是在平時(shí)作業(yè)平均得分還是期末考試平均得分率上均有顯著提升。這充分說(shuō)明在人工智能課程教學(xué)中，通過(guò)導(dǎo)入卓越項(xiàng)目管理體系可有效加強(qiáng)學(xué)生對(duì)各類人工智能概念的理解。由此，可證實(shí)在人工智能課程中引入卓越項(xiàng)目管理體系是卓有成效的。

Fig.3 Analysis on artificial intelligence homeworks圖3 人工智能課程平時(shí)作業(yè)分析

Fig.4 Analysis on artificial intelligence final exams圖4 人工智能課程期末考試分析

4 結(jié)語(yǔ)

本文以提高大學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力為導(dǎo)向，以培養(yǎng)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)高質(zhì)量復(fù)合型人才、創(chuàng)新型人才為宗旨［16-17］，對(duì)新形勢(shì)下人工智能實(shí)驗(yàn)課程的改革需求進(jìn)行了深入研究和分析，提出了具有針對(duì)性的教學(xué)改革建議和意見，積極開展研究型、創(chuàng)新型教學(xué)探索。本文對(duì)人工智能課程的特點(diǎn)和存在的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并針對(duì)相關(guān)問(wèn)題提出了優(yōu)化方案，嘗試將在IT 行業(yè)中已取得巨大成功的卓越項(xiàng)目管理體系融入人工智能課程教學(xué)中，改進(jìn)教學(xué)模式，豐富教學(xué)手段和方法，并借助現(xiàn)代化的教學(xué)資源，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，從而取得良好的教學(xué)效果。誠(chéng)然，教學(xué)改革是個(gè)永恒的課題，改革一直在路上，沒(méi)有終點(diǎn)。本文方案仍然存在著一些不足之處，今后仍需不懈努力，不斷完善人工智能課程的建設(shè)，以更好地為國(guó)家培養(yǎng)高素質(zhì)的相關(guān)專業(yè)人才。